Dienstag, 19. Februar 2013
Der Freikolbenlineargenerator (FKLG): ein neuartiger Range-Extender für Elektrofahrzeuge
Als weltweit erstes Team haben die DLR-Forscher aus Stuttgart die Machbarkeit des Freikolbenlineargenerators auf einem eigens dafür entwickelten Prüfstand nachgewiesen
Quelle: DLR (CC-BY 3.0).
Kontrollraum des FKLG-Labors am DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte
Eine besonders leistungsfähige Mechanik in Kombination mit einer hochdynamischen Regelung steuern die einzelnen Komponenten des Freikolbenlineargenerators (FKLG): Verbrennungsteil, Lineargenerator und Gasfeder.
Batterie alle? - Als Range-Extender versorgt der Freikolbenlineargenerator Elektroautos mit dem notwendigen Strom
Beim Freikolbenlineargenerator können unterschiedliche Kraftstoffe zum Einsatz kommen - von Benzin, Diesel und Erdgas bis hin zu Biosprit und Wasserstoff.
Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart haben ein grundsätzlich neues Antriebskonzept entwickelt, um die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu vergrößern: Der Freikolbenlineargenerator (FKLG) ist ein Verbrennungsmotor, der Strom erzeugt. Dieser Strom treibt das Elektroauto an, wenn die Batterie leer ist. Im Gegensatz zu konventionellen Range-Extendern können im Freikolbenlineargenerator unterschiedliche Kraftstoffe zum Einsatz kommen.
Die Stuttgarter Forscher vom DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte haben die Machbarkeit dieser Technologie auf einem eigens dafür entwickelten Prüfstand nachgewiesen. Sie sind damit weltweit die ersten, denen es gelungen ist, einen solchen Energiewandler bestehend aus Verbrennungsteil, Lineargenerator und Gasfeder erfolgreich in Betrieb zu nehmen. "Innovative Lösungen wie der Freikolbenlineargenerator helfen dabei, Elektromobilität alltagstauglich zu machen, und zeugen von der wissenschaftlichen Stärke des Standorts Baden-Württemberg", bilanzierte Rolf Schumacher, Ministerialdirektor im Ministerium für Finanzen und Wirtschaft Baden-Württemberg anlässlich der öffentlichen Vorstellung des Projekts.
Neuer struktureller Ansatz mit leistungsfähiger Regelung
"Das Prinzip dieses Antriebs ist Ingenieuren seit längerem bekannt. Durch den Einbau einer Gasfeder ist es DLR-Forschern nun erstmals gelungen, das System stabil zu betreiben. Die Herausforderung dabei war, eine besonders leistungsfähige Mechanik mit einer hochdynamischen Regelung zu entwickeln, die das komplexe Zusammenwirken der einzelnen Komponenten steuert", beschreibt Prof. Ulrich Wagner, DLR-Vorstand für Energie und Verkehr, die Neuerung.
Der Freikolbenlineargenerator arbeitet ähnlich wie ein herkömmlicher Verbrennungsmotor. Er wandelt jedoch die lineare Bewegung der Kolben nicht erst in eine Drehbewegung der Kurbelwelle um, sondern erzeugt direkt Strom. Im Verbrennungsraum wird ein Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet, das sich ausdehnt und die Kolben in Richtung der Gasfedern schiebt. Diese bremsen die Kolben ab und drücken sie zurück. Der Lineargenerator wandelt die Bewegungsenergie der Kolben in Strom um, der den Elektromotor versorgt. Die von den DLR-Ingenieuren entwickelte Regelung steuert beispielsweise bis auf ein Zehntel eines Millimeters genau die Bewegung der Kolben. Gleichzeitig erkennt sie Schwankungen im Verbrennungsprozess und gleicht diese aus.
Optimale Betriebsstrategie durch variable Eigenschaften
Im Vergleich zu konventionellen Antriebstechnologien lassen sich beim Freikolbenlineargenerator das Verdichtungsverhältnis, die Kolbengeschwindigkeit und der Hubraum flexibel einstellen. Deshalb können unterschiedliche Kraftstoffe zum Einsatz kommen - von Benzin, Diesel und Erdgas bis hin zu Ethanol oder Wasserstoff. Durch seine variablen Eigenschaften lässt sich der DLR-Range-Extender je nach Geschwindigkeit und Fahrverhalten immer auf die optimale Betriebsstrategie ausrichten. "Wir können also den Betriebspunkt des Motors beim Fahren so einstellen, dass wir möglichst effizient und umweltfreundlich unterwegs sind", fasst der Leiter des DLR-Instituts für Fahrzeugkonzepte, Prof. Horst E. Friedrich, zusammen. Gleichzeitig kommt der Freikolbenlineargenerator mit weniger Bauteilen aus. Beispielsweise entfallen mit der Kurbel- und Nockenwelle Bauteile, die in jedem herkömmlichen Verbrennungsmotor zwingend erforderlich sind.
Elektroautos flexibler machen
Besonders effizient arbeitende Range-Extender wie der Freikolbenlineargenerator sind mehr als bloße Notfall-Aggregate. Der Freikolbenlineargenerator ermöglicht es, Elektrofahrzeuge mit einer wesentlich kleineren Batterie auszustatten und trotzdem die Vorzüge des elektrischen Fahrens bestmöglich zu nutzen: Kurze Strecken bis zu fünfzig Kilometern, zum Beispiel in der Innenstadt, können rein elektrisch gefahren werden. Bei längeren Strecken übernimmt der Range-Extender. Er bietet die gewohnte Sicherheit und Unabhängigkeit eines Verbrennungsmotors. Als Brückentechnologie macht er Elektromobilität für ein breites Publikum interessant.
Technologietransfer in die Industrie
"Mit unserem Funktionsdemonstrator haben wir erstmals gezeigt, dass sich unser Prinzip des Freikolbenlineargenerators umsetzen lässt. Im nächsten Schritt wird es darum gehen, gemeinsam mit der Industrie diese Technologie weiterzuentwickeln und einen Prototyp zu bauen", erläutert Institutsleiter Friedrich. Dazu hat das DLR einen Technologietransfervertrag mit der Universal Motor Corporation GmbH geschlossen und wird die weiteren Arbeiten wissenschaftlich begleiten. Unter anderem gilt es, Gewicht und Größe des Freikolbenlineargenerators so zu optimieren, dass ein oder mehrere Aggregate im Unterboden eines Wagens Platz finden. Auf diese Weise ließe sich nach ersten Schätzungen eine zusätzliche Reichweite von rund 600 Kilometern realisieren ohne das Fahrzeug schwerer zu machen.
Zuletzt geändert am:19.02.2013 11:46:58 Uhr
02.04.2013 14:04 - von Frank Carlo Purder
Wenn Sie nicht wollen, daß diese phantastische Technologie zwar Ihre Portemonnaies füllt aber erst nach dem Weltuntergang zum Einsatz kommt, dann geben Sie das Patent, wenn überhaupt, für die Allgemeinheit frei und schützen es vor dem Zugriff der großen Autokonzerne. Nehmen Sie z.B. Kontakt mit Mahindra Reva Kontakt auf! Der ist mit Sicherheit brennend daran interessiert. Sie täten der Welt einen Gefallen damit! Danke
09.04.2013 22:04 - von Der Ketzer
Na? Was ist denn nun aus der Geschichte geworden? Die letzte Pressemitteilung der UMC GmbH stammt aus dem Jahr 2009 und die Kooperation mit dem DLR wurde bereits im Jahr 2008 bekanntgegeben!Wahrscheinlich wird es nie zu einer Markteinführung kommen oder andere (ausl. Unternehmen) werden letztlich die Idee vermarkten. So, wie seinerzeit beim MP3-Player ... (wohl wieder einmal rausgeschmissene Fördergelder!?)Kaum zu verstehen, dass die hochqualifizierten und fähigen Ingenieure noch einen Sinn in ihrer Arbeit sehen und nicht längst ins Ausland abgewandert sind, wo sie möglicherweise viel mehr verdienen könnten als im eigenen Land.Unser Land hat keinen Fachkräfte-, sondern einen Führungskräftemangel!
07.05.2013 09:05 - von alau
Peugeot bewirbt sein neuestes Auto „Peugeot 3008 Hybrid4“ als eine so „tolle“ Errungenschaft der Technik. In meinen Augen lächerlich! Dabei ist es doch egal, ob neben dem Elektromotor auch noch ein Diesel- oder ein Benzinmotor zusätzlich für direkten Antrieb sorgt. Denn Fakt ist: Das Getriebe und die Kurbelwelle wären überflüssig und der Verbrennungsmotor könnte kleiner gestaltet werden, wenn der Vortrieb rein elektrisch wäre. So würde der Verbrennungsmotor als Stromaggregat arbeiten. Auf den Schienen gibt es diese Technik schon lange: die dieselelektrische Lokomotive!Ein Lob an die DLR also, dass dieser Gedanke endlich umgesetzt wurde. Diese Technik sollte per Gesetz vorgeschrieben werden, damit die Technik schnell in Anwendung geht. Wir könnten heute schon umweltfreundlicher Auto fahren und die DLR könnte ganz ohne Stress weiter forschen und z.B. die Effizienz der Akkus erhöhen.
22.05.2013 23:05 - von Dr. B.Meyer
Hallo, auch mich interessiert es, wie es z.Zt. weitergeht. Warum hört man so wenig?Hoffentlich läuft es nicht so, wie beim "Stelzer Motor". Im Internet sind aufschlußreiche Zitate aus der Automobilindustrie über ihr "Interesse" zu finden.Auch die Idee des Stelzer Motor sollte weiter verfolgt werden!
23.05.2013 09:05 - von Florian Kock, Projektleiter FKLG
Hallo Herr Dr. Meyer und Vorredner,um hier keinen falschen Eindruck entstehen lassen: Das Projekt ist weiterhin aktuell und der Motor "lebt". Gerade in diesem Moment kann ich hören, wie mein Kollege im Labor Versuche fährt (ja, unseren aktuellen Versuchsträger hört man im Gegensatz zu einem späteren Serienprodukt noch sehr deutlich). In der Folge der medialen Berichterstattung haben die Anfragen aus der Industrie deutlich zugenommen. Besichtigungen und Gespräche haben stattgefunden und werden in nächster Zeit stattfinden. Natürlich ist das alles beileibe noch kein Garant dafür, dass wir eines Tages tatsächlich einen FKLG auf der Straße sehen werden - einen Anlass, vom Gegenteil auszugehen, gibt es aber ebensowenig.
27.05.2013 10:05 - von Dr.N.Ramani
Anstatt der Gasdruckfeder, wenn Sie einen gleichen Verbrennungsmotorzylinder einbauen wuerden, koennten Sie theoretisch die Leistung des Motors verdoppeln, mit dem gleichen Raum.Nicht wahr? Ich waere Ihnen verbunden fuer ihre freundliche Antwort.Dr.N.RamaniPrincipal,NTTF School of Postgraduate Studies,23 / 24 Peenya Industrial Area II Phase,Bangalore 560058, INDIEN
27.05.2013 12:05 - von Der Ketzer
... wäre schon nicht schlecht, wenn man die Teile (auch) irgendwann im Auto-Zubehör bekäme. Wenn die Patente erst mal in den Schubladen der großen Konzerne landen, wird der Einsatz in Fahrzeugen so teuer gestaltet, dass es aufgrund der hohen Preise wieder heißt, die Konsumenten hätten kein Interesse, womit man dann wieder einen Grund hätte, weiter die zwar immer aufwändiger gebauten aber dennoch primitiven Verbrennungsmotoren für den Antrieb zu verwenden.Schauen Sie sich doch die Motoren von heute an. Sie sind bei vergleichbarer Leistung zu einem 1600er Käfer-Motor zwar mit viel mehr Elektronik ausgestattet, saufen aber im Echtbetrieb nach wie vor ihre 7-8 Liter.Suchen Sie sich einen Investor, der nicht mehrheitlich schon den Öl-Multis gehört. Dann könnte es mit einer Markteinführung vielleicht doch noch etwas werden, bevor ich in Rente gehe ... ;-)
21.06.2013 15:06 - von Florian Kock, Projektleiter FKLG
Hallo Herr Dr. Ramani, die Verwendung eines zweiten Verbrennungszylinders erscheint natürlich wegen der zweifelsohne höheren Leistungsdichte attraktiv, jedoch wird das System dabei regelungstechnisch erheblich schwerer beherrschbar. In der Vergangenheit gab es einige Projekte, in denen eine derartige Bauweise versucht wurde, über erfolgreiche Umsetzungen ist jedoch nicht viel bekannt. Grüße nach Indien!
Einen Range-Extender irgendwann im Autozubehör anzubieten, halte ich für schwierig. Zwar kann der FKLG oder auch ein anderer REX auch an vom Kunden zugänglichen Positionen untergebracht werden, die Fahrzeugintegration beinhaltet aber doch ein wenig mehr als nur das Aggregat in den Kofferraum einzuladen. Denke Sie nur an die zusätzliche im Fahrzeug vorzusehene Peripherie wie Tank, Kühler oder Abgasanlage und dann an die steuerungstechnische Einbindung in die bestehende Antriebsstrangarchitektur.
29.09.2013 23:09 - von mzawi2
I published my idea much earlier. https://www.youtube.com/watch?v=ju_1b9vmGnM
09.05.2014 18:05 - von Gluteus Maximus
Was ist bei einem Freikolbenmotor so schwierig?Ich denke die Steuerung von Kolbenweg und Einspritzung.Ist jetzt vielleichtwahrscheinlich blöd.Warum verbaut man nicht zusätzlich ein, zwei Kurbelwellen ausschließlich zur Steuerung und nicht zur Drehmomentabnahme. Gut dann wird man wohl Leistungsverluste haben.Wenn es arg blöd war, darf jetzt gelacht werden.
11.06.2014 16:06 - von Florian Kock, FPLG project manager, DLR
Thank you guys for your ongoing interest in free piston technology. There is no such thing as a stupid question, there's just stupid answers ;) Indeed, it is not a single "problem" that makes the realisation of a free piston engine difficult, but there is a bunch of challenges to resolve. One of them is the motion control task you mentioned, another is the 2-stroke process and its emission characteristics. Just to mention two of them.@mzawi2: Nice movie, and you have obviously designed a system whose layout looks very similar to what you see in our video. As you probably know, free piston concepts have been known for longer, even way before 2012. DLR is not claiming to be the first having had this idea. But before there were few actual hardware demonstrators (and none with the technology combination we use, including a gas spring).
15.06.2014 19:06 - von Der Ketzer
Sehr geehrter Herr Kock,ich könnte mir vorstellen, dass außer mir noch viele andere Autobesitzer/-liebhaber ein Interesse daran hätten, ihre (Alt-)Fahrzeuge auf Elektroantrieb umzurüsten. Diese Fahrzeuge verfügen bereits über Tank und Kühler, sodass dies beim Umbau das geringste Problem darstellen dürfte. Das größte Problem stellen eher die sehr hohen Gebühren für TÜV-Abnahmen (hier: EMV-Prüfung) und die vom jeweiligen Prüfer abhängigen Unwägbarkeiten dar. Wenn komplette Umrüstsätze, also Range-Extender, Steuerungseinheiten und Verkabelungen (mit entspr. Abschirmungen) mit EMV-Zertifikaten und Mustergutachten sowie ggfs. abgestimmte Akku-Packs und E-Motoren mit Getriebeadaptern angeboten würden, wäre eine Umrüstung für viele Autobesitzer durchaus interessant. Um dies aber abschließend beurteilen/bewerten zu können, wären konkrete Angaben über Leistungs- und Verbrauchswerte (für die möglichen Kraftstofftypen) hilfreich. Diese Werte sind aber nirgends zu finden und nicht jeder Laie ist in der Lage, anhand der Angaben zu den Wirkungsgraden entsprechende Berechnungen anzustellen ... Dass die Automobilindustrie in absehbarer Zeit Ihren Range-Extender einsetzen wird, halte ich für sehr unwahrscheinlich. Die daran hängenden wirtschaftlichen Interessen passen (noch) nicht zu einer Minimierung des Verbrauchs fossiler Brennstoffe. Ein Blick auf die Aktionärsstrukturen reicht für diese Feststellung aus, wobei deren Einfluss auf die Politik noch nicht berücksichtigt ist.Mit freundlichen Grüßen!
09.07.2014 17:07 - von R. Büscher
In dem Viedeo heisst es, das System sei effizient. Könnten Sie auch Zahlen nennen ? Wie hoch ist der Wirkungsgrad ? Dieselmotoren setzen den Standard mit > 40% (bis zu 45%) am optimalen Betriebspunkt. Auch Gasmotoren können schon solche Wirkungsgrade erreichen. Werden diese Werte durch die existierende Realisierung des FKLG überboten, oder zumindestens ebenfalls erreicht ? Oder wird durch die Kolbendämpfung Energie absorbiert und der Wirkungsgrad dadurch nennenswert gesenkt ? Ist das Leistungsgewicht (Leistung/Masse) größer als bei einem konventionellen Diesel- oder Gasmotor als Range-Extender ?Merkwürdig ist die Positionierung des Frischlufteinlasses und des Abgasauslasses in dem Video. Wenn das Gas von der Mitte des Zylindes zu den Endseiten hin expandiert und die Kolben dabei auseinanderdrückt, dann wäre zu erwarten, dass das Gas durch beide dargestellte Öffnungen austritt. Müsste der Lufteinlass nicht eher in der Mitte des Zylinders in der Nähe der Zündkerzen angeordnet sein ?
18.07.2014 16:07 - von Rob Sollart
Ja, das würde mich auch interessieren, wie hoch ist der thermische Wikungsgrad? Ich schätze nicht höher als 50%, und auf grund der so zu sehen nicht optimalen Spühlung ( scavenging) eher weniger.Darum wundert es mich: ich sehe keine Kühlung! Oder ist die einfach nicht gezeigt?
01.08.2014 14:08 - von Florian Kock, Projektleiter FKLG
Hallo zusammen!Das Thema Wirkungsgrad / Kraftstoffverbrauch ist erheblich zu umfangreich, um es in diesem Rahmen sinnvoll zu diskutieren. Hier ist zu unterscheiden zwischen Bestpunkt und genutztem Betriebsbereich, zwischen thermischem, mechanischem, elektrischem und Gesamtsystem-Wirkungsgrad, zwischen aktuell erreichten Werten, Simulationsergebnissen und Potenzialen bei Verwendunng neuartiger Brennverfahren, zwischen unterschiedlichen Fahrprofilen (sowohl Real als auch im Zyklus) und Fahrzeugklassen usw. Die Grundtendenz ist aber sicherlich, dass ein im Fahrzeug eingesetzter FKLG hinsichtlich der Verbrauchswerte mindestens ebenbürtig, i.d.R. aber günstiger sein wird als ein entsprechendes Vergleichssystem. In einer Gesamtfahrzeugsimulation für ein C-Segment-Fahrzeug wurden bspw. 20% Einsparung im NEFZ gegenüber der konventionellen Referenz ermittelt. Die gesamte Effizienz-Thematik ist darüber hinaus immer als Teil eines Pakets von Potenzialen zu betrachten. Gerade für einen Range-Extender ist Wirkungsgrad nicht alles, sondern Themen wie Package oder NVH spielen eine ebenso wichtige Rolle.Zum Thema Frischlufteinlass / Abgasauslass: Ein Zweitaktprozess, wie im FKLG realisiert setzt immer ein sog. Spülgefälle voraus, d.h. der Druck im Einlasskanal muss (mindestens temporär) größer sein als der Druck im Auslass. Dadurch wird erst der Ladungswechsel ermöglicht. Im gezeigten System ist eine Längsspülung implementiert (Einlass auf der einen Seite des Brennraums, Auslass auf der anderen), in anderen Anordnungen - wie beispielsweise auch am Funktionsdemonstrator hier bei uns im Labor - kommen ggf. auch andere Spülkonzepte zum Einsatz.Die Frage zum Thema Kühlung kann ich kurz und knapp beantworten: Das Kühlsystem ist im Video nicht gezeigt.Grüße aus Stuttgart,Florian Kock (DLR)Projektleiter FKLG
11.08.2014 15:08 - von Max Kreidl
Schade, dass ihre Entwicklung in ihrer Forschungsstätte so einsam vor sich hin dümpelt. Die Autoindustrie beschäftigt sich zurzeit ja lieber mit sich selber und denkt darüber nach, wie man das Geschäft mittels Rabatten wieder ankurbeln könnte. Alternative Antriebe gibt es nur als Alibiversionen. Wirklich durchdachte Konzepte hat kein einziger Hersteller anzubieten.Da wäre es doch hilfreich, wenn ihre Marketing-Abteilung ein wenig mehr nachdenken würde bei der "Vermarktung" ihrer Entwicklung. So zeugt ein Satz wie: "Kurze Strecken bis zu fünfzig Kilometern, zum Beispiel in der Innenstadt, können rein elektrisch gefahren werden. Bei längeren Strecken übernimmt der Range-Extender. Er bietet die gewohnte Sicherheit und Unabhängigkeit eines Verbrennungsmotors." davon, dass man nicht verstanden hat, worum es geht. Wir benötigen ein vollkommen neues Antriebskonzept für die Fahrzeuge der Zukunft. Dem Verbraucher eine Komponente dieses neuen Antriebskonzeptes beruhigend als sicheren Verbrennungsmotor, der übernimmt, vorzustellen, ist da wenig hilfreich. Der Range extender übernimmt nicht sondern liefert die notwendige Energie für den Akkumulator, wenn dieser unter einen bestimmten Ladezustand fällt.Und dann sollte man auch so Konsequent sein und als Beispiel im Video ein Fahrzeug wählen, dass mittels Radnabenmotoren voll rekuperativ angetrieben wird. So wird dann ein Schuh draus (und man kann sich den 2. Range-Extender sparen. Also, liebe Leute, geht das Thema mal ein bisschen progressiver an. Sonst wird keiner wach.Danke
11.08.2014 16:08 - von Florian Kock (Projektleiter FKLG)
Hallo Herr Kreidl,ich kann Ihnen versichern, dass das Thema FKLG auch den Verantwortlichen in der Industrie bekannt ist. Ich bitte um Ihr Verständnis, dass nähere Details dazu nicht in der Öffentlichkeit diskutiert werden können.Die von Ihnen angesprochenen Radnabenmotoren in Verbindung mit dem FKLG sind durchaus vorstellbar. In dem Video soll der FKLG als Teil eines beispielhaften Antriebsstrangs in einem beispielhaften Fahrzeug vorgestellt werden. Andere Konfigurationen sind keineswegs ausgeschlossen, sondern sehr wahrscheinlich. Über die Vor- und Nachteile von Radnaben- gegenüber radnahen oder zentralen Elektromotoren gibt es die unterschiedlichsten Meinungen, deren Diskussion unabhängig vom FKLG geführt werden kann.Mit freundlichen GrüßenFlorian Kock
05.09.2014 21:09 - von Rob Sollart
Hallo Florian KockJa, das ist wahr, wenn man wirkungsgrad/kraftstoffverbrauch auf das gesamtsystem, das ganze fahrzeug bezieht, das führt zu weit.Aber wir sprechen hier von ein FKLG der als range extender eingesetzt wird. Also nur der vergleich zu einen gleichwertigen generator, lassen wir also fahrprofile, NEFZ, usw. außer betracht.Mich interressiert: wie verhält sich der thermische wirkungsgrad eines freikolbenmotors zu einem normalen motor mit kurbelwelle, und wie verhält sich der elektrische wikungsgrad eines linearen generators zu eine normale rotierende generator. Weil der verbrennungsmotor nicht direkt zum fahren gebraucht wird, aber lediglich den generator antreibt kann er ja immer im bestpunkt arbeiten, also wieviel bringt es um triebstange und Kurbelwelle weg zu lassen, und habt Ihr vielleicht wegen freikolbe den Otto cyclus noch irgenwie verbessern können?Eine lineare generator muß immer wieder anhalten um die richtung um zu kehren wo der normale rotierende generator einfach weiterdreht. Ist er dadurch weniger effizient, und wenn ja, ist der feikolbenmotor dann soviel effizienter das es sich trotzdem lohnt?Grüße aus HollandRob Sollart
30.11.2014 09:11 - von Dejan Stankovic
Ich hoffe das Euer Projekt nicht endet wie der Stelzer Motor:https://www.youtube.com/watch?v=0eLzM-dK9DQDas wäre sehr Schade! Gruß von einem Tesla Model S fahrer