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Zum technischen Fortschritt auf dem Antriebssektor


...ein Ausblick aus dem Jahre 1975

Hans-Dietrich Zeuschner, Mai 2002


Einleitung anno 2002: Zunächst das Dreiliter-Auto, nunmehr ist der Einliter-Pkw in jüngster Zeit vorgestellt worden. Wasserstoff wird als Ersatz für Otto-Kraftstoff und Rapsöl für Dieselkraftstoff propagiert. Fahrzeuge mit Elektro-, Solar oder Hybridantrieb sind in der Erprobung bzw. oder bereits im Einsatz. Etliche Aufladungssysteme wurden realisiert. Diese Problematik wird auf den Seiten von www.kfztech.de eingehend behandelt.

Durch konstruktive Veränderungen konnte in den letzten Jahrzehnten der Nutzwirkungsgrad deutlich über die „magischen“ Grenzen 0,3 für Ottomotore bzw. 0,4 für Dieselmotore angehoben sowie der spezifische Kraftstoffverbrauch entsprechend abgesenkt werden. Die Entwicklung ist nachstehend tabellarisch dargestellt.

Tabelle 1 Die Entwicklung des Nutzwirkungsgrads in zweiundvierzig Jahren


Motorart Fahrzeugart Taktzahl Nutzwirkungsgrad
1958* 1979** 2000**
Otto Krad 2     0,14...0,18
4     0,25...0,31
Pkw 4 0,22...0,33 0,22...0,30 0,28...0,33
Nkw 4     0,33
Diesel Pkw 4   0,32...0,40 0,32...0,46
Nkw 4 0,30...0,34   0,32...0,46
Großdiesel 4 0,35...0,45    
Gasturbine       0,10...0,26 0,22...0,35


*)  Quelle: Kirsten, H.J.: Brennkraft-Kolbenmaschinen, München 1958
**) Quelle: EUROPA-Tabellenbuch, Haan-Gruiten, 6.Auflage, 1979 bzw. 13.Auflage, 2000

Tabelle 2 Die Ursache: der spezifische Kraftstoffverbrauch

Motorart Fahrzeugart Taktzahl Art spez. Kraftstoffverbrauch in g/kWh
1979** 2000**
Otto Krad 2 350...600
4 270...350
Pkw 4 240...350
Lader 250...380
2 Vergaser 400...600
4 Vergaser 280...430
2 Einspritzmotor 310...500
4 Einspritzmotor 270...430
Diesel Pkw 4 185...320
Lader 195...290
Nkw 4 185...240
Lader 205...230
Ladeluftkühlung 195...225
2 Fahrzeugmotor 260...370
4 200...340

„Mit welchen Antriebssystemen können wir in naher Zukunft rechnen ?“

habe ich im Januar 1975 gefragt. Der nachstehende Beitrag dokumentiert den seinerzeitigen Stand der Technik auf dem Antriebssektor. Nachdem die Entwicklung ein Vierteljahrhundert fortgeschritten ist, lohnt ein Vergleich mit dem heutigen Stand der Antriebstechnik. Ich habe den in LuF veröffentlichten Urtext redaktionell überarbeitet und mit einigen Bildern angereichert.

 

Nur 30 bis 34 Prozent der im Dieselkraftstoff enthaltenen chemischen Energie kommt nach der Umwandlung an der Kupplung von modernen Kraftfahrzeugen an. Diesem äußerst ungünstigen Wirkungsgrad muss im Hinblick auf die wechselvolle, häufig angespannte Lage auf dem Ölsektor sowie in ökologischer Hinsicht viel Aufmerksamkeit gewidmet werden.

Leuchtgasbetrieb

In den vergangenen 100 Jahren ist ständig daran gearbeitet worden, den Nutzwirkungsgrad zu verbessern. Die Entwicklung von Kolbenmotoren scheint heute abgeschlossen zu sein. Sie begann damit, dass 1867 eine von Nikolaus August Otto unter Mitwirkung von Eugen Langen gebaute atmosphärische Gaskraftmaschine auf der Weltausstellung in Paris als wirtschaftlichste Kraftmaschine mit der goldenen Medaille ausgezeichnet wurde. Der Veteran verbrauchte einen Kubikmeter Leuchtgas pro PS und Stunde, das entspricht etwa einem Wirkungsgrad von 15 Prozent, wenn man den Heiz­wert unseres heutigen Stadtgases bei der Umrechnung zu Grunde legt.

Gaskraftmaschine Otto und Langen

Bild 1, Deutsche Verlagsanstalt Stuttgart 1957 (nachträglich eingefügt)  

Die atmosphärische Gaskraftmaschine von N.A. Otto und E. Langen. Zum Erstaunen der Prüfungskommission, insbesondere der Franzosen, zeigte sich, dass der deutsche Motor nur ein Drittel des Gasverbrauchs (!) aufwies, den der bereits seit einigen Jahren erprobte Motor von Lenoir hatte. Die Anhänger dieser Maschine waren über das Messergebnis so erstaunt, dass sie, seine Richtigkeit bezweifelnd, nach einer verborgenen Leitung gesucht haben sollen, die dem deutschen Motor Gas zuführte, das in der Messung nicht berücksichtigt war.


Zum Vergleich: Knapp 100 Jahre später baute man diesen Groß-Dieselmotor, lediglich die Bauhöhe entspricht in etwa der Konstruktion von Otto und Langen.

MAN 2-Takt-Diesel

Bild 2, Fa. MAN Augsburg-Nürnberg (nachträglich eingefügt)

Querschnitt eines MAN-Zweitakt-Großdieselmotor KZ 70/120 A, Bj. 1958 Zylinderleistung: ohne Aufladung Ne = 588 – 695 PS , n = 110 - 130 U/min Zylinderleistung mit Aufladung Ne = 735 – 870 PS , n = 110 – 130 U/min Bohrung 700mm Hub 1200mm Anzahl Zylinder: ohne Aufladung 5-10 mit Aufladung  6-10

Dampfbetrieb

Bei Dampfmaschinen dürften seinerzeit nur etwa 10 Prozent der in der Kohle enthaltenen Energie ausgenutzt worden sein, heute kommt man über einen Nutzwirkungsgrad  von 15 bis 18 Prozent zwar nicht hinaus, aber immerhin beträgt die Steigerung maximal 80%.

Dampfmaschine

Liegende Einzylinder -Kolbendampfmaschine mit Schiebersteuerung. Aus dem Kessel gelangt der Dampf durch ein Rohr in den Schieberkasten; der durch zwei Bohrungen  mit dem Zylinder (Z) verbunden ist. In dem Zylinder befindet sich der doppelt wirkende Kolben (A) mit durchgehender Kolbenstange. Diese ist im Kreuzkopf  gelagert, der mit Gleitschuhen und Gleitbahn ausgestattet ist. Der Kreuzkopf setzt die oszillierende Bewegung des Kolbens mittels Pleuelstange (P) in eine rotierende an der Kurbelwelle (K) um. Der Fliehkraftregler  (R)  sorgt für gleichmäßigen Gang der Maschine durch Regelung der Dampfzufuhr.  Der Exzenter (E) bewegt mittels Exzenterstange und Schieberstange den Schieber, der wiederum den Übertritt des Dampfes in die linke oder in die rechte Kammer   des Zylinders bestimmt.


Die Tatsache, dass bei den vorstehend behandelten Maschinen während der Reifezeit eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs um zwei Drittel bzw. eine Erhöhung des Nutzwirkungsgrads um 80% möglich war, lässt Hoffnung der Gestalt aufkommen, dass ebenfalls die heute bzw. vor wenigen Jahren noch völlig indiskutablen technischen Lösungen auf der Antriebssektor in nicht zu ferner Zukunft „das Rennen machen“ werden.

pV-Diagramme
Bild 4, Deutsche Verlagsanstalt Stuttgart 1957  (nachträglich eingefügt)

Schon bevor N.A.Otto den Motor konstruierte, entwarf er durch Anwendung von  bekannten physikalischen Gesetzmäßigkeiten ein theoretisches Diagramm und konnte nachher befriedigt feststellen, dass dies mit seinem wirklichen Diagramm gut überein stimmte.

Die Gasturbine

Gasturbinen fahren heute mit einem Nutzwirkungsgrad von 0,10 bis 0,26. Bei Klöckner-Humbold-Deutz sind z.Zt. Aggregate mit relativ niedriger Leistung, vorgesehen für den Einsatz auf dem Nkw-Sektor, in Erprobung. Auch wenn es gelingen sollte, den spezifischen Kraftstoffverbrauch deutlich zu senken, so wird doch der Wirkungsgrad maximal kaum an den eines Verbrennungsmotors herkömmlicher Bauart heran reichen. Nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik ist es lediglich möglich, einen – ökonomisch und ökologisch gesehen - unbefriedigenden Anteil der aus Kohlenwasserstoffen durch Verbrennung gewonnenen Wärme in mechanische Energie umzuwandeln. Umgeht man die Umwandlung von chemischer Energie in Wärme durch den Verbrennungsprozess und lässt die Oxydation des Brennstoffs durch Ionen- und Elektronenaustausch erfolgen, so erhält man unmittelbar und mit sehr günstigem Wir­kungsgrad aus der chemischen Energie des Brennstoffs elektrische Energie, die ihrerseits wiederum z. B. in Kraftfahrzeugen in mechanische Energie (ebenfalls mit gutem Wirkungsgrad) umgewandelt werden könnte. Nach dem Prinzip der sogenannten kalten Verbrennung arbeitet die Brennstoffzelle. Es wurde bereits am Anfang des vorigen Jahrhunderts von Sir William Grove entdeckt.

Die Brennstoffzelle

In der Brennstoffzelle wird die chemische Energie eines konventionellen Brennstoffs direkt in elektrische Energie umgewandelt. Brennstoff und Oxydationsmittel werden bei dieser elektrochemischen Vorrichtung von außen zugeführt. Hierin liegt der wesentliche Unterschied zum Bleiakkumulator begründet. Im Gegensatz zur Brennstoffzelle speichert der Akku lediglich Energie auf seinen Platten. Zwei Brennstoffzellen haben seit einiger Zeit in Fachkreisen be­sonderes Interesse gefunden. Es ist die Wandler von Prof. Justi. Braunschweig, und von Chambers, Sandes. Die Justi-Zelle wird mit  Wasserstoff und Sauerstoff bei einer Temperatur von 65,5 Grad C betrieben. Ihr Wirkungsgrad liegt bei 60 Prozent. In der Carbox-ZelIe von Chambers werden Kohlenwasserstoffe, z.B. Petroleum, bei Temperaturen bis zu 700 Grad C durch Luft oxydiert.

Brennstoffzelle
Bild 5, Bibliographisches Institut Mannheim 1963 (nachträglich eingefügt)

Das Prinzip der H2 – O2 – Zelle von Justi und Winsel. Das Element erreicht bei Zimmertemperaturen unter 100oC und Atmosphärendruck fast die hohe Stromdichte von 1A/cm2. Die Urspannung beträgt über 90% der theoretisch erreichbaren Spannung von 1,23 Volt.

Für den Einsatz im Kraftfahrzeugbereich scheiden Brennstoffzellen, die bei Temperaturen über 500 Grad C arbeiten, aus. Andererseits sind jedoch auch Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen die Kohlenwasserstoffe direkt umsetzen und günstige Leistungsdaten haben, nicht einsetzbar. Die hierfür bisher bekannten Katalysatoren bestehen aus Edelmetallen, insbesondere Platin. Selbst bei sparsamster Verwendung dieses Edelmetalls würde die Jahresproduktion an Platin nicht einmal ausreichen, um etwa ein Tausendstel der Antriebsleistung der jährlichen Kraftfahrzeugproduktion auf Brennstoffzellen umzurüsten.

Im Prinzip erzeugen Brennstoffzellen keine schädlichen Abgasbestandteile, doch können bei Kohlenwasserstoff-Luft- Wandlern unter hohen Belastungen auch hier Kohlenmonoxid und andere partielle Oxidationsprodukte entstehen.

Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle steigt im Gegensatz zum Verbrennungsmotor mit abnehmender Belastung. Im unteren Bereich der Teillast liegt der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors unter 10 Prozent, so dass sich hier Vorteile für die Brennstoffzelle ergeben. Bei Kopplung der Brennstoffzelle mit einem Kohlenwasserstoffreformer und einem Wasserstoffgenerator würde das Teillastverhalten etwa dem der künftigen Verbrennungsmotoren entsprechen. Im Hinblick auf das große Drehmoment kann auf Kupplung und Schaltgetriebe verzichtet werden, was die Bedienung vereinfacht und Verschleiß- und Wartungskosten verringert.

Die preisliche Entwicklung der Brennstoffzelle lässt sich nicht übersehen. Eine 1-kW-Einheit ohne Zubehör kostet fast 20 000 €, doch können diese Kosten möglicherweise bei Massenproduktion auf 500 € pro kW gesenkt werden, wenn es möglich sein sollte, Edelmetalle als Katalysatoren zu vermeiden. Da der elektrische Antrieb nur für  1/4 bis 1/6 der Kernleistung eines vergleichbaren Verbrennungsmotors ausgelegt werden muss, könnte er mit einem Diesel- oder Ottomotor konkurrieren, wenn die Kosten der benötigten Gleichstrommoto­ren 10 bis 20 DM pro kW nicht übersteigen.

Nach dem heutigen Stand der Entwicklung der Brennstoffzellen ist mit einem praktischen Einsatz außer für spezielle Fälle frühestens in 10 bis 20 Jahren zu rechnen.


Der Elektromotor

Der batterie-elektrische Antrieb ist nicht neu. Seit Jahrzehnten wird er für Elektro-Paketwagen, -Bahnsteigkarren, -Transport und Hubstaplerfahrzeuge verwendet. Ökologisch gesehen muss hier das gesamte System betrachtet werden, das den Elektromotor, die Batterie, das elektrische Verteilergerät und das stationäre Elektrizitätswerk umfasst.

Um Aussagen machen zu können, welcher Antrieb den Energieinhalt von Primärenergie­trägern am besten ausnutzt, hat das Volkswagenwerk Verbrauchsmessungen bei einem Elektro-Transporter und einem Benzinfahrzeug desselben Typs durchgeführt. Unter Einbeziehung der Wirkungsgrade des Kraftwerks und des elektrischen Übertragungssystems wurden im dynamischen Betrieb annähernd der gleiche Verbrauch an Primärenergie bei gleicher Nutzlast für beide Antriebsarten festgestellt.

Der Gesamtwirkungsgrad des batterie-elektrischen Systems, vom Kraftwerk bis zur Antriebswelle des Elektromotors, beträgt nach Esso 14 Prozent. Liegt also in der Größenordnung des gesamtthermischen Wirkungsgrades des Ottomotors mit 13 Prozent bei 50 km/h und 22 Prozent bei 110 km/h.

Steyr-Elektro-Bus (Schweiz)


Bild 6, SDP City Bus (Schweiz) (nachträglich eingefügt)

SDP City-Bus (Schweiz) Bj. 1987. Zul. Gesamtgewicht: 5000 kg, Höchstgeschwindigkeit: 50-55 km/h, Mittlerer Energiebedarf: 72 kWh/ 100 km, Batteriekapazität bei 10-stündiger Entladung: 57,7 kWh, Batteriegewicht:1400 bis 1500 kg, Reichweite, mindestens:35-60 km, Motornennleistung: 40 kW, maximale Motorleistung: 80 kW, Getriebe: Max. 1:5, stufenlos, Motorbetriebsspannung: 80V. Der Bus ist mit 8qm Solarzellen auf dem Busdach mit max. 800W Leistung ausgestattet.

Der elektrische Antrieb hätte neben dem Fortfall der schäd­lichen Abgase am Fahrzeug selbst folgende Vorteile: Ein großes Anzugsmoment und hohe kurzzeitige Überlastbarkeit, leichte Bedienbarkeit, Robustheit im Betrieb, keine Startschwierigkeiten und weniger mechanische Bauteile, Energierückgewinnung durch Nutzbremsung. Nachteilig ist das heute noch sehr hohe Leistungsgewicht von Gleichstrommotoren mit 5 kp pro kW.  

Solange nur Bleibatterien als Speicher zur Verfügung stehen, sind die Reichweiten und Ge­schwindigkeiten außerordentlich stark begrenzt. Der Bleiakkumulator würde für ein Nutzfahrzeug mit einem Gewicht von 1350 kg mit einer Nutzlast von 800 kg, etwa 700 kg wiegen, bei einem täglichen Aktionsradius von 100 bis 120 km Fahrstrecke und einem Geschwindigkeitsbereich von maximal 50 bis 60 km/h.

Das von VW entwickelte Fahrzeug hat einen E-Motor mit 32/16 kW Spitzen- bzw. Dauerleistung. Die Energieversorgung erfolgt aus einem 860 kg schweren Bleiakku mit 21,6 kWh bei fünfstündiger Entladung. Eine Akkufüllung reicht für 50 bis 100 km, Der Akkuwechsel kann in ca. drei Minuten durchgeführt werden.

Die den Konstrukteuren gestellte Aufgabe besteht darin, eine energiereiche Stromquelle zu finden, die möglichst mehr als 100 Wh/kg enthält und mit einem kleinen aber hochbelastbaren Akkumulator parallel arbeitet. Heute werden drei Gruppen von galvanischen Elementen unter­sucht: Hochenergiebatterien mit organischen Elektrolyten, Me­tall/Luft-Zellen und Hochtem­peraturbatterien mit geschmol­zenen Salzen als Elektrolyten, von denen die beiden letzten Systeme am aussichtsreichsten beurteilt werden.

Nach wie vor ist die geringe Speicherfähigkeit von Batterien der kritische Punkt. Nur mit zwei Batterien pro Fahrzeug und aufwendigem Wechselsystem kann bisher ein einwandfreier Betrieb garantiert werden. Da nach heutigen Erkenntnissen das Speichervermögen der Bleibatterien bestenfalls um 15 Pro­zent gesteigert werden. kann, wird es nach Esso auf diesem Wege wegen des schlechten Nutzlastfaktors keinen Ersatz des heutigen Personenwagens geben. Weil Nutzfahrzeuge mit mehr als 500kg Zuladung und geringer Geschwindigkeit als Anwendungsmöglichkeit im Nahverkehr nach Meinung von Fachleuten prädestiniert erscheinen, dürfte der Elektro-Ackerschlepper nicht mehr fern sein.

Der Hybrid-Antrieb

Elektromobile sind zwar unabhängig von flüssigen und gasförmigen Treibstoffen, andererseits beschränkt in Nutzlast und Reichweite. Beim Hybrid-Antrieb sollen diese Nachteile durch eine Wärmekraftmaschine kompensiert werden. Die erzeugte elektrische Energie wird je nach dem Betriebszustand direkt verwendet oder dient zum Aufladen von Batterien, die die Energie beim Beschleunigen oder im Stadtverkehr liefern.

Der kürzlich von VW vorgestellte Hybrid-Antrieb besteht aus einem Ottomotor mit hydrodynamischem Wandler und einem elektronisch geregelten Elektromotor. Das Drehmoment des E-Motors wird über eine feste Übersetzung dem Drehmoment des Ottomotors überlagert. Dieses Prinzip zeichnet sich durch einen geringen Bauaufwand und einen günstigen Wirkungsgrad aus. Das Fahrzeug kann nur über den umweltfreundlichen vom Akku gespeisten E-Motor oder von diesem Aggregat und dem Ottomotor angetrieben worden. Wird nicht die gesamte Leistung des Ottomotors beim Fahren benötigt, arbeitet der E-Motor als Generator und lädt die Akkus wieder auf.

Die Verbreitung des Hybrid­Antriebs — in dieser Ausführung oder in der Schwungscheibenvariante — wird davon abhängen, ob hinreichend abgasarme Hubkolbenmotoren oder Gasturbinen realisiert werden.

Die amerikanische Regierung hat 17 Antriebssysteme untersuchen lassen. Die drei aussichtsreichsten Systeme wenden als Prototypen gebaut und bis 1975 getestet. Die Hybride umfassen sechs Kombinationen einer Wärmekraftmaschine mit einem Batterie- oder Schwungradsystem.

VW Hybridbus
Bild 7, VW A.G. Wolfsburg 1975

Der VW-Hybridantrieb besteht aus einem Ottomotor, einem stufenlosen Getriebe und einem elektronisch geregelten Elektromotor. Zum Beschleunigen stehen die Leistung vom Ottomotor und vorn Elektroaggregat zur Verfügung. Wird zum Fahren nicht die gesamte Leistung des Ottomotors benötigt, treibt er den als Generator arbeitenden Elektromotor an, der die Akkus wieder auflädt.


Der Dieselmotor

Der Wirkungsgrad bei den heu­tigen Nkw- bzw. AS-Motoren ist vor allem von der Konstruktion, speziell vom Einspritzverfahren abhängig und wird außerdem von der Motorbelastung direkt beeinflusst. Motoren mit Direkteinspritzung arbeiten in der Regel wirtschaftlicher. Sie sind mit einem besseren Wirkungsgrad ausgestattet als diejenigen mit Vor- oder Wirbelkammer. Jedoch ist dieser Vorteil und die Tatsache, dass keine Starthilfe in Form von Glühkerzen benötigt werden, auch mit Nachteilen verbunden. Bei Motoren dieser Bauart treten z.Zt. höhere Maximaldrücke im Brennraum auf und machen u a. höhere Einspritzdrücke notwendig. Außerdem sind zur guten Verteilung des Kraftstoffs, z. B. gegen Verkokung anfällige Mehrlochdüsen erforderlich. Weiterhin leidet die Laufruhe dadurch, dass der Verbrennungsvorgang relativ plötzlich einsetzt. Schließlich müssen Motoren mit Direkteinspritzung länger warm laufen, ehe sie volle Leistung abgeben können.

Die heutigen Ackerschlepper-Motoren werden durchschnittlich lediglich zu 40 Prozent ihrer Nennleistung ausgelastet. Hier­durch liegt der spezifische Kraftstoffverbrauch und damit auch der Nutzwirkungsgrad im Schnitt stets unter dem Optimum wie die nachstehenden auf dem Prüf­stand ermittelten Werte für einen modernen 58-PS-AS-Motor zeigen:


Motorleistung in % der Nennleistung Wirkungsgrad bei größtmöglicher Drehzahl
100 37,1
75 29,6
50 24,3
25 16,7

Nur wenige Landwirte wissen, dass ihre Ackerschlepper-Motoren z.B. bei 25prozentiger Belastung und größtmöglicher Drehzahl mit dem gleichen (niedrigen) Wirkungsgrad arbeiten wie moderne Dampfmaschinen. Deshalb werden aus diesem Sachverhalt keine Konsequenzen gezogen. Bei Pkws und Nkws liegen im Nahverkehrsbetrieb die Verhältnisse ähnlich. Man muss sich die Zahlen immer wieder vor Augen halten: Im vorliegenden Falle bleiben 83,3 Prozent der mit dem Kraftstoff injizierten Energiemenge ungenutzt.

Wesentliche Wirkungsgraderhöhungen durch konstruktive Maßnahmen sind bei Hubkolben-Dieselmotoren herkömmlicher Bauart nicht mehr zu erwarten. Dennoch gilt, aufgrund seines im Vergleich zu Ottomotoren günstigeren Treibstoffverbrauches, der Zuverlässigkeit und der großen Lebensdauer, der Dieselmotor heute als wichtigstes Triebwerk für Ackerschlepper und Nutzkraftwagen sowie für den stationären Betrieb. Die Abgase enthalten hauptsächlich Stickoxide und Ruß als Schadstoffe. Eine Überwachung und präzise Einstellung der Motoren der auf dem Markt befindlichen Fahrzeuge sowie gegebenenfalls eine Reduzierung der Maximalleistung, würde hier bereits erhebliche Verbesserungen schaffen. Die technischen Möglichkeiten zur Verringerung der Schadstoffmenge sind durch den Bau größerer und weniger belasteter Motoren mit geringerem Verdichtungsverhältnis und geringeren Literleistung zur Absenkung des Temperaturniveaus sowie durch die Verwendung von Abgasturboladern und der Abgasrückführung möglich. Zur Verminderung des Rufausstoßes bei Dieselmotoren hat man teilweise dem Kraftstoff Additive zugegeben, die im wesentlichen Metallverbindungen enthielten. Bei entsprechender Wartung und Einstellung der Motoren sind derartige Zusätze jedoch nicht erforderlich. Verbesserungen können weiterhin spezielle Konstruktionen bringen wie zum Beispiel der Stufenkolben beim M-Verfahren, der bei gleichzeitiger Änderung der Einspritzanlage eine Verringerung von Rauch und Schadstoffen zwischen 35 und 75 Prozent bewirken soll.

Der Wankelmotor

Im Hinblick auf die geringere Größe, das geringere Gewicht und der günstigen Charakteristik des Drehmomentverlaufs gilt dem Wankelmotor besonderes Interesse. Als echter Drehkolbenmotor besitzt er keine bzw. nur mit gleicher Größe rotierende Massenkräfte. Er steuert sich selbst, d. h. er benötigt keine bewegten Teile wie Ventile, Federn, Hebel, Nocken für die Steuerung der Gase und bietet optimale Voraussetzungen für die Konstruktion von echten Baureihen. Auch die Wartung ist auf Grund der vorstehend genannten Vorteile rela­tiv gering. Die Schwierigkeiten der Gasabdichtung des Brennraums bei Ottomotoren haben sich weitgehend beheben lassen.

Kreiskolbenmotor

Bild 8, Verlag Europa-Lehrmittel Gruiten 2000 (nachträglich eingefügt)

1967 wurde mit dem Bau des NSU RO 80 begonnen. Dieser ist mit einem Zweischeiben-Kreiskolbenmotor, mit einem Kammervolumen von 2497,5 ccm und einer Motorleistung von 115 PS  bei 5500 U/min ausgestattet. Diesel-Drehkolbenmotoren laufen bisher  nur auf dem Prüfstand. Schwierigkeiten bestehen besonders darin, dass im Gegensatz zu Benzinaggregaten höhere Drücke im Brennraum auftreten und damit das Dichtungsproblem, das bereits beim Benzinmotor Kopfschmerzen bereitet hat, noch kritischer wird.


Die Schadstoffkonzentrationen in den Abgasen beim Otto-Wankelmotor sind wegen der ungünstigen Form des Brennraums sowie der bei Volllast und niedriger Drehzahl schleppenden Verbrennung sehr hoch. Bei Teillast sind die Abgastemperaturen beim Wankelmotor deutlich höher als beim Hubkolbenmotor, weil bei jeder Umdrehung eine Zündung erfolgt und der Gaswechsel-Kühltakt fehlt. Unter diesen Bedingungen könnte ein Nachverbrenner bereits bei Leerlauf ohne Kraftstoffanreicherung arbeiten. Da auf längere Sicht auch die Hubkolbenmotoren nicht auf eine Nachverbrennung werden verzichten können, hat der Wankelmotor somit gewisse Vorteile. Bereits jetzt hat die Oxidation der Abgase in einem thermischen Nachverbrenner unter Lufteinblasen die CO- und CH-Werte unter die derzeitigen US-Standards absinken lassen. Auch die Stickoxide sollen unter den 1974er US-Standards liegen. Des weiteren sind prinzipiell die meisten genannten Maßnahmen am Ottomotor auch für den Wankelmotor anwendbar.

Diesel-Drehkolbenmotoren laufen bisher nur auf dem Prüfstand, obwohl die Meinungen über die Eignung des neuartigen Prinzips als Dieselmotor noch etwas auseinander gehen. Schwierigkeiten bestehen u. a. darin, dass im Gegensatz zu Benzinaggregaten höhere Drücke im Brennraum auftreten und damit das Dichtungsproblem, das bereits beim Benzinmotor Kopf­schmerzen bereitet hat, noch kritischer ist, Der Wirkungsgrad bei den Benzin-Wankelmotoren der Firma Fichtel & Sachs liegt heute etwas höher als bei vergleichbaren Hubkolben-Zweitaktmotoren bzw. wenig unter dem von entsprechenden Hubkolben­Viertaktmotoren. Für die konventionelle Bauart werden Werte von 22 bis 33 Prozent angegeben. Der Wankel-Dieselmotor zeichnet sich durch geringeren Raumbedarf und günstigem Leistungsgewicht aus. Da er aber nur als aufgeladener Diesel realisiert werden kann, wird er teuer und wegen der für das Diesel-Verbrennungsverfahren ungünstigen Brennraumform auch nicht so sparsam wie ein Hubkolben-Diesel sein.

Atomauto


Bild 9, Fa. Ford A.G. Köln

Den Ackerschlepper des Jahres 2000 könnte die Fa. Ford nach eigenen Angaben schon innerhalb der nächsten 10 Jahre herstellen. Das Modell Typhoon II verfügt über revolutionäre Merkmale: Motor mit Atomenergie-Antrieb, getrennter hydraulischer Antrieb der vier Laufräder, elektromagnetische Anhängekupplungen und ein Fahrkomfort, der von der vollklimatisierten Plexiglaskanzel über Gerätekontrolle auf dem Fernsehschirm bis zum automatisch regulierbaren Sessel und Kühlschrank reicht.

Nun sind Sie an der Reihe! Bewerten Sie die Fortschritte auf dem Antriebssektor in den letzten 25 Jahren!

H.-D. Zeuschner

Eine Stellungnahme von Herrn Johann Probst vom 11.11.2012 zu diesem Artikel:


Sehr geehrter Herr Zeuschner,
unter anderem bin ich in Ihrem Artikel auf den SDP City Bus von der schweiz. SDP gestoßen. Natürlich war das ein eigener Prototyp der mit unserem Bus (der Steyr City Bus wurde ja in Wien bei den Steyr Werken entwickelt, war dort viele Jahre Konstrukteur und gerade mit diesem Fahrzeug ab 1977sehr intensiv beschäftigt.) absolut nichts zu tun hatte. Aber zu der ganzen Problematik Antriebstechnik, zu den polit. (dummen ) Forderungen u. deren Ergebnissen wie Batteriebussen, oder auch Busse nach EURO 6 bleibt lediglich folgendes festzuhalten, dieses nur in Stichworten.

PKW Entwicklungen: generell: - was nicht drinnen ist, wird auch nicht defekt, das sollte auch eine nicht unwesentliche Leitlinie sein. - Allradantrieb mit bis zu 100 kg Mehrgewicht, abgesehen vom energetischen Bauaufwand ist für den allergrößten Teil der Benutzer ein Unsinn. - was wir wirkl. benötigen: sind einfache, wartungs- und reparaturfreundliche Fahrzeuge, ohne ESP, EDS, auch ohne ABS, tw. auch, je nach Fahrzeuggewicht ohne Lenkungsservo. - Durch die unnsinnige Schrägstellung der A Säule bzw. der Frontscheibe wird das Einsteigen sehr erschwert, Kunden steigen tw. auf SUV's um, trotzdem kann die fast serienmäßige A/C die Sonneneinstrahlung nicht wirklich mildern, zumindest dort nicht, wo die Strahlung direkt auftrifft. (abgesehen vom Mehrgewicht) - ohne elektr. betätigbaren li. Außenspiegel, den können wir per Hand betätigen.

Da es ab etwa 80 bis 90 km/h nahezu egal ist, wie crashsicher der PKW ist (man sieht dann nur im Sarg aufgrund der vielen Airbags (Gewicht, etc !) schöner aus, wäre es wesentl. sinnvoller , ohne allzu großen Bauaufwand das Fahrzeuggewicht auf etwa 900 kg zu reduzieren (statt etwa 400 kg mehr bei einem aktuellen Golf) servicefreundlicher, das auch unter dem Gesichtspunkt der Resourcenschonung.

Solange bereits nach etwa 1000 Ladezyklen das Thema Batterie beendet ist, ist das reine Batteriefahrzeug ein gröblicher Unsinn (trotzdem schafft Stadt Wien Batteriebusse an, heizt auch mit Strom (!) 

Euro 6 Dieselmotoren: tatsächl. Mehrverbrauch etwa 5 bis 6 % - ist das die nötige Resourcenschonung?

Ich bin als Europäer schon sehr neugierig, welche Fahrzeuge die Industrie entwickeln wird, denn die jetzige Richtung ist alleine schon vom Entwicklungsaufwand und den scheinbar so nötigen Ausstattungsmerkmalen her, abgesehen von den traditionellen Faceliftings nach 3 bis 4 Jahren, ein Unsinn, zusätzlich erscheint es so, dass die Kunden, die sich die immer teuer werdenden Fahrzeuge nicht mehr leisten wollen od. können steigt. Vor allem die deutsche Fahrzeugindustrie baut ganz ausgezeichnete Fahrzeuge, die wir aber letztlich so nicht brauchen, aber solange der Markt in China stimmt, wird das offenbar niemand so richtig bemerken.

Mit besten Grüßen Johann Propst

Antwort von Herrn Zeuschner:



Guten Tag Herr Probst,

vielen Dank für Ihre Stellungnahme. Offensichtlich bin ich einem Irrtum beim Literaturstudium aufgesessen, dass ich den "SDP City Bus von der schweiz. SDP", wie Sie schreiben, falsch, nämlich bei den Steyr-Werken, eingeordnet habe, Entschuldigung!

Zur Problematik "Batteriebusse" gebe ich zu bedenken, dass nach eigener Inaugenscheinnahme die Deutsche Reichspost bereits in den 40er Jahren des vorigen Jahrhunderts Elektrofahrzeuge für den Pakettransport in Breslau eingesetzt hat. Ohne Berücksichtigung des Gesamtwirkungsgrades des kompletten Systems ist unter gewissen Bedingungen der Elektroantrieb akzeptabel. Auf diesem Sektor favorisiere ich übrigens den Brennstoffzellenantrieb. Ich bin der Meinung, es ist "lediglich" eine Frage der Zeit bis sich diese Technologie durchsetzt.

Im Hinblick auf die Sicherheitseinrichtungen der PKWs bin ich allerdings nicht Ihrer Meinung. z.B. auf eine formsteif ausgebildete Fahrgastzelle, auf ein stoßaufzehrenden Pralltopf, auf gepolsterte Innenausstattung (Instrumentenbrett Sonnenblenden ), Sicherheitsgurte, Kopfstützen kann/darf im PKW-Bau heute nicht mehr verzichtet werden genau wie z.B. auf die technischen Systeme u.a. Servolenkung, ABS, ESP, EDS. Ich stimme Ihnen zu, dass die PKWs "mit den Jahren" schwerer geworden sind. Eine Literaturstudie belegt dies:

BMW 1er E 87 2004 1205 kg
BMW 1er F 20 2011 1320 kg

Smart fortwo 1998 720 kg
Smart fortwo 2007 770 kg

VW Sharan I 1990 1640 kg
VW Sharan II 2010 1723 kg

Wenn diese Zunahmen aus Sicherheitsgründen erfolgt sind, befürworte ich sie. Allerdings stelle ich beim Studieren der Prospekte nicht selten fest, dass sie durch den Einbau von Komfort und von Luxus (Stichwort: Abstandswarnung) zustande gekommen sind.
Abschließend meine (mehr oder weniger) provokante These:

Die Kraftfahrzeugindustrie ist überhaupt nicht daran interessiert, ein Antriebsaggregat zu entwickeln, das den heutigen Verbrennungsmotoren ernsthaft Konkurrenz macht.



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Johannes Wiesinger
bearbeitet: 19.02.2015

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