Wichtige Grundeigenschaften

Verdichtung / Expansion

Im 4-Takt-Motor ist das Verdichtungsverhältnis immer identisch mit dem Expansionsverhältnis. Ein hoher Wirkungsgrad erfordert eine hohe Expansion. Die Gefahr einer klopfenden Verbrennung beschränkt jedoch die Verdichtung. Eine hohe Verdichtung von 12:1 bzw. Expansion von 1:12 kann nur im niedrigen Lastbereich genutzt werden. Im unrealistischen Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) haben diese Motoren einen niedrigen Verbrauch und CO2-Ausstoß. Im Alltag werden auch die mittleren und hohen Lastbereiche benötigt. Um hier eine klopfende Verbrennung zu vermeiden, muss der Zündzeitpunkt nach hinten verschoben werden, so dass die Verbrennung nach dem oberen Totpunkt erfolgt und sich das thermodynamische Expansionsverhältnis

drastisch verschlechtert. Der Wirkungsgrad sinkt und der Verbrauch steigt.   Beim 5-Takt-Motor ist das Verdichtungsverhältnis weitestgehend unabhängig vom Expansionsverhältnis, da die Expansion in zwei getrennten Stufen erfolgt. Das Verdichtungsverhältnis wird so gewählt, dass selbst bei Hochdruckaufladung im gesamten Arbeitsbereich keine Klopfgefahr besteht. Die effektive Gesamtexpansion von 1:15 ist im gesamten Arbeitsbereich nutzbar. Dadurch ist der 5-Takt-Motor im gesamten Arbeitsbereich bedeutend sparsamer als ein 4-Takt-Motor gleicher Leistung. Das ist rein physikalisch bedingt.

Turbo-Hochdruckaufladung

Eine Hochdruckaufladung ist beim 4-Takt-Motor nicht denkbar, abgesehen von den kurzlebigen 1.500 ccm Formel 1 Turbomotoren aus den achtziger Jahren. In der Praxis werden nur Turbomotoren mit niedriger Aufladung gebaut. Moderne Turbomotoren verfügen neuerdings über ein hohes Verdichtungsverhältnis. Diese Motoren arbeiten im Niedriglastbereich (NEFZ) als kleine sparsame Saugmotoren mit hoher Expansion. Im Hochlastbereich sorgt die Turboaufladung für hohe Leistung bei schlechtem Wirkungsgrad. Beim 4-Takt-Motor geht die Turboaufladung immer auf Kosten des Wirkungsgrades und des Verbrauchs. Beim 5-Takt-Motor hat selbst eine Turbo-Hochdruckaufladung (3 bar und mehr) keinen negativen Einfluss auf das gesamte Expansionsverhältnis und somit

auf den hohen Wirkungsgrad. Bei der Hochdruck-aufladung mittels Turbo werden die Verbrennungsgase nach der Expansion im Arbeitstakt des Hochdruck-zylinders und der Nachexpansion im Niederdruckzylinder ein drittes Mal im Abgasturbolader expandiert. Der Abgasturbolader erzeugt im Verdichter pneumatische Energie, die im Ansaugtakt in mechanische Arbeit umgewandelt wird. Dies kann über 5 % der gesamten mechanischen Arbeit betragen. Die Turbo-Hochdruckaufladung erhöht den Wirkungsgrad des 5-Takt-Motors. Der Turboaufladung sind keine physikalischen Grenzen gesetzt. Bedingt durch thermische Belastung sind die Grenzen ausschließlich technologischer Art. Die Physik kann nicht verändert werden – Technologie entwickelt sich.

Verbrennung

Die Verbrennung dauert bei einem Ottomotor zirka 2 Millisekunden (ms). Bei 2.000/min entsprechen 2 ms etwa 24° Kurbelwinkel, bei 6.000/min sind es bereits 72° Kurbelwinkel. Die mit steigender Drehzahl intensiver werdende Gemischturbulenz führt zwar zu einer etwas schnelleren Verbrennung, kann aber nicht verhindern, dass bei hoher Drehzahl, trotz Zündzeitpunkt-verschiebung, ein großer Teil des Verbrennungs-prozesses weit nach dem oberen Totpunkt stattfindet. Es wird demzufolge nur noch ein Bruchteil der durch die Verbrennung erzeugten thermodynamischen Energie im Arbeitstakt in mechanische Energie umgewandelt. Der Verbrauch steigt mit zunehmender Drehzahl stark an. Beim 5-Takt-Motor sind die Voraussetzungen günstiger. Zum einen ist der Wirkungsgrad im Hochdruckzylinder

aufgrund des geringen Expansionsverhältnisses weit weniger empfindlich gegenüber der steigenden Drehzahl, als im höher verdichtenden Ottomotor. Zum anderen wird die ungenutzte thermodynamische Energie, die das Abgas am Ende des Arbeitstaktes der 4-Takt-Hochdruckzylinder enthält, durch die Nachexpansion im Niederdruckzylinder teilweise in mechanische Arbeit umgewandelt. Als Ergebnis steigt der Verbrauch bei zunehmender Drehzahl viel langsamer an als beim herkömmlichen Ottomotor. Messungen durch die englische Firma Ilmor Engineering Ltd. am 2007 gebauten Prüfstandmotor haben diesen Sachverhalt bestätigt. Diese Tatsache macht das 5-Takt-Konzept auch für Hochleistungsmotoren interessant. Mit diesem Konzept können bedeutend sparsamere Rennmotoren gebaut werden.

Laufruhe

Eine hohe Anzahl und gleichmäßige Verteilung der Arbeitsimpulse, die ein Motor pro Kurbelwellenumdre- hung erzeugt, ist die Voraussetzung für eine hohe Laufruhe. Ein vierzylindriger Ottomotor erzeugt im Laufe von zwei Kurbelwellenumdrehungen 4 Arbeitstakte, die insgesamt 4 Arbeitsimpulse auf die Kurbelwelle übertragen. Ein dreizylindriger 5-Takt-Motor erzeugt im Laufe von

zwei Kurbelwellenumdrehungen ebenfalls 4 Arbeits-impulse (die beiden Hochdruckzylinder erzeugen jeweils 1 Arbeitsimpuls und der Niederdruckzylinder erzeugt 2 Arbeitsimpulse). Die im Niederdruckzylinder erzeugten Arbeitsimpulse sind jedoch schwächer als die Arbeits-impulse der Hochdruckzylinder. Die Laufruhe ist besser als die eines herkömmlichen Dreizylinder-Ottomotors und reicht fast an die eines Vierzylinder-Ottomotors heran.

Geräuschentwicklung

Im herkömmlichen Ottomotor strömen die Abgase unter Volllast beim Öffnen der Auslassventile mit zirka 6-8 bar aus dem Motor zum Auspuffkollektor, um dort auf niedrigen Druck zu expandieren und über die Auspuffanlage in die Umwelt zu entweichen. Dieses hohe Druckgefälle ist verantwortlich für die bekannten Auspuffgeräusche.

Beim 5-Takt-Motor strömt das Abgas unter Volllast nach zweifacher Expansion mit nur noch 2-3 bar aus dem Motor direkt zum Turbolader, wo nochmals eine Expansion stattfindet. Die Geräuschentwicklung des 5-Takt-Motors ist demzufolge erstaunlich niedrig. Durch Abgasreinigung wird das Geräuschniveau so weit reduziert, dass voraussichtlich auf eine weitere Schalldämpfung verzichtet werden kann.

Abgase

Beim herkömmlichen 4-Takt-Zyklus steigen die HC- Emissionen mit zunehmendem Verdichtungsverhältnis an. Das ist durch ein ungünstiges Oberflächen-Volumen-Verhältnis bzw. zunehmende Quetschflächenanteile bedingt. Aufgrund des günstigen Verdichtungsverhältnisses von 7:1 im Falle des 5-Takt-Motors ergibt sich ein optimales Oberflächen-Volumen-Verhältnis und somit die besten

Voraussetzungen für eine saubere Verbrennung und niedrige HC-Emissionen.  Durch die hohe Aufladung entstehen höhere Verbrennungstemperaturen als im Otto-Saugmotor, was zu einem Anstieg der NOx-Emissionen führt. Eine Abgasnachbehandlung zur Reduzierung der NOx-Anteile wird notwendig sein. Von den bisher gebauten 5-Takt-Motoren liegen dem Erfinder leider keine Abgasmessungen vor.

Aufbau

Der 5-Takt-Motor enthält keine neuen Bauteile, nur die Anordnung und das Zusammenspiel der Bauteile sind etwas anders. Alle verwendeten Bauteile werden schon seit langem in herkömmlichen Verbrennungsmotoren eingesetzt und sind praxiserprobt.

Im Vergleich zu einem herkömmlichen Vierzylindermotor ist ein dreizylindriger 5-Takt-Motor mit gleicher Leistung kleiner, leichter und besteht aus weniger Bauteilen. Die Serienherstellung dürfte kostengünstiger sein.