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Turbine völlig out?
Hallo Leute,
da ich mich noch nicht so wirklich mit der Materie Strömungsmaschinenkonzepte auseinandergesetzt habe, mir aber doch spontan einige Vorteile der Turbine als Generatorantrieb einfallen, hier mal ein Aufruf die verschiedenen Turbinenkonzepe als Hybridantrieb in einen PKW zu integrieren. Mir gefällt an sich die Version Turbine (Radial mit Vorverdichter) mit Wandlerverbindung (hydroch-mech nur für Hochlastbeschleunigung), ansonsten als reinen Generatorantrieb für Pufferbatterie, bzw. direkt Stromlieferung in die VIER Radnabenmotoren. Die Turbine würde also praktisch immer mit Optimaldrehzahl (wegen der NOx Werte im unteren Drehzahlbereich) laufen und Strom liefern. Wird die Turbine nicht gebraucht, schaltet sie ab und es geht im reinen e-Betrieb weiter, bzw. im Spritspar-Stadt-Modus. Die Turbine könnte mit modernen Einspritzsystemen im Vielstoffbetrieb arbeiten, dann wär's egal was reinkommt (natürlich würden Nachwachsende Kraftstoffe bevorzugt eingesetzt, Alkohol und Methanol wären sicher machbar).
Als Vorteile der Turbine als Generatorantrieb fallen mir ein:
- einfacher Aufbau, billige Herstellung (bitte nicht mit den Superpreisen aus der Flugtechnik verwechseln)
- Vielstofffähigkeit
- die Dinger halten ewig, weil kaum Verschleiß entsteht, es gibt kaum gleitende Teile
- es wird kaum noch Öl gebraucht (Luft gelagerte Läufer)
- Wartung? Luft und Krafstofffilter, vielleicht mal nen defekter Injektor - das war's!
- und...
Bei modernen Turbinen, sind selbst bei sehr kleinen Baugrößen hohe Leistungen möglich, da sollte doch im Bereich bis 200 kw was machbar sein.
Schreibt mal eure Meinungen, wäre mal echt spannend!
Grüße Balze
PS: Hatte letztenz irgendwas mit nem Amphibien-Roadster aus Neuseeland gelesen, weiß aber nicht mehr wo. DAS Ding hatte doch tatsächlich nen Turbinen-Hybridantrieb!
Beste Antwort im Thema
@ Drahkke
Wir brauchen unsere "Tüftler" siehe Wankel, Ringkolbenmotor, Stirling, usw.
Nur ist es halt so das nicht jeder theoretische Wirkungsgrad in der Praxis hält was er auf dem Papier verspricht.
Der schwere unförmige Eisenklotz Diesel hält seinen Platz weiterhin in LKW, Panzern, Lokomotiven und Schiffen. Zwar gibt es Panzer und Schiffe die Gasturbinen benutzen aber das sind a. immer Militärfahrzeuge und b. im Zivilbereich nur Versuchskaninchen die nach kurzer Weile wieder verschwinden.
Besonders im Schiffsantrieb sollte eine Gasturbine Vorteile haben. Sie haben sich aber nicht durchgesetzt.
Gasturbinenschiff Russisch und Englisch
Während es einfach erscheint bei PKW von Verschwörung der Ölgesellschaften zu reden, ist das bei Eisenbahnen und Linien-Reedereien weniger einfach. Diese Firmen kümmern sich einen feuchten Kehricht um Verschwörungen oder Wirkungsgrade auf dem Papier. Die sind nur an der Bottom Line interessiert und da scheints zu hapern...
Gruss, Pete
146 Antworten
Hallo Balze,
der große Nachteil einer Turbine ist der abartige Spritverbrauch. Bei Hubschraubern hat sich die Turbine durchgesetzt weil sie viel Leistung bei wenig Gewicht und Größe bietet. Dafür muß man mehr Kraftstoff mitnehmen.
Der amerikanische Abrahams Panzer hat eine Gasturbine. Aber eigentlich nur deshalb weil die Amies zu dem Zeitpunkt keinen passenden Diesel oder Vielstoffmotor wie beim Leopard zur Verfügung hatten.
Außerdem: Um bei kleiner Größe viel Leistung abzugeben muss sie mit sehr großen Drehzahlen laufen.
Das macht die Angelegenheit Teuer und Wartungsintensiv. Da geht kein Grauguß wie im Kolbenmotorenbau.
So einen richtigen Vorteil sehe ich da im Automobilbau nicht.
Einen Verdichter und eine Turbine möchte ich auf jeden Fall in meinem nächsten Auto.
Nur daß dazwischen keine Ringbrennkammer sondern ein möglichst kompakter Vierzylinder sitzt. 
)
Ein kleiner effizienter Turbo soll es werden. Wohl mit Gas. Mal sehen.
Gruß Hydro
Mein Prof hat gemeint eine Turbine würde einen Wirkungsgrad von bis knapp 40 % erzielen - wäre ja an für sich nicht schlecht somit auch kein abartiger Spritverbrauch.
Die Idee einen Zwischenspeicher (Akku) mit einem Verbrennungs-Motor aufzuladen und dann später mit Radnabenmotoren in Vortrieb umzuwandeln hatte wohl schon Porsche - vor über 110 (einhundertundzehn !) Jahren !
An für sich ist eine Leistung von 200 kW völlig sinnlos - die braucht kein Mensch.
Um konstant 100 km/h zu fahren benötigt man vielleicht 10 bis 15 kW, zum normalen Beschleunigen reichen 15 bis 25 kW. Natürlich nicht für ein 2 Tonnen SUV - aber für einen Kleinwagen mit bis zu einer Tonne schon lange.
Spitzenleistung könnte ja (für Bergauffahrten oder Überholmanöver) 40 kW sein - würde auch schon lange reichen (Corsa D, Ford Fiesta, Fox haben auch nur eine Maximalleistung von ca. 45 kW und wiegen gute 1100 kg).
Der Vorteil an diesem Konzept (egal ob Turbine, Otto- oder Dieselmotor) wäre eben, dass der Verbrenner immer (wenn er denn läuft, denn immer benötigt man ihn ja nicht) im besten Wirkungsgrad arbeiten könnte - die Verluste des Generators und des E-Motors wären dann vernachlässigbar.
Genau diese Idee hatte Daihatsu schon vor ein paar Jahren in einen Prototyp gepackt und auch Opel hat jetzt (war es auf der IAA oder in Tokyo ...) genau so ein Konzept gezeigt.
Konstant müsste der Verbrennungsmotor also ca. 15 kW leisten - auf der Autobahn vielleicht 20 kW (Tempo 130). In der Stadt hingegen nichtmal 10 kW, da man 1. nicht schnell fährt und 2. die Energie beim Bremsen ohnehin wieder zurückgewinnt.
Obwohl die Idee faszinierend ist, hat die Turbine durch systembedingte, technisch-physikalische Grenzen Probleme, was das "Downscaling" anbetrifft. Es ist daher halt einfacher, ein gigantisches RR Trent 900 für den A380 zu bauen, als Microturbinen für den PKW-Antrieb. Turbogeneratoren gibt es für die Feuerwehr als Notstromaggregat, oder auch als APU im Flugzeug, aber dann werden sie eben auch mit einer Festdrehzahl betrieben. Obwohl man auf manchen dekadenten Exzess bei der Kolbenmotorentwicklung verzichten könnte, werden sie noch lange "State of the Art" bleiben.
Zu 40% Wirkungsgrad kann man ja auch nur "naja" sagen! Optimal ist es nicht!
Dabei gibt es im Schiffsdieselbereich schon 2 Takt Diesel mit 52% Wirkungsgrad!
Weiß jemand ob es solche Studien im PKW bereich gibt?
mfg!
Zitat:
Original geschrieben von Bastlernr.1
Zu 40% Wirkungsgrad kann man ja auch nur "naja" sagen! Optimal ist es nicht!
Dabei gibt es im Schiffsdieselbereich schon 2 Takt Diesel mit 52% Wirkungsgrad!
Weiß jemand ob es solche Studien im PKW bereich gibt?
mfg!
Optimal ist nichts, das auf der Straße unterwegs ist - nur der Prius arbeitet soviel ich weiß fast immer im besten Wirkungsgrad - mit seinem Atkinson-Motor.
Wenn die Turbine weniger Masse hat, weniger Wartung erfordert, leichter herzustellen ist und dann vom Wirkungsgrad her auch noch mit einem Benziner mithalten kann, dann ist sie sehr wohl berechtigt.
Wirkungsgrade wie in einem Schiffdiesel wird man im Auto wohl nicht realisieren können. Es wäre vielleicht möglich, wenn man wie in meinem Beispiel den Antrieb vom Motor trennt, aber selbst dafür sollte ein entsprechender 2-Takt Diesel zu groß und aufwendig sein.
Turbine.. ich weiß nicht recht. Ich mag leise Motoren und die dürften mit hochdrehenden Strömungsmaschinen eher schwierig zu bauen sein, dazu kommt Schmierproblematik, ungünstige Drehmomentverläufe usw.. also ich sehe erstmal keine rechte Chance im Automobilbau. Zumal wie bereits angesprochen das Problem eines effektiven "microsizings" besteht.
Zitat:
Original geschrieben von LSirion
...
Wirkungsgrade wie in einem Schiffdiesel wird man im Auto wohl nicht realisieren können. Es wäre vielleicht möglich, wenn man wie in meinem Beispiel den Antrieb vom Motor trennt, aber selbst dafür sollte ein entsprechender 2-Takt Diesel zu groß und aufwendig sein.
...
Bei einem Schiffsmotor handelt es sich ja um ganz andere Größenordnungen. Und da steht auch immer einer dabei und dreht an Schräubchen, um die Verbrennung zu optimieren. Das geht in einem Auto sicher nicht. 
Aber warum soll denn ein 2-Takt-Diesel zu groß sein? Den könnte man auch als Mofamotor bauen. Und im Pkw beim Hybridantrieb vielleicht als Motor, der nur mit einer optimalen Drehzahl beim besten Wirkungsgrad läuft und einen Generator versorgt, der wiederum über Akkus als Puffer die E-Motoren versorgt.
Die Vorteile des 2-Takt-Diesels blieben dabei erhalten (viel weniger innere Reibung, geringerer Hubraum, Drehmoment, Dieselprinzip, ...).
Und "aufwendiger" ist ein Zweitaktdiesel nicht. Im Gegenteil.
Ghost
Hallo Leute,
erst mal Dank für die Beiträge und hier nocheinmal die Fragestellung aber präziser:
Ja ihr habt recht, eine Turbine einzusetzen wie einen Kolbenmotor (Chrysler Turbine Car) macht nicht viel Sinn, da das Verbrauchsverhalten im unteren Drehzahlbereich und beim Beschleunigen höher ausfällt als bei vergleichbaren Kolbentriebwerken. Vom Abgasverhalten mal gar nicht zu reden.
Die einzig Richtige Variante ist eine konstante Drehzahl der Turbine im optimalen Drehmoment/Abgasbereich und der Antrieb eines Generator-Batterie- Radmotoren-Systems. Schmierung ist kein Thema, da die Wellen Luftlagergeführt sind. Ob man zusätzlich ein Ölpumpensystem einbaut, um eventuell noch mechanische Energie für kurzzeitige Zusatzbeschleunigung abzugreifen (Auch da gibt es im Bereich Ölhochdruckpumpen/-motoren tolle neue Entwicklungen) sei dahingestellt. Die neuen Batteriegenerationen sollten eigentlich mit der kurzzeitigen Zusatzbelastung beim hartenBeschleunigen klarkommen. Dieses Turbinensystem könnte dann (rein theoretisch) alles verbrennen was Flüssigbrennstoff ist. Eine permanente Abgasmessung müsste dann die Einspritzmenge und die Verbrennungstenperatur jeweils an den Brennwert/Abgaswerte anpassen. Bei Pflaanzenöl und Diesel müsste ev.noch eine Art Partikelfilter ran, wenn durch unvollständige Verbrennung bei Beschleunigung und Lastwechsel Ruß entsteht.
Richtig, die Fahrgewohnheiten würden (und müssten) sich dramatisch verändern, forsches Beschleunigen als Dauerzustand und Geschwindigkeiten über 150 km/h sind extrem unwirtschaftlich (siehe aktuelle Hybriden), aber wenn wir kein Öl mehr zum verbrennen haben, wird auch diese Diskussion ein Ende finden.
Soweit ich weiss, hat Ford in den neunzigern mit 2-Takt-Diesel Motoren experimentiert. Was daraus geworden ist...........Schublade wahrscheinlich.
Grüße Balze
Es gibt da eben nichts aus dem Regal, oder es ist ein überdimensionierter Notstromaggregat. Wer schweißen kann und entsprechende Entwicklungsarbeit leisten möchte, kann sich aus einem alten LKW-Turbolader und einer selbstgebauten Brennkammer etwas basteln, aber das ist eben nichts "out of the Box ready to go".
Die Turbine im Auto ist eben nicht unbedingt die beste Idee. Einige Eigenbrödler sind da eher an Entwicklungen für stationäre Micro-BHKW interessiert, um Strom ins Netz einzuspeisen und beispielsweise auch mal ein Elektro-Auto aufladen zu können.
Wenn es denn sein müsste, wäre es vielleicht einfacher, einen Freikolbenstirling, oder einen Dampfmotor zu bauen, der dann als "PKW APU" dient und die Batterie eines "Steckdosen Hybrid" nachlädt.
Ein Stirlingmotor hat eine externe Verbrennung, ist damit Vielstofffähig und sehr viel leiser und unkritischer zu betreiben, als eine Turbine. Das würde zusammen mit einem E-Antrieb durchaus Sinn machen, da der Stirlingmotor selbst schlecht regelbar ist.
Auch ein neuartiger Dampfmotor wie der ZEE wäre durchaus interessant. Einen Dampfkessel gibt es nicht mehr, da der Dampf direkt an den Kolben erzeugt wird. Der ZEE ist ein sehr kompaktes System, dessen Leistung sich auf Niveau eines kleinen Dieselmotors bewegt und sogar auf ein Getriebe verzichten könnte-wie eine Dampflok.
Beim mobilen Stirling setzt ein bißchen das Leistungsgewicht die Grenzen - aber das Thema Dampfmaschine wird wiederkommen. Bereits in den 70ern wurden entsprechende Prototypen gebaut.
Zitat:
Original geschrieben von Balze
...
Soweit ich weiss, hat Ford in den neunzigern mit 2-Takt-Diesel Motoren experimentiert. Was daraus geworden ist...........Schublade wahrscheinlich.
Grüße Balze
Es gibt einen britischen Flugzeugmotorhersteller (http://www.wilksch.com), der das Prinzip eines Zweitaktdiesels mit externer Beatmung über einen Turbolader nutzt, aber für Autos habe ich davon nie wieder gehört.
Es muss in den 80er Jahren gewesen sein, da hat man bei Mercedes eine Pkw-Gasturbine entwickelt, die einen leistungsgleichen Hubkolbenmotor ersetzten sollte. Ich glaub das Fahrzeug mit der Gasturbine kann auch im Museum betrachtet werden.
Nach Abschluss der Entwicklungsarbeiten hatte man ein Antriebskonzept, dass dem Hubkolbenmotor in vielen Punkten überlegen war. Die damals geltenden Emissionsgrenzwerte wurden weit unterschritten. Der Verbrauch lag unter dem des leistungsgleichen Ottomotors, auch bei einer Beschleunigung auf 100km/h lag die Gasturbine vorne.
Es sprachen allerdings auch einige Punkte gegen ein solches Antriebskonzept. Schon von der Betriebscharakteristik her entspricht eine Strömungsmaschine eigentlich nicht dem was man in einem Pkw haben möchte. Nämlich möglichst hohe Leistungen und Drehmomente, die schon bei geringen Drehzahlen anliegen sollten. Wenn es darum geht eine Maschine in einem breiten Betriebsbereich stationär und vor allem instationär zu betreiben ist eine Strömungsmaschine definitiv das falsche Konzept. Folglich zeigte die Gasturbine bei MB wohl auch eine signifikante Anfahrschwäche.
Ein absolutes Killerkriterium eines solchen Konzeptes in einem Pkw sind allerdings, damals wie heute, die Kosten. In der Luftfahrt sind Gasturbinen nicht nur wegen strengerer Sicherheitsvorschriften entsprechend teuer. Jede Strömungsmaschine hat es an sich, dass Sie permanent durchströmt wird, im Falle eine Gasturbine bei Temperaturen die entsprechende Maßnahmen erfordern. Hinsichtlich der verwendbaren Werkstoffe gibt es nicht allzu viele Alternativen, alle sind aber extrem teuer. Da nicht alle Bauteile mit entsprechend hochwertigen Werkstoffen dargestellt und isoliert werden können, müssen viele Bauteile zusätzlich noch aktiv gekühlt werden. In der Luftfahrt ein geringeres Problem, da das Triebwerk ständig umströmt und somit gekühlt werden kann. In einem Pkw müssen allerdings aufwändige Maßnahmen getroffen werden, die eben Geld kosten und zudem den Bauraumbedarf erhöhen. Betrachtet man Turbine, Verdichter, Untersetzungsgetriebe, Kühl- und Isolationsmaßnahmen zusammen, so hat ein solches Konzept bezüglich Bauraumbedarf und Gewicht nur einen geringen Vorteil im Vergleich zum Hubkolbenmotor.
Eine Gasturbine ist wohl nur auf den ersten Blick recht einfach aufgebaut. Maßnahmen die zur Abdichtung, Lagerung (ein luftgelagerter Läufer ist utopisch, genau wie ein magnetgelagerter) oder zur Kühlung von Bauteilen getroffen werden müssen lassen das Ganze recht schnell ziemlich komplex werden. Eine Gasturbine als Teil eines Hybridantriebs, der schon entsprechend kostet, ist für mich also beim besten Willen nicht vorstellbar.
Heutige Abgasturbinen an Pkw-Turboladern haben übrigens Wirkungsgrade im Bestpunkt um die 70%. So viel zum Thema 'Downscaling' und dem Wirkungsgrad von Strömungsmaschinen.
In den 90er Jahren hatten einige deutsche Automobilhersteller an 2-Takt-Dieselmotoren entwickelt/geforscht. Schon damals konnten die Emissionsgrenzwerte nicht eingehalten werden. Angesichts der Schwierigkeiten die ein heutiger 4-Takt-Dieselmotor mit den Emissionen hat und in Zukunft verstärkt haben wird, kann man anstatt einen 2-Takt-Pkw-Dieselmotor zu entwickeln sein Geld genauso gut aus dem Fenster werfen.
Zum Problem des "Downscaling" noch folgendes: Es ist schon ein Unterschied, ob man nur die Abgase aus dem externen Verbrennungsprozess eines Hubkolbenmotors über die angeflanschte Turbine entspannen lässt, oder ob die Turbine selbst der Motor sein soll, bei welchem man in einer gesonderten Brennkammer ein Gemisch erzeugen und die einmal gezündete Flamme darin unter schwierigen Bedingungen verankern muss.
Die korrekte Dimensionierung der Brennkammer ist dann das Problem, denn die fällt bei kleinen Turbinen immer recht pummelig aus, da die Dichte der Luft (Moleküle pro Volumeneinheit) nun mal nicht proportional zur technisch möglichen Verkleinerung mitschrumpfen kann. Mit dem Problem schlagen sich beispielsweise die Erbauer von Modelljets herum und dann sieht auch das mit dem tollen Wirkungsgrad nicht mehr ganz so glänzend aus.
Da die Turbine meist nicht selbstansaugend ist, muss der Treibstoff mit einer zusätzlichen (Elektro-) Pumpe gegen Druck in die Brennkammer gedrückt werden, wird dann in sogenannten "Hakenrohren" verdampft und mit Luft vermischt in einer möglichst windstillen Ecke der Brennkammer verbrannt.
Es ist inzwischen durchaus möglich, die drehenden Teile einer Turbine ausreichend zu verkleinern, aber die Brennkammer braucht leider eine gewisse Mindestgröße, um genug Luft für die Verbrennung einer gewissen Treibstoffmenge (Diesel/Kerosin) zusammenbekommen zu können.
Hinzu kommt, dass der sichere Betrieb einer Turbine ohne Regelautomatik so gut wie unmöglich ist, da sie im Gegensatz zu Hubkolbenmotoren keine "systemimanente Höchstdrehzahl" hat und erst aufhört, zu beschleunigen, wenn sie explodiert.
Gebrauchte Turbolader sind oft das Ausgangsmaterial für allerhand Turbinenenthusiasten, aber sie alle können die Physik nicht betrügen. Wer mag, kann ja gerne experimentieren, aber die Turbine als PKW-Antrieb wird garantiert noch lange ein exotischer Ausnahmefall bleiben.
http://www.deutsches-museum.de/.../
http://www.gasturbine.pwp.blueyonder.co.uk/newpage.htm
Hallo zusammen,
also APU's (Auxilary Power units) sind kleine Gasturbinen mit viel Leistung. Beim MRCA Tornado beispielsweise ist die so gross wie ein durchschnittliches Paket und liefert 150 KW (fragt mich nicht nach der Drehzahl).
Aber:
- die Technik ist aufwendig, Kuehlung (die laufen ja im Stand), Wuchten, etc. Die Blisk Technologie (Kunstwort aus Blades und Disk, die Stufe wird quasi aus dem vollen gedreht, wie beim BR 715 Triebwerk von ehemals BMW Rolls-Royce) ist extrem teuer (immerhin hat das BR 715 Triebwerk in der ersten Turbinenstufe ca. 18.000 U / Minute und 920 Grad Celsius... da kommt nur spezieller Werkstoff in Frage)
- das Drehmoment / Drehzahl Verhaeltnis nicht fuer den PKW geeignet (hoechstens zum Laden des Akkus, das macht dann Sinn)
- Turbinen haben unguenstige Betriebszustaende, bei manchen Drehzahlen sind die Schwingungen schwer zu beherrschen, was wiederum zur "festen" Drehzahl bei kleinen Turbinen fuehrt
Ich denke, dass man eine kleine Turbine mit einem Wirkungsgrad von 40% durchaus hinbekommen kann, aber die Fertigung ist sehr aufwendig, die Metalle teuer. Wieviel Umdrehungen hat man bei einem Unfall zu beherrschen? Bei 55.000 U/min sieht das Crashverhalten anders aus...
Ich hatte mal was von Nissan in einer Autozeitschrift gesehen, die Hatten eine Turbine aus Keramik drin (Laeufer)... aber was daraus geworden ist, weiss ich leider nicht.
Gruss
Attur