Heute ist er für Gokarts, morgen könnte er die Reichweite von Elektroautos erhöhen
Ein neuartiger Motor hat sich zum ersten Mal außerhalb des Labors gezeigt, und obwohl er nur ein Go-Kart zum Laufen gebracht hat, könnte er der Anfang von etwas Großem sein.
Der Motor ist ein Rotationsmotor, eine kolbenlose Konstruktion, die das Leistungsgewicht maximiert. Er ist das Ergebnis von rund einem Dutzend Jahren Arbeit von LiquidPiston, einem Startup-Unternehmen, das von Alec Shkolnik mitbegründet wurde, der einen Doktortitel in Informatik mit Spezialisierung auf KI und Modellierung hat. Der Motor selbst basiert auf der Verbrennungstechnologie seines Vaters Nikolay, eines in der Sowjetunion ausgebildeten Maschinenbauingenieurs, der sich in den Vereinigten Staaten zum Physiker umschulen ließ.
Es gibt allerdings keine Flüssigkeit und keinen Kolben: Das Unternehmen ist aus dem Namen herausgewachsen, der sich auf eine Konstruktion bezog, die beides verwendete, um expandierendes Gas in Antriebskraft umzuwandeln. Jetzt, ein halbes Dutzend Iterationen später, ist das Ergebnis ein Ganzmetall-Kreiskolbenmotor, der ganz sicher nicht der Wankelmotor Ihres Vaters ist, das berühmte, brummende Herz der Mazda RX-Serie.
„Es ist eine Art umgedrehter Wankel, ein Design, das die alten Probleme mit der Abdichtung und dem Kraftstoffverbrauch löst“, sagt Firmengründer Alec Shkolnik. „Der Wankelmotor hat einen dreieckigen Rotor in einem erdnussförmigen Gehäuse; wir haben einen erdnussförmigen Rotor in einem dreieckigen Gehäuse. Unsere Dichtungen sitzen an den Spitzen des Dreiecks, und unsere Dichtungen sind stationär, weil sie sich im Gehäuse befinden.“
Die Dichtungen verhindern, dass Gas von einer Kammer in die andere strömt. Bei einem Wankelmotor bewegen sich die Dichtungen schnell, und das macht es schwierig, sie zu schmieren. Man muss Öl in die Verbrennungskammer sprühen, wohl wissend, dass nur ein Teil die Dichtungen erreicht und der Rest sich in Rauch auflöst – ein Problem sowohl für den Kraftstoffverbrauch als auch für die Motoremissionen. Der Motor von LiquidPiston kommt ohne diese Probleme aus, behält aber die mechanische Einfachheit des Kreiskolbenmotors bei – nur ein Rotor und eine Exzenterwelle sowie Einspritzdüsen, Kraftstoff- und Ölpumpen.
Shkolnik räumt ein, dass seine Maschine noch nicht bereit ist für die von der Autoindustrie geforderte Lebensdauer von 100.000 Meilen. Aber er argumentiert, dass sie selbst in ihrer Anfangsphase in jedem Bereich Anwendung finden sollte, in dem ein winziger, kraftstoffsparender, einfacher Motor, der viel Leistung in ein kleines Volumen und eine kleine Masse packt, gefragt ist.
„Wir haben den 40-Pfund-Motor des Go-Karts durch unseren 4-Pfund-Motor mit 3 bis 5 PS ersetzt“, sagt Shkolnik. Der Motor ist effizienter als ein Wankelmotor, weil er ein höheres Verdichtungsverhältnis hat und weil die sich verschiebende Geometrie seiner inneren Hohlräume es ihm ermöglicht, den größten Teil der Energie der Abgase zu extrahieren, bevor sie entleert werden, eine Eigenschaft, die Überexpansion genannt wird. „Aber der Prius-Motor ist überdimensioniert. Wir bekommen die Überexpansion fast umsonst, indem wir einfach die Position unseres Anschlusses ändern.
Ein Ventiltrieb ist das von einer Nockenwelle betriebene System, das die Ventile im Verbrennungsraum eines Kolbenmotors öffnet und schließt, um Kraftstoff und Luft hinein- und Abgase herauszulassen. Das Drehen dieser Welle verbraucht Energie – ein „parasitärer Verlust“, wie es im Automobiljargon heißt.
Das 1,5 Kilogramm schwere Grapefruit-Triebwerk von LiquidPiston ist genau das Richtige für eine mittelgroße, propellergetriebene Drohne. Deshalb ist auch das US-Militär daran interessiert: Das Unternehmen hat Mittel von der Defense Advanced Military Research Projects Agency (DARPA) erhalten.
„Viele Leute versuchen sofort, verbesserte Motoren an den Automobil- und LKW-Markt zu verkaufen, und ich kann es ihnen nicht verdenken, es ist ein 300-Milliarden-Dollar-Markt“, sagt Shkolnik. „Aber um einen neuen Motor in der Automobilwelt zum Leben zu erwecken, braucht man mindestens sieben Jahre und kostet buchstäblich 500 Millionen Dollar – und das für einen Kolbenmotor, bei dem das Risiko gering ist.“
So schaut er zuerst auf Märkte, die einen dringenden Bedarf an sehr kompakten Motoren haben – handgehaltene Elektrowerkzeuge, frachttragende Drohnen für Unternehmen wie Amazon und FedEx und, was am interessantesten ist, Reichweitenverlängerer für Autos.
„Wir haben das Konzept eines 30-Kilowatt-Motors, der mit Diesel betrieben wird, 30 Pfund, in einer 10 x 8 Zoll großen Box“, sagt Shkolnik. „Er könnte Teil eines E-Fahrzeugs für die breite Masse sein, das Ihnen die gewohnte Reichweite bietet – 300 statt 30 Meilen – und eine schnelle Betankung ermöglicht.“
Natürlich wurde auch der Wankelmotor als Reichweitenverlängerer vorgeschlagen. Und obwohl der Motor von LiquidPiston den Anspruch erhebt, effizienter und kompakter als ein Wankelmotor zu sein – oder werden zu können -, spielen diese Dinge vielleicht keine große Rolle, wenn die Maschine nur im Hilfsmodus arbeitet.
Radikale neue Motorkonstruktionen tauchen immer wieder auf, aber sie schaffen es nur selten zum Durchbruch. Erinnern Sie sich an die Gasturbinen der 1960er Jahre? An den superheißen, supereffizienten Keramikmotor der 1980er Jahre? An den radikal verbesserten Zweitaktmotor, dessen Abgase sauberer sein sollten als die Umgebungsluft? Selbst der Wankelmotor scheiterte immer wieder, bis die Mazda-Ingenieure die Ärmel hochkrempelten und sich den Erfolg auf die Fahnen schrieben.
Die rettende Gnade von LiquidPiston ist jedoch die immer breiter werdende Palette von Einsatzmöglichkeiten für Motoren aller Art. Selbst wenn kein Auto jemals ausschließlich mit einem seiner Produkte fahren wird, gibt es viele Marktlücken, die es füllen könnte: Hybride, Drohnen, vielleicht sogar Kettensägen.
Anmerkung des Herausgebers: Die Passage, die sich auf Gasdichtungen bezieht, wurde aus Gründen der Klarheit umformuliert.