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.

Advertisements

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.