Eine Idee für einen sparsamen Motor

Einige moderne Dieselmotoren haben Wirkungsgrade von schon fast 50 %.
Das ist natürlich sehr gut.
Trotzdem verbraucht ein beispielsweise 200 PS Diesel Auto immer noch sehr viel Sprit.
Das liegt daran, weil der Motor zu etwa 95 % im Teillastbereich gefahren wird.

Fährt man ein solches 200 PS Auto mit 140 km/h, so arbeitet der Motor mit nur etwa 20 % Wirkungsgrad, weil er mit nur etwa 30 % Last arbeitet. Bei noch geringeren Geschwindigkeiten wie z.b. in der Stadt hat der Motor natürlich noch sehr viel weniger Wirkungsgrad.
Erst bei Höchstgeschwindigkeit von 230 km/h hat der Motor einen Wirkungsgrad von ca. 45%. Gäbe es nun keine Luftreibung, die ja leider im Quadrat zur Geschwindigkeit zunimmt, wäre dies die sparsamste Geschwindigkeit.

Aus diesem Grund ist ein Auto, mit weniger Leistung sparsamer, weil es öfter und bei geringeren Geschwindigkeiten im Vollastbereich gefahren wird.

Einige Automobilhersteller bauen aus diesem Grund einige starke Motoren mit Zylinderabschaltung, damit diese Motoren auch bei niedrigeren Geschwindigkeiten im Vollastbereich gefahren werden können. Das senkt den Spritverbrauch schon deutlich.
Allerdings gibt es hier nur 2 Stufen. So arbeitet z.B. ein 6-Zylinder Motor im Teillastbereich mit nur 4 Zylindern. Das Abschalten von noch mehr Zylindern ist problematisch, da der Motor dann unruhig läuft. Also ist das noch nicht die optimale Lösung, zumal bei der Zylinderabschaltung lediglich nur die Ventile geschlossen bleiben, die Kolben sich allerdings weiterhin bewegen und Reibung erzeugen.

Besser wäre ein Motor aus vielen kleinen Motoren, die über elektrische Kuplungen zu einem Motor zusammengeschaltet werden können.
Beispiel:
10 mal 1 Zylinder Dieseldirekteinspritzermotoren sind mit Elektromagnetischen Kupplungen miteinander verbunden. Jeder dieser Motoren hat z.b. 15 PS.
Im Standgas und bei Geschwindigkeiten bis ca. 50 km/h läuft nur ein Motor.
Bei einer Geschwindigkeit über z.b. 50 km/h oder bei Beschleunigung wird ein zweiter oder auch ein dritter oder auch mehr Motoren (je nach Notwendigkeit) einfach durch die Elektromagnetischen Kupplungen automatisch dazugeschaltet. Die dazugeschalteten Motoren springen dann ohne weiteres Dazutun automatisch an. Der Fahrer merkt davon nichts. Somit würde ein solches Auto bei jeder Geschwindigkeit und Fahrweise nahezu im optimalen Wirkungsgradbereich fahren und deutlich weniger Sprit verbrauchen. Die Technik wäre sehr simpel. So simpel, dass man so einen Motor sogar selber bauen könnte. Kleindieselmotoren findet man z.b. bei Ebay. Als Elektromagnetische Kupplungen könnte man z.b. die von Klimaanlagen nehmen. Ein solcher Motor wäre noch nicht mal wesentlich teurer als ein Normaler.
Da frage ich mich doch, warum so etwas nicht gebaut wird.


Mit freundlichen Grüßen
Daniel

leinad hat folgendes geschrieben:

Einige moderne Dieselmotoren haben Wirkungsgrade von schon fast 50 %. Das ist natürlich sehr gut. Trotzdem verbraucht ein beispielsweise 200 PS Diesel Auto immer noch sehr viel Sprit. Das liegt daran, weil der Motor zu etwa 95 % im Teillastbereich gefahren wird.

Laut ATZ/MTZ ist der kommende 125kW TDI der aktuell effizienteste Seriendieselmotor mit einem spezifischen Verbrauch von weniger als 194g Diesel/kWh im Bestpunkt ==> bei einem Energiegehalt von 11,7463 kWh/kg Diesel folgt, daß in (1000/11,7463=) 85,133g Diesel 1kWh thermische Energie steckt ==> 194/85 * 100% = 43,88% = rund 44% Wirkungsgrad im Bestpunkt.

Zitat:

Fährt man ein solches 200 PS Auto mit 140 km/h, so arbeitet der Motor mit nur etwa 20 % Wirkungsgrad, weil er mit nur etwa 30 % Last arbeitet. Bei noch geringeren Geschwindigkeiten wie z.b. in der Stadt hat der Motor natürlich noch sehr viel weniger Wirkungsgrad.

Nein



Der Bestpunkt liegt im Bereich des maximalen Drehmoments und nicht im Bereich der Maximalleistung.

MfG,
Mampf

Hallo Mampf
Danke für die Infos.
Wie auch immer... Tatsache ist, dass der Wirkungsgrad bei langsamer Fahrt schlechter wird.

Ich habe es vorhin gerade selber mal getestet (auf die Schnelle, daher ungenau).
Ich bin mit meinem Auto 50 km/h gefahren und den Spritverbrauch gemessen.
Dann bin ich 100 km/h gefahren und wieder den Spritverbrauch gemessen.
Dann bin ich 200 km/h (Höchstgeschwindigkeit meines PKW) gefahren und wieder den Spritverbrauch gemessen.

Bei 200 km/h verbrauch mein Auto ca. 15 Liter.
Rein theoretisch müsste es daher bei 100 km/h nur 3,75 Liter verbrauchen, sind aber etwa 6 Liter.
Und bei 50 km/h nur etwa 1 Liter, sind aber 5 Liter.
Nach dieser Methode kann ich den Wirkungsgrad bei jeder Geschwindigkeit errechnen.

200 km/h = 40% Wirkungsgrad (grob geschätzt)
100 km/h = 25% Wirkungsgrad
50 km/h = 8% Wirkungsgrad

Wie man also sieht, sinkt der Wirkungsgrad des Motors deutlich bei langsamen Geschwindigkeiten und das wäre mit meiner Idee nicht mehr der Fall.

leinad hat folgendes geschrieben:

Hallo Mampf Danke für die Infos. Wie auch immer... Tatsache ist, dass der Wirkungsgrad bei langsamer Fahrt schlechter wird. Bei 200 km/h verbrauch mein Auto ca. 15 Liter. Rein theoretisch müsste es daher bei 100 km/h nur 3,75 Liter verbrauchen, sind aber etwa 6 Liter. Und bei 50 km/h nur etwa 1 Liter, sind aber 5 Liter. Nach dieser Methode kann ich den Wirkungsgrad bei jeder Geschwindigkeit errechnen.

Und Reibung (schon mal das Auto geschoben?) und Gangwahl werden dabei von Dir vernachlässigt. Bist Du die 50, 100 und 200 im selben Gang gefahren? - 50km/h @ 5l und 100km/h @ 6l läßt mich daran zweifeln!

Beispiel:
Schau mal ins Muscheldiagramm das ich vorher gepostet habe - bei zB 1250 U/min und 140 Nm ist der Wirkungsgrad bei 35%, in einem anderen Gang, der bei der selben Geschwindigkeit zB 2500 U/min erfordert, werden nur 70Nm vom Motor benötigt und der Motorwirkungsgrad liegt nur bei ca 30% ==> 16% Mehrverbrauch bei ein und derselben Geschwindigkeit nur durch unterschiedliche Gangwahl.

War der Motor bei der 50er-Messung überhaupt schon auf Betriebstemperatur, war es auf der selben Strecke bei identischen Verhältnissen?
Wieviele elektrische Verbraucher waren eingeschaltet, die Klimaanlage auch? Das fällt bei niedrigem Tempo wesentlich mehr ins Gewicht, die Klima wird uU bei Vollast abgeschaltet.

Zitat:

200 km/h = 40% Wirkungsgrad (grob geschätzt) 100 km/h = 25% Wirkungsgrad 50 km/h = 8% Wirkungsgrad Wie man also sieht, sinkt der Wirkungsgrad des Motors deutlich bei langsamen Geschwindigkeiten und das wäre mit meiner Idee nicht mehr der Fall.

Sind die Motoren in Reihe geschaltet, läuft der 1. immer unter Vollast, der letzte so gut wie nie ==> Standfestigkeit, wenn der kalte neu zugeschaltete Motor gleich volle Leistung abgeben muß ==> für jeden Zylinder eine eigene Ölpumpe, Wasserpumpe oder doch alles zentral, uU elektrisch angetrieben ==> enorme Menge an Motoröl und Kühlwasser muß im Teillastbetrieb bewegt werden.
Für jeden Zylinder ist ein eigener Kurbelwellenpositionsgeber nötig ==> 10 Stück ggü einem beim herkömmlichen Motor ==> Kosten.
Willst Du für jeden einzelnen Zylinder einen einzelnen Abgasturbolader verwenden? Ein einzelner wird die Bandbreite 1 Zylinder im Teillastbereich + gutes Ansprechverhalten und maximaler Luftdurchsatz bei Betrieb von allen Zylindern nie und nimmer abdecken können. ==> teuer und anfällig. Ohne Aufladung kannst Du das alles vergessen ==> vgl Verbrauch 2.0 TDi und 2.0 SDi.
Die Kupplung zwischen 1. und 2. muß im schlimmsten Fall das Drehmoment der 9 nachgeschalteten Motoren übertragen können, abgesehen davon wird der Platzbedarf eines 10-Zylinder-Motors mit 9 Zwischenkupplungen enorm sein (Baulänge 1,5m ??). Für einen 1Zylinder muß die Schwungmasse sehr groß sein ==> Ansprechverhalten bei 1-Zylinderbetrieb extrem mies, oder mittels IntegriertemStarterGenerator simuliert werden.
Bei Reihensechszylindern ist zB die Drehschwingung der Kurbelwelle, die da aus einem Stück ist, schon ein Problem - wie wirds da bei einem R10-Zylinder erst aussehen.
Für ordentlichen Rundlauf müßten die Motoren abhängig von der aktuell laufenden Zylinderzahl (Zündreihenfolge und Zündabstand) synchronisiert werden und das merkt der Fahrer auf jeden Fall oder jeder Zylinder hat einen eigene Schwungmasse, was im Endeffekt bedeuten würde, daß Dein 10-Zylinder etwa 10x so viel Schwungmasse mit sich rumschleppt wie ein herkömmlicher 10-Zylinder - Ansprechverhalten unter aller Sau, aber Synchronisierung nicht unbedingt nötig.

Das sage ich als Nicht-Fachmann, Leute, die mit der Materie vertraut sind, werden Dir sicher noch viel bessere Argumente liefern können.

MfG,
Mampf

Irgendwie faszinierende Idee, auch wenn bestimmt ein Hasenfuß drin ist. Rein mechanische Einwände sind ja schon mal reichlich da. Schade eigentlich...

Was mir gerade zum Thema Kupplung so einfällt: Kann man da nicht was mit Planetengetrieben machen, so wie das zum Beispiel schon bei Hybridautos der Fall ist? da wird die Leistung von zwei Motoren bedarfsgerecht auf eine Welle übertragen.

Und noch ein ganz neuer Ansatz (zumindest fürs Auto): Dieselelektrischer Antrieb. Gibts bei Dieselloks ab einer bestimmten Größe ausschließlich und ich habe auch mal was davon in Zusammenhang mit Traktoren gehört. Vorteil: Generator und Elektromotor haben sehr gute Wirkungsgerade, der Diesel kann immer im optimalen Drehzahlbereich gefahren werden, und nur am E-Motor muss das Feld an die verschiedenen Lastbereiche angepasst werden. Koppelung mit Hybridtechnik (Akkus, reiner E-Betrieb) könnte da doch bestimmt noch einiges rausholen, oder?

leinad hat folgendes geschrieben:

Einige moderne Dieselmotoren haben Wirkungsgrade von schon fast 50 %. Besser wäre ein Motor aus vielen kleinen Motoren, die über elektrische Kuplungen zu einem Motor zusammengeschaltet werden können.

Due beschreibst da die E.S.A. (Energie-Spar-Automatik) von Benno Striedlmayr, wurde schon so ca. 1981 in der Elektronikzeitschrift ELO vorgestellt.

OK, jetzt hab´ ich mich als Halbopa geoutet...

mahk hat folgendes geschrieben:

Irgendwie faszinierende Idee, auch wenn bestimmt ein Hasenfuß drin ist. Rein mechanische Einwände sind ja schon mal reichlich da. Schade eigentlich... Was mir gerade zum Thema Kupplung so einfällt: Kann man da nicht was mit Planetengetrieben machen, so wie das zum Beispiel schon bei Hybridautos der Fall ist? da wird die Leistung von zwei Motoren bedarfsgerecht auf eine Welle übertragen. Und noch ein ganz neuer Ansatz (zumindest fürs Auto): Dieselelektrischer Antrieb. Gibts bei Dieselloks ab einer bestimmten Größe ausschließlich und ich habe auch mal was davon in Zusammenhang mit Traktoren gehört. Vorteil: Generator und Elektromotor haben sehr gute Wirkungsgerade, der Diesel kann immer im optimalen Drehzahlbereich gefahren werden, und nur am E-Motor muss das Feld an die verschiedenen Lastbereiche angepasst werden. Koppelung mit Hybridtechnik (Akkus, reiner E-Betrieb) könnte da doch bestimmt noch einiges rausholen, oder?

Die Dieselelektrischen Antriebe werden meist als Alternative für hydraulische Antriebe verwendet. Wenn E-Motor und Generator jeweils 95% Wirkungsgrad (gut bei "kleineren" Leistungen) haben hat die Reihenschaltung nur mehr etwa 90%, bei Einzelwirkungsgraden von 90% in Summe nur mehr 81%, das ist schon bedeutend schlechter als Schaltgetriebe (AFAIK etwa 95%) Und die Wirkungsgrade bei schneller Speicherung, da wirds finster

Akkus können ihre Gesamtkapazität nicht schnell speichern, der Wirkungsgrad ist nicht berauschend (hab aber keine konkreten Zahlen) die Energiedichte ist gering, die Anzahl der möglichen Entladezyklen lächerlich gering:
Bleiakku ca 100 Wh/l & ca 40 Wh/kg
Ni-Cd ca 50 Wh/kg
Ni-MH ca 70 Wh/kg
Li-Ionen ca 61 Wh/kg
Ag-Zn ca 125 Wh/kg

Im Vergleich dazu:
Benzin 8896.95 Wh/l & 12095,2 Wh/kg und
Diesel 9885,5 Wh/l & 11746,3 Wh/kg,
wo selbst bei 20% Wirkungsgrad noch ein gewaltiger Vorsprung ggü Akkus und Supercaps bezogen auf Gewicht und Volumen bleibt.

Supercaps können extrem schnell und oft speichern, die Energiedichte ist nochmal um den Faktor 10 !! schlechter als die von Akkus.

EDIT: Denkfehler entfernt.

Drum wirds auch mit dem (Batterie)Elektroauto nix werden, bzw ist seit über 100 Jahren nix geworden.

MfG,
Mampf

O.K. Die Rollreibung habe ich bei der Rechnung total vernachlässigt und auch meine Messung ist nicht korrekt.
Na ja, aber trotzdem, wenn auch nicht so stark wie von mir zunächst angenommen, sinkt der Wirkungsgrad bei langsamer Fahrt, wenn nicht genügend Drehmoment vom Motor abverlangt werden.
So gesehen wäre meine Lösung schon sinnvoll, wenn es da nicht die von dir angesprochenen technischen Probleme geben würde, an die ich gar nicht gedacht habe.
Und somit hast du meine Frage, warum so etwas nicht gebaut wird, beantwortet.

Aber die Idee von mahk und dein Einwand mit der geringen Energiedichte und dem langsamen Energieaustausch und dem schlechten Wirkungsgrad hat mich auf eine ganz andere Idee gebracht:

Man nehme eine Schwungscheibe, die gut gelagert und im Vakuum kaum Reibung hat. Die Schwungscheibe kann entweder über ein stufenloses Getriebe oder über einen Elektromotor/Generator Energie aufnehmen bzw. abgeben.
Damit wären doch alle Probleme gelöst.
Der Verbrennungsmotor arbeitet immer im optimalem Lastbereich, Bremsenergie kann auch bei starken Bremsungen voll genutzt werden und das alles hat einen relativ guten Wirkungsgrad.
Toller Nebeneffekt:
Das Auto kann bei voll aufgeladener Schwungscheibe nicht umkippen und liegt gut in der Spur. Außerdem wäre das Beschleunigungsvermögen des Autos bei voll aufgeladener Schwungscheibe enorm. 0 auf 200 in 5 Sekunden

Hi,

Zitat:

Supercaps können extrem schnell und oft speichern, die Energiedichte ist nochmal um den Faktor 10 !! schlechter als die von Akkus, sie erreichen maximal 50% Wirkungsgrad==> Grund: Q = C*U = I*t ==> el. Ladung = Kapazität * Spannung = Strom * Zeit P = U*I ==> Leistung = Spannung * Strom W = P*t ==> Arbeit = Leistung * Zeit Wc = 1/2 * C *U² ==> Im Kondensator gespeicherte Energie = 1/2 * Kapazität * Spannung zum Quadrat ==> Wc = 1/2 (C*U) * U ==> Wc = 1/2 (I*t) * U ==> Wc = 1/2 U * I * t ==> Wc = 1/2 P * t ==> Wc = 1/2 W , was bedeutet, daß man nur die halbe Arbeit wieder rausbekommt, die man reingesteckt hat ==> 50% Wirkungsgrad

Wie wärs mit folgendem: Daß der Gesamtenergiegehalt (Beispiel Platte A 0V, B 12V) im Kondensator bei Ladungsausgleich nur zur Hälfte genutzt werden kann ist zwar richtig, denn bei Ladungsausgleich (Platte A 6V, B 6V) fließt kein Strom mehr, aber Du gehst bei Deiner Rechnung von falschen Voraussetzungen aus: Deine Rechnung stimmt nur beim ersten Entladezyklus eines voll geladenen Kondensators (d.h. Platte B war vorher auch 0V).
Der nächste Ladevorgang muß nämlich auch wieder nur 75% des Gesamtenergiegehalts aufwenden, um den Kondensator wieder voll zu bekommen.

Der Gesamtwirkungsgrad eines Kondensators ist daher 100% (wenn man mal von Verlusten in Dielektrikum und Isolation absieht).

Was hab' ich falsch gemacht?

Grüße, Rainer

Rainer K. hat folgendes geschrieben:

Hi, Wie wärs mit folgendem: Daß der Gesamtenergiegehalt (Beispiel Platte A 0V, B 12V) im Kondensator bei Ladungsausgleich nur zur Hälfte genutzt werden kann ist zwar richtig, denn bei Ladungsausgleich (Platte A 6V, B 6V) fließt kein Strom mehr, aber Du gehst bei Deiner Rechnung von falschen Voraussetzungen aus: Deine Rechnung stimmt nur beim ersten Entladezyklus eines voll geladenen Kondensators (d.h. Platte B war vorher auch 0V).

Das hat mich bis jetzt nicht einschlafen lassen - bin bei meiner Überlegung von einem Kondensator ausgegangen, der die Ursprüngliche Ladung auf einer der beiden Platten durch Positionierung der Ladungsträger auf ebendieser bekommen hat (durch Geisterhand) und nicht durch Anlegen an eine Spgsquelle. Blödsinn ist entfernt.

Gute Nacht,
Mampf

Hi,

guten morgen, ich konnte auch nicht schlafen
Aber irgendwie ist an Deiner Überlegung was dran: ich habe vergessen, daß die Energie in den Kondensator irgendwie rein und raus muß, und das geschieht nicht verlustfrei..
Man hat Verluste beim Laden / Entladen mit der Verlustleistung wegen dem Strom I ² *R in den Zuleitungen...
Da muß ich später nochmal drüber nachdenken. Vielleicht hast Du ja doch recht mit den 50%.

Grüße, Rainer

Das mit der Schwungscheibe ist auch schon ein alter Hut... problematisch ist die Masse, die benötigt wird. Einerseits ist sie einfach schwer und andererseits ergeben sich Einflüsse auf das Fahrverhalten, die nicht erwünscht sind. Es gibt immer Situationen, bei denen die Lage der Hauptachse der Schwungmasse verändert wird, was heftige Gegenreaktionen auslöst. (Siehe das gute alte Beispiel (aus Physik f. Frisösen) mit der Fahrrad Felge). Dazu kommen dann noch ein paar nette (aber sicher lösbare) Lagerungsprobleme und die Problematik, daß die Schwungscheibe auch sicher 'verpackt' werden muß, damit sie sich nicht selbstständig machen kann...

Die Frage ist, was man erreichen will

Bei Linienbussen z.B. macht ein Hybridantrieb mächtig Sinn, denn die kinetische Energie, die beim (häufigen) Bremsen vernichtet werden muss, kann hier zum Anfahren wieder genutzt werden. Da ist es 'fast schon egal', wie schlecht der Wirkungsgrad des Systems ist. Zudem wird die mechanische Bremsanlage geschont, was auch Kosten spart.

Für leistungsstarke Fahrzeuge, die hohe Geschwindigkeiten erreichen sollen, kann eine Zylinderabschaltung eine vernünftige Lösung sein, um den Verbrauch zu optimieren. Allerdings muß man wohl einfach damit leben: 'Ein Fahrzeug, daß auf hohe Geschwindigkeiten ausgelegt ist, hat im Stadtverkehr einen höheren Verbrauch.' (Sinngemäßes Zitat von einem meiner Profs in Bauelemte der Landfahrzeuge).

Die Ideen, die du hier bislang alle gebracht hast, sind alle schon mehr oder weniger durchdacht worden und nicht ohne Grund teilweise wieder in der Versenkung verschwunden.

Moin
Was ist mit dem Dieselelktrischem Antrieb?
Der Motor laeuft mit seiner optimalen Leistungsdrehzahl und der erzeugte Strom wird direkt mittels E-Motor auf die Raeder gegeben.
Kleiner Bleiakku zum Anwerfen und zur Zwischenspeicherung.
Getriebe = entfaellt.
Differenzial = braucht es auch nicht.
Maximal braucht es Achswellen, oder die E-Motoren werden in die Felgen intregiert.
Bremsenergie koennte teilweise im Akku zwischengespeichert werden.
Irgendwie gab es sowas mal, aber warum ist das in der Versenkung verschwunden?
Ich denke jetzt nicht an PKW's der Mercedesklasse, sondern an Sparmobile.
Gruss Frank

Hi!

Bezüglich Verbrennungsmotor-elektrischem Antrieb gab es eine interessante Entwicklung, und zwar einen Freikolben-Zweitaktmotor mit konstanter Arbeitsfrequenz und damit optimal abgestimmtem Resonanzsystem bei Ansaug- und Abgastrakt. Induktion der elektrischen Leistung über starke Permamentmagnete im Kolben und Statorwicklung in der Laufbuchse.

Als Bastellösung könnte man doch ein Allrad-Auto aus 2 Antriebseinheiten vom Smart bauen. (1 Motor Vorder- 1 Motor Hinterachse) Bei Bedarf wird der 2. Motor einfach zugeschaltet und die beiden Getriebe synchron geschaltet. Erhöht außerdem die Betriebssicherheit, da Redundanz.

Auf die Weise hat man mal 2 Trabi-Vorderteile verheiratet. Das Teil hatte durch Allradlenkung auch einen genialen Wendekreis und konnte außerdem schräg (diagonal) fahren. Das Hinterteil konnte leider nur mit dem Rückwärtsgang zur Vorwärtsfahrt beitragen, aber fürs Gelände reichts ja. Wenden ist übrigens gar nicht notwendig, da richtungssymmetrisches Fahrzeug. Fahrer muß nur den Sitz wechseln! Einziger Wermutstropfen: Keine Straßenzulassung

Die Steigerung der Idee wäre dann ein modulares Auto, bei dem man mittelst Schnellverschluß eine Leerachse (Hinterachse) gegen eine Achse mit 2. Antriebsaggregat tauschen kann. Will man sparsam fahren oder hohe Last transportieren, fährt man mit Leerachse. Will man schnelle Langstrecke fahren, tauscht man die Leerachse gegen die Aggregatachse (150kg, selbstrollend), die mittelst hydraulischen Schnellverschlüssen exakt mit dem Chassis verbunden wird.

ciao
Holger