Keine wirkliche Innovation wird bei Verbrennungsmotoren angewandt
Da hat man zig hoch moderne Assistenzsysteme, Head-Up Displays, Scheinwerfer aus LED-Clustern, intelligente Fahrwerke und sogar optische Verbindungen werden genutzt, mit dem die Elektronik kommuniziert.
Bei den Verbrennungsmotoren gibt`s alte Ware. Man baut sie immer noch, wie vor 30 Jahren.
Dabei gibt es ein paar neue Wege, welche die Motoren sparsamer, zuverlässiger, leistungsfähiger und zugleich emissionsärmer machen.
Laserzündung
Will man nicht, oder kann man es nicht?
Beste Antwort im Thema
In der aktuellen Ausgabe der MTZ (04/2016) ist ein interessantes Interview mit zwei anerkannten Experten der Motorenentwicklung, nämlich
Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger, Direktor des Instituts für Thermodynamik der RWTH Aachen University und Leiter des Lehrstuhls für Verbrennungskraftmaschinen sowie Geschäftsführer der FEV GmbH, Aachen
und
Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende, Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen der Universität Stuttgart, zunächst als Inhaber des Lehrstuhls für Verbrennungsmotoren, seit 2011 Inhaber des Lehrstuhls für Fahrzeugantriebe.
Zu zukünftigen Zündsystemen sagen sie:
Frage: Ein auf hohe Lambdawerte abgemagertes Gemisch beim Ottomotor zuverlässig zu zünden, ist die Crux. Rechnen Sie mit einem Durchbruch alternativer Zündverfahren?
BARGENDE: Wenn wir einerseits von 200 kW/l sprechen, sind wir bei sehr hohen Aufladegraden und sehr hohem Zündspannungsbedarf. Der wird so hoch sein, dass wir Schwierigkeiten haben werden, überhaupt noch einen Zündungsrückzug im Klopffall zu realisieren. Die Volllastzündung wird immer anspruchsvoller, durch Aufladung und eventuell auch neue Kraftstoffe. Andererseits haben wir in den homogenen oder geschichteten Teillastverfahren einen „Raumzündungsbedarf“. Beides hat seine besonderen Ansprüche. Unter dem 200-kW-pro-l-Prinzip sehe ich alle diskutierten Alternativen vor einer ganz großen Herausforderung. Egal, welche es jetzt ist. Weder Corona- noch Laserzündung halte ich in diesen Volllastbereichen für geeignet. Ganz abgesehen davon hat eine Laserzündung einen enormen Energiebedarf. Und die Coronazündung ist sehr stark von der Brennraumform abhängig. Ihr bereiten variable Ventilsteuersysteme sogar schon Schwierigkeiten.
PISCHINGER: Dann schlägt der Funken sonst wohin, nur nicht dorthin, wo er hin soll.
BARGENDE: Ganz genau – gerade unter diesem Aspekt, wenn überhaupt, sehe ich nur die Plasmazündung als mögliche Alternative zur Funkenzündung.
PISCHINGER: Zudem hat man in der Teillast und im Magerbetrieb bereits festgestellt, dass viele dieser innovativen Zündsysteme unter hoch turbulenten Randbedingungen oft gar nicht den erhofften Vorteil bringen. Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten und Turbulenzen wird die auf ein großes Gemischvolumen verteilte Energie alternativer Zündsysteme dissipiert – die Flamme wird förmlich ausgepustet. Ausgerechnet Magermotoren benötigen aber hohe Turbulenz für höhere Brenngeschwindigkeiten in der späteren Verbrennungsphase. Dieses Phänomen beobachtet man sowohl bei der Plasma- als auch bei Coronazündsystemen.
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Zitat:
@Cupkake schrieb am 18. März 2016 um 21:49:50 Uhr:
Zu dem anderen. Koenigsegg hat einen SAAB mit der Technik umgebaut.
Blätter mal zurück zur Seite 1. Da habe ich bereits Folgendes geschrieben:
"Der Link zum Koenigsegg ist drei Jahre alt! Und, ist es bei denen inzwischen in Serie? Nein? Wieso bloß ....."
Denk' mal darüber nach.
Und zu weiteren technischen Innovationen: Variable Kompression!
Wurde auch schon vor vielen Jahren vorgestellt, unter anderem ebenfalls an einem SAAB-Motor. Von SAAB übrigens selbst. Und??
Schöne Ideen zu haben und diese zu realistischen Kosten in Serie zu bringen, sind eben zwei Paar Schuhe.
Zitat:
@Cupkake schrieb am 18. März 2016 um 21:30:28 Uhr:
Wenn du es nicht verstehst?Bis zu 20% Kraftstoffersparnis
30% mehr Leistung
Variable Steuerung (z.B. Zylinderabschaltung möglich)
50% weniger Bauraum
30% Gewichtseinsparung
Weniger Wartung (Zahnriemen muss nicht gewechselt werden)
Kolbenfresser bei Fehlsteuerung des Ventiltriebs unmöglich (Ventil knallt auf Kolben)Zur Leistungsaufnahme. Peneumatik ist sehr effizient. Bei Reibungsverlusten stellst du die Frage nicht?
Wie kommst Du darauf, daß das stimmen könnte? Die Nockenwellen sind einfache Mechanik und erzeugen nur sehr wenig Wärme, sind all sehr effizient. Elektrisch betätigte Ventile benötigen mindestens die gleiche Energiemenge als elektrischen Strom, der erst mal über die Lichtmaschine gewonnen und in Bewegung gewandelt werden muß. Dabei treten zwangsläufig höhere Verluste auf. Und wenn der Richtungswechsel zwischen Öffnen und Schließen auch noch durch elektrische Arbeit erbracht werden muß, erhöht das die Ineffizienz dieses Systems gegenüber der simplen Nockenwelle, wo das zurückfahren durch eine einfache Feder erfolgt, zusätzlich. Daher kann aus diesem system weder 20% Kraftstoffersparnis, noch 30% zusätzliche Leistung heraus kommen. Ich vermute, daß es eher 10% ins Negative sein wird. Und der nötige Bauraum wird auch eher größer. Zumindest am Zylinderkopf nach oben. Die einzige Ersparnis ist der Kettenkasten mit seinen 30mm Bautiefe. Aber bei Ausfall der Elektrik oder nur einem simplen Kontaktproblem knallen die Ventile ggf. eben doch auf den Kolben. Denn der Impuls zum Schließen muß ja auch erfolgen.
@LtLTSmash
Ich wollte dir auf keinen Fall Kompetenz absprechen. Für mich klingt es halt so, als dass man Neuerungen grundsätzlich kritisch gegenüber steht, obwohl diese Technik sictbare Vorteile mitbringt.
Köenigsegg hat einen SAAB auf Free Valve umgebaut. Der Kraftstoffverbrauch ging um 20% zurück. Also sehe ich dies als Argument an. Zu der Leistungssteigerung habe ich nichts genauers lesen können, aber Christian von Koenigsegg ist schon eine sehr seriöse Person.
Zu den Kosten. Aussagen kann man ja erst treffen, wenn die Technik in Serie gefertigt wird, wie du selber weißt.
Selbst wenn Free Valve teurer wäre, könnte es sich für den Hersteller lohnen, denn es würde sich günstig auf den CO2 Flottenausstoß auswirken, wo eine Überschreitung der Grenzwerte mit Strafzahlungen verbunden ist.
Zitat:
@sukkubus schrieb am 18. März 2016 um 20:00:43 Uhr:
kraft kosten die federn, die immer gedrückt werden wollen und
die ventile selbst, eine masse, die etliche male in der sec. auf und abbeschleunigt werden will
Die Federn sollten dabei fast eine Nullnummer sein. Was die an Mehr-Kraft kosten, wenn gegen die angearbeitet wird, kriegt man auf dem Rückweg großteils wieder zurück. Man muss halt hin doppelt so stark drücken, gegen Trägheit, Reibung und Ventilfeder, dafür rückwegs gar nicht, weil die Feder das dann allein gegen Trägheit und Reibung übernimmt. Wenn man die Feder weglassen will, muss man stattdessen einen Aktuator einbauen, der in beide Richtungen aktiv arbeitet, der also das Ventil nicht einfach nur "hochwirft", sondern gezielt vor und zurück führen kann.
Netto ist es egal, ob man die Haltekraft per Feder erzeugt und dann per Nocke übersteuert, oder ob man das Ventil anders bewegt: die aufzuwende mechanische Arbeit hängt allein am vom Ventil zurückzulegenden Weg, und dem dazugehörigen Kraftverlauf, speziell auch der Kraft zum Zuhalten des Ventils.
Zitat:
und die sind schwieriger wegzurationalisieren
... und die anstelle des konventionellen Ventiltriebs zu verbauenden hochpräzisen, schnellen Aktoren hat der Kollege auch direkt mit unter den Teppich gekehrt. Die gibt es auch keineswegs für lau, weder gewichtsmäßig, noch finanziell, noch in punkto Reparaturanfälligkeit.
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Es gab schon in den 80er und 90er Jahren an deutschen Hochschulen Bestrebungen zu Elektromagnetischen Ventilantrieben.
Diese Bemühungen sind aus einem simplen Grund (noch) zu keinem serienreifen Ergebnis gekommen: Man hat es nicht geschafft das Ventil sanft und definiert genug schließen zu lassen. Es ist also einfach in den Sitz geknallt, was zu einer sehr krassen Geräuschkulisse und Belastung der Ventilsitze geführt hat.
Die Nockenkontur ist nicht so simpel wie sie aussieht, sondern das Ergebnis aufwändiger Berechungen. Für einen störungs- und geräuschfreien Betrieb muss die Ventilerhebungskurve dreifach stetig differenzierbar sein. Heißt im Klartext, dass auch die Ableitung der Ventilbeschleunigung noch eine stetige mathematische Funktion ergeben muss. Darüberhinaus müssen selbstverständlich die Anforderungen an Öffnungsdauer, Winkelbereich usw. eingehalten werden. Diesen komplexen Bewegungsablauf hat man bisher nicht elektromagnetisch angesteuert abbilden können.
Ich mache mir wenig Sorgen um den Verbrennungsmotor als Solchen. Die Wirkungsgrade der heute marktgängigen Motoren nähern sich dem Carnot-Wirkungsgrad, also der physikalisch idealen Wärmekraftmaschine schon sehr gut an. Es wäre unsinnig ein so weit perfektioniertes System nicht weiter zu verwenden.
Ich glaube allerdings nicht, dass diese auch in Zukunft mit Otto- bzw. Diesel-Kraftstoff betrieben werden sollten, da gibt es für die nähere Zukunft genügend erneuerbare Alternativen die sich zur Serienreife entwickeln ließen.
Zitat:
@SGF schrieb am 19. März 2016 um 00:53:20 Uhr:
Es gab schon in den 80er und 90er Jahren an deutschen Hochschulen Bestrebungen zu Elektromagnetischen Ventilantrieben.
Diese Bemühungen sind aus einem simplen Grund (noch) zu keinem serienreifen Ergebnis gekommen: Man hat es nicht geschafft das Ventil sanft und definiert genug schließen zu lassen. Es ist also einfach in den Sitz geknallt, was zu einer sehr krassen Geräuschkulisse und Belastung der Ventilsitze geführt hat.
Hmmm... klingt, als wäre die offensichtliche Kompromisslösung ein konventioneller Nocken, den man elektrisch antreibt 😁 Das ist irgendwie pervers, aber es könnte klappen.
Zitat:
@Timmerings Jan schrieb am 19. März 2016 um 00:51:31 Uhr:
Zitat:
@sukkubus schrieb am 18. März 2016 um 20:00:43 Uhr:
kraft kosten die federn, die immer gedrückt werden wollen und
die ventile selbst, eine masse, die etliche male in der sec. auf und abbeschleunigt werden willDie Federn sollten dabei fast eine Nullnummer sein. Was die an Mehr-Kraft kosten, wenn gegen die angearbeitet wird, kriegt man auf dem Rückweg großteils wieder zurück. Man muss halt hin doppelt so stark drücken, gegen Trägheit, Reibung und Ventilfeder, dafür rückwegs gar nicht, weil die Feder das dann allein gegen Trägheit und Reibung übernimmt. Wenn man die Feder weglassen will, muss man stattdessen einen Aktuator einbauen, der in beide Richtungen aktiv arbeitet, der also das Ventil nicht einfach nur "hochwirft", sondern gezielt vor und zurück führen kann.
Netto ist es egal, ob man die Haltekraft per Feder erzeugt und dann per Nocke übersteuert, oder ob man das Ventil anders bewegt: die aufzuwende mechanische Arbeit hängt allein am vom Ventil zurückzulegenden Weg, und dem dazugehörigen Kraftverlauf, speziell auch der Kraft zum Zuhalten des Ventils.
Zitat:
@Timmerings Jan schrieb am 19. März 2016 um 00:51:31 Uhr:
Zitat:
und die sind schwieriger wegzurationalisieren
... und die anstelle des konventionellen Ventiltriebs zu verbauenden hochpräzisen, schnellen Aktoren hat der Kollege auch direkt mit unter den Teppich gekehrt. Die gibt es auch keineswegs für lau, weder gewichtsmäßig, noch finanziell, noch in punkto Reparaturanfälligkeit.
Das System ohne Feder gibt es schon, heißt Desmodromik, bei Ducati.
Da hast du dann noch mehr bewegliche Teile und alles, insbesondere der Mechanismus zum Schließen des Ventieles, muss noch präziser eingestellt werden, damit das Ventil nicht mit zuviel Druck in den Sitz gepresst wird.
Und ich denke mal, selbst wenn die Betätigung dann elektrisch, oder pneumatisch, oder auch rein hydraulisch erfolgt, das dies immer exellent funktionierende Steuereinheiten benötigt. Sobald diese unkorrekt agieren, dann hast du permanent falsch arbeitende Ventile, mit den ensprechenden, den Verschleiß fördernden, Nachteilen.
Die, von der Kurbelwelle angetriebene, Nockenwelle hingegen arbeitet immer exakt, so wie es kontruiert wurde. Selbst diverse konstruktive Lösungen zur variablen Ventilsteuerung, sorgen im Falle eines Defektes selbiger nicht dafür, das die Ventile komplett "daneben" laufen und vor allem ist immer dafür gesorgt, das sie 100%ig schließen.
Die mechanisch angetriebene Nockenwelle ist einfach immer noch die zuverlässigste, am einfachsten konstruierbare und wartungsfreiste Ausführung.
Materialtechnischer Billigschrott, der zu Motoschäden führen kann, lasse ich mal außen vor, da dies auch bei all den anderen technologischen Lösungen nicht ausgeschlossen werden kann.
Zitat:
@Cupkake schrieb am 19. März 2016 um 00:50:10 Uhr:
@LtLTSmashIch wollte dir auf keinen Fall Kompetenz absprechen. Für mich klingt es halt so, als dass man Neuerungen grundsätzlich kritisch gegenüber steht, obwohl diese Technik sichtbare Vorteile mitbringt.
Köenigsegg hat einen SAAB auf Free Valve umgebaut. Der Kraftstoffverbrauch ging um 20% zurück. Also sehe ich dies als Argument an. Zu der Leistungssteigerung habe ich nichts genauers lesen können, aber Christian von Koenigsegg ist schon eine sehr seriöse Person.
Zu den Kosten. Aussagen kann man ja erst treffen, wenn die Technik in Serie gefertigt wird, wie du selber weißt.
Selbst wenn Free Valve teurer wäre, könnte es sich für den Hersteller lohnen, denn es würde sich günstig auf den CO2 Flottenausstoß auswirken, wo eine Überschreitung der Grenzwerte mit Strafzahlungen verbunden ist.
Die Frage ist ja immer die Basis. Klar ist eine Vollvariable Ventilsteuerung vorteilhaft und das Freevalve System scheint ja auch nur eine weiter Spielart davon zu sein. Gegenüber einem klassischen System ohne Phasenstellern bringt das gewiss deutliche Vorteile jedoch ist das heute schon selten. Es gibt halt eine Menge andere Verfahren mit dem das System konkurrieren muß, die ähnliche Vorteile bieten bzw nur Teilfunktionen abbilden. Am Ende zählt halt Kosten zu Nutzen und da sieht mir das System recht teuer aus.
Vielleicht mal ei anderes Beispiel. Vor ca. 20 Jahren brachte VW ja den FSI mit Schichtladung ( klar, der Mitsubishi war vorher mit dem GDI, jedoch zählt eine Technik in der "Fachpresse" nur dann als gut unverzichtbar und modern wenn VW sie anbietet). Ich weiß nicht inwieweit das Funktionsprinzip bekannt ist, aber kurz zur erklärung: Dabei wird die Einspritzung und Luft so geführt, das nur um die Zündkerze ein brennfähiges Gemisch entsteht, das von Luft umgeben ist. Das bringt thermodynamisch und auch in Punkto Drosselung große Vorteile, so das im Teillastbereich massive Verbrausvorteile nachweisbar waren. Das Problem war nur, im realen Fahrbetrieb dieser Vorteil nicht darstellbar war, da:
- die aufwendige Luftführung in anderen Betriebsbereichen von Nachteil waren
- mit steigender Last nimmt der Vorteil ab, deswegen war der kleine FSI im schweren Golf IV real dann selten im Schichtbetrieb
- im Schichtbetrieb wird der Otto zu NOx Schleuder. Deswegen musste ein NOx Speicherkat eingebaut werden, der mit Kraftstoff (Fettphase) regeneriert wurde.
In Summe war das System also wenig effizient aber extrem teuer. Es ist dann auch recht schnell wieder rausgeflogen und heute gibt es das noch bei größeren Mercedes Motoren wo die Vorteile zwar begrenzt aber wohl deutlicher sind (siehe Punkt 2)
Opel hat etwa zur gleichen Zeit sein Twin Port System gebracht, welches mit ein läppischen schaltbaren Klappe im Ansaugrohr ein vergleichbaren Verbrausvorteil im Test generieren konnte.
Zitat:
@LtLTSmash schrieb am 18. März 2016 um 21:04:14 Uhr:
Zitat:
@GaryK schrieb am 18. März 2016 um 20:04:40 Uhr:
Laser- oder Mikrowellenzündung ist nicht schwachsinnig. Wenn du eine Methode findest, das Gemisch mitten im Brennraum zu zünden, so erhöhst du den Kolbenmitteldruck. Und damit den Wirkungsgrad.Das Problem bzw. Ein Problem ist natürlich, daß durch die erhöhte brenngeschwindigkeit der druckgradiend im brennraum steigt. Das ist natürlich gut für den Wirkungsgrad ist jedoch akustisch schlecht, der Motor nagelt. Diese Zündungssysteme waren meine ich auch hauptsächlich für magerkonzepte gedacht waren.
Ja und nein. Magergemische lassen sich schlecht "klassisch" entzünden, Vorteil Mikrowelle/Laser. Aber: Eine Flamme hat nunmal eine begrenze Brandgeschwindigkeit. Zündest du mitten im Brennraum, brennt die gleich schnell, braucht aber nur halb so lange wie "klassisch" von oben nach unten. Was dir schlicht den Mitteldruck erhöht und damit auch die effektive Expansion und damit Abkühlung/Energieausbeute.
Nur ist das Probleme das laser nicht in Serie geht weil man das Verschmutzungsproblem gelöst bekommt. Das muss ja optisch ein gespiegelt werden.
Da wäre Mikrowellen Zündung wohl einfacher.
Zitat:
@gla schrieb am 18. März 2016 um 17:47:10 Uhr:
Zitat:
@LtLTSmash schrieb am 18. März 2016 um 16:34:39 Uhr:
Methanisierung ist ein im moment in der Entwicklung befindliches Verfahren, um überschüssige Energie aus regenerativen Energien zu speichern.
Das wäre eine ganz großartige Sache wenn das funktionieren sollte.
Das funktioniert schon.
Das bekannteste Projekt ist die 'George Olah'-Anlage in Island, Details siehe hier:
Power and CO2 Emission to Methanol.
Der Wirkungsgrad liegt bei 60% und es werden keine zusätzlichen Agrarflächen verheizt, wie bei BtX (Bio to Liquid, Bio to Gas).
Voraussetzung ist ausreichende EE als Energielieferant (da ist D aber auf einen guten Weg). Ist in dem pdf alles schön zusammengefasst.
Wer sagt das man für Bio-Gas Agrarflächen verheizen muss?
Was bekommen die Nutztiere den zu fressen? Oder was willst du als Basis nutzen.
Klär und Deponiegase sind übriges aufwändiger zu reinigen als simple pflanzen.
Zitat:
@gobang schrieb am 19. März 2016 um 14:06:03 Uhr:
Das bekannteste Projekt ist die 'George Olah'-Anlage in Island, Details siehe hier: Power and CO2 Emission to Methanol.
Der Wirkungsgrad liegt bei 60%
Was praktisch gelogen ist bzw. einem "passend" gewählten Bilanzraum geschuldet wird. Strom zu H2 macht alleine bereits 20-25% Verluste und CO2 zu Methanol hat einen lausigen Wirkungsgrad. Ist jedenfalls sinniger als "Windgas". Weil Methanol problemlos gelagert/transportiert werden kann und zudem eine im Vergleich zu Erdgas hohe Speicherdichte aufweist. Verbrennt obendrein sehr sauber.
Find das konzeptionell daher sinnig. Immerhin hat das CO2 aus einem Kraftwerks-Abgas daher doppelte Nutzung bevors in die Atmosphäre geht. Wenns CO2 aus der Verstromung von Biogas käme wärs sogar "egal".