Vorwort Ist der Elektroantrieb die Zukunft der Autoindustrie? Bedenkt man die fehlende Lade-Infrastruktur, die miserable Speicherkapazität der verfügbaren Batterien im Vergleich zu Benzin und Diesel, deren Probleme bei Temperaturen über 50 C (Explosionsgefahr) und unter 0 C (keine Funktion) sowie Preis und Lebensdauer, kann das nicht die Lösung sein. Elektrofahrzeuge machen nur Sinn im Stadtverkehr, um dort die Umweltbelastung zu senken. Die zurückzulegenden Strecken sind kurz, die Ladung der Batterien kann nachts erfolgen. Es sind nur relativ kleine Batterien erforderlich, vor allem wenn diese Stadtscooter in Leichtbauweise mit Verbundwerkstoffen hergestellt werden. Das Elektroauto kann diese Nische füllen, aber es kann den Verbrennungsmotor nicht ersetzen!
Ein Projekt von Wolfgang Seemann
Die Zukunft der Autoindustrie ist der Druckwellen-Dieselmotor Als Explosionsmotor unterliegt er nicht den Beschränkungen des Carnot- Kreisprozesses. Mit ihm sind Wirkungsgrade von > 60 % möglich. Er braucht keine neue Infrastruktur, reduziert den Kraftstoffverbrauch der Fahrzeuge um 75 % und erfüllt mit seiner homogenen Verbrennung ohne zusätzlichen Aufwand (kein Kat,kein Rußfilter, keine Abgasrückführung) alle Abgasnormen. Die Herstellung ist billiger und in Verbindung mit dem hydraulischen Allradantrieb Multigear ist er die perfekte Lösung des Antriebsproblems. Beim Betrieb mit Biodiesel oder Syn-Fuel aus Algen ist er CO2-neutral.
Der SinusDrive Antrieb besteht aus zwei Komponenten, dem Druckwellenmotor und dem Multigear-Allradantrieb 1. Der Seemann Druckwellenmotor Wirkungsweise und Aufbau, Serielle Hochgeschwindigkeitseinspritzung Instant power Konstante Motordrehzahl Integrierte Kupplung und Multikolbenpumpe 2. Der All- wheel hydraulic powertrain Multigear Wirkungsweise und Aufbau Hydraulischer Steuerblock Hydraulische Rekuperation
Das Arbeitsprinzip Beim Druckwellenmotor wird nicht wie beim Verbrennungsmotor die Expansion des erhitzten Gases zur Bewegung des Kolbens genutzt, sondern die bei der explosiven Verbrennung des Kraftstoffes entstehenden Druckwellen. Explosive Verbrennung bedeutet, dass die Verbrennungsgeschwindigkeit von etwa 30 m/s auf mehrere hundert m/s erhöht wird. Dass dies mit einem normalen Kurbelwellenmotor und heutiger Einspritztechnologie nicht möglich ist, leuchtet ein. Eine komplette Neukonstruktion war deshalb erforderlich, um die Herausforderungen der Druckwellentechnologie zu meistern. Explosive Verbrennung Klopfen ein Horrorszenario für jeden Autoingenieur, weil es unweigerlich den Motor zerstört. Das stimmt, aber nur weil der Verbrennungsmotor nicht dafür konstruiert ist. - Ein Maschinengewehr hält Millionen Explosionen aus es ist für diesen Zweck gebaut!
Physikalische Grundlagen Was ist eine Explosion? Eine sehr schnelle Verbrennung mit einer Verbrennungsgeschwindigkeit von mehr als 100 m/s bei der mehr als 55 % der zugeführten Energie in kinetische Energie, also Druckwellen, umgewandelt wird. Der Anteil der kinetischen Energie ist eine Funktion der Verbrennungsgeschwindigkeit. Je höher diese ist, desto mehr Energie wird als Druckwelle frei und entsprechend weniger als Wärme. Die Idee, Explosionen als Antrieb zu nutzen reicht zurück bis ins Jahr 1673, als der Wissenschaftler Christian Huyghens in Paris seinen ersten Explosionsmotor vorstellte, bei dem mittels Schwarzpulver und einem Kolben ein Gewicht angehoben wurde.
Der Ablauf beim Druckwellenmotor Extrem feine Dispersion der Kraftstofftröpfchen und die Konzentration der Einspritzmenge auf ein definiertes Luftvolumen stellt sicher, dass jedes Kraftstoffmolekül sofort ein Sauerstoffmolekül findet. Dadurch ist eine homogene Verbrennung sichergestellt. Bei den mikroskopisch kleinen Tröpfchen (1-2 µ) im Druckwellenmotor sind die gleichen Bedingungen gegeben wie bei einer Staubexplosion. Trotz einer dreihundert mal kleineren Kraftstoffmenge pro Mikroeinspritzung (beim 100 kw-druckwellen-motor) als die Haupteinspritzung beim normalen Dieselmotor ist die für die Oxidation wichtige Tröpfchen-Gesamtoberfläche fünfmal größer. Siehe nächste Seite.
Das Verhältnis von Gesamtoberfläche und Tröpfchengröße bei der Dieseleinspritzung. Tröpfchendurchmesser Tröpfchenvolumen Tröpfchenoberfläche 1 µ 0,523 µ3 3,14 µ2 2 µ 4,187 µ3 12,56 µ2 5 µ 65,420 µ3 78,50 µ2 10 µ 523,333 µ3 314 µ2 20 µ 4.186,667 µ3 1.256 µ2 30 µ 14.130 µ3 2.826 µ2 50 µ 65.417 µ3 7.850 µ2 1 mm³ = 1.000.000.000 µ3, 1 mm² = 1.000.000 µ2
Beispiel: Einspritzmenge 30 mm³ als Haupteinspritzung beim Dieselmotor Tröpfchendurchmesser Tröpfchenanzahl Gesamtoberfläche 50 µ 458.600 36 cm² 30 µ 2.123.000 60 cm² 2 µ 7.160.000.000 900 cm² 1 µ 57.300.000.000 1.800 cm² Beispiel: Einspritzmenge 0,1 mm³ als Mikroeinspritzung beim Druckwellenmotor Tröpfchendurchmesser Tröpfchenanzahl Gesamtoberfläche 2 µ 24.000.000 300 mm² 1 µ 191.200.000 600 mm² Die Einspritzmethode beim Verbrennungsmotor produziert sehr unterschiedliche und viel größere Tröpfchen als die Einspritztechnik beim Druckwellenmotor, dort sind die größten Tröpfchendurchmesser nur etwa 2 µ.
Beim 100 kw Druckwellenmotor werden 0,1 mm³ Kraftstoff in etwa 50 Millionen Tröpfchen mit einer Oberfläche von etwa 400 mm² so eingespritzt, dass sie sich in einem Raumvolumen von etwa 30 mm³ schlagartig entzünden. Dabei wird eine sehr schnelle Druckwelle erzeugt, welche vom parabolförmigen Brennraum in Richtung Kolben reflektiert wird. Die Aufweitung der Druckwelle auf die Aperturfläche des Parabols verringert die Geschwindigkeit von etwa 750 m/s auf 3,25 m/s, der Kolbengeschwindigkeit bei 1.500 U/min. Durch die Verringerung der Druckwellengeschwindigkeit um den Faktor 200 erhöht sich gleichzeitig der Druck der Welle um den Faktor 200. Vergleich: Der Unterschied zwischen der Mündungsgeschwindigkeit einer Pistole und eines Mörsers: Pistole = Kleiner Durchmesser = hohe Geschwindigkeit, niedriger Druck, Mörser = großer Durchmesser = niedrige Geschwindigkeit, hoher Druck.
Probleme und Lösungen: Um eine Beschädigung des Motors durch die explosive Verbrennung zu vermeiden, ist es erforderlich, die Einspritzung pro Arbeitstakt in viele Mikroeinspritzungen aufzuteilen. Das Zeitfenster für die Einspritzung ist beim Kurbelwellenmotor nur etwa 30 Kurbelwinkel. Bei einem so kurzen Zeitfenster sind nicht genug Mikroeinspritzungen möglich. Die Lösung ist, wie im nächsten Bild gezeigt,statt einer Kurbelwelle einen Sinusring zu verwenden, der über Laufrollen an starren Pleueln von Doppelkolben angetrieben wird. Der Sinusring erlaubt ein Einspritz- Zeitfenster das etwa 160 Kurbelwinkel entspricht. Es ist eine viel gleichmäßigere und länger andauernde Krafteinleitung möglich.
Der 100 kw Druckwellenmotor hat 8 Zylinder ( 4 x 2 Boxer) mit insgesamt 1.000 cm³ Hubraum. Es ist die beste Lösung im Hinblick auf Laufruhe und Vibrationsfreiheit. Siehe nächstes Bild. Bei diesem Achtzylinder- Zweitakt-Druckwellendieselmotor mit untenliegenden Ventilen und konstanter Drehzahl ( 1.500 U/min) sind zwischen 200 (Leerlauf) und 40.000 (Volllast) Mikroeinspritzungen pro Sekunde möglich. Die Drehzahlkostanthaltung bei Laständerung erfolgt über die Anzahl der Mikroeinspritzungen pro Arbeitstakt und Zylinder. Bei Mikroeinspritzungen mit 0,1 mm³ Kraftstoff ergibt dies bei 40.000 Einspritzungen pro Sekunde eine maximale Leistung von 100 kw bei 1.000 cm³ Hubraum und einen Kraftstoffverbrauch von etwa 125 g/kwh. Vergleich: Beim Vierzylinder-Viertakter sind es bei 1.500 U/min nur 50 Vor- und 50 Haupteinspritzungen, bei einem Verbrauch von etwa 250 g/kwh.
Piezoinjektoren mit Nadelhub und Mehrlochdüsen sind für den Druckwellenmotor nicht geeignet, da sie weder die exakte Mikrodosierung noch die erforderliche Taktfrequenz leisten können. Ein komplett neues Einspritzsystem war erforderlich. Dieses Einspritzsystem besteht aus einem herkömmlichen common rail und einem Einspritzventil pro Zylinder. Die eigentliche Einspritzung geschieht mittels einer hochpräzisen Mikrodosiereinrichtung, die je nach Ausführung zwischen 0,002 und 0,5 mm³ pro Einspritzung liefern kann und einem Piezoaktor mit einem Hub von 5 µ bei einer Taktfrequenz von 10 khz. Es mussten dafür neue Herstellungsverfahren entwickelt werden. Einspritztechnologie und Herstellungsverfahren sind durch mehrere Patentanmeldungen geschützt.
Brennpunkt Serielle Druckwellen gleichgerichtet Einspritzstrahl Kolbenboden Brennraumparabol Hubraum Serielle Multieinspritzung Seemannmotor
Haupteinspritzung Dieselmotor Main injection Diesel engine Serielle Multieinspritzung Druckwellenmotor Serial multiinjection pressure wave engine
Instant power Jede Drehzahländerung eines Motors kostet Energie. Der Druckwellenmotor läuft deshalb mit konstanter Drehzahl im optimalen Bereich. In den Motor ist die Hydraulikpumpe des hydraulischen Antriebsstrangs integriert. Die Geschwindigkeitsregelung des Fahrzeugs erfolgt in den vier Hydraulikturbinen an den Rädern. Durch den Wegfall von mechanischem Getriebe, Differential und Ausgleichsdifferential hat das Antriebssystem einen erheblichen Gewichtsvorteil. Das Gesamtgewicht des Powertrains einschließlich Motor liegt beim 100 kw Typ einschließlich Rekuperationseinheit bei etwa 100 kg. Ohne Rekuperationseinheit bei etwa 80 kg. Schon vor mehr als 50 Jahren gab es Versuche, mit einem konstant laufenden Dieselmotor einen Generator anzutreiben und mit diesem dann einen oder mehrere Elektromotoren. Das scheiterte damals an den zu hohen Kosten und dem zusätzlichen Gewicht, das einen großen Teil der Ersparnis wieder zunichte machte.
Der hydraulische Allradantrieb Multigear Gängige hydraulische Allradantriebe sind aufgrund hoher Strömungsverluste für schnelle Fahrzeuge ungeeignet. Der SinusDrive Powertrain basiert auf einem Konzept, bei dem im Fluidkreislauf mit konstanter niedriger Geschwindigkeit und deshalb niedrigen Verlusten gearbeitet wird. Der Rotorquerschnitt der Radturbinen ist variabel. Wird er verkleinert, muss der Rotor schneller drehen, um das ankommende Fluid zu schlucken. Die Radturbinen sind bei PKW auf Geschwindigkeiten bis 200 kmh ausgelegt, aber es sind auch Ausführungen für höhere (Sportwagen) oder niedrigere (LKW) Geschwindigkeiten möglich. Die Antriebspumpe ist als vierfach-serielle Multikolbenpumpe ausgelegt, um an jedem Rad gleiche Druckverhältnisse zu haben. Ungleiche Belastungen der Räder werden in der Pumpe automatisch ausgeglichen. Dadurch kann auf ein Ausgleichsdifferential verzichtet werden. Das Pumpendesign ist ebenfalls zum Patent angemeldet.
Steuerblock Ein hydraulischer Steuerblock ist direkt an die Anschlüsse der in den Motor integrierten Hydraulikpumpe angeflanscht. Vom Steuerblock führen 8 Hydraulikleitungen zu den Radturbinen. Bei Druckverlust in einer Leitung wird der entsprechende Anschluss auf Bypass geschaltet. Die Funktionen sind: Kupplung, Leerlauf, Vorwärts, Rückwärts, Bremsen (Rekuperation), Stop, Parken. Eine weitere im Powertrain integrierte Funktion ist die Drehzahlanpassung bei Kurvenfahrten, um ein neutrales Fahrverhalten zu garantieren. Entsprechend dem Lenkradeinschlag drehen die kurvenäußeren Räder schneller und die kurveninneren langsamer. Rekuperation Beim rekuperativen Bremsen wird der Motor ausgekuppelt und der Radkreislauf auf Hydrauliktanks umgeschaltet um darin Druck aufzubauen. Beim Beschleunigen wird zuerst der Druck in den Tanks abgebaut, bevor der Motor wieder eingekuppelt wird. Für lange Gefällstrecken ist eine Retarderfunktion vorgesehen.
Datenblatt Seemann Druckwellen-Dieselmotor CD 8/100 Motorenprinzip: 2-takt-Diesel, Druckwellentechnologie mit homogener Verbrennung Zylinderanordnung 8 Zylinder in 2 Ringen a 4 Zylinder. Hubraum 1 Liter Bohrung D 5,5 cm Hub 6,5 cm Ventile Ein- und Auslassventile am Zylinderumfang nahe UT Einspritzventile 8 Hochgeschwindigkeits-Piezoventile mit 5 Mikron Hub Leistung 100 kw Drehzahl 1.500 U/min konstant Einspritzung serielle Multiinjektion mit 10 khz Taktung Drehzahlkonstanthaltung digital durch Anzahl der Einspritzungen pro Arbeitstakt Regelverhältnis 200 : 1 ( 100 kw bis 0,5 kw) Regelgeschwindigkeit von Leerlauf (0,5 kw) auf Volllast (100 kw) 5 ms Kraftübertragung Sinusring mit 1 Schwingung Platzbedarf 35 x 35 x35 cm
Seite 2 Datenblatt Seemann Druckwellen-Dieselmotor CD 8/100 Gewicht ca. 40 kg Verbrauch ca. 125 g Diesel pro kwh Katalysator nicht erforderlich Rußfilter nicht erforderlich Abgasrückführung nicht erforderlich Turbolader 1 Stück Ladedruck 3 bar Einspritzmenge 0,1 mm3 pro Mikroeinspritzung, 40 cm3/s bei Volllast Einspritzungen 200/s bei 0,5 kw bis 40.000/s bei 100 kw Wirkungsgrad > 60 % * CO2 Ausstoss 53 g/km * Der Seemann-Druckwellenmotor funktioniert nicht nach dem Carnot-Kreisprozess, sondern nach den Detonationsgesetzen (Druckwellenleistung).
Vorteile des SinusDrive Systems: Produktionskosten wesentlich niedriger als bei einem Verbrennungsmotor mit mechanischem Antriebsstrang. Sehr niedriges Gewicht, extrem niedriger Verbrauch, sehr kompakt. Minimale Emissionen (CO2, NOx, Ruß, Lärm) Kein Katalysator, kein Rußfilter, keine Harnstoffinjektion, keine Abgasrückführung, kein Getriebe, kein Differential, kein Ausgleichsdifferential, keine Nockenwelle, keine Steuerkette, keine Kurbelwelle, keine Pleuellager erforderlich. Volle Leistung immer sofort verfügbar Integrierte Energierückgewinnung ohne Speicherbatterie Integriertes Bremssystem Permanenter Allradantrieb mit automatischem Drehzahlausgleich bei Kurvenfahrten.
Herausforderungen bei der Umsetzung des SinusDrive Systems: Hochpräzise Fertigung beim Einspritzsystem. Optimierung der parabolischen Brennraumform zur exakten Anpassung der Druckwellengeschwindigkeit an die Kolbengeschwindigkeit. Kraftstoff-Filterung auf 0,5 µ Partikelgröße auch bei Minustemperaturen. Sensoren für sehr schnelle Drehzahlregelung des Motors Optimierung der Kraftübertragung auf den Sinusring, Tribologie. Schmierung von Kolben, Sinusring und Laufrollen. Leistung Abgasturbolader Motorkühlung und Fahrzeugheizung.
Wer forscht noch an der Druckwellentechnologie? Ein Interview von Technology Review mit Michael Idelchik, dem Forschungschef von General Electric: Technology Review: Welche Forschungsprojekte gibt es derzeit bei GE Research, die noch im Frühstadium sind und bei denen General Electric ein hohes Risiko eingeht? Michael Idelchik: Wir sind ein Industrielabor. Da ist die Bezeichnung Frühstadium doch relativ. Wir haben aber einige Projekte, die Jahre dauern werden. Da ist zum Beispiel die Puls- Detonations-Technologie, auch Überschall-Verbrennung genannt. Anstatt Kraftstoff bei konstantem Druck zu verbrennen, wie das in herkömmlichen Turbinen geschieht, lässt man den Druck ansteigen und erzeugt so eine Schockwelle. Das heißt, Wärmeenergie wird in einer Detonation freigesetzt. In der Turbine steht dadurch mehr Energie zur Verfügung. Wir schätzen, dass sich der Wirkungsgrad einer Kraftstoffverbrennung theoretisch um 30 Prozentpunkte verbessern könnte. In der Praxis, mit der ganzen Anlagentechnik drumherum, würde die Verbesserung natürlich nicht so hoch ausfallen. TR: Wie hoch denn? Idelchik: Die Steigerung die Wirkungsgrades wird irgendwo zwischen fünf und zehn Prozentpunkten liegen, also vielleicht von 59 oder 60 Prozent auf 65 Prozent. Wir haben zwar auch andere Technologien, die uns allmählich dahin bringen können, aber keine kann das auf einen Schlag. Diese Technologie ist ziemlich revolutionär.