211service.com
Nichtelektrische Hybridmotoren
Eine neue Art von Hybridfahrzeugen könnte Verbrauchern, die über die Benzinpreise besorgt sind, einen geringeren Kraftstoffverbrauch bieten. Maschinenbauer im Vereinigten Königreich haben einen neuartigen Verbrennungsmotor entwickelt, der zwischen einem Zweitakt- und einem Viertaktmotor umschalten kann. Das System kann den Kraftstoffverbrauch um 27 Prozent senken.
Ein neuer Hybrid: Dieser Prototyp eines Hybridmotors mit dem Namen 2/4SIGHT kann zwischen Vier- und Zweitaktmodus wechseln und so den Kraftstoffverbrauch um mehr als 25 Prozent senken.
Der verbesserte Kraftstoffverbrauch ist im Wesentlichen auf das Downsizing des Motors zurückzuführen, sagt Neville Jackson, Technologiedirektor von Ricardo UK , ein Ingenieurbüro in Shoreham-on-Sea, das den neuen Motor entwickelt hat. Ein kleinerer Motor hat weniger innere Reibung und liefert einen besseren Kraftstoffverbrauch, sagt er.
Doch kleine Pkw-Motoren, die meist auf Viertakt-Bauweise basieren, bieten nicht viel Leistung. Sie können besonders problematisch sein, wenn sie mit niedriger Geschwindigkeit mit hoher Last betrieben werden, beispielsweise beim Beschleunigen bergauf. Solche Bedingungen können sogar dazu führen, dass ein kleiner Motor abgewürgt wird, wenn der Fahrer nicht herunterschaltet.
Vier Takte sind bei Vollgas am effizientesten; mit zwei Strichen ist es umgekehrt, sagt Robert Kee , einem auf Verbrennungsmotoren spezialisierten Maschinenbauingenieur an der Queen’s University in Belfast, Nordirland.
Der Unterschied zwischen Zwei- und Viertaktmotoren besteht darin, dass letztere die vier Stufen Lufteinlass, Verdichtung, Verbrennung und Auslass in vier Kolbenhüben ausführen. Ein Zweitaktmotor hingegen schafft dies mit nur zwei Kolbenhüben.
Zweitaktmotoren sind von Natur aus einfacher konstruiert und haben ein höheres Leistungsgewicht bei hohen Lasten und niedrigen Drehzahlen, da sie doppelt so viele Arbeitshübe pro Umdrehung erzielen. Herkömmliche Zweitaktmotoren benötigen jedoch Öl, das dem Kraftstoff beigemischt wird, und verursachen daher höhere Emissionen. Aus diesem Grund werden sie normalerweise nicht in Autos verwendet. Stattdessen werden sie für leichte Anwendungen wie Kettensägen, Rasenmäher und einige Motorräder verwendet.
Doch nun haben Forscher von Ricardo einen Kolbenkopf entwickelt, der sowohl im Zwei- als auch im Viertaktmodus arbeitet und je nach Bedarf des Motors automatisch zwischen den beiden Modi umschalten kann. Dadurch kann ein kleinerer Motor mit niedrigen Drehzahlen und hoher Last umgehen, ohne abzuwürgen.
Das ist ein interessantes Konzept, sagt Martti Larmi , Leiter des Labors für Verbrennungsmotoren an der Technischen Universität Helsinki in Finnland.
Die größte Herausforderung beim Bau eines solchen Motors sei die Perfektionierung des Spülprozesses, sagt er, wenn die Restgase aus dem vorherigen Verbrennungszyklus durch Frischluft und Kraftstoff ersetzt werden.
Um die bereits verbrannten Gase herauszudrücken, brauche man auf der Einlassseite einen gewissen Druck, sagt Larmi.
Bei einem herkömmlichen Zweitaktmotor treibt die Kraft des Kraftstoff- und Lufteinlasses das Abgas aus. Leider führt dieser Prozess dazu, dass etwas unverbrannter Kraftstoff als Abgas verloren geht, was zu höheren Emissionen führt. Viertaktmotoren drücken die verbrauchten Abgase durch ein nockengesteuertes Ventil mit einem Aufwärtshub des Kolbens aus dem Zylinder. Beim anschließenden Abwärtshub werden bei geschlossenem Auslassventil Frischluft und Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt.
Ricardos Motor, genannt 2/4SIGHT, verwendet Ventile wie ein Viertaktmotor, aber im Zweitaktmodus hält der Motor sowohl die Einlass- als auch die Auslassventile gleichzeitig geöffnet, sodass der Kraftstoff und die Luft im Zylinder jeweils nachgefüllt werden Zyklus, anstatt jeden anderen Zyklus.
Das Interesse an der Entwicklung eines emissionsarmen Zweitaktmotors war groß. Aber es ist eine schwierige Konfiguration, die Konfiguration zu perfektionieren, da wenig Zeit bleibt, das Kraftstoff-Luft-Gemisch ein- und die Abgase herauszubringen, sagt Larmi. Hier bestehe die Gefahr, dass die Frischluftansaugung direkt durch den Abgasauslass nach draußen gehe, sagt er.
Ricardo verwendet ein paar Tricks, um dieses Problem zu umgehen. Erstens verwendet das Design des Kolbenkopfs von Ricardo Reverse-Tumble, ein Verfahren, bei dem der Lufteinlass vom Auslassventil weggeleitet wird, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass er direkt aus dem Zylinder strömt. Ricardo hat auch die nockengesteuerten Ventile gegen elektrohydraulische Ventile getauscht, die zusammen mit dem Einspritzventil per Software angesteuert werden können.
Autohersteller hätten in der Vergangenheit Interesse daran gezeigt, solche Hybridmotoren zu bauen, sagt Kee. Aber es gibt viele Herausforderungen, sagt er. Tatsächlich haben sich sowohl Toyota als auch Ricardo Ende der 1980er und Anfang der 90er Jahre mit diesem Thema befasst.
Aber in der Vergangenheit war die Technologie einfach nicht da. Laut Ricardo ist der einzige Grund, warum das Unternehmen jetzt in der Lage ist, ein praktikables System zu entwickeln, die Software, die den Gasaustausch und die Motormodi steuert. Das Steuersystem des Motors überwacht die Fahrernachfrage, sagt Jackson. Wenn mehr Drehmoment benötigt wird, als dies im Viertaktbetrieb möglich wäre, schaltet er, sagt er. Details dazu, wann im Motorzyklus der Modus umgeschaltet wird, macht das Unternehmen jedoch nicht.
Ricardos Prototyp, ein angepasster 2,1-Liter-V6-Motor, wurde von Forschern der University of Brighton getestet und konnte die Leistung erbringen, die man normalerweise von einem Drei- bis Vierliter-Motor erwarten würde. Basierend auf dem Neuen Europäischen Fahrzyklus, einem Standardleistungstest zur Messung der Motoreffizienz und der Emissionen bei typischer Fahrzeugnutzung, hat der Prototyp eine Kraftstoffeinsparung von 27 Prozent gezeigt und die Emissionen um einen ähnlichen Betrag reduziert. In der nächsten Phase soll versucht werden, einen Prototypenmotor in ein funktionierendes Fahrzeug einzubauen, sagt Jackson.