Die Technik des Semper Vivus - Porsche

Zeitgeschichte
Die Technik des Semper Vivus
Der historische Semper Vivus war ein Einzelstück. Er diente Ferdinand Porsche zur praktischen
Erprobung seiner Idee des seriellen Hybridantriebes. Deshalb sind vom ersten lauffähigen
Vollhybridauto der Welt nur noch wenige Konstruktionszeichnungen, Unterlagen und Fotografien
erhalten. Auf dieser Basis entstand der Nachbau des Semper Vivus.
Das Antriebskonzept des Semper Vivus verwirklichte erstmals ein Prinzip, das heute als Elektroauto
mit Range Extender vor der Markteinführung steht. Der Antrieb erfolgt über Elektromotoren die
primär von einer Batterie gespeist werden. Ist sie erschöpft, kann der Fahrer zwei
Verbrennungsmotoren starten, die mit Generatoren gekoppelt sind und mit deren Hilfe elektrischen
Strom zum Weiterfahren erzeugen.
Als Fahrmaschinen dienen in dem Hybrid-Prototyp zwei gelenkten Radnabenmotoren, die Ferdinand
Porsche um 1896 erfunden hatte und sich patentieren ließ. Er misstraute Transmissionen und
Getrieben jeder Art als Kraftfresser und Verschleißteile. Obwohl ihr Gehäuse aus Aluminiumguss
besteht, wiegt jeder dieser Motoren rund 270 Kilogramm. Sie sind als sogenannte
Außenläufermotoren konstruiert, bei dem der ruhende Stator in der Mitte liegt und vom Rotor
umkreist wird. Gegen Erschütterungen unempfindliche Flachkollektoren und 82 einzelne
Ankerspulen ermöglichen die angestrebte Scheibenform des Motors. Elektrisch funktioniert er als
Hauptschlussmotor mit acht Polen, Rotor und Stator sind also in Reihe geschaltet. Dieses Prinzip
hat den Vorteil, dass die Maschine bereits ab Stillstand ihr höchstes Drehmoment aufbringt - etwa
300 Newtonmeter.
Die schweren Vorderräder laufen auf Achsschenkeln, die ungefedert mit dem Rohrrahmen
verbunden sind. Um wenigstens ein Mindestmaß an Fahrkomfort zu gewährleisten und nicht alle
Stöße der damals sehr unebenen Fahrbahnen auf Radnabenmotoren und Insassen ungedämpft
weiterzuleiten, tragen die Felgen Luftreifen der Größe 880 x 120 Millimeter. Gesteuert wird der
Semper Vivus über eine Achsschenkellenkung, auf deren Spurstangen eine 6:1 übersetzte
Schneckenradlenkung die Drehimpulse des Fahrers überträgt. Die Hinterräder, auf denen sich
Vollgummireifen der Dimension 1150 x 100 breit machen, sitzen an den Enden einer Starrachse, die
ebenfalls starr mit dem Rahmen verbunden ist.
Dieses Chassis besteht aus einem schlichten rechteckigen Rundrohrrahmen aus Stahl, der über
Klemmstücke verbunden sind. Um Aufbau und Schwerpunkt einigermaßen niedrig zu halten, setzte
Ferdinand Porsche die Batterie als schwerste Einzelkomponente nicht auf den Rahmen, sondern
hing sie in einem Kasten an vier Spiralfedern in das Rechteck hinein. Die Batterie war ursprünglich
ein 420 Kilogramm schwerer Blei-Säure-Akkumulator mit 44 Zellen, der unbelastet eine Spannung
von 88 Volt und ein Ladungsspeichervermögen von 110 Amperestunden aufbringt. Im Nachbau des
Semper Vivus nimmt aus Sicherheitsgründen eine Blei-Gel-Batterie mit vergleichbaren Werten,
Abmessungen und ähnlichem Gewicht ihren Platz ein. Die Federung schützt nicht nur die
empfindlichen Bleiplatten des Energiespeichers vor zerstörerischen Stößen; auf dem Batteriekasten,
der von der Hinterachse bis unter den Vordersitz reicht, sind auch Sitze, Stromerzeuger und
Antriebssteuerung montiert. Aus dem ungefederten Fahrerfußraum ragt die Lenksäule, daneben ist
der Hebel der Fußbremse. Geschützt von der kniehohen Frontverkleidung informieren Volt- und
Amperemeter den Fahrer über den Energiehaushalt, außen an der mit Sackleinen bespannten
Holzverkleidung sind der Petroleumscheinwerfer und die beiden Wasserkühler angeschraubt.
Zum Meilenstein der Automobilgeschichte machen den Semper Vivus die beiden
Einzylindermotoren hinter dem Fahrersitz, die keine mechanische Verbindung zu einer
Antriebsachse haben, sondern über Generatoren ausschließlich der Stromerzeugung für die
Radnabenmotoren dienen – das erstmals verwirklichte Prinzip des seriellen Hybridantriebes. Die
beiden identischen Verbrennungsmotoren sind originalgetreue DeDion-Bouton-Viertakter mit jeweils
700 Kubikzentimetern Hubraum und etwa 3,5 PS Leistung bei 1200 Umdrehungen pro Minute. Ihr
Kurbelgehäuse besteht aus Aluminium, die Kolben aus Grauguss. Die Kühlung der Motoren
übernimmt ein Wassermantel, dessen Inhalt von einer Wasserpumpe umgewälzt wird. Sie saß beim
Original auf einer Achse mit der Kurbelwelle und beförderte das Kühlmittel zu den Röhrenkühlern im
Fahrzeugbug, während das Wasserreservoir unter dem hinteren Beifahrersitz untergebracht ist.
Beim Nachbau des Semper Vivus werden für die zwei Kühlkreisläufe kleine Elektropumpen
verwendet, die aus der Batterie gespeist werden.
Für die Gemischaufbereitung sorgen frühe Spritzdüsenvergaser, deren Luftstrom über einen kleinen,
mit einem Drosselschieber im Vergaser verbundenen Handhebel geregelt werden kann. Das
Gemisch strömt durch ein sogenanntes Schnüffelventil seitlich in den Brennraum, das durch den
Unterdruck beim Ansaugen geöffnet wird und vor dem Verdichtungstakt federbelastet wieder
schließt. Die Entflammung des komprimierten Gemischs übernimmt eine Unterbrecherzündung mit
seitlich zwischen Ein- und Auslasskanal des ungeteilten Sackzylinders angeordneter Zündkerze. Die
konservendosengroße Zündspule arbeitet mit zwölf Volt Spannung, die Anfang des 20. Jahrhunderts
üblicherweise an der sechsten Zelle der Batterie abgegriffen wurde. Heute übernimmt ein moderner
Spannungswandler, der von der Gel-Batterie gespeist wird, diese Aufgabe. Die DeDion-BoutonMotoren sind nach dem Gegenstromprinzip konzipiert, deshalb verlassen die Abgase von einem
Seitenventil gesteuert den Brennraum unterhalb von dem Schnüffelventil.
Der in Fahrtrichtung vordere Kurbelwellenstumpf jedes Verbrennungsmotors treibt über eine
elastische Kupplungsscheibe jeweils den Rotor eines Nebenschluss-Generators an. Bei diesem Typ
sind Erregerwicklung und Anker elektrisch parallel geschaltet. Weil nur ein Teil des Ankerstroms für
die Feldwicklung benötigt wird, arbeitet ein Nebenschluss-Generator auch unter wechselnden
Belastungen gleichmäßig. Zudem kann der so konzipierte Gleichstromgenerator sowohl zum Antrieb
der Radnabenmotoren, als auch zum Laden der Batterie mit der nötigen Überspannung genutzt
werden. Gleichzeitig mit Generatoren-Strom fahren und die Batterie laden kann der Semper Vivus
allerdings nicht – das war mit der überlieferten Technik des Original-Hybridfahrzeuges nicht möglich.
Der Nachbau ist deshalb so ausgelegt, dass das Laden der Batterie wegen der genau
einzuhaltenden Ladespannung nur bei stehendem Fahrzeug möglich ist. Alternativ zum
Generatorenstrom kommt dafür selbstverständlich auch Elektrizität aus dem Netz über ein
Ladegerät in Frage. Vor 110 Jahren war dies auch aus den 110 Volt-Gleichstromnetzen der Städte
mithilfe von Widerständen zur Spannungsanpassung ohne Weiteres möglich.
140 Kilogramm bringt jedes der beiden Stromerzeugerpakete auf die Waage, zusammen also etwa
280 Kilogramm. Jeder der Generatoren übernimmt gleichzeitig die Funktion des Anlassers für
seinen Verbrennungsmotor. Der Anlasserschalter auf der Rückseite des Fahrersitzes wird wie alle
anderen Bedienelemente für die beiden Kombiaggregate vom hinteren Sitz aus betätigt. Ist der
Verbrennungsmotor angesprungen, wird der Generator auf Stromerzeugung umgeschaltet und
erzeugt bei 1200 Umdrehungen pro Minute rund 20 Ampere bei 90 Volt Spannung. Weil beide
Generatoren parallel geschaltet sind, liefert diese Stromversorgung also etwa 3,6 Kilowatt.
Das Fahren mit dem ersten seriellen Vollhybridauto der Welt gestaltet sich vollkommen anders als
mit jedem heute üblichen Auto. Zur Regulierung der Geschwindigkeit gibt kein Gaspedal, sondern
einen seitlichen Steuerhebel, der den sechsstufigen Controller schaltet – der hieß auch im Jahr 1900
schon so. Nach dem Herausziehen des Hauptschalters legt der Fahrer zum Anfahren die erste Stufe
ein. Der Controller – eine Schaltwalze mit Kontakten für unterschiedliche Stromkreise – schaltet
dann sowohl die Feld- als auch die Ankerwicklungen beider Radnabenmotoren in Reihe. Bis zu 80
Ampere fließen daraufhin durch die Radnabenmotoren und der Semper Vivus rollt sanft los. Für den
Fall dass beispielsweise ein Hindernis das Anfahren verhindert, sorgt ein Vorwiderstand in diesem
Stromkreis dafür, dass das System nicht überhitzt. Eine Steigung von rund sieben Prozent schafft
der Hybridpionier aber allemal.
Diese erste Fahrstufe reicht bis etwa 10 km/h, dann ist die Stromaufnahme bis etwa 20 Ampere
gesunken und der Fahrer muss zum weiter Beschleunigen schalten. In Stufe zwei verbindet der
Controller die beiden Feldwicklungen weiterhin in Serienschaltung, die Anker werden jedoch parallel
mit Strom versorgt. Das vom Ankerstrom erzeugte Drehmoment der Radnabenmotoren steigt infolge
des geringeren Anker-Widerstandes wieder an führt dadurch zu der weiteren Erhöhung der
Geschwindigkeit. Bei etwa 20 km/h ist schließlich die dritte Fahrstufe an der Reihe, diesmal schaltet
der Controller sowohl Feld- als auch Ankerwicklungen der Radnabenmotoren parallel. Bei rund 35
Kilometer pro Stunde erreicht der Semper Vivus auf der Ebene schließlich seine
Spitzengeschwindigkeit.
Will der Fahrer nicht Vollgas – oder besser gesagt, Vollstrom – fahren, schaltet er die
Stromversorgung in der gewählten Fahrstufe einfach periodisch ein und aus indem er leicht auf das
Bremspedal tritt, das mit einem Schalter kombiniert ist. Nutzt der Fahrer die Höchstgeschwindigkeit
des Semper Vivus voll aus, bringt ihn eine Batterieladung mit dem 1,7 Tonnen schweren Semper
Vivus auf ebenem Gelände etwa 50 Kilometer weit. Danach kann er die Generatoren starten und mit
der Energie von 40 Litern Benzin aus dem Tank weiterfahren – Reichweite (noch) unbekannt.
Irgendwann muss der Fahrer aber auch mal bremsen. Dazu greift er zunächst wieder zum
Seitenhebel für den Controller und schaltet auf die Verzögerungsstufe. Jetzt werden beide Motoren
von der Stromversorgung getrennt und über einen achtohmigen Widerstand kurz geschlossen, der
den aus der Trägheit der bewegten Fahrzeugmasse in umgekehrter Richtung erzeugten Strom in
Wärme umsetzt. Ein Rückführen der Energie in die Batterie war mit der Technologie von 1900 noch
nicht möglich. Reicht das Bremsmoment der Radnabenmotoren nicht aus, tritt der Fahrer zusätzlich
fest aufs Fußpedal, das auf zwei Außenbandbremsen an den Hinterrädern wirkt. Der Nachbau des
Semper Vivus verfügt zur Sicherheit darüber hinaus über eine Feststell-Außenbandbremse, die beim
Original vermutlich nicht vorhanden war. Dazu kommt eine Rückrollsicherung in Form von
Sperrklinken, die bei Bergfahrt ausgelöst werden und in eine Innenverzahnung in den
Bremstrommeln greifen.
Die fünfte Schaltstellung des Controllers kehrt die Drehrichtung der Motoren um, der Semper Vivus
fährt rückwärts. Stufe sechs ist in Wirklichkeit Stufe 0 – die Neutralstellung, in der die Benzinmotoren
bei eingelegter Handbremse gestartet werden können.
Das Fahren mit dem Semper Vivus ist ein ebenso eindrucksvolles wie anstrengendes Erlebnis. Bei
einer Vorderachslast von 1060 Kilogramm – hinten sind es 830 kg – wird das Lenken ohne
Servounterstützung zur Schwerarbeit. Dafür genießt der Fahrer mehr als zwei Meter über der Straße
von seinem Einzelsitz aus einen souveränen Überblick – die Oberkante der Fahrerrückenlehne als
höchster Punkt ragt genau 1830 Millimeter über die Fahrbahn. Dabei belegt das erste serielle
Hybridauto der Welt mit 2,64 Metern Länge, dem Achsabstand von 2260 mm sowie der Spur von
1370 Millimetern und 1540 Millimetern hinten gerade mal die Grundfläche eines heutigen
Kleinwagens.