Methodische Unter- Suchung Und Ganzheitliche Potentialbewertung
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Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart Lea Schwarz Methodische Unter- suchung und ganzheitliche Potentialbewertung zukünftiger Antriebs- systeme zur CO2-Neutralität im Rennsport Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart Reihe herausgegeben von Michael Bargende, Stuttgart, Deutschland Hans-Christian Reuss, Stuttgart, Deutschland Jochen Wiedemann, Stuttgart, Deutschland Das Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen (IVK) an der Univer- sität Stuttgart erforscht, entwickelt, appliziert und erprobt, in enger Zusammenar- beit mit der Industrie, Elemente bzw. Technologien aus dem Bereich moderner Fahrzeugkonzepte. Das Institut gliedert sich in die drei Bereiche Kraftfahrwe- sen, Fahrzeugantriebe und Kraftfahrzeug-Mechatronik. Aufgabe dieser Bereiche ist die Ausarbeitung des Themengebietes im Prüfstandsbetrieb, in Theorie und Simulation. Schwerpunkte des Kraftfahrwesens sind hierbei die Aerodynamik, Akustik (NVH), Fahrdynamik und Fahrermodellierung, Leichtbau, Sicherheit, Kraftübertragung sowie Energie und Thermomanagement – auch in Verbindung mit hybriden und batterieelektrischen Fahrzeugkonzepten. Der Bereich Fahrzeug- antriebe widmet sich den Themen Brennverfahrensentwicklung einschließlich Regelungs- und Steuerungskonzeptionen bei zugleich minimierten Emissionen, komplexe Abgasnachbehandlung, Aufadesysteme und -strategien, Hybridsysteme und Betriebsstrategien sowie mechanisch-akustischen Fragestellungen. The- men der Kraftfahrzeug-Mechatronik sind die Antriebsstrangregelung/Hybride, Elektromobilität, Bordnetz und Energiemanagement, Funktions- und Software- entwicklung sowie Test und Diagnose. Die Erfüllung dieser Aufgaben wird prüf- standsseitig neben vielem anderen unterstützt durch 19 Motorenprüfstände, zwei Rollenprüfstände, einen 1:1-Fahrsimulator, einen Antriebsstrangprüfstand, einen Thermowindkanal sowie einen 1:1-Aeroakustikwindkanal. Die wissenschaftliche Reihe „Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart“ präsentiert über die am Institut ent- standenen Promotionen die hervorragenden Arbeitsergebnisse der Forschungstä- tigkeiten am IVK. Reihe herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende Prof. Dr.-Ing. Hans-Christian Reuss Lehrstuhl Fahrzeugantriebe Lehrstuhl Kraftfahrzeugmechatronik Institut für Verbrennungsmotoren und Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart Stuttgart, Deutschland Stuttgart, Deutschland Prof. Dr.-Ing. Jochen Wiedemann Lehrstuhl Kraftfahrwesen Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart Stuttgart, Deutschland Weitere Bände in der Reihe http://www.springer.com/series/13535 Lea Schwarz Methodische Unter- suchung und ganzheitliche Potentialbewertung zukünftiger Antriebs- systeme zur CO2- Neutralität im Rennsport Lea Schwarz IVK, Fakultät 7, Lehrstuhl für Fahrzeugantriebe Universität Stuttgart Stuttgart, Deutschland Zugl.: Dissertation Universität Stuttgart, 2019 D93 ISSN 2567-0042 ISSN 2567-0352 (electronic) Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart ISBN 978-3-658-28084-0 ISBN 978-3-658-28085-7 (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-658-28085-7 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen National- bibliografe; detaillierte bibliografsche Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg © Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2019 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverflmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von allgemein beschreibenden Bezeichnungen, Marken, Unternehmensnamen etc. in diesem Werk bedeutet nicht, dass diese frei durch jedermann benutzt werden dürfen. Die Berechtigung zur Benutzung unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen Zeicheninhabers sind zu beachten. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informa- tionen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag, noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografsche Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Springer Vieweg ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH und ist ein Teil von Springer Nature. Die Anschrift der Gesellschaft ist: Abraham-Lincoln-Str. 46, 65189 Wiesbaden, Germany Vorwort Die vorliegende Dissertation entstand im Rahmen eines HIN (Hochschulinsti- tute Neckarsulm) Kooperationsprojektes am Institut für Verbrennungsmoto- ren und Kraftfahrwesen (IVK) der Universität Stuttgart in enger Zusammen- arbeit mit Audi Motorsport. Mein besonderer Dank gilt meinem Doktorvater Herrn Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende für die wissenschaftliche und persön- liche Betreuung. Für die Übernahme des Koreferats danke ich Herrn Prof. em. Dr.-Ing. Günter Hohenberg. Besonders bedanken möchte ich mich bei allen Kollegen von Audi Motorsport in Neckarsulm und in Neuburg a. D. für die fachliche Unterstützung, das Inte- resse an diesem Projekt und die großartige Zusammenarbeit. Insbesondere gilt mein Dank Herrn Ulrich Baretzky, Herrn Wolfgang Kotauschek und Herrn Stefan Dreyer für die Chance dieses spannende Projekt im Motorsportumfeld realisieren zu dürfen sowie für die außerordentliche Unterstützung und das entgegengebrachte Vertrauen. Für die Projektinitiierung danke ich zudem Dr.- Ing. Johannes Dawidziak sowie für die Betreuung Dr.-Ing. Florian Bach. Des Weiteren möchte ich allen Kollegen der AUDI AG danken, die mich während dieser Zeit fachlich und persönlich unterstützt haben. Mein herzlicher Dank gilt hier insbesondere Dr. René van Doorn und Juliane Seipt für die umfang- reiche Unterstützung und die zahlreichen fachlichen Diskussionen. Zudem danke ich Meike, Maike und Caro für den gemeinsamen Weg zur Promotion. Ein herzliches Dankeschön geht an Dr.-Ing. Sebastian Wohlgemuth für seine unermüdliche und wertvolle Unterstützung sowie die zahlreichen bereichern- den fachlichen und überfachlichen Gespräche, die maßgeblich zum Gelingen dieser Dissertation beigetragen haben. Mein herzlichster Dank gilt Simon Mal- cher für den gemeinsamen fachlichen und persönlichen Weg, für das stetige Herausfordern, das Motivieren, das Unterstützten sowie den unschätzbar wert- vollen Beitrag zu meiner fachlichen und überfachlichen Entwicklung. Abschließend möchte ich mich von ganzem Herzen bei meinen Eltern Manfred und Petra, meiner Schwester Julia sowie meinen Freunden bedanken, die mich während dieser Zeit begleitet und unermüdlich unterstützt haben. Danke für die Motivation, den Rückhalt und euer Verständnis. Lea Schwarz Inhaltsverzeichnis Vorwort ........................................................................................... V Abbildungsverzeichnis ................................................................... XI Tabellenverzeichnis ..................................................................... XV Abkürzungsverzeichnis ............................................................... XIX Symbolverzeichnis ...................................................................... XXI Zusammenfassung ..................................................................... XXV Abstract ................................................................................... XXVII 1 Einleitung ................................................................................. 1 2 Technische Betrachtung .......................................................... 5 2.1 Vorauswahl von Energieträgern und Antriebssystemen ................ 5 2.1.1 Methodik zur Vorauswahl ................................................. 5 2.1.2 Vorauswahl der Antriebssysteme ...................................... 7 2.1.3 Vorauswahl der Energieträger ......................................... 10 2.2 Eigenschaften flüssiger und gasförmiger Kraftstoffe .................. 13 2.2.1 Kraftstoffe für Ottobrennverfahren ................................. 19 2.2.2 Kraftstoffe für Dieselbrennverfahren .............................. 21 2.3 Einflussfaktoren auf Gesamtfahrzeugebene ................................. 22 2.4 Grundlagen, Konzeptionierung und Auslegung der Antriebskonzepte ......................................................................... 25 2.4.1 Elektrisches System für hybride und elektrische Langstreckenrennfahrzeuge ............................................ 27 2.4.2 Hybridkonzept mit Verbrennungsmotor und flüssigem Kraftstoff ........................................................ 37 2.4.3 Hybridkonzept mit Verbrennungsmotor und gasförmigem Kraftstoff ................................................... 40 VIII Inhaltsverzeichnis 2.4.4 Brennstoffzellenkonzept ................................................. 47 2.4.5 Batterieelektrisches Konzept ........................................... 84 2.5 Methodik zur technischen Bewertung .......................................... 86 2.6 Technische Bewertung der Antriebskonzepte .............................. 89 3 Ökologische Betrachtung ...................................................... 93 3.1 Grundlagen