Welches Konzept hat den besten Arbeitszyklus?

Der Erfinder des 5-Takt-Konzepts, Gerhard Schmitz, hat im Jahr 2000 eine Studie erstellt. Hier wird das 5-Takt-Konzept vorgestellt und mit dem 4-Takt-Prinzip verglichen.

Studie in englischer Sprache steht hier als PDF-Datei zur Verfügung.

5-Takt-Motor

Otto-Saugmotor

Otto-Turbomotor

VCR-Motor¹⁾

Ansaugen

Optimale Füllung durch Zwangsfüllung (mehrere Bar Ladedruck).

Nur durch Ansaugen ist eine optimale Füllung nicht möglich (Füllung mit Unterdruck, kleiner 1 Bar).

Optimale Füllung durch Zwangs-füllung (Füllung mit Überdruck).

Optimale Füllung durch Zwangs-füllung (mehrere Bar Ladedruck).

Verdichten

Durch niedriges Verdichtungsverhält- nis ist das Verdichten im gesamten Arbeitsbereich unkritisch, ohne Klopf-gefahr.

...

Verdichtungs- und Expansionsverhältnis sind identisch. Ein hoher Wirkungsgrad setzt ein hohes Expansionsverhältnis voraus und erfordert somit ebenfalls ein hohes Verdichtungsverhältnis. Antiklopfregelungen schützen bei höchstmöglichem

Verdichtungsverhältnis vor klopfender Verbrennung. Die Kopfgefahr begrenzt das Verdichtungsverhältnis, also auch das Expansionsverhältnis und somit den maximalen Wirkungsgrad.

Arbeiten

Der Gesamtarbeitstakt ergibt sich aus dem Arbeitstakt im 4-Takt-Hochdruck-zylinder mit mäßiger Energieausbeute und einem nachträglichen Arbeitstakt im Niederdruckzylinder (zusätzlicher Takt).

In der Summe ergibt sich ein Expansionsverhältnis von 1:14 im gesamten Arbeitsbereich und somit ein hoher Wirkungsgrad.

Expansionsverhältnis im Bereich von 1:11 ermöglicht keinen besonders guten Wirkungsgrad.

Niedriges Expansionsverhältnis ergibt einen schlechten Wirkungs- grad.

...

Hoher Wirkungsgrad im niedrigen Lastbereich (Expansionsverhältnis 1:16), schlechter Wirkungsgrad im Hochleistungsbereich (Expansions- verhältnis 1:6).

Ausstoßen

Das Ausstoßen im 4-Takt-Hochdruckzylinder entspricht dem Arbeitstakt im Niederdruckzylinder (zusätzlicher Takt im Niederdruck-zylinder liefert Arbeit an die Kurbel-welle). Das Ausstoßen im Nieder-druckzylinder erfolgt ohne Auspuff-kollektor direkt auf die Turbine des Turboladers. Hier wird ein Teil der Restenergie zum Verdichten der Ansaugluft genutzt.

Die hohe Restenergie im ausgestoßenen Abgas wird nicht genutzt.

Die sehr hohe Restenergie im ausgestoßenen Abgas wird nur in geringem Maße im Turbolader zum Verdichten der Ansaugluft genutzt.

Hier entsteht jedoch keine Arbeit an der Kurbelwelle.

Nur bei hohem Verdichtungs- und Expansionsverhältnis mit Nutzung eines Teils der Restenergie im Turbolader zum Verdichten der Ansaugluft ist die Energieausbeute gut.

Hier entsteht jedoch keine Arbeit an der Kurbelwelle.

5-Takt-Motor	Otto-Saugmotor	Otto-Turbomotor	VCR-Motor¹⁾
Fazit
Hohe Leistungsdichte mit hohem Wirkungsgrad im gesamten Arbeits-bereich.	Mittlere Leistungsdichte mit mittlerem Wirkungsgrad.	Hohe Leistungsdichte mit schlechtem Wirkungsgrad.	Hohe Leistungsdichte, aber Wirkungsgrad von sehr gut bis sehr schlecht (je nach Verdichtungs- bzw. Expansionsverhältnis).

Der 5-Takt-Motor vereint alle Vorteile der anderen Motorenkonzepte, und das ohne deren Nachteile. Durch die zweifache Expansion im 5-Takt-Zyklus ist das Gesamtexpansionsverhältnis unabhängig vom Verdich-tungsverhältnis – das ist der Erfolgsschlüssel des 5-Takt-Motors. Das 5-Takt-Konzept verschafft dem Entwickler zusätzliche Freiheiten bei der Motorenkonstruktion und ermöglicht eine optimale Festlegung vom Verdichtungs-verhältnis einerseits und vom Gesamtexpansions-verhältnis andererseits.

Der 5-Takt-Motor verbessert den Wirkungsgrad im

gesamten Arbeitsbereich, sowohl bei Teil- als auch bei Volllast.

Im 4-Takt-Zyklus sind Verdichtungs- und Expansionsverhältnis prinzipbedingt identisch. Da das Verdichtungsverhältnis durch verbrennungstechnische Auflagen begrenzt ist, ist ebenfalls das Expansionsverhältnis und somit der Wirkungsgrad begrenzt. Die Konstruktion eines 4-Takt-Motors mit vergleichbar hohem Wirkungsgrad ist physikalisch unmöglich.

Miller- und Atkinson-Zyklen

Das Aufbrechen der Bedingung, dass Verdichtungs- und Expansionsverhältnis gleich sind, wird auch in den Miller- und Atkinson-Zyklen angestrebt. Die effektive Verdichtung wird hier durch sehr spätes Schließen der Einlassventile gegenüber der geometrischen Verdichtung verringert. Übrigens betrachten einige die Miller- und Atkinson-Zyklen nicht ganz zu unrecht als 5-Takt-Zyklen, wird doch der Verdichtungstakt in zwei Teiltakte, sprich Rückspülung und Verdichten, aufgeteilt. Grundsätzlich bieten somit diese beiden Zyklen vergleichbare Vorteile dem klassischen Otto-Zyklus gegenüber, wie der hier vorgestellte Schmitzsche Fünftaktzyklus. Den Strömungsverlusten aufgrund der späten Einlassventilschließung in den Miller- und Atkinson-Zyklen stehen die Überströmungsverluste des Fünftaktzyklusses gegenüber und folglich ergeben sich, so könnte man glauben, keine zwingenden Vorteile des 5-Takt-Konzepts gegenüber den Miller- und Atkinson-Zyklen.

Dies ist aber lediglich bei grober Betrachtung der Fall. Zum Einen sind die Strömungsverluste im Falle der Miller- und Atkinson-Zyklen unweigerlich mit unvermeidlicher verlustreicher Entropiesteigerung verbunden, da das zurückgespülte Frischgemisch von einem aufwärtsstrebenden, und somit Druck erzeugenden Kolben durch einen sich schließenden Ventilspalt „gedrückt“ werden muss. Im Falle des 5-Takt-Zyklusses kann diese Entropiegenerierung durch

geschickte Ventilsteuerung weitestgehend vermieden werden. Zum Anderen verfügt der 5-Takt-Zyklus über einen entscheidenden Vorteil gegenüber den Miller- und Atkinson-Zyklen dank der zweistufigen Expansion, und dem dadurch möglichen geringen Expansionsverhältnis in den Hochdruckbrennzylindern. Dieses geringe Expansionsverhältnis führt zu einer geringen Brennraumvariationsgeschwindigkeit während der Verbrennung, so dass das globale effektive Expansionsverhältnis weit weniger vom geometrischen Expansionsverhältnis, insbesondere bei hohen Drehzahlen abweicht. Darüber hinaus können die Miller- und Atkinson-Zyklen nur für eine bestimmte Drehzahl optimiert werden, es sei denn man greift auf eine aufwändige variable Einlassventilsteuerung zurück.

Ein weiterer Vorteil des 5-Takt-Zyklusses besteht darin, dass die Abgase nur aus einem Zylinder austreten, und somit der Abgaskrümmer entfällt, was zum Einen Kosten und Raum einsparen hilft, und zum Anderen die effizientere Impulsaufladung ermöglicht. Man könnte sozusagen das Überströmen von den Hochdruckzylindern zum Niederdruckexpander nicht bloß als „unnötige“ Strömungsverluste betrachten, sondern als ein nützliches Hinführen der Abgase zum Turbineneintritt, gepaart mit einer in Reihe geschalteten Nachexpansion. Die Rückströmung im Falle der Miller- und Atkinson-Zyklen kann dagegen derlei „Nützlichkeit“ nicht vorweisen.

Und im Vergleich zum PKW-Dieselmotor?

Der 5-Takt-Motor erreicht das Verbrauchsniveau eines modernen PKW-Dieselmotors.

Bei gleicher Leistung und Verbrauch ist der 5-Takt-Motor billiger, leichter, leiser und umweltfreundlicher.

Gibt es noch einen Grund PKW-Verbrennungsmotoren als 4-Takt-Motoren zu bauen? NEIN.

Sie sind anderer Meinung? Diskutieren Sie mit dem Erfinder, Gerhard Schmitz, auf dem öffentlichen Blog.

¹⁾

VCR = Variable Compression Ratio.
Verbrennungsmotor mit mechanisch verstellbarem Verdichtungsverhältnis. Ein Beispiel einer aktuellen Entwicklung eines VCR-Motors finden Sie unter www.mce-5.fr
Anmerkung:
Der VCR-Motor erlaubt bei jedem Betriebspunkt die optimale Einstellung des Verdichtungsverhältnisses. Da der VCR-Motor ebenfalls auf dem 4-Takt-Zyklus basiert, sind Verdichtungs- und Expansionsverhältnis auch hier identisch.
Der VCR-Motor hat einen hohen Wirkungsgrad im unteren Lastbereich und erzielt gute CO2- und Verbrauchswerte im Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ).
Bei allen Betriebspunkten mit niedrigem Verdichtungsverhältnis hat der VCR-Motor einen schlechten Wirkungsgrad. Das betrifft insbesondere die mittleren Lastbereiche und den Volllastbereich.
Durch die unabhängige konstruktive Festlegung von Verdichtungs- und Expansionsverhältnis im 5-Takt-Konzept ist die Notwendigkeit einer mechanischen Verstellung des Verdichtungsverhältnisses nicht mehr gegeben.