Verbrennungsmotor der Zukunft 2

Es ist immer seltsam, wenn man daher kommt und schreit: hier, das ist das Ei des Kolumbus, also eine bestimmte technische Lösung missionarisch in den Himmel hebt.
Nichtsdestotrotz will ich hier auf eine solche Lösung aufmerksam machen: den Gegenkolbenmotor.

Er besteht aus einem Brennraum für zwei Kolben, die darin gegeneinander laufen. Er könnte ein Viertakter, wenn man in der Mitte Ventile unterbringen würde, aber als Zweitakter ist er viel eleganter. Dann nämlich öffnen die Kolben am äußeren Totpunkt den Zuluft und den Abgaskanal. Durch eine leichte Phasenversetzung kann man erreichen, dass sich erst der Abgas- und dann der Zuluftkanal öffnet. So wird ein Gasaustausch erzielt, der ebensogut wie beim Viertakter ist. Der Zweitakter braucht einen Lader, der während des offenen Zylinders die frische Luft hineindrückt.

Der Hauptvorteil ist folgender:

Die Oberfläche des Brennraums ist eine der Hauptverlustquellen beim Verbrennungsmotors. In erster Näherung sind die Wärmeverluste nicht von der Motorleistung, sondern nur von dieser Oberflächengröße und der Ladung abhängig. Man möchte also zwei Ziele erreichen: ein großes Hub-zu-Bohrungsverhältnis (langen Hub), um die Oberfläche des Brennraums gering zu halten, und eine hohe Drehzahl, um bei gegebener Oberfläche, also gegebenen Verlusten, möglichst viel Nutzleistung zu erzielen. Großer Hub bedeutet aber große Beschleunigung von Bauteilen – wegen der begrenzten Materialfestigkeit sind Hub und Drehzahl ungefähr umgekehrt proportional. Wenn der Hub auf zwei Kolben aufgeteilt wird, lässt sich also im Prinzip die doppelte Drehzahl erreichen, d.h. doppelte Leistung bei gleichen Verlusten. Der Wirkungsgrad steigt.

Dieser Effekt trifft besonders auf den Teillastbereich zu, weil hier die Oberflächenverluste relativ größer sind als bei Volllast. Dies ist von Bedeutung, da unsere Autos vielleicht 80 % ihrer Zeit im unteren Teillastbereich gefahren werden.

Die Komplexität das Motors ist etwas geringer als die des Standard-Viertakters. Keine Zylinderköpfe, keine Ventile und Ventiltriebe und Nockenwellen, weniger Masse, da weniger Hubraum umbaut werden muss – dafür zwei Kurbelwellen, die über Zahnräder synchronisiert werden müssen und der Lader.

Nachteile gibt es leider auch. Dadurch dass die Lauffläche für den Ein- und Auslass unterbrochen ist, gerät Öl in den Gasstrom, insbesondere ins Abgas. Ob sich das wegentwickeln lässt  ist die Frage. Es erfordert eben Risiko einzugehen.

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3382 km pro Liter

kann man mit dem Experimentalauto des Lycée la Joliverie in Nantes zurücklegen. Deswegen war es der Sieger des diesjährigen Shell Eco-Marathons Europe. Das entspricht einem Benzinverbrauch von 0,03 l auf 100 km. Damit ist es 34 mal besser als das 1 – l – Auto von VW und 100 mal besser als ein 3-Liter-Auto. Das ist also erreichbar.

Natürlich sind das Extreme: man fährt nicht viel schneller als 30, liegt nahezu in einer 30 kg leichten Zigarre – Knautschzone, was ist das? Die Beschleunigung ist nahezu vernachlässigbar.

Aber in besagtem Wettbewerb gibt es auch die Kategorie „Urban Concept Cars“, was kleine Zweisitzer mit Gepäckraum sind, und diese müssen gelegentlich anhalten und wieder losfahren. Und auch hier werden exorbitante Werte erreicht: 848 km pro Liter, also ein Verbrauch von 0,12 l pro 100 km, was immer noch 8,5 mal besser scheint als das 1-l-Auto von VW. Allerdings fährt dieses 3  mal schneller. Wenn ich das Wettbewerbsauto 3 mal schneller fahren lasse, erhöht sich sein Luftwiderstand und damit sein Verbrauch um den Faktor 9. Das bedeutet, dass das VW- 1 – Liter – Auto ziemlich genau gleich gut ist.

nochmal Auto der Zukunft

Also hauen wir weiter in die Autotechnik-Kerbe und spielen den Spinner:

Wenn es kein Hybridauto ist, hat der Motor zwei oder drei Zylinder unterschiedlichen Hubraums, die alternativ laufen. Grund: die Verluste durch Wärmeleitung sind hoch und hängen in erster Näherung nur von der Verbrennungsraumoberfläche ab. So wird Leistung immer mit dem kleinstmöglichen Zylinder erbracht.

Innerhalb eines Motorbereichs regelt der Fahrer mit dem Gaspedal über eine kontinuierliche Automatik nur noch die Drehzahl anstatt die Zylinderladung.

Wenn es ein Hybridauto ist, kennt der Verbrennungsmotor nur noch zwei Betriebszustände: „optimale Zylinderladung und Drehzahl“ und „aus“.

Dies ist kein Auto-Blog, aber . . . (1-Liter-Auto)

wenn man einmal ein Thema beim Wickel hat, fällte einem immer mehr dazu ein.

Mit meiner Zeichnung zum Torsionsfederelement zur Stoßdämpfung beim Einzylinder habe ich mich definitiv als versponnener Techno-Tüftler disqualifiziert. Dennoch will ich hier das momentan aktuelle Feld weiter beackern.

Es wird bald das 1 – Liter – Auto geben, habe ich kürzlich gelesen und zwar hier. Ein löbliches Vorhaben, ein Schritt in die richtige Richtung, aber: nicht das was wir brauchen. Denn es ist ein Rekordauto, ein Konzeptauto, ein Demonstrationsauto, kein Massenauto! Anscheinend ist der VW  – Vorstand von seinem Lupo-Versuch, der (so meine ich kühnerweise) vor allem wegen des bescheuerten Designs so gescheitert ist, so frustriert, dass er, nachdem er zuerst zu kurz geschossen und dann kein „Standing“ bewiesen hat, nun über das Ziel hinausschießt und des Guten zuviel tut. Ich möchte mal wissen, wie weit die Umweltbewegung wäre, wenn sie bessere Designer und Werbeleute hätte.

Immerhin für mich befriedigend: der Wagen wird einen Einzylindermotor haben, abgedeckte Hinterräder, Freilauf. Weitere energierelevante Elemente: Start-Stopp-Automatik, Bremsenergierückgewinnung.

Der Verbrennungsmotor der Zukunft

In einem früheren Beitrag schrieb ich, dass der Verbrennungsmotor der Zukunft nur einen Zylinder hat. Das möchte ich nun ein wenig ausführen und einige Ideen einbringen. Genauer könnte er folgende Eigenschaften haben, d.h. ich spinne jetzt mal was zusammen:

  • Einen langen Hub, so dass der Brennraum bei den höchsten Gastemperaturen am kugelähnlichsten ist,
  • ungefähr dieselbe Drehzahl wie gängige Automotoren,
  • natürlich viele Ventile,
  • symmetrisch-gegenläufige Ausgleichsmassen, die bewirken, dass der Motor weder Verschiebungs- noch Drehungsvibrationen kennt und die auch als Schwungscheiben dienen,
  • Auskleidung der Zylinderinnen- und Kolbenoberfläche mit Keramik, was thermisch besser isoliert,
  • mehrere Einspritzdüsen, die einzeln koordiniert so angesteuert werden, dass günstige Verwirbelung entsteht,
  • zeitliche Dosierung des Einspritzstromes, so dass während der ganzen Verbrennungsphase eine konstant hohe Temperatur gehalten wird um eine quasi-isotherme Expansion zu erreichen, die aber ein Maximum nicht übersteigt, um Stickoxidbildung zu vermeiden,
  • am Antriebsstrang ein Drehmomentfilter, der die Drehmomentstöße des Einzylinders glättet.

So ein Motor hat wegen der geringeren Wärmeverluste (und vielleicht auch wegen der Verbrennungstemperatursteuerung, aber hier bin ich mir nicht sicher) einen höheren Wirkungsgrad als heutige Automotoren mit mehreren kleinen Zylindern. Außerdem hätte er einen satten Yamaha-XT-Sound und ein Monsterdrehmoment bereits bei niedrigen Drehzahlen.

Eine mögliche Konstruktion für einen Drehmomentfilter habe ich mal hier skizziert, sowas macht mir immer Spaß, im Wesentlichen ist es eine sehr weiche hydraulische Torsionfeder:

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Das Auto der Zukunft – was die Großen von einem Kleinen lernen können

loremo-einstieg_250_1321Es gibt ein Beispiel, wie das Auto der Zukunft etwa aussehen könnte – so die Richtung: das Loremo – „Low Resistance Mobile“, das Projekt einer kleinen Gruppe engagierter Ingenieure, die den Gedanken niedrigen Verbrauchs wirklich konsequent in die Konstruktion umgesetzt haben. Sie ist leicht (600 kg), hat einen geringen Luftwiderstandsbeiwert von 0,2, hat eine kleine Stirnfläche und kann deshalb mit lediglich 20 PS (!) eine Spitzengeschwindigkeit von 160 km/h erreichen, jedenfalls theoretisch und wenn es nicht bergauf geht. Der projektierte Spritverbrauch beträgt 2 l / 100 km, was bei den Daten glaubwürdig ist.

Das Projekt gibt es schon seit über 15 Jahren und entwickelt sich trotz ständiger Finanzierungssorgen immer weiter. Es braucht nach eigenen Angaben 40 Mio. € für den Beginn der Serienproduktion – aber woher nehmen in der Bankenhysteriekrise? Dieser Betrag ist ein Witz im Vergleich zu den Summen, die die großen Firmen allein für die Entwicklung pro Jahr ausgeben – 20 mal mehr, pro Firma (Quelle).

Kapitalgeber und Kunden müssen allerdings idealistisch sein. Der Wagen, wenn er denn die Hürden schafft, soll zwar überraschend billig werden, aber es gibt kein Vertriebs- und kein Servicenetz, mit Kinderkrankheiten ist sicher zu rechnen.

Die Konstruktion weist ein interessantes Detail auf: es gibt keine Seitentüren, der Einstieg erfolgt über Front- und Heckklappen. Diese konstruktive Entscheidung macht den Wagen leichter, denn durch die ununterbrochenen Kraftleitung in den Seitenflächen kann die notwendige Steifigkeit der Karosserie mit weniger Masse erreicht werden.

Das können sich die Großen abgucken. Man kann den gleichen Effekt nämlich auch m i t Seitentüren erreichen, wenn diese sich nach dem Schließen kraftschlüssig mit dem Rest der Karosserie verbinden. Eine Möglichkeit, die mir sofort einfällt, ist, dass Keile elektromotorisch in konische Bohrungen hineingepresst werden – dem Erfindungsreichtum der Ingenieure ist da keine Grenze gesetzt. So könnten, auch wenn das Projekt stirbt, einige gute Ideen weiterleben.

Die Macher wollen jedenfalls dem Trend vorangehen und eine Version mit Elektroantrieb anbieten.

Das Auto der Zukunft (vom energetischen Standpunkt aus)

Wie es ausschaut, weiß natürlich keiner. Wie ein energieeffizientes ausschauen muss, lässt sich hingegen sehr wohl sagen. Die Annahme ist, dass die Motive der Käufer sich mit steigenden Energiekosten mehr und mehr von „Status und Fahrfreude“ weg und zu „sparsam“ hin verlagern werden.

Es wird sicher mehr wie der Citroën DS ausschauen als wie der Porsche Cayenne. D.h. es wird eher langgestreckt, mit kleinem Querschnitt, daherflitzen als wie ein überdimensionaler Ziegelstein auf Rädern. Die Räder werden in die Verkleidung mit einbezogen sein. Rückspiegel wird es nicht mehr geben – stattdessen entsprechende Kameras.

Der Antrieb wird elektrisch sein und die Energiequelle keine Brennstoffzelle, sondern ein Akkumulator. Warum? Das Auto wird mit solar gewonnener Energie fahren. In einem wasserstoffbasierten regenerativen Energiesystem mit Elektrolyse am einen und Brennstoffzellen am anderen Ende betragen die Umwandlungsverluste 75 % und mehr, weil jede der beiden Teilstufen nur 50 % Wirkungsgrad aufweist – Transportverluste nicht inbegriffen. In einem akkumulatorbasierten System gehen nur ca. 20 % verloren – 10 % im Transport und 10 % im Akkumulator. (Ja, ich weiß dass das optimistische Annahmen sind.) Und Akkus lassen sich viel besser zu Bremsenergierückgewinnung verwenden. Tanken wird man dadurch, dass man den leeren Akku – oder die leeren Akkumodule – an der Tankstelle gegen volle austauscht. (Ja, auch das ist eine optimistische Annahme.)

Das heißt: eine Wasserstoffwirtschaft wird es nicht geben.

Vielleicht aber wird auch das Elektroauto nie kommen, wenn nämlich die Kraftstoffgewinnung aus Algen sich so explosionsartig entwickelt, wie ich das im vorigen Artikel angedeutet habe. Auch dann können wir etwas über die Motoren der Zukunft sagen. Sie werden weniger und dafür größere Zylinder haben, da diese viel weniger relative Oberfläche besitzen. Für den Teillastbetrieb wird man die Hälfte der Zylinder abkoppeln können. Dies vermindert die innere Reibung und erhöht den thermodynamischen Wirkungsgrad, weil die restlichen Zylinder mit höherer Ladung betrieben werden. Außerdem wird etwas eingebaut, was man bisher nur vom Fahrrad und  – hört, hört – vom Trabbi kannte, nämlich einen Freilauf. Dieser vereinfacht es nämlich, die besonders energieeffiziente Fahrweise zu benutzen, nach der Ampel kräftig Gas zu geben und sich dann bis zum nächsten Halt mit ausgeschaltetem Motor rollen zu lassen.