Mazdas fünf Jahrzehnte lange, weitgehend vergebliche Bemühungen für den Rotationsmotor zeigen, wie schwierig es ist, den herkömmlichen Kolbenmotor abzusetzen. Dennoch entstehen immer wieder neue Konzepte, insbesondere angesichts des unerbittlichen Strebens der Branche nach Effizienz. Die meisten davon schaffen es nie über die Design— oder sogar Buntstiftphase hinaus. Aber hier ist ein Design, das sich in der Entwicklung befindet und vielversprechend ist.

Es ist der Achates-Gegenkolben-Motor (OP), von dem ein Prototyp in einem Ford F-150 Pickup auf der Detroit Auto Show 2018 gezeigt wurde. Dieser Motor hatte drei lange Zylinder in einer Reihe, mit einer Kurbelwelle unten und einer anderen über der Zylinderreihe. Ein Paar entgegengesetzter Kolben, die in jedem Zylinder hin- und herbewegt werden und jeweils mit einer eigenen Kurbelwelle verbunden sind.

Funktionsweise

Der Motor ist ein Zweitakt-Motor mit Kolbenanschluss, was bedeutet, dass er keine Ventile hat. Stattdessen werden Öffnungen in den Wänden der Zylinder freigelegt, wenn sich die Kolben am unteren Ende ihrer Hübe befinden. Die unteren Anschlüsse sind die Einlässe und das Oberteil sind die Abgase, und der Auspuff führt den Einlass um etwa 10 Grad, um sicherzustellen, dass sich die Abgase zuerst öffnen. Wenn beide offen sind, bläst ein Kompressor an einem Ende frische Luft in den Zylinder, um die Abgase am anderen Ende herauszudrücken. Dann bewegen sich die Kolben aufeinander zu, bedecken die beiden Anschlüsse und komprimieren die Luft. Kraftstoff wird direkt in den Zylinder eingespritzt, wenn sich die Kolben dem Ende ihrer Fahrt nähern. Somit gibt es keine Ansaug- und Abgastakte wie bei einem herkömmlichen Viertaktmotor — nur Kompressions- und Leistungstakte. Es ist wahrscheinlich einfacher zu verstehen, wenn Sie sich diese vom Hersteller bereitgestellte Animation ansehen.

Das Grundlayout der Achates-Engine gibt es schon seit einiger Zeit. Die deutsche Luftwaffe begann 1932, ähnliche Junkers Jumo-Gegenkolbendiesel in großen Flugzeugen einzusetzen. Ein größerer Fairbanks-Morse-Gegenkolben-Diesel betrieb die meisten U-Boote der US Navy im Zweiten Weltkrieg und liefert immer noch Notstrom für moderne Atom-U-Boote.

Eine alte Idee neu machen

Achates hat dieses grundlegende Design übernommen und die Verbrennungseigenschaften verbessert, während es gleichzeitig die Möglichkeit bietet, den Betrieb des Motors an unterschiedliche Bedingungen und Kraftstoffe anzupassen. Ein Großteil der Entwicklung konzentrierte sich auf Dieselversionen, aber das Unternehmen arbeitet auch an Benzinversionen ohne Zündkerzen — dem HCCI-Konzept (Homogenous Charge Compression Ignition), das viele entwickeln, aber niemand perfektioniert hat.Die Theorie legt nahe, dass ein Gegenkolbenmotor einen Effizienzvorteil hat, da, da keine Zylinderköpfe vorhanden sind, weniger Wärme an das Kühlsystem verloren geht. Denken Sie an eine herkömmliche Brennkammer, in der die Oberflächen aus einem Kolbenboden, einem kurzen zylindrischen Umfang und einem Zylinderkopf bestehen. Im OP-Design kommt jedes Zylinderpaar zusammen, so dass die Köpfe eliminiert werden.Da die Brennkammer jedes Kolbens mit der eines anderen verbunden ist, ist die resultierende Kammer dicker und weniger wie eine dünne Scheibe. Achates erhöht diesen Vorteil, indem es einen Hub verwendet, der bis zu 1,3 mal so lang ist wie die Bohrung. Achates sorgfältig formen die kolben kronen zu bieten swirl und tumble zu die intake ladung zu fördern schnelle und stabile verbrennung.

Zwei gegenüberliegende Direkteinspritzdüsen, die jeweils mehrere sorgfältig abgestimmte Spritzer liefern, sorgen für eine gründliche Kraftstoffverteilung, um den größten Teil der Luft zu verbrennen und die Partikelerzeugung zu begrenzen. Ein Verdichtungsverhältnis von rund 18,0:1 für die Benzin-Selbstzündung (GCI) -Version und etwas weniger für den Diesel sorgt für ein gutes Ausdehnungsverhältnis, um maximale mechanische Energie aus jedem Verbrennungsereignis zu extrahieren.

Überlegene Spülung ist der Schlüssel

Die geheime Sauce, um diese Arbeit zu machen, ist die Fähigkeit, die Spülung im Motor zu steuern. Der Kompressor, der Niederdruckluft zum Spülen der Zylinder bereitstellt, verfügt über einen Zweigangantrieb und kann auch umgangen werden. Diese Flexibilität ermöglicht es, dass der Zylinder unter bestimmten Bedingungen weniger als vollständig gespült wird. Beispielsweise verbleiben beim Kaltstart beim Teilspülen viele Verbrennungsprodukte aus dem vorherigen Zyklus (interne Abgasrückführung ) im Zylinder. Das erhöht die Verbrennungstemperatur und liefert einen heißeren Abgasstrom, um die Katalysatoren auf Betriebstemperatur zu bringen.

Eine solche heißer verbrennung umwelt hilft auch verbrennung bei niedrigen drehzahlen und unter licht lasten, die wurde ein Problembereich für herkömmliche HCCI-Motoren. Im Leerlauf beträgt das zurückgehaltene Abgas beispielsweise etwa 50 Prozent. Bei höheren Leistungen wird der Zylinder vollständiger gespült, um die Verbrennungsspitzentemperaturen niedrig zu halten, wodurch die Stickoxidemissionen (NOx) begrenzt werden. Hilfreich ist auch, dass der Motor zwar auch einen Turbolader hat, um bei höheren Lasten den Lader zu übernehmen und den Wirkungsgrad zu verbessern, der Motor aber nicht mit viel Ladedruck arbeitet. Stattdessen lässt das Zweitakt-Design mit doppelt so vielen Lasttakten pro Umdrehung den Motor ohne großen Schub an die konventionelle Motorleistung heranreichen, selbst wenn er um 20 bis 30 Prozent Hubraum verkleinert wird.Obwohl es in diesem Motor keinen konventionellen Ventiltrieb gibt, ist die Gesamtreibung aufgrund der zweiten Kurbelwelle, des robusten Getriebestrangs, der die beiden Kurbeln verbindet, und der Notwendigkeit, den Kompressor anzutreiben, ähnlich wie bei einem herkömmlichen Motor. Das Gewicht ist ebenfalls in etwa vergleichbar. Der Motor ist größer als ein herkömmlicher Motor, aber durch Kippen passt er im Allgemeinen unter vorhandene Motorhauben.

Effizienter als ein Prius?

Achates behauptet, dass die GCI-Version dieses Motors einen Spitzenwirkungsgrad von 44 Prozent erreichen wird. Das ist nur 10 Prozent besser als die 40 Prozent Effizienz, die der Atkinson-Cycle-Motor im aktuellen Toyota Prius beansprucht, aber Larry Fromm, Achates Executive Vice President für Business Development, sagt, dass der Achates-Motor diese Effizienz über einen viel breiteren Drehzahlbereich liefert und laden als der Prius-Motor. Zum Beispiel soll der Achates GCI-Motor im Ford F-150 im EPA-Zyklus einen um 30 Prozent besseren Kraftstoffverbrauch erzielen als Fords effizientester Benziner, der 2,7-Liter-EcoBoost V-6. Das würde eine kombinierte Bewertung von etwa bedeuten 29 mpg-oder 4 mpg höher als Ford 3.0-Liter-Diesel-V-6 in der Heckantrieb Version dieses LKW.

Ford

Leider werden wir seit einigen Jahren wahrscheinlich keinen Achates-Motor unter der Motorhaube eines Autos oder Lastwagens sehen. Achates hat keine Pläne, Motoren selbst zu bauen, sondern beabsichtigt, seine Technologie an etablierte Hersteller zu lizenzieren. Es hat bereits eine Beziehung mit Fairbanks-Morse, die die Achates-Technologie auf einem 12-Zylinder, 24-Kolben, 5000 PS, 95.000 Pfund stationären Diesel für die Stromerzeugung verwendet wird. Fairbanks-Morse behauptet einen thermischen Wirkungsgrad von 50 Prozent.Achates arbeitet auch mit Cummins zusammen, um einen 1000-PS-Gegenkolbenmotor zu entwickeln, der Kampffahrzeuge für die US-Armee antreibt. Fromm sagt, dass das Unternehmen mit mehreren großen Autoherstellern in Gesprächen ist, die an der GCI-Version interessiert sind. Aber mit nichts Konkretem und mit den langen Entwicklungs- und Testzeiten, die neue Motoren durchlaufen, werden wir mindestens fünf Jahre lang keinen Achates-Motor auf der Straße sehen.

Automobilanwendungen könnten Plug-In-Hybride umfassen

Wenn Sie glauben, dass Elektroautos bis dahin Verbrennungsmotoren jeglicher Art überflüssig gemacht haben, denken Sie noch einmal darüber nach. Wenn der Wirkungsgrad des Motors in der Produktion realisiert wird, könnte es mit dem Achates-Design einfacher und billiger sein, die Kraftstoffverbrauchsstandards des Bundes für 2025 zu erreichen als mit Elektrifizierung. Und Fromm weist darauf hin, dass Gegenkolbenmotoren von Natur aus glatt sind, so dass eine einzylindrige Zweikolben-Version ein idealer Range Extender für ein PHEV sein könnte, zumal es zu einem flachen Paket unter einem Kofferraum oder Sitz gemacht werden kann. Nur die Zeit wird zeigen, ob Achates den Code für Gegenkolbenmotoren in Autos und Lastwagen geknackt hat.