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Elektro-Auto und Zwei-Liter-Auto

 

Generator-Elektrischer Antrieb

 

Aktualisiert:  2014-08-22

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Themen auf dieser Seite:

 

 

Nur der Einsatz von Radnaben-Motoren kann das Elektroauto zum Erfolg führen. Bislang scheitert es an der Größe und Kapazität der Batterie. - Der Hybrid-Antrieb ist halbherzig und ineffektiv. Wasserstoffantrieb und Brennstoffzelle haben derzeit keine reale Chance und keine wirklichen Vorteile. In dieser Situation erweist sich der hier beschriebene Generator-Elektrische Antrieb als kurzfristig realisierbare Ideallösung: Das Zwei-Liter-Auto!

 

 

- Die Bedeutung von Radnaben-Motoren für den Elektro-Antrieb

- Halbierung der CO2 -Emissionen im Straßenverkehr durch Fahrzeug-Antrieb GED

- Fahrzeugantrieb ohne CO2-Ausstoß – machbar, aber nicht kurzfristig

- Eine Idee: Konzept für einen sauberen Zweitakt-Motor

 

 

Die meisten zur Zeit angebotenen Elektro-Autos leiden an einer völlig ungeeigneten Konzeption, da man hierbei nur den Verbrennungsmotor durch einen Elektromotor ersetzt hat, der seine wertvolle Energie durch die langen und überflüssigen Kraftübertragungswege bis zu den Rädern schleusen muss, wo nur noch ein Teil der Energie ankommt. So kann man sich natürlich um eine Neuentwicklung des Fahrwerks herumdrücken und die Markteinführung der Elektro-Autos erschweren. Die herausragenden Vorteile des Elektro-Antriebs können sich aber erst entfalten, wenn der ganze überflüssige Ballast der Kraft-Übertragung über Bord geworfen wird und die Kraft da erzeugt wird, wo sie gebraucht wird, nämlich in den Rädern, und zwar direkt, ohne jegliche Zahnräder!! Die Lösung: Der Direkt-Antrieb durch Radnaben-Motoren, also Motoren im Inneren der Räder. Das ist keine Zukunfts-Utopie sondern schon lange Realität und bewährte Technik.

 

Als Argument gegen Radnaben-Motoren werden zuweilen die größeren ungefederten Massen vorgebracht; dies ist jedoch kein unlösbares Problem, wie das Beispiel Lightning zeigt (s.u.). Tatsächlich ist es den Herstellern nur etwas zu lästig, die Federungstechnik den geänderten Bedingungen anzupassen. Schließlich engagiert man sich nicht sonderlich für etwas, das man nicht wirklich will!

 

Bekanntlich lässt sich der Treibstoffverbrauch eines Kraftfahrzeugs durch die Reduzierung des Fahrzeug-Gewichtes senken. Also lassen wir doch die schwersten und technisch aufwändigsten Teile erst einmal weg: Motor, Schaltgetriebe, Kupplung, Kardanwelle, Differenzialgetriebe, Antriebs-Achsen, Kardangelenke usw. brauchen wir nicht mehr. Stattdessen setzen wir elektrische Radnaben-Motoren in jedes Rad und betreiben sie konsequent elektrisch. Nur so bietet der Elektro-Antrieb wirklich große Vorteile. Das Problem der großen Batterie wird dadurch schon enorm entschärft.

 

Nachfolgend sehen wir (längst nicht alle, aber) die wesentlichen und schweren Bestandteile eines konventionellen Fahrzeug-Antriebs mit Verbrennungsmotor und Allrad-Antrieb. (Die Räder wurden in der rechten Bildhälfte weggelassen, damit man die Radnaben sehen kann.)

Bild-Quelle: Das Ausgangsmaterial stammt aus http://www.kfz-tech.de/

 

 

Fast alles, was hier zu sehen ist, kann entfallen !!!

Die Verwendung von Radnaben-Motoren macht alle Kraft-Übertragungselemente überflüssig und benötigt kein einziges Zahnrad !

 

 

Um eine Vorstellung von den aufwendigen Teilen zu geben, die beim Direktantrieb durch Radnaben-Motoren nicht mehr gebraucht werden, habe ich hier ein paar Details sichtbar gemacht. Alle werden überflüssig, wenn man die unten rechts abgebildeten Elektromotoren in die Radnaben integriert.

 

 

Bild-Quelle:

Als Grundlage für diese Zusammenstellung dienten Auszüge aus  http://auto.pege.org/2007-iaa/volvo-radnabenmotor.htm,

http://www.hybrid-autos.info/Bilder/ Radnabenmotor_Mitsubishi_Lancer_MIEV_2005_gross.jpg,   http://www.kfz-tech.de/

 

Um es noch einmal einfach und übersichtlich auszudrücken: Bei einem Radnaben-Motor ist das Rad Teil des Motors. Im gesamten Fahrzeug werden keine (!!) weiteren mechanischen Komponenten für den Antrieb bzw. die Kraft-Übertragung benötigt.

 

Die konsequente Konzeption von Autos mit Radnaben-Motoren beinhaltet eine elektronische Steuerung, die quasi als Nebenprodukt komfortable und sicherheitsrelevante Komponenten softwareseitig, also ohne zusätzlichen Aufwand, mitliefert, nämlich Bremsen (mit Bremsenergie-Rückgewinnung und Bremsassistenten), ABS (Antiblockier-System), ESP (elektronisches Stabilitätsprogramm), Antriebsschlupfregelung (ASR), Differentialsperre (EDS) und Allradantrieb (4WD).

 

Eines Tages wird man vielleicht auch Lenkung, Federung und Stoßdämpfung komplett elektrisch konzipieren (Stoßdämpfung mit Energie-Rückgewinnung, da Stoßdämpfer genau wie Bremsen nur die Aufgabe haben Energie zu "vernichten"), was zu weiterer Gewichtsreduzierung beitragen und damit die letzten mechanischen Komponenten eines Autos überflüssig machen könnte. Insgesamt würden dadurch die Herstellungskosten weiter sinken, da Elektronik im Gegensatz zu mechanischer Maschinen-Technik immer günstiger wird.  

 

Wir können aber auch ganz auf die riesigen (bei Elektro-Autos üblichen) Batterien verzichten: Verwenden wir als Stromquelle nur einen kleinen Akku, etwa in der Größenordnung einer normalen Autobatterie (als Lithium-Ionen-Akku wäre der natürlich noch erheblich ergiebiger als ein normaler Blei-Akku). Damit könnte man immerhin schon ein paar Minuten fahren. Während dieser Zeit wird ein Generator in Gang gesetzt, der den Akku fortan kontinuierlich lädt bzw. seine Energie direkt an die Antriebsmotoren und die gesamte Fahrzeug-Elektrik weitergibt. Ein solcher Generator braucht nicht die gleiche Leistung zu erbringen wie ein normaler Automotor und kann daher deutlich kleiner ausfallen. Der Akku dient als Pufferspeicher und trägt wesentlich zur Entfaltung kurzfristiger Spitzenleistungen bei.

 

Dieses Konzept ist völlig anders als das des Hybrid-Antriebs, wie es zur Zeit von einigen Auto-Herstellern angeboten wird. Beim konventionellen Hybrid-Antrieb wird ein normales Fahrzeug mit Verbrennungsmotor zusätzlich mit einem Elektromotor ausgerüstet, der die Leistungsreserven aufstockt oder vorübergehend den Antrieb des Fahrzeugs alleine übernimmt. Dadurch ist es nicht möglich, auf die oben erwähnten schwergewichtigen mechanischen Antriebs-Elemente zu verzichten. Außerdem können die oben beschriebenen Vorteile meines Konzepts dabei nicht genutzt werden. Dieses Konzept, ich nenne es "Generator-elektrischer Antrieb" (GED = Generator-Electric-Drive), hat sich übrigens bei anderen Fahrzeugen schon hinlänglich bewährt. Inzwischen gibt es auch PKW mit Generator-elektrischem Antrieb, z.B. den Opel Ampera; leider hat man bei diesem Fahrzeug aber einen zentralen Elektro-Motor eingebaut und keine Radnaben-Motoren, so dass die unschlagbaren Vorteile des Elektro-Antriebs nicht genutzt werden. Seit Jahrzehnten betreibt die Bahn Diesel-elektrische Lokomotiven, bei denen der Dieselmotor nicht die Räder antreibt sondern einen Generator, der den elektrischen Strom für die Elektromotoren der Achs-Antriebe liefert. Dort hat man schon früh erkannt, wie vorteilhaft es ist, wenn man auf Getriebe, Kupplung und Wandler verzichten kann. In der schematischen Darstellung unten handelt es sich bei allen blau gezeichneten Teilen um elektrische Komponenten, und dazu zählen - wie gesagt - auch die Fahrmotoren!

 

 

Diese Abbildungen von Dieselelektrischen Lokomotiven habe ich zum Zweck der Vereinfachung geringfügig verändert; sie stammen aus  http://de.wikipedia.org/wiki/Dieselelektrischer_Antrieb (oben)  bzw.  http://vossloh-kiepe-mainline.com (unten).   

 

 

Ein Motor, der nur den Generator für die Akku-Aufladung und nicht die Räder antreibt, kann sehr gleichmäßig laufen, er braucht keine Beschleunigung, keine Drosselung und kann schon allein dadurch deutlich sparsamer und verschleißärmer betrieben werden. Deshalb bieten sich für diesen Zweck auch ganz andere Motor-Typen an, beispielsweise der ausgesprochen sparsame, schadstoffarme und simple Stirling-Motor (siehe z.B. http://de.wikipedia.org/wiki/Stirlingmotor). Außerdem braucht man, um einen Generator zu betreiben, nicht einmal eine Dreh-Bewegung. Das bedeutet, dass man auf technisch aufwändige Bauteile wie Kurbelwelle, Pleuelstangen u.ä. verzichten kann. Ein mögliches Beispiel dafür ist der Stelzer-Motor, der einen um Klassen besseren Wirkungsgrad als ein herkömmlicher Benzin- oder Dieselmotor aufweist und wegen seiner "nur"-hin-und-her-Bewegung für den Generator-Antrieb prädestiniert ist (s.u.: Stelzer-Motor). Damit ließen sich sowohl das Gewicht als auch der Raumbedarf des Motors nochmals deutlich reduzieren.

 

Darüber hinaus denke ich gleichzeitig an ein Konzept der Vernunft in ökonomischer, ökologischer und kultureller Hinsicht, bei dem die weltweit einzigartig geistlose Raserei auf deutschen Autobahnen beendet wird.

 

Kultureller Aspekt: Die Fahr-Kultur auf deutschen Autobahnen ist schändlich und beschämend! Autofahren, vor allem das Rasen, wird zunehmend als Wettbewerb, ja als Kampf ausgetragen. Man muss schon ins europäische Ausland (z.B. Frankreich, England, Holland) fahren um festzustellen, wie entspannend das Fahren auf Autobahnen sein kann, und wie schnell man durch den gleichmäßigen Verkehrsfluss voran kommt!

 

Wenn im Zuge einer (in diesem Fall höchst wünschenswerten) europäischen Harmonisierung auch hierzulande ein Tempolimit von 120 oder 130 km/h eingeführt wird und gleichzeitig die zulässige Höchstgeschwindigkeit aller Fahrzeuge auf diesen Wert technisch begrenzt wird (dringend nötig!!), ist es nicht mehr sinnvoll oder erstrebenswert, ein Auto mit großem Hubraum und galaktischer Motorleistung zu besitzen. Um 130 zu fahren, braucht ein konventioneller PKW etwa 30 KW (40 PS). Selbst wenn man etwas mehr Leistung haben möchte, um auch bergauf schnell fahren zu können, ist man noch weit entfernt von den übertriebenen Motorleistungen heutiger Mittelklasse-Wagen. Allein diese Tatsache könnte schon den Aufwand der Motorisierung drastisch senken. 

 

Kritik an aktuellen Entwicklungen:

  

Eine Brennstoffzelle hat eine ähnliche Funktion wie ein Generator, da man ihr auch Brennstoff zuführt, um elektrische Energie daraus zu beziehen. Allerdings ist der Wasserstoff sowohl für die Brennstoffzellen wie auch als Treibstoff für Automotoren höchst problematisch. Häufig wird damit geworben, dass als "Abgas" nur Wasserdampf entsteht und somit das Null-Emissions-Auto bereits existiert. Das ist genau so irreführend, als wenn jemand sagt, man brauche keine Kraftwerke, weil man den Strom ja aus der Steckdose beziehen kann. Die Herstellung des Wasserstoffs ist nämlich so Energie-aufwändig, dass die dabei freigesetzten Emissionen (u.a. große Mengen CO2) mindestens so schädlich sind wie beim Betrieb von Benzin- oder Dieselmotoren. Das wäre natürlich anders, wenn der Wasserstoff mit Solar-Energie produziert würde, aber das ist zum jetzigen Zeitpunkt illusorisch (nicht technisch, aber mengenmäßig). Das zweite Riesenproblem des Wasserstoffs ist die Lagerung: Der Wasserstoff hat die "penetrante" Eigenschaft, sich aus allen Behältern zu verflüchtigen; ein normaler Tank ist nach vielleicht 2 Wochen leer, auch wenn das Wasserstoff-Auto nur in der Garage stand. Oder der Tank muss ständig gekühlt werden (und zwar auf minus 253 Grad Celsius!!!), was natürlich auch nicht ohne beträchtliche zusätzliche Energie möglich ist. Da wäre eigentlich nur die Herstellung des Wasserstoffs (z.B. aus Methanol) sinnvoll, und zwar an dem Ort und zu dem Zeitpunkt, wo er auch gebraucht wird, also beim Fahren im Auto. In dieser komplizierten Energie-Umwandlungskette sind aber mehrere Komponenten noch völlig unausgereift und unwirtschaftlich; außerdem  glaube ich, dass dieser Umweg technisch und energetisch so aufwändig ist, dass man besser gleich Methanol im konventionellen Verbrennungsmotor (bzw. Generator) einsetzen könnte.  

 

Der Hybrid-Antrieb ist, so wie er uns heute angeboten wird, aus oben genannten Gründen eine sehr halbherzige Lösung, die auch entsprechend wenig Einsparung an Treibstoff und Emissionen ermöglicht. Außerdem sind Hybrid-Autos zwangsläufig schwer und teuer, weil der elektrische Antrieb zusätzlich zum konventionellen eingebaut wird und die ganze aufwändige Mechanik von Getriebe, Kupplung usw. nicht erspart werden kann. 

 

Reine Elektro-Autos können zwar viele Vorteile nutzen, die ich auch für mein hier vorgestelltes Konzept beschrieben habe. Die Notwendigkeit einer großen, schweren und teuren Batterie (Akkumulator) macht aber alle Vorzüge wieder zunichte. Außerdem werden zur Zeit die meisten Elektroautos mit Achs-Antrieb, Kraftübertragung und allem überflüssigen Ballast gebaut, anstatt die unübertroffenen Vorteile des direkten Radantriebs zu nutzen. Und solange die Batterien nicht ausschließlich mit Sonnen- (oder Wind-) Energie gespeist werden, werden durch das Elektro-Auto keine CO2-Emissionen eingespart, genau wie beim Wasserstoff-Antrieb (siehe oben).

 

 

Abschließend zu der Frage: Emissionsfrei Auto fahren  -  ist das ein realistisches Nahziel oder Utopie? 

 

Die Halbierung (und sogar Viertelung) der Emissionen ist kurzfristig realisierbar, die Technik ist erfunden und marktreif. Die Ideen liegen in den Schubladen, werden aber scheinbar gezielt unter Verschluss gehalten. Ein Fahrzeugantrieb mit den gewohnten Fahrleistungen und ohne CO2-Ausstoß ist aber mit den derzeit verfügbaren Techniken nicht möglich.

 

 

Fazit:

Die CO2-Reduzierung ist absolut dringlich, und zwar drastisch. Mein hier vorgestelltes Generator-elektrisches Antriebskonzept GED könnte dieses Ziel kurzfristig erreichen. Wasserstoff-Antrieb, Hybrid-Antrieb und konventionelles Elektro-Auto können nicht annähernd nachhaltig zur Lösung der Klima-Probleme beitragen und sind aus meiner Sicht zum Scheitern verurteilt.

 

 

 

Wie leistungsfähig ein reiner Elektro-Antrieb mit Radnabenmotoren in Verbindung mit einem Lithium-Ionen-Akku sein kann, konnte man schon an dem 2007 in Großbritannien von Chris Dell vorgestellten Super-Sportwagen  Lightning-GT mit 652 PS bewundern. (siehe  http://de.wikipedia.org/wiki/Lightning_GT )  

 

 

Der Lightning GT: Elektroantrieb mit Radnaben-Motoren, 652 PS

Bild-Quelle: wikipedia -> Elektroauto - JimboJimbo online

 

 

Der Stelzer-Motor:

 

Um einen Generator zu betreiben braucht man nicht unbedingt eine Dreh- Bewegung, es reicht eine "hin-und-her-Bewegung“; genau die liefert der äußerst einfach konstruierte Stelzer-Motor (Erfinder Frank Stelzer, Patent 1964, siehe www.wikipedia. org/wiki/Stelzer-Motor), der einen um Klassen besseren Wirkungsgrad als ein herkömmlicher Benzin- oder Dieselmotor. Die Probleme, die beim Prototyp des Stelzer-Motors aufgetreten sein mögen, lassen sich garantiert durch ernsthafte Forschung und Weiterentwicklung lösen.

 

Im nächsten Bild sehen wir die Phasen des Stelzer-Motors, die teilweise gleichzeitig rechts und links ablaufen. Einziges bewegliches Teil ist der 3-fach-Kolben!!

Bild-Quelle:

wikipedia -> Stelzer-Motor, Aqarius-BRE  http://de.wikipedia.org/wiki/Stelzer-Motor

 

 

Wenn der Stelzer-Motor nur einen Generator antreiben muss, könnte er ständig mit konstanter Schlagzahl („Drehzahl“) betrieben werden. Die Anpassung der Leistung in Abhängigkeit von der jeweiligen Belastung lässt sich durch die Steuerung der Einspritzung regeln. So könnte man den Motor in Resonanz betreiben (d.h. mit der ihm eigenen optimalen Frequenz), was die Effektivität nochmals steigern würde.

 

Der Gedanke an einen Stelzer-Motor-Generator regt mich (und hoffentlich auch manchen Leser) zu weitergehenden Überlegungen an: Wenn man nämlich die Motor-Generator-Einheit als Ganzes neu "erfindet" und nicht nur jede Komponente für sich weiterentwickelt, könnten Ideen entstehen, bei denen Teile des Motors funktionale Bestandteile des Generators sind und umgekehrt, mit anderen Worten, man bräuchte in einer hocheffizienten und kompakten Maschine gar nicht mehr die beiden Komponenten Motor und Generator separieren. Ein permanent-magnetischer Kolben in einem Stelzer-Motor, der von einer Spule ummantelt ist, wäre eine solche Einheit, soll aber nur als simples Beispiel gelten, um das Prinzip einer Motor-Generator-Einheit zu verdeutlichen.  (--> zurück zu alternativen Motor-Konzepten)

 

 

 

 

 

Zum den Themen CO2 und Energie finden Sie hier auch weitergehende Informationen und Erklärungen.

 

 

 

 

 

 

Ein typischer Anachronismus: Stinkende Zweitakter in Neufahrzeugen

 

Als Anfang der 1990-er Jahre die Roller (Kleinkrafträder) wieder in Mode kamen, konnte ich nicht verstehen, dass man die neuen Fahrzeuge mit den unsaubersten Motoren ausrüstete, die verfügbar waren, und das in Zeiten, in denen Autos nur noch mit Katalysator zugelassen wurden und mit den letzten Trabis endlich die schmutzigen Zweitakter auszusterben schienen. Dies war für mich ein deutlicher Hinweis darauf, dass es der Industrie überhaupt nicht darum ging, mit verbesserter Technik die Umweltbelastungen im Straßenverkehr zu reduzieren, sondern dass es bequemer war, durch den Verkauf von alten Konzepten schnell Geld zu verdienen. Und genau das scheint mir auch der Grund dafür zu sein, dass die „neuen“ Elektroautos nach wie vor mit antiquierter Technik gebaut werden, die längerfristig eine Revolution im Fahrzeugbau durch intelligente Antriebstechnik verhindert.

 

Dass man Trabis und Zweitakt-Roller, -Mofas und -Mopeds schon riecht, bevor man sie sieht, und ihre Duftspur noch verfolgen kann, wenn sie schon lange verschwunden sind, hat seinen Grund in den extrem umweltschädlichen Abgasen der 2-Takt-Motoren. Dafür gibt es zwei Gründe: 1. Das Öl, das für die Schmierung der Kolben und der Kurbelwelle erforderlich ist, wird mit dem Benzin vermischt und im Zylinder verbrannt. 2. Der Brennraum wird „im Durchzug“ gelüftet, d.h. das frische Treibstoff-Öl-Gemisch wird in den Zylinder hinein gedrückt, ausgerechnet  wenn gerade die verbrannten Abgase durch eine andere Öffnung den Zylinder verlassen. Dabei gelangt immer ein Teil des Benzins und Öls unverbrannt durch den Auspuff in die Umwelt.  - - -  Dabei gibt es schon lange Möglichkeiten, einen Zweitakt-Motor sauberer und effektiver zu konzipieren. Dazu befördert man den Treibstoff mittels Einspritzung in den Zylinder; verwendbar ist jeder flüssige oder gasförmige Sprit, der sich zur Einspritzung und Selbstzündung eignet, also z.B. Diesel, Rapsöl usw. Außerdem muss ein Lader (Kompressor oder Turbolader) vorgesehen werden, der die Frischluft hineindrückt. Dadurch kann das Kurbelgehäuse geschlossen und konventionell geschmiert werden. So erhält man einen Treibstoff-unabhängigen, sauberen und effektiven Zweitakt-Motor mit Selbstzündung und Umlaufschmierung, der zwar etwas aufwendiger im Aufbau wird, aber im Gegensatz zum 4-Takt-Motor immer noch ohne Ventile (bzw. - je nach Bauart - ohne Einlassventil) auskommt und bei jeder Umdrehung Schub liefert.

 

 

 

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