Wie Benzinmotoren in der Elektroauto-Zukunft überleben können

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Verbrennungsmotoren werden, wenn überhaupt, so schnell nicht vollständig verschwinden. Bestimmte Transportaufgaben oder Betriebsumgebungen eignen sich einfach nicht für batterie- oder wasserstoffbetriebene Elektroantriebe. Eineinhalb Jahrhunderte Forschung und Entwicklung haben die Effizienz von Verbrennungsmotoren erheblich gesteigert, und Ingenieure haben jede Menge weitere Tricks im Ärmel, die versprechen, einem Kraftstoffmolekül noch mehr Arbeit zu entziehen und gleichzeitig noch weniger schädliche Emissionen zu erzeugen. Hier sind nur einige, die wir im Auge behalten, aufgelistet in der Reihenfolge ihrer Komplexität und Kosten für die Implementierung.

Allein die Möglichkeit, einen Motor so zu konstruieren, dass er mit einer Verdichtung von 15:1 oder höher läuft, verbessert seinen thermodynamischen Wirkungsgrad und seine Leistungsdichte erheblich und ermöglicht eine weitere Verkleinerung des Motors. Dafür ist Kraftstoff mit höherer Oktanzahl erforderlich, und eine Research-Oktanzahl (ROZ) von 98 stellt einen Sweet Spot dar, oberhalb dessen die Herstellung/Raffinierung des Kraftstoffs mehr Energie verbraucht, was den Energie-/CO2-Vorteil zwischen der Quelle und dem Rad verringert.

Die Motoren sind für Worst-Case-Szenarien wie Beschleunigung um eine Viertelmeile oder das Ziehen schwerer Anhänger auf den Davis Dam ausgelegt. Die Zylinderabschaltung verbessert die Effizienz in weniger extremen Fahrsituationen, indem einige Zylinder hart arbeiten, während die anderen nichts tun. Das dynamische Kraftstoffmanagement kann einen oder alle Zylinder in den 5,3- und 6,2-Liter-V8-Motoren von GM abschalten, um den EPA-Kraftstoffverbrauch um fast 12 Prozent zu steigern. Tula Technologies und Eaton schlagen nun ähnliche Systeme für Langstrecken-Dieselmotoren vor, bei denen eine geringere Kraftstoffeffizienz (1,5–4,0 Prozent) enorme NOx-Dividenden auszahlt, indem die Abgastemperaturen aufrechterhalten werden, die zum Betrieb der Katalysatoren erforderlich sind.

Die Leistung eines Motors wird durch die Luftmenge begrenzt, die er aufnehmen kann. Aus diesem Grund wurden vor mehr als einem Jahrhundert kurbelwellenbetriebene Kompressoren und abgasbetriebene Turbolader entwickelt. Elektrische Kompressoren, die rückgewonnene Energie nutzen, versorgen unter anderem die Motoren Volvo Drive E und Mercedes M256 mit Strom; Das Hinzufügen eines Motors/Generators zu einem Turbolader eliminiert Leistungsverzögerungen und ermöglicht die Energiegewinnung während der Fahrt. Zwei interessante Varianten kurbelbetriebener Kompressoren sind das Torotrak V-Charge-Radialgebläse, das ein CVT verwendet, um die Geschwindigkeit schnell an den Bedarf anzupassen, und das Lysholm-Gebläse von Hansen Engine Corp., das über ein Fenster verfügt, das sich je nach Luftbedarf öffnet oder schließt Druck bei gleichzeitiger Minimierung der Verluste, um Turbo-Effizienz mit aufgeladenem Ansprechverhalten zu erzielen.

Da das Verbrennen des Kraftstoffs Zeit braucht, zünden herkömmliche Zündkerzen, während sich der Kolben bereits nach oben bewegt, was die anfängliche Verbrennung kontraproduktiv macht. Pläne zur gleichzeitigen Zündung eines größeren Teils des Gemisches versprechen eine schnellere Verbrennung, die es ermöglicht, dass diese hauptsächlich im Abwärtshub erfolgt. Ford hat Nahinfrarotlaser entwickelt, um mehrere Punkte in einer Brennkammer zu zünden, aber Kosten und Zuverlässigkeit bleiben problematisch. Der Drop-in-Zündkerzenersatz von Transient Plasma injiziert Schichten aus Niedertemperaturplasma, die eine schnelle und kühle Zündung ultramagerer Gemische versprechen, was zu einer Steigerung des Kraftstoffverbrauchs um 10 bis 15 Prozent und einer drastischen Reduzierung des NOx-Ausstoßes führt. Sogar das neue Vorkammer-Twin-Combustion-System von Maserati eignet sich als Zündbeschleuniger.

Dieses Kuchen-und-Eat-it-Konzept verspricht eine hohe Kompression für sparsames Fahren mit leichtem Gas und eine niedrige Kompression, wenn der Turbo auf Boost steht. Nissans Rube-Goldberg-Verbindungsstangen-Gizmo variiert den Hub des Motors und verändert die Kompression stufenlos zwischen 8:1 und 14:1. Wir waren von der Leistung und dem Kraftstoffverbrauch des VC-Turbo von Nissan/Infiniti enttäuscht und fragen uns, ob die exzentrische Pleuelstange von FEV vielleicht einfacher ist und besser funktioniert. Der über die Kurbelwelle zugeführte Öldruck dreht ein Exzenterlager am Kolbenende und verändert so den Hub in einem engeren Bereich, beispielsweise von 8:1 auf 12:1, was eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs um 5 Prozent verspricht.

Effizienz eines Diesels mit Benzinemissionen! Das ist das dichotome Versprechen von HCCI, das darauf abzielt, magere Benzingemische durch Kompression spontan zu entzünden. GM, Mercedes und Hyundai hatten alle vielversprechende HCCI-Programme, aber nur Mazda hat HCCI zur Produktion gebracht. Irgendwie. SkyactivX verwendet manchmal eine Zündkerze und gilt immer noch als zu teuer für den Verkauf in Nordamerika. Nautilus Engineering hat ein HCCI-Konzept vorgeschlagen, bei dem ein kleiner Kolben oben auf dem Hauptkolben in seinen eigenen kleinen Zylinder mit höherer Kompression am oberen Ende des Hubs eintritt, um die Kompressionszündung einzuleiten. Allerdings sind uns keine OEM-Verträge des Unternehmens bekannt.

Verbrennungsmotoren erzeugen viel Hitze und Vibrationen; Warum nicht damit Dampfkraft oder thermoelektrische oder piezoelektrische Energie erzeugen? Das von BMW vorgeschlagene Turbosteamer-System und zahlreiche andere wurden aus Kosten- und Gewichtsgründen aufgegeben. Thermoelektrische Festkörpergeneratoren versprechen, Wärme, typischerweise von Abgaskomponenten, direkt in Elektrizität umzuwandeln. (Die Machbarkeit der Produktion erfordert Verbesserungen der Effizienz der erforderlichen Materialien gegenüber dem heutigen Niveau von etwa 5 Prozent.) Und Forscher der Duke University schlagen vor, piezoelektrische Kristalle zu verwenden, wie sie sich mit Spannung ausdehnen, um Direkteinspritzdüsen zu betätigen, um unter Vibration Strom zu erzeugen.

Jedes radikal neue Motorendesign ist mit einer enormen industriellen Trägheit konfrontiert. Dennoch scheinen sich einige „bessere Mausefallen“ zu behaupten. Achates Power erhielt kürzlich einen weiteren Zuschuss von 5 Millionen US-Dollar von der Armee, um die Entwicklung seines Dreizylinder-Zweitaktmotors mit sechs Gegenkolben und Doppelkurbelwelle fortzusetzen (siehe oben). In einem 4,9-Liter-Prototyp mit Super- und Turboaufladung, der 275 PS und 811 lb-ft leistete, übertraf seine Effizienz Berichten zufolge einen 6,7-Liter-Power-Stroke-Turbodiesel in einem Ford F-Series um 20 Prozent. Scuderi und Primavis haben Split-Cycle-Motoren vorgeschlagen, die die Einlass-/Kompressions- und Verbrennungs-/Auslasszyklen in separaten Zylindern ausführen, die jeweils für ihre unterschiedlichen Aufgaben ausgelegt sind. Dadurch bleiben die Temperaturen niedrig. Scuderi geriet mit seinen Investoren in rechtliche Schwierigkeiten, Primavis hatte sich seinen winzigen Zweitaktmotor in erster Linie als Reichweitenverlängerer vorgestellt, und keiner von beiden hat in letzter Zeit viel Aufsehen erregt, obwohl die zugrunde liegende Wissenschaft solide zu sein scheint. Das LiquidPiston Die Montage von Öldichtungen am stationären Gehäuse erleichtert deren Schmierung. Es befindet sich noch in der aktiven Entwicklung als Range Extender. Und dann gibt es noch größere Designsprünge, wie das rotierende Verbrennungsturbinenkonzept von Astron Aerospace, das Split-Cycle-Betrieb, HCCI, einen superlangen Expansionszyklus und andere großartige Ideen kombiniert. Außerdem befindet es sich noch in der aktiven Entwicklung und liefert beeindruckende Leistungs-, Drehmoment- und Effizienzansprüche.

Biokraftstoffe: Die Nutzung grüner Energie zur Herstellung von Kraftstoffen aus Pflanzen, die CO2 aus der Atmosphäre entzogen haben, führt theoretisch dazu, dass unserem „Treibhaus“ kein neues CO2 zugeführt wird. Der Betrieb mit reinem Ethanol aus Mais zählt jedoch normalerweise nicht, da das Land, auf dem dieser Mais angebaut wird, in der Regel die gleiche Menge CO2 umgewandelt hat, unabhängig davon, ob er zu Kraftstoff oder Maissirup mit hohem Fruchtzuckergehalt wurde. Daher kann keine Netto-Kohlenstoffreduzierung behauptet werden . Biokraftstoffe, die aus zellulosehaltigen Rohstoffen wie Maisstängeln, Miscanthusgras oder neuen Feldfrüchten hergestellt werden, die dort angebaut werden, wo zuvor noch nichts angebaut/geerntet werden konnte oder konnten, zählen, und es gibt zahlreiche Verfahren zur Umwandlung von zellulosehaltigen Materialien oder sogar Müll in Ethanol, Methanol oder Butanol . Es wurden auch mehrere Algen-zu-Biodiesel-Prozesse identifiziert. Leider sind sie alle zu teuer, um mit billigem Benzin zu konkurrieren.

Direkte Kohlenstoffabscheidung: Es wurden mehrere Systeme vorgeschlagen, um CO2 aus der Luft zu extrahieren und es zu einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff zu hydrieren. Prometheus Fuels plant, Benzin aus CO2 herzustellen, und eine Zusammenarbeit zwischen Audi und Sunfire beabsichtigt, Diesel aus „blauem Rohöl“ herzustellen, das durch die Verwendung von grünem Strom entsteht, um Kohlenstoff aus CO2 mit Wasserstoff aus Wasser zu kombinieren. Carbon Engineering in British Columbia, Kanada, plant die Produktion im kommerziellen Maßstab bis 2022. Und ReactWell LLC hofft, einen Prozess des Oak Ridge National Laboratory zur direkten Umwandlung von CO2 in Ethanol mit einem eigenen Prozess zur Hochkonvertierung dieses CO2 in raffinierbares Bio-Rohöl zu kombinieren verschiedene Kohlenwasserstoff-Brennstoffe.