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KMA (Fach) / Skript 4&5 - Verbrennungsmotoren, Hybride Antriebe, Innovative Energiequellen (Lektion)

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• Skript 4: Der Parallel-Hybrid ermöglicht bei Fahrzeugen den energetisch sinnvollsten Einsatz der Antriebe. 4.1 Erörtern Sie die Anordnung und den Einsatz der Antriebe bei einem Parallel-Hybrid. 4.1 Anordnung und Einsatz der Antriebe bei einem Parallel-Hybrid: Bei einem Parallel-Hybrid sind Verbrennungsmotor und elektrische Maschine mechanisch mit den Antriebsrädern gekoppelt. Die beiden Antriebssysteme können jeweils einzeln, aber auch parallel für den Fahrzeugantrieb verwendet werden. Dazu verfügt das System über eine automatische Trennkupplung.
• Skript 4: Der Parallel-Hybrid ermöglicht bei Fahrzeugen den energetisch sinnvollsten Einsatz der Antriebe. 4.2 Beim Parallel-Hybrid können u.a. die Betriebsmodi Start & Stopp sowie Rekuperieren abgerufen werden. Charakterisieren Sie kurz, was unter diesen Modi jeweils verstanden wird. 4.2 Betriebsmodi Start & Stopp sowie Rekupperieren: Start & Stopp: Hält das Fahrzeug an, wird der Verbrennungsmotor sofort deaktiviert. Soll das Fahrzeug anfahren, wird der Verbrennungsmotor automatisch gestartet. Rekuperieren: Beim Bremsen oder vom Gas gehen fungiert der Elektromotor als Generator und lädt dadurch den elektrischen Energiespeicher wieder auf
• Skript 4: Der Parallel-Hybrid ermöglicht bei Fahrzeugen den energetisch sinnvollsten Einsatz der Antriebe. 4.3 Nennen Sie zwei Kriterien für die Auswahl eines Energiespeichers für ein Hybridfahrzeug. 4.3 Kriterien für die Auswahl eines Energiespeichers:  Leistungsdichte, Energiedichte, Lebensdauer, Einsatztemperaturbereicht, Sicherheit, Umweltverträglichkeit, Wirkungsgrad, spezifisches Volumen, Kosten (Andere richtige Nennungen sind zu bewerten)
• Skript 4: Die nachfolgenden Abbildungen zeigen schematisch den Arbeitszyklus eines 4-Takt-Motors. (Bild Skript 4 Seite 3). 4.1 Beschreiben Sie anhand der Abbildungen den Ablauf des 4-Takt-Verfahrens. Gehen Sie dabei auch auf die Kolbenbewegungen und Ventile ein. 4.1 Ablauf des 4-Takt-Verfahrens: Takt 1:Kolbenbewegung in Richtung UT (unter Totpunkt), Einlassventil offen, Ansaugen des Gasgemisches. Takt 2:Kolbenbewegung in Richtung OT (oberer Totpunkt), Verdichtung des Gemisches Takt 3: Kolbenbewegung in Richtung UT. Das entzündete Gasgemisch expandiert. Takt 4:Kolbenbewegung in Richtung OT. Das verbrannte Gas wird über das Auslassventil ausgeschoben.
• Skript 4: Die nachfolgenden Abbildungen zeigen schematisch den Arbeitszyklus eines 4-Takt-Motors. (Bild Skript 4 Seite 3). 4.2 Die Mehrzahl der Verbrennungsmotoren arbeiten nach dem 4-Takt-Verfahren. Nennen Sie zwei resultierende Vorteile des Verfahrens, die dieses begründen. Vorteile des 4-Takt-Verfahrens: günstiges Betriebsverhalten. Geringerer Treibstoffverbrauch und besseres Abgasverhalten als beim Zweitakter. Unempfindlich gegen Druckverluste im Auspuffsystem. Gute Möglichkeit, die Steuerzeiten der Ventile zu beeinflussen. Gute Laufruhe. Hohe Zuverlässigkeit.
• Skript 4: Ein relevanter Aspekt bei der Betrachtung von Verbrennungsmotoren ist die Ventilsteuerung. (Abb Skript 4 Seite 3). 4.1 Geben Sie an, welche Aufgabe die Ventilsteuerung bei Verbrennungsmotoren besitzt, 4.1 Aufgabe der Ventilsteuerung: Die Ventilsteuerung hat die Aufgabe, den Gaswechsel zu ermöglichen und zu steuern.
• Skript 4: Ein relevanter Aspekt bei der Betrachtung von Verbrennungsmotoren ist die Ventilsteuerung. (Abb Skript 4 Seite 3). 4.2 Benennen Sie die nebenstehend skizzierte Bauart einer Ventilsteuerung (keine Abkürzung) und beschreiben Sie diese. 4.2 Dargestellte Ventilsteuerung und deren Beschreibung: Dargestellt ist die Stoßstangensteuerung (1). Die Nockenwelle ist im Kurbelgehäuse gelagert. Über eine Stoßstange wird ein Kipphebel betätigt, der das Ventil öffnet. Dieser ermöglicht eine Übersetzung des Hubs (2).
• Skript 4: Ein relevanter Aspekt bei der Betrachtung von Verbrennungsmotoren ist die Ventilsteuerung. (Abb Skript 4 Seite 3). 4.3 Ist die dargestellte Ventilsteuerung für hochtourige Motoren geeignet? Begründen Sie Ihre Antwort. 4.3 Eignung der dargestellten Ventilsteuerung für hochtourige Motoren: Die Stoßstangensteuerung ist für hochtourige Motoren nicht geeignet (1), da durch die zusätzliche Masse der Stoßstange die Eigenfrequenz verkleinert wird bzw. niedrig ist (2).
• Skript 4: Ein relevanter Aspekt bei der Betrachtung von Verbrennungsmotoren ist die Ventilsteuerung. (Abb Skript 4 Seite 3). 4.4 Bei den verschiedenen Ventilsteuerungen können die Ventile sowohl achsparallel zum Zylinder als auch geneigt angeordnet sein. Welche Vorteile hat die geneigte Anordnung der Ventile? 4.4 Vorteil der geneigten Anordnung der Ventile: Die geneigte Anordnung der Ventile ermöglicht größere Ventildurchmesser und eine günstigere Führung der Ein- und Auslasskanäle und so eine bessere Füllung des Arbeitsraums.
• Skript 4: In Abhängigkeit von der Verbrennung bzw. der Brennraumgestaltung wird bei DIESEL-Motoren grundsätzlich zwischen dem Nebenkammerverfahren und dem Direkteinspritzverfahren unterschieden. 4.1 Grenzen Sie die beiden Einspritzverfahren prinzipiell voneinander ab und nennen Sie die jeweils dazugehörigen zwei Verfahrensvarianten. 4.1 Nebenkammer- und Direkteinspritzverfahren sowie zugehörige Verfahrensvarianten: Beim Nebenkammerverfahren wird der Kraftstoff zunächst in eine Nebenkammer des Brennraumes eingespritzt und dort vorverbrannt. Die Hauptverbrennung findet anschließend in der Hauptkammer statt (2). Verfahrensvarianten sind das Vorkammerverfahren (1) und das Wirbelkammerverfahren (1). Das Direkteinspritzverfahren verzichtet auf eine Vorverbrennung, d.h. der Kraftstoff wird direkt in den Hauptbrennraum eingespritzt (2). Verfahrensvarianten sind die Mehrlochdüse mit Luftdrall (1) und das M-Verfahren (Mittelkugelverfahren) (1).
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• Skript 4: In Abhängigkeit von der Verbrennung bzw. der Brennraumgestaltung wird bei DIESEL-Motoren grundsätzlich zwischen dem Nebenkammerverfahren und dem Direkteinspritzverfahren unterschieden. 4.2 Welchen wesentlichen Vorteil besitzt das Direkteinspritzverfahren gegenüber dem Nebenkammerverfahren? 4.2 Vorteil des Direkteinspritzverfahrens gegenüber dem Nebenkammerverfahren: Das Direkteinspritzverfahren besitzt gegenüber dem Nebenkammerverfahren einen um 20% günstigeren Kraftstoffverbrauch.
• Skript 4: In Abhängigkeit von der Verbrennung bzw. der Brennraumgestaltung wird bei DIESEL-Motoren grundsätzlich zwischen dem Nebenkammerverfahren und dem Direkteinspritzverfahren unterschieden. 4.3 Nennen Sie die zwei technischen Maßnahmen, die bei DIESEL-Motoren zur Reduzierung des Stickoxidgehaltes im Abgas führen. 4.3 Maßnahmen zur Reduzierung der STickoxide bei DIESL-Motoren: späterer Einspritzbeginn und Abgasrückführung (und damit Senkung der Temperatur).
• Skript 4: Die LeistungsgleichungPe=pme*VH*n/2 sagt aus, das die Leistung Pe eines 4-Takt-Verbrennungsmotors mit dem Hubvolumen VH, der Drehzahl n und dem Mitteldruck pme (der spezifischen Arbeit) steigt. 4.1 Erläutern Sie im Zusammenhang mit der Leistungsgleichung, wie die Aufladung eines Verbrennungsmotors zur Leistungssteigerung grundsätzlich erfolgt. 4.1 Aufladung eines Verbrennungsmotors:  Der effektive Mitteldruck nimmt zu, wenn der Motor die Luft nicht ansaugt (Saugmotor), sondern wenn die Luft vorher verdichtet wird (aufgeladener Motor). Der Motor arbeitet mit dem gleichen Volumen, aber die GAsmasse ist größer. Da mehr Sauerstoff am Prozess beteiligt ist, kann mehr Brennstoff zugeführt werden, was eine Leistungssteigerung bewirkt.
• Skript 4: Die LeistungsgleichungPe=pme*VH*n/2 sagt aus, das die Leistung Pe eines 4-Takt-Verbrennungsmotors mit dem Hubvolumen VH, der Drehzahl n und dem Mitteldruck pme (der spezifischen Arbeit) steigt. 4.2 Diskutieren Sie die Nachteile, die mit einer Leistungssteigerung durch eine Vergrößerung des Hubvolumens oder einer Erhöhung der Drehzahl verbunden wären. 4.2 Nachteile bei Vergrößerung des Hubvolumens oder der Drehzahl: Eine Hubraumvergrößerung lässt sich durch HInzufügen von Zylindern oder durch Vergrößerung der vrohandenen Zylinder erreichen. Das Ergebnis sind schwere Motoren. In Bezug auf Verbraucht und Schadstoffemissionen sind keine Vorteile zu erzielen. Einer möglichen Drehzahlsteigerung ist die Grenze durch die Triebwerksbelastung (Trägheitskräfte) gesetzt. Die Reibungs- und Strömungsverluste steigen überproportional mit der Drehzahl. Deshalb sinkt der Wirkungsgrad.
• Skript 4: Die LeistungsgleichungPe=pme*VH*n/2 sagt aus, das die Leistung Pe eines 4-Takt-Verbrennungsmotors mit dem Hubvolumen VH, der Drehzahl n und dem Mitteldruck pme (der spezifischen Arbeit) steigt. 4.3 Welche technischen Verfahren (mindestens drei) zur Aufladung eines Verbrennungsmotors kennen Sie? 4.3 Technische Verfahren zur Aufladung: Mechanische Aufladung Abgasturboaufladung Stoßaufladung dynamische Aufladung
• Skript 4: Die nachfolgende Abbildung zeigt schematisch den Aufbau eines Hybridantriebes. (Abb Skript 4 Seite 7) 4.1 Geben Sie an, um welche Ausführungsform eines Hybridantriebes es sich in der Abbildung handelt und charakterisieren Sie diesen ausführlich. 4.1 Dargestellter Hybridantrieb und dessen Charakterisierung: Dargestellt ist der Seriell-Hybrid. Charkterisiert ist dieser durch die Hintereinanderschaltung von Verbrennungsmotor (1) und den von ihm stets angetriebenen Generator (4), der seinerseits den als Fahrantrieb dienenden Elektromotor (5) sowie einen im elektrischen Zwischenkreis angeordneten elektrischen Speicher (7) mit Energie versorgt.
• Skript 4: Die nachfolgende Abbildung zeigt schematisch den Aufbau eines Hybridantriebes. (Abb Skript 4 Seite 7) 4.2 Der Verbrennungsmotor des dargestellten Hybridantriebes ist mechanisch nicht mit den Antriebsrädern verbunden. Nennen Sie mindestens einen Vorteil, der sich hieraus ergibt. 4.2 Vorteile der mechanischen Trennung von Verbrennungsmotor und Antriebsrädern: Der Verbrennungsmotor kann im besten / günstigsten Betriebspunkt arbeiten. Hohe Flexibilität bei der Anordnung der Komponenten Es entfällt das Schaltgetriebe
• Skript 4: Die nachfolgende Abbildung zeigt schematisch den Aufbau eines Hybridantriebes. (Abb Skript 4 Seite 7) 4.3 Welcher Sachverhalt ist bei der Dimensionierung des Elektromotors für den abgebildeten Hybridantrieb zu beachten? 4.3 Bei der Dimensionierung des Elektromotors zu berücksichtigender Sachverhalt: Bei der Dimensionierung des Elektromotors ist zu beachten, dass dieser die gesamte Leistung für den Antrieb (und somit auch für die gewünschte Beschleunigung oder Steigfähigkeit) zur Verfügung stellen muss.
• Skript 4: Zu den primären Zielen der Aufladung von Verbrennungsmotoren gehört die Erhöhung der Leistung. Hierzu werden häufig Abgasturbolader verwendet, die aus einer Gasturbine und einem Verdichter bestehen. 4.1 Beschreiben Sie ausführlich das Verfahrensschema der Abgasturboaufladung. 4.1 Verfahrensschema der Abgasturboaufladung: Am Ende des Expansionstaktes steht das Abgas im Zylinder unter einem Überdruck, der im Saugmotor nicht genutzt wird (2). Diese vorhandene Energie, vermehrt durch ein zusätzliches Aufstauen der Abgase, wird in einer Gasturbine zum Antrieb des Verdichters eingesetzt (2). Der Verdichter saugt über einen Filter Frischluft an und drückt diese über eine Sammelleitung in die einzelnen Zylinder (2).
• Skript 4: Zu den primären Zielen der Aufladung von Verbrennungsmotoren gehört die Erhöhung der Leistung. Hierzu werden häufig Abgasturbolader verwendet, die aus einer Gasturbine und einem Verdichter bestehen. 4.2 Durch welche Maßnahme ist im Zusammenhang mit der Abgasturboaufladung eine weitere Leistungssteigerung möglich? 4.2 Maßnahme zur weiteren Leistungssteigerung: Eine weitere Leistungssteigerung ist durch Kühlung der Ladeluft möglich.
• Skript 4: Zu den primären Zielen der Aufladung von Verbrennungsmotoren gehört die Erhöhung der Leistung. Hierzu werden häufig Abgasturbolader verwendet, die aus einer Gasturbine und einem Verdichter bestehen. 4.3 Neben der Hubraum-Leistungssteigerung verfügt die Abgasturboaufladung über zusätzliche Vorteile. Nennen Sie mindestens zwei dieser Vorteile. 4.3 Vorteile der Abgasturboaufladung (neben der Hubraum-Leistungssteigerung): besserer Drehmomentenverlauf Verringerung des Brennstoffverbrauchs Verbesserung der Emissionswerte (z.B. Stickoxid oder Rußemission) Verminderung der Gefahr des Klopfens von OTTO-Motoren.
• Skript 4: Unter einem "Hybridantrieb" wird allgemein verstanden, dass in einem Fahrzeug zwei unterschiedliche Antriebsquellen tätig sind. (Abb Skript 4 Seite 10). 4.1 Um welche Ausführung eines Hybridantriebes handelt es sich in der Abbildung? 4.1 Abgebildete Ausführung eines Hybridantriebes: Es handelt sich um ein Parallel-Hybrid
• Skript 4: Unter einem "Hybridantrieb" wird allgemein verstanden, dass in einem Fahrzeug zwei unterschiedliche Antriebsquellen tätig sind. (Abb Skript 4 Seite 10). 4.2 Bezeichnen Sie mindestens vier (in einer anderen Aufgabe waren es sechs) der mit (1) bis (8) gekennzeichneten Antriebskomponenten. 4.2 Kompnenten des abgebildeten Hybridantriebes: (1) Verbrennungsmotor(2) Getriebe(3) Tank(4) Differential(5) Elektrische Maschine(6) Automatische Kupplung(7) Leistungselektronik(8) Hochvoltbatterie
• Skript 4: Unter einem "Hybridantrieb" wird allgemein verstanden, dass in einem Fahrzeug zwei unterschiedliche Antriebsquellen tätig sind. (Abb Skript 4 Seite 10). 4.3 Überlegen und nennen Sie drei entscheidende Vorzüge eines Hybridfahrzeuges gegenüber einem konventionellen Fahrzeug mit Verbrennungsmotor. 4.3 Vorzge eines Hybridfahrzeuges gegenüber einem konventionellen Fahrezug: Hybridfahrzeuge verbrauchen deutlich weniger Kraftstoff / Energie produzieren weniger Schadstoffe sind leiser als konvetionelle Fahrzeuge haben weniger Verschleiß und sind damit wartungsärmer schalten den Verbrennungsmotor auch automatisch ab.
• Skript 4: Bei Kolbenmotoren hat die Ventilsteuerung die Aufgabe, den Gaswechsel zu ermöglichen und zu steuern. (Abb Skript 4 Seite 13) 4.1 Benennen Sie die nachstehend skizzierten Bauarten der Ventilsteuerung (keine Abkürzungen) und beschreiben Sie diese stichwortartig. Gehen Sie dabei z.B. auf konstruktive Gesichtspunkte, den Steuermechanismus und die Aufnahme der Kräfte ein. 4.1 Bauarten der Ventilsteuerung: I) Stoßstangensteuerung:Die Nockenwelle ist im Kurbelgehäuse gelagert. Über eine Stoßstange wird ein Kipphebel betätigt, der das Ventil öffnet. Dieser ermöglicht eine Übersetzung des Hubs. II) Schwinghebelsteuerung:Die Nockenwelle ist oben liegend angeordnet. Der Vorteil der Hebelübersetzung bleibt erhalten. Das Hebelgelenk nimmt die durch den Nocken eingeleiteten Seitenkräfte auf. III) Tassenstößelsteuerung:Die Nockenwelle betätigt direkt das Ventil. Der Vorteil der Hubübersetzung durch den Hebel entfällt dadurch. Die über die Federn gestülpten "Tassen" übertrgen die Seitenkräfte des Nockens auf die Wände der Führung.
• Skript 4: Bei Kolbenmotoren hat die Ventilsteuerung die Aufgabe, den Gaswechsel zu ermöglichen und zu steuern. (Abb Skript 4 Seite 13) 4.2 Mit welcher der abgebildeten Ventilsteuerungen ist die höchste Drehzahl möglich? Begründen Sie Ihre Antwort. 4.2 Ventilsteuerung für die höchste Drehzahl: Die Tassenstößelsteuerung hat die geringste schwingende Masse und damit die höchste Eigenfrequenz. Deshalb wird sie für hohe Drehzahlen eingesetzt.
• Skript 4: Die nebenstehende Abbildung zeigt das Indikatordiagramm (reales p-V-Diagramm) eines 4-Takt-Motors (Abb Skript 4 Seite 15) Benennen Sie die mit (1)-(4) gekennzeichneten Kurvenabschnitte bzw. Linien. Kurvenabschnitte des Indikatordiagramms eines 4-Takt-Motors: (1) Ansaugen(2) Verdichten(3) Expandieren(4) Ausschieben
• Skript 4: 4a) Beschreiben Sie in kurzen Worten, wann ein Verbrennungsmotor "klopft" und wann "nagelt". Geben Sie dabei auch an, bei welchem Motor (DIESEL- oder OTTO-Motor) das "Klopfen" und bei welchem das "Nageln" auftritt. 4a) "Klopfen" und "Nageln" bei Verbrennungsmotoren: Der OTTO-Motor "klopft", wenn der Brennstoff zu zündwillig und/oder der Motor zu heiß ist. Der DIESEL-Motor "nagelt", wenn der Kraftstoff zündunwillig und/oder der Motor zu kalt ist.
• Skript 4: 4b) Welche Kennzahl beschreibt die Züdwilligkeit: - des OTTO-Kraftstoffes und welche die - des DIESEL-Kraftstoffes 4b) Kennzahlen der Zündwilligkeit: OTTO-Kraftstoff: Oktanzahl DIESL-Kraftstoff: Cetanzahl
• Skript 4: 4a) Was wird unter dem Fahrzyklus NEFZ verstanden? Wie wird er ermittelt, und welche WErte werden gemessen bzw. daraus berechnet? Beschreiben Sie den Ablauf des NEFZ. 4a) NEFZ Unter NEFZ versteht man den Neuen Europäischen Fahrzyklus. Er ist genormt und soll reproduzierbare und vergleichbare Ergebnisse für Fahrzeuge aller Art darstellen. Der NEFZ wird üblicherweise auf einem Motoren- bzw. Rollenprüfstand ermittelt, auf dem die Abgasemission und der Kraftstoffverbraucht berechnet werden. Der Fahrzyklus besteht aus vier aneinandergereihten Stadtfahrten und einer Überlandfahrt mit einer fest definierten Fahrdauer.
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• Skript 4: Bei Dieselmotoren gibt es zwei grundsätzlich unterschiedliche Verfahren der Gemischbildung und Verbrennung, die jeweils eine entsprechende Brennraumgestaltung erfordern. Beschreiben Sie diese zwei grundsätzlichen Einspritzverfahren, und nennen Sie die jeweils dazugehörigen Verfahrensvarianten. Nebenkammerverfahren: Der Kraftstoff wird in eine kleine Nebenkammer des Brennraumes eingespritzt und dort vorverbrannt. Dadurch gute Gemischaufbereitung und nach Überströmen in den Hauptbrennraum schadstoffarme Verbrennung.Varianten: Vorkammer- und Wirbelkammerverfahren Direkteinspritzverfahren: Der Kraftstoff wird direkt in den Hauptbrennraum eingespritzt, und zwar in eine Brennraummulde im Kolben.Varianten: Mehrlochdüse mit Luftdrall und das Mittenkugelverfahren.
• Skript 4: Wie entsteht eine klopfende Verbrennung des Kraftstoffes, und bei welchem Motor tritt sie auf? Klopfende Verbrennung Sie entsteht, wenn sich Teile des Kraftstoffgemisches unabhängig von der Zündung durch die Zündkerzen entzünden. Die klopfende Verbrennung tritt beim OTTO-Motor auf.
• Skript 4: Nennen Sie die drei grundsätzlichen Verfahren und deren charakteristischen Merkmale für die Aufladung von Verbrennungsmotoren. Mechanische Aufladung: Der Lader wird vom Motor direkt angetrieben, z.B. ein Kompressor (Roots-Lader) Abgasturboaufladung: Die Motorabgase treiben beine Abgasturbine-Verdichter-Baueinheit, den Abgasturbolader Dynamische Aufladung: Die im Ansaugsystem pulsierenden Druckwellen werden zur Aufladung genutzt (Schwingsaugrohr- oder/und Resonanz-Aufladung).
• Skript 4: Ein wesentliches Kriterium für den Einsatz von Verbrennungsmaschinen stellt die Umweltverträglichkeit dar. Vor allem sind die Schadstoffe im Abgas zu berücksichtigen. 5a) Welche Schadstoffe sind im Abgas des Dieselmotors relevant? 5a) Kohlenmonoxid unverbrannte Kohlenwasserstoffe Stickoxide Ruß
• Skript 4: Ein wesentliches Kriterium für den Einsatz von Verbrennungsmaschinen stellt die Umweltverträglichkeit dar. Vor allem sind die Schadstoffe im Abgas zu berücksichtigen. 5b) Welche Maßnahmen führen bei einem Dieselmotor zur Reduktion des Stickoxidgehaltes im Abgas? 5b) Die Stickoxidbildung wird verringert durch Absenkung der Spitzentemperatur im Brennraum, ermöglicht durch: einen späteren Einspritzbeginn Abgasrückführung gereinigter Abgase.
• Skript 4: Abb Seite 26 6a) Nennen Sie die zwei grundsätzlichen Einspritzerfahren bei Dieselmotoren, die nachstehend abgebildet sind. 6a) Einspritzverfahren: (1) Nebenkammerverfahren (2) Direkteinspritzverfahren
• Skript 4: Abb Seite 26 6b) Beschreiben Sie anhand der Abbildungen die Funktion dieser Verfahren unter Verwendung der in den Bildern angegebenen Ziffern. 6b) Einteilung der Einspritzverfahren: Nebenkammerverfahren:Der Kraftstoff wird in eine kleine Nebenkammer des Brennraumes eingespritzt und dort vorberbrannt. Dadurch gute Gemischaufbereitung und nach überströmen in den Hauptbrennraum schadstoffarme Verbrennung. Direkteinspritzverfahren: Der Kraftstoff wird direkt in den Hauptbrennraum eingespritzt, und zwar in eine Brennraummulde im Kolben.
• Skript 5: Brennstoffzellen ermöglichen eine direkte Umwandlung der chemischen Energie eines Brennstoffes in elektrische Energie. Als Brennstoff kommt dabei häufig Wasserstoff-Gas zum Einsatz. 5.1 Führen Sie die beiden grundsätzlichen Prinzipien auf, mit denen die Wasserstoffwirtschaft den Wasserstoff für eine Brennstoffzelle produzieren kann. 5.1 Grundsätzliche Prinzipien zur Produktion von Wasserstoff: Elektrolytisches Aufspalten von Wasser in H2 und O2. Uwandlung (Reformierung) von Erdgas, Methanol oder ähnlichen wasserstoffhaltigen Verbindungen.
• Skript 5: Brennstoffzellen ermöglichen eine direkte Umwandlung der chemischen Energie eines Brennstoffes in elektrische Energie. Als Brennstoff kommt dabei häufig Wasserstoff-Gas zum Einsatz. 5.2 Zur Speicherung des Wasserstoffs können sog. Kryotanks verwendet werden. Wie reagiert ein Kryotank, wenn die Innentemperatur des Tanks die Siedetemperatur des Wasserstoffs übersteigt? 5.2 Reaktion eines Kryotanks bei einer zu hohen Innentemperatur: Übersteigt die Innentemperatur des Tanks die Siedetemperatur des Wasserstoffs, wird der erhöhte Gasdruck entweder über Sicherheitsventile abgelassen (2) oder ein Kühlsystem sorgt für eine zulässige Temperatur des Wasserstoffs (2).
• Skript 5: Brennstoffzellen ermöglichen eine direkte Umwandlung der chemischen Energie eines Brennstoffes in elektrische Energie. Als Brennstoff kommt dabei häufig Wasserstoff-Gas zum Einsatz. 5.3 Geben Sie kurz an, wozu Brennstoffzellen-Heizgeräte dienen bzw. verwendet werden. 5.3 Anwendung von Brennstoffzellen-Heizgeräten: Brennstoffzellen-Heizgeräte dienen zur stationären Strom- und Wärmeerzeugung (z.B. in Mini-Blockheizkraftwerken).
• Skript 5: Photovoltaische Anlagen sollen Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln, was bedeutet, dass sie Spannung und Strom abgeben müssen. 5.1 Erläutern Sie in diesem Zusammenhang, was unter stationären Anlagen on grid und was unter stationären Anlagen off grid verstanden wird. 5.1 Stationäre Photovoltaik-Anlagen on grid und off grid: Bei stationären Anlagen on grid handelt es sich um netzparallele Photovoltaik-Anlagen, bei denen die erzeugte Energie in das vorhandene Wechselstrom-Netz eingespeist wird (2). Mit stationären Anlagen off grid sind Insellösungen gemeint, also Anlagen ohne Verbindung zum Stromnetz. (2)
• Skript 5: Photovoltaische Anlagen sollen Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln, was bedeutet, dass sie Spannung und Strom abgeben müssen. 5.2 Wozu wird bei den stationären Anlagen on grid ein Wechselrichter benötigt? 5.2 Aufgabe eines Wechselrichters bei stationären Anlagen on grid. Der Wechselrichter wandelt den von der Anlage erzeugten Gleichstrom in einen Wechselstrom passender Spannung um, der dann in das Netz eingespeist werden kann.
• Skript 5: Photovoltaische Anlagen sollen Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln, was bedeutet, dass sie Spannung und Strom abgeben müssen. 5.3 Geben Sie wieder, wie die Wafer für die Prodution von runden, monokristalinen Silizium-Solarzellen hergestellt werden (CZOCHRALSKI-Verfahren). 5.3 Herstellung der Wafer für monokristaline Silizium-Solarzellen: Zur Herstellung der Wafer wird ein Kristallkeim in einer Tiegel mit hochreiner Siliziumschmelze getaucht und durch langsames Nach-oben-ziehen ein runder Einkristallstab erzeugt, der anschließend zu den Wafern zersägt wird.
• Skript 5: Ein Vorteil von Brennstoffzellen ist, dass sie die chemische Energie eines Brennstoffs direkt in elektrische Energie umwandeln. 5.1 Überlegen und nennen Sie drei weitere Vorteile, die eine Brennstoffzelle gegenüber einer herkömmlichen Wärmekraftmaschine besitzt. 5.1 Vorteile einer Brennstoffzelle: vergleichsweise hoher elektrischer Wirkungsgrad gutes Teillastverhalten Schadstoffarmut niedriger Lärmpegel (da wenig bewegte mechanische Teile) geringer mechanischer Aufwand (als Motoren und Generatoren) Einsparung fossiler Brennstoffe (Andere richtige Antworten sind zu bewerten).
• Skript 5: Ein Vorteil von Brennstoffzellen ist, dass sie die chemische Energie eines Brennstoffs direkt in elektrische Energie umwandeln. 5.2 Geben Sie an, was unter einem Brennstoffzellenstapel (Stack) verstanden wird. 5.2 Brennstoffzellenstapel (Stack): Ein Brennstoffzellenstapel ist ein Stapel aufgeschichteter und zusammengeschalteter Brennstoffzellen (ca. 30 ... 500 Einzelzellen), wodruch eine technisch nutzbare Spannung in brauchbarer Größenordnung erreicht wird.
• Skript 5: Ein Vorteil von Brennstoffzellen ist, dass sie die chemische Energie eines Brennstoffs direkt in elektrische Energie umwandeln. 5.3 Skizzieren und beschriften Sie das Blockschaltbild einer komplexen Brennstoffzellenanlage, bei der Brennstoff in einem Tank mitgeführt, in Wasserstoff umgewandelt und gereinigt wird. Der Sauerstoff soll aus der Luft stammen. 5.3 Blockschaltbild einer komplexen Brennstoffzellenanlage:  Tank für Brennstoff  => Reformer => Reinigung                                                                  ⇓H2              Luft                    Elektrische Wandler <= Brennstoffzelle  <= Bild Skript 5 Seite 3
• Skript 5: Die nachfolgende Abbildung zeigt schematisch den Aufbau einer einfachen, klassischen Solarzelle, die Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umwandelt. (Abb. Skript 5 Seite 3) 5.1 Beschreiben Sie, unter Zuhilfenahme der obigen Abbildung, die Konstruktion bzw. den Aufbau einer klassischen Solarzelle. 5.1 Konstruktion einer klassischen Solarzelle: Die Konstruktion besteht aus zwei unterschiedlich dotierten Siliziumschichten. Die dem Licht zugewandte Schicht ist mit Phosphor n-dotiert, während die darunter liegende mit Bor p-dotiert ist. Dazwischen besteht ein p-n-Übergang. Die n-Schicht ist sehr dünn gehalten (ca 1 μm), damit das Sonnenlicht besonders in der hellgrau markierten Raumladungszone am pn-Übergang absorbiert wird. Die Sonnenseite ist für eine gute Lichtdurchlässigkeit mit einer Antireflexschicht versehen. Das p-leitende Siliziumsubstrat muss dick genug sein, um die tiefer eindringenden Sonnenstrahlen absorbieren zu können und der Solarzelle mechanische Stabilität zu geben. Zur Stromentnahme wird die Frontseite gitterförmig mit schmalen und elektrisch leitenden Kontakten (Fingern) bedruckt. Die Rückseite ist eine vollflächige Kontaktschicht, die häufig aus Aluminium-oder Silberaste besteht.
• Skript 5: Die nachfolgende Abbildung zeigt schematisch den Aufbau einer einfachen, klassischen Solarzelle, die Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umwandelt. (Abb. Skript 5 Seite 3) 5.2 Zur Erhöhung des Wirkungsgrades einer Solarzelle werden innerhalb der Photovoltaik so genannte Tandemzellen verwendet. Erläutern Sie, wie bei einer Tandemzelle die Erhöhung des Wirkungsgrades erreicht wird. 5.2 Erhöhung des Wirkungsgrades bei einer Tandemzelle: Eine Tandemzelle besteht aus zwei übereinander gestapelten Solarzellen, deren Gapenergien verschieden sind und damit unterschiedliche Wellenlängen des Sonnenspektrums absorbieren. Dadurch wird eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Zelle erreicht.
• Skript 5: Innerhalb der photovoltaischen Anlagen spielen Dünnschichtzellen eine immer größere Rolle, da diese sehr zuverlässig und wirtschaftlich sind. 5.1 Führen Sie mindestens drei Vorteile der Dünnschichtzellen auf, welche z.B. die Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit belegen. 5.1 Vorteile von Dünnschichtzellen: Die Dünnschichtzellen lassen sich samt ihrer Verschaltung herstellen, wodurch Kontaktierungsstellen und -arbeiten entfallen. Es sind sehr große "Quadratmeter-Zellen" herstellbar Die Schichtstärke und damit der Verbrauch an Halbleitern ist sehr gering. Die Energiebilanzierung (Erntefaktor) ist günstiger als bei anderen Solarzellen. Die Lichtabsorption ist besser als bei Silizium mit großen Kristallen. Dünnschichtzellen zeichnen sich durch eine akzeptable Langlebigkeit aus. Sie besitzen eine gewisse Flexibilität, wodurch sich neue Anwendungen erschließen. Organische Dünnschichtzellen sind umweltfreundlich und günstig in der Herstellung. Farbstoffzellen besitzen Designmöglichkeiten und eine günstige Herstellungsweise.
• Skript 5: Innerhalb der photovoltaischen Anlagen spielen Dünnschichtzellen eine immer größere Rolle, da diese sehr zuverlässig und wirtschaftlich sind. 5.2 Nennen Sie mindestens drei Maßnahmen, mit denen der Wirkungsgrad einer Solarzelle erhöht werden kann. 5.2 Maßnahmen zur Erhöhung des Wirkungsgrades einer Solarzelle: Bessere Ausnutzung des Sonnenspektrums Aufbau von Tandem- oder Tripelzellen. Verringerung von Reflexionsverlusten. Aufbringen von Antireflexschichten. Erzeugen strukturierter Oberflächen (Pyramidenform), sodass die Lichtstrahlen mehrfach auftreffen. Vermeidung der Abschattung durch die Kontakte. Schmale und transparente Kontakte. Verlagerung der Kontakte von der Vorder- auf die Rückseite der Zelle. Vermeidung von Halbleiterkristallbaufehlern. Anwendung der Dünnschichttechnologie. Kurze Wege bei der Frontkontaktierung. Aufbringen von Passivierungsschichten.

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