Thermodynamische Betrachtung unkonventioneller Motorkonzepte

Die grundsätzliche Arbeitsweise heutiger PKW-Motoren lässt sich auf mehrere Erfindungen des späten 19. Jahrhunderts zurückführen. Durch die stetige Weiterentwicklung und den Einsatz modernster Technik war es möglich, die Effizienz dieser Maschinen in den vergangenen hundert Jahren zu vervielfachen und effektive Wirkungsgrade im Bereich von etwa 40% zu erreichen. Eine Realisierung von Werten jenseits der 50%-Marke scheint jedoch als kaum umsetzbar. Dieser Umstand in Kombination mit den immer strenger werdenden Vorgaben der Gesetzgeber bezüglich Effizienz und Emissionen führt zu einem steigenden Interesse der Automobilbauer an der Entwicklung von unkonventionellen Motorkonzepten. Der Schwerpunkt dieser Masterarbeit liegt in erster Linie in einer Aufstellung und Analyse unkonventioneller Motorkonzepte. Die Identifizierung bereits vorhandener Ideen erfolgte dabei im Rahmen einer umfangreichen Literatur- und Patentrecherche. Das Ergebnis ist in einer Bewertungsmatrix detailliert festgehalten und zeigt eine Vielzahl an unterschiedlichen Ideen und Möglichkeiten, bestimmte Nachteile einer konventionellen Verbrennungskraftmaschine zu beseitigen. Die verwendeten Methoden sind vielfältig, ermöglichen jedoch bei genauerer Betrachtung eine Einteilung in bestimmte Maßnahmen zur Wirkungsgradsteigerung. Erwähnenswert sind hierbei vor allem eine Verlängerung des Expansionstaktes sowie eine Aufteilung der einzelnen Takte auf separate Räume. Weiters wird in vielen Fällen versucht, die in den Abgasen enthaltene Wärmeenergie in den Prozess zurückzuführen. Für einen Großteil der angeführten Konzepte gilt, dass die zur Beseitigung bestimmter Schwachstellen verwendete Technik oftmals zu anderen gravierenden Nachteilen führt, wodurch eine Serienfertigung bislang nicht vernünftig umsetzbar ist. Aus diesem Grund wurde in weiterer Folge versucht, ein eigenständiges Motorkonzept auf Basis der gesammelten Erkenntnisse zu erstellen. Ziel war es in erster Linie, die identifizierten Schwachstellen einer konventionellen Hubkolbenmaschine zu vermeiden und somit Wirkungsgrade größer als 50% zu ermöglichen. Die Analyse des aufgebauten Motormodells erfolgte mit Hilfe der 1D-CFD-Software AVL Boost. Zur Optimierung des Systems wurde eine Vielzahl an Parametern variiert, unter anderem die verwendete Steuerzeitenstrategie, der Ladedruck, das Kompressions- und Expansionsverhältnis sowie Hub und Bohrung der Zylinder. Neben der Berücksichtigung realer Effekte wie z.B. Verluste durch Reibung oder durch Wandwärmeübergänge wurde zusätzlich auf die prinzipielle technische Realisierbarkeit des Entwurfes geachtet. Zum Verfassungszeitpunkt dieser Arbeit konnten maximale effektive Wirkungsgrade von etwa 46% abgeschätzt werden. Diese Werte beruhen auf einer Simulation des grundlegenden Motormodells und der Verwendung von Dieselkraftstoff.