4.3. Hubkolben- und Wankelmotor

Hubkolbenmotor

Aktuell schon als Range-Extender im Einsatz ist der 4-Takt Hubkolbenmotor, der als Otto- und Dieselausführung existiert (Fremd- und Selbstzünder).^[1] Wie dem Namen schon entnommen werden kann, arbeitet dieser Motor in vier Arbeitstakten, schematisch dargestellt in der folgenden Abbildung.

Abb. 21: Schematische Darstellung 4-Takt Ottomotor^[2]

Der Dieselmotor arbeitet im Vergleich zum Ottomotor nicht mit Fremdzündung durch eine Zündkerze, sondern über Selbstzündung. Die Selbstzündung erfolgt, da sich die Luft durch die Verdichtung stark erhitzt. Wird nun kurz vor Ende des zweiten Arbeitstakts der Dieselkraftstoff eingespritzt, entzündet sich dieser an der heißen Luft und der dritte Arbeitstakt wird eingeleitet. Man spricht bei dieser Methode auch von Direkteinspritzung, da kein Gemisch sondern nur der Kraftstoff in die Brennkammer eingespritzt wird. 
Ein weiteres Konzept des Hubkolbenmotors stellt der 2-Takt-Ottomotor dar, der in der einfachsten Ausführung mit Kurbelkastenspülung und Schlitzsteuerung ohne Ventile und somit auch ohne Nockenwelle auskommt, was ihn deutlich leichter und auch kostengünstiger als ein 4-Takt-Ottomotor macht. Im 2-Takt-Ottomotor laufen die aus dem 4-Takt-Ottomotor bekannten Takte Ansaugen und Verdichten, sowie der Arbeits- und der Ausstoßtankt laufen im 2-Takt-Ottomotor jeweils parallel. Schematisch dargestellt ist dies in Abbildung 22.^[3]

Abb. 22: Arbeitsverfahren 2-Takt-Ottomotor^[4]

In Tabelle 6 sind die Eckdaten des Hubkolbenmotors zu sehen.

Tabelle 6: Eckdaten Hubkolbenmotor
 

Wankelmotor
Der Wankelmotor ist ein Kreiskolbenmotor und arbeitet analog zum 4-Takt-Otto-Prinzip. In jeder der drei Kammern findet jeweils ein 4-Takt-Ottoprozess statt, wie in der folgende Grafik nachvollzogen werden kann.^[5]

Abb. 23: 4-Takt-Prozess des Wankelmotors^[6]

 Für den Einsatz als Range-Extender sind prinzipiell alle Konzepte heranzuziehen. 4-Takt-Motoren lassen sich schon heute in einigen Serienmodellen als Range-Extender finden, wie bspw. dem Toyota Prius. Hinsichtlich der Kraftstoffvielseitigkeit, sind die Konzepte jedoch recht unterschiedlich zu bewerten, da bspw. der Einsatz von Wasserstoff in 4-Taktmotoren mangels der räumlichen Trennung von Verbrennung und Einspritzung zu Frühzündungen an den heißen Ventilen führen kann. Beim Wankelmotor tritt dieses Problem nicht auf, weshalb er für den Einsatz mit Wasserstoff besser geeignet ist. Er kann durch seine rotierende Bewegung bei entsprechender Auswuchtung vibrationsfrei betrieben werden. Außerdem kann durch die Trennung von Ansaug- und Verbrennungsbereich das Problem der Frühzündung umgangen werden. Durch die Brennraumgeometrie des Wankelmotors wird die Erzeugung eines homogenen Gemisches jedoch erschwert, was bei der Nutzung mit Erdgas oder Biogas wiederum zu Problemen führen kann.
Bei 2-Takt-Ottomotoren treten neben Strömungsverlusten auch Spülverluste auf, d.h. Abgasreste werden nicht komplett aus dem Zylinder entfernt. Dies führt je nach Kraftstoff zu ungewollten Schadstoffemissionen. Diese Problematik kann durch konstruktive Maßnahmen gelöst werden, jedoch geht dies dann zu Lasten des Kosten- und Gewichtsvorteils. Je nach Anforderungen an die Leistung variieren Zylinderzahlen und Hubräume, was negative Auswirkungen auf das Packaging sowie die Laufruhe hat. Da die Motorkonzepte der 2- und 4-Takt-Motoren (Hubkolben- und Wankelmotor) einen hohen Entwicklungsgrad aufweisen, ist hier eine Erhöhung des derzeit bei 21-30 % liegenden Wirkungsgrades in näherer Zukunft nicht zu erwarten. Der Wankelmotor weißt als Range-Extender jedoch ein größeres Potential auf, da die Nachteile in der Verdichtung gegenüber dem Hubkolbenmotor bei der konstanten Drehzahl nicht mehr so stark ins Gewicht fallen. Die Drehzahl und Verdichtung können daher besser auf den optimalen Leistungspunkt abgestimmt werden. Da die Laufruhe durch die Scheibenzahl nicht beeinflusst wird, ergeben sich an dieser Stelle auch höhere Freiheitsgrade in der Dimensionierung.
Die Kosten für die Motoren hängen sehr stark von der jeweiligen technischen Ausführung ab, so sind 4-Takt-Dieselmotoren durch die aufwändigere Hochdruckeinspritzung tendenziell teurer als 4-Takt-Ottomotoren, welche wiederum durch die Ventilsteuerung und die dadurch nötige Nockenwelle teuer sind als 2-Takt-Motoren. Der Wankelmotor benötigt auch eine Ventilsteuerung, kann aber auf andere Bauteile wie z.B. eine Kurbelwelle verzichten und ist somit zwischen 4-Takt-Hubkolbenmotor und 2-Takt-Motor einzuordnen. Weitere Faktoren sind bspw. die Schmierung des Motors oder auch der Mehreinsatz von Material bedingt durch die Zylinderzahl. Es lässt sich daher keine genaue Zahl beziffern, als Orientierung dürften aber aktuelle Motorenpreise ausreichen. Eine detaillierte Bewertung aller Range-Extender-Konzeptionen erfolgt in 4.5.^[7]
In Tabelle 7 sind die Eckdaten des Wankelmotors noch einmal dargestellt.

Tabelle 7: Eckdaten Wankelmotor