E-Fuels, 6- und 2-Takter: Stille Rebellion gegen das Verbrenner-Ende
Der Viertaktantrieb galt im Automobilbau jahrelang als gesetzt. Nun sorgen aktuelle Ideen zu Zweitakt- und Sechstaktmotoren für Aufmerksamkeit. Sie könnten Verbrenner auch bei härtesten Abgasregeln des kommenden Jahrzehnts noch im Spiel halten – und sogar einen neuen Weg zum Nullemissions-Auto frei machen.
Mazda arbeitet wie auch GM an neuen Zweitaktmotoren, mutmaßlich für das kleine Fahrzeugsegment.
Foto: davidlfsmith/Mazda Motors Deutschland GmbH
Der Verbrennungsmotor gilt als Auslaufmodell, doch Ingenieurinnen und Ingenieure arbeiten weltweit an seiner technischen Renaissance. Historische Sechstaktkonzepte aus dem 19. Jahrhundert treffen auf moderne Patente von Porsche, Mazda und General Motors. Ziel sind Wirkungsgrade bis zu 50 %, geringere Emissionen und die Nutzung von E-Fuels oder Wasserstoff.
Möglich machen das komplexe Mechaniken, doppelte Verbrennungen und neu gedachte Zweitakt- und Gegenkolbenkonzepte. Die Kehrseite: hohe Komplexität, Kosten und offene Fragen zur Serienreife. Der Verbrenner ist nicht tot, aber er wird technisch radikaler als je zuvor.
Inhaltsverzeichnis
- Blick ins Museum
- Griffin hat schon vor mehr als 100 Jahren sein Unternehmen wieder beerdigt
- Der Sechstaktmotor im Detail
- Doppelte Kraft bei halbem Hubraum: Die Renaissance des Zweitakters im Automobilbau
- Innovation aus Hiroshima
- 30 % höhere Effizienz als ein Viertakt-Diesel
- Komplexe Synchronisation
- Die Komplexität der Motoren ist auch deren Achillesferse
Blick ins Museum
Wer ein ganz neues Taktgefühl für den Verbrennermotor erleben möchte, der sollte mal an die Westküste Englands fahren – und tief in die Vergangenheit. Im Technik-Museum von Bath steht ein monumentaler Motor, den sich 1883 der Ingenieur Samuel Griffin erdacht hat. Der Unternehmer hatte nämlich keine Lust mehr, Lizenzgebühren für Otto-Patente zu zahlen.
Seine Lösung: ein Sechstaktmotor mit „patentiertem Schieberventil“ – einfachwirkend, schwer gebaut, aber robust genug, um auch minderwertige, schwere Ölsorten sauber zu verbrennen. Als „Kilmarnock“-Motoren dienten die Sechstakter den Anfängen der Stromerzeugung: Sie liefen stundenlang brav unter geringer Last, um dann schlagartig hohe Leistungsabrufe zu schultern – genau das, was frühe Elektrizitätswerke brauchten.
Griffin hat schon vor mehr als 100 Jahren sein Unternehmen wieder beerdigt
Die Idee der sechs Takte allerdings findet sich auch in späteren Jahrzehnten immer wieder in Patenten aus England, der Schweiz oder Indien. Doch nie waren sie so nah an der Renaissance wie heute. Denn aktuelle Patentschriften zeigen: Porsche, Mazda oder General Motors setzen auf Sechstakter, aufgeladene Zweitakter und sogar auf Motoren, die Kohlenstoff direkt im Fahrzeug abscheiden. Die Ziele: höhere Effizienz, geringere Emissionen, Vereinbarkeit mit synthetischen Kraftstoffen.
Die E-Fuels kosten derzeit noch bis zu fünf Euro pro Liter. Ein Motor mit 50 % Wirkungsgrad könnte E-Fuels wirtschaftlich konkurrenzfähig machen gegenüber Batterie-Elektrofahrzeugen. Die EU-Kommission hat immerhin inzwischen zugestimmt, dass nach 2035 neu zugelassene Verbrennungsmotoren weiter erlaubt sind – sofern sie ausschließlich mit solchen CO₂-neutralen E-Fuels betrieben werden.
Das Herzstück von Porsches Innovation ist ein Planetengetriebe, bei dem das Pleuel exzentrisch an Planetenrädern befestigt ist, die in einem feststehenden Hohlrad laufen. Diese Anordnung erzeugt das „Spirograph“-Bewegungsprofil für den Kolben mit zwei unterschiedlichen oberen und unteren Totpunkten innerhalb eines 180-Grad-Zyklus. Die variable Hublänge reicht von etwa 83 mm bis 118 mm. Der Motor kann so sein Hubvolumen und Verdichtungsverhältnis dynamisch anpassen.
Der Sechstaktmotor im Detail
Der Ablauf geht so: Der erste Takt saugt das Kraftstoff-Luft-Gemisch an, der zweite verdichtet es, der dritte ist die erste Verbrennung und Expansion. Im vierten Takt wird das Restgas erneut verdichtet, während durch radiale Spülkanäle frische Druckluft einströmt. Im fünften Takt erfolgt eine zweite Zündung, die die Restwärme nutzt. Der sechste Takt stößt die verbrannten Gase aus.
Die radialen Spülkanäle sind technisch entscheidend. Wenn der Kolben seinen tiefsten Punkt erreicht, strömt frische, vorverdichtete Luft ein und verdrängt die Abgase – ein Prinzip, wie man es aus großen Schiffsdieselmotoren kennt. Diese Gleichstrom-Spülung ermöglicht eine effizientere Entfernung der Verbrennungsrückstände und führt zusätzlichen Sauerstoff für die zweite Verbrennung zu.
Die Entwickler von Porsche und der Uni Cluj gehen von thermischen Wirkungsgraden bis zu 50 % aus – ein erheblicher Sprung gegenüber den 30 % bis 35 % aktueller Aggregate. Die Komplexität der innenliegenden Zahnkränze und Planetenmechanismen ist allerdings erheblich. Das macht solche Antriebe wohl vor allem für teure und exklusive Sportwagen wie Porsches Ikone 911 interessant; so könnte die Mutter aller Porsche auch im kommenden Jahrzehnt noch als Verbrenner auf Europas Straßen neue Kunden erreichen.
Doppelte Kraft bei halbem Hubraum: Die Renaissance des Zweitakters im Automobilbau
Massenhersteller Mazda verfolgt dagegen eine doppelte Strategie: einen aufgeladenen Zweitakter für Effizienz und Leistungsdichte sowie einen Sechstaktmotor mit Wasserstoff-Reformierung für CO₂-Neutralität. Der aufgeladene Zweitakter setzt auf einen riemengetriebenen Roots-Kompressor und eine aufwendige Ventilsteuerung im Zylinderkopf. Das Ziel ist ein extrem kompakter, leichter Motor, der ideal als Reichweitenverlängerer für Hybride dient. Da ein Zweitakter bei jeder Kurbelwellenumdrehung zündet – im Gegensatz zum Viertakter, der nur jede zweite nutzt –, erreicht er theoretisch die doppelte Kraft bei halbem Hubraum.
Anders als historische Zweitakter arbeitet er aber ohne Öl-Kraftstoff-Gemisch – weder Geruch noch Geräusch erinnern darum an den klassischen Zweitakter. Die Japaner lassen sich eher von Diesel-Tugenden inspirieren. Bei niedriger Last nutzt der Motor hohe Abgasrückführungsraten für eine dieselähnliche Kompressionszündung des Benzin-Gemischs. Bei hoher Last schaltet das System auf konventionelle Fremdzündung um.
Innovation aus Hiroshima
Faszinierend ist auch eine weitere taktvolle Innovation aus Hiroshima: ein Sechstaktmotor, der Wasserstoff aus Benzin schon an Bord abscheidet. Im vierten Takt werden dazu Restgase und eine zweite Kraftstoffeinspritzung durch einen katalysatorbasierten „Zersetzer“ gepresst. Die Hitze des Abgases spaltet das Benzin in Wasserstoff und festen Kohlenstoff auf. Im fünften Takt wird der Wasserstoff zurück in den Zylinder gesaugt und gezündet.
Der sechste Takt stößt die Endgase aus, während der feste Kohlenstoff in einer Speichereinheit aufgefangen wird. Dieses Design bietet eine einzigartige Lösung: Das CO₂ verlässt niemals den Auspuff. Die logistische Herausforderung ist jedoch immens. Für je 57 l Benzin entstehen etwa 37 kg fester Kohlenstoff – das entspricht dem Volumen von etwa fünf Ein-Liter-Kanistern. Eine erhebliche Umgestaltung der Fahrzeugarchitektur wäre wohl nötig.
30 % höhere Effizienz als ein Viertakt-Diesel
Nicht nur wegen des E-Auto-Hassers Trump meint auch GM-Präsident Mark Reuss, dass „das Zeitalter des Verbrennungsmotors nicht vorbei ist“. Die Amerikaner unterstützen dazu die Entwicklung des Achates Power Gegenkolben-Zweitakters, der zwei gegenläufige Kolben pro Zylinder ohne Ventile verwendet.
Diese steuern Einlass- und Auslassschlitze und treiben gekoppelte Kurbelwellen an. Dadurch entsteht eine symmetrische Brennkammer mit hoher Effizienz durch Aufladung. Fabien Redon, Vizepräsident für Technologieentwicklung bei Achates, erklärt, dass das Design einen Effizienzvorteil von 30 % gegenüber fortschrittlichsten Viertakt-Dieseln biete.
Komplexe Synchronisation
Doch auch dieser Motor hat eine komplexe Synchronisation, hohe Kosten, Schmier- und Verschleißprobleme sowie eine schwierige Umsetzung der Abgasrückführung zu meistern – eine ähnliche Herausforderung wie die mechanische Belastung der komplexen inneren Zahnräder für Porsches Sechstakter oder die chemische Zuverlässigkeit von Mazdas Wasserstoff-Reformer.
Das Planetengetriebe im Porsche-Design muss den brutalen Kräften der sekundären Verbrennung standhalten. Mazdas Reformer muss in extremer Hitze arbeiten und die Aufnahme von festem Kohlenstoff bewältigen.
Die Komplexität der Motoren ist auch deren Achillesferse
Noch höhere Anforderungen, noch mehr Mechanik – gerade auch im Vergleich zum simpleren E-Motor? Das ist die Achillesferse aller neuen Verbrenner-Patente auf dem Weg in die Serienfertigung. Aber vielleicht bringt ja der Besuch im Technik-Museum von Bath all den Entwicklern der neuen Taktgefühle noch ein paar unerwartete Inspirationen?
Ein Beitrag von:
