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30.03.2015 | Motorentechnik | Im Fokus | Onlineartikel

Freikolbenlineargenerator als Range-Extender für Elektroautos

Autor:
Christiane Brünglinghaus

Das DLR erforscht einen Freikolbenlineargenerator mit Gasfeder. Die Machbarkeit des Konzepts wurde bereits nachgewiesen. Das System bietet interessante Potenziale als Range Extender im Pkw-Antriebsstrang.

Florian Kock arbeitet am Institut für Fahrzeugkonzepte des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart an der Weiterentwicklung eines neuen Motorenprinzips - nämlich dem Freikolbenlineargenerator FKLG. Zusammen mit seinem Team forscht er an einer nachhaltigen und neuen Antriebsform für Hybridautos, die in zehn Jahren schon Standard sein könnte.

Das Konzept eines freischwingenden Kolbens ist in Forscherkreisen bereits seit 1928 bekannt. Vor zehn Jahren hat das DLR das Konzept aufgegriffen und in die Praxis umgesetzt. Florian Kock ist seit 2010 dabei und arbeitet als Projektleiter mit vier Wissenschaftlern und etwa ebenso vielen Werksstudenten zusammen. Nach mehreren Jahren intensiver Teamarbeit konnte das Team Anfang 2013 nachweisen, dass das Prinzip eines FKLG funktioniert ("Proof of Concept"). "Das war möglich, weil wir bei der Planung und dem Bau zum Glück die richtigen Prioritäten gesetzt haben", blickt Kock zurück.

Das Prinzip FKLG

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Schon der Name "Freikolbenlineargenerator" verrät das Programm - der Kolben im Lineargenerator bewegt sich frei. Das bedeutet, dass er sich nicht zwingend zwischen zwei mechanisch definierten Endpunkten bewegt. Beim Freikolbenlineargenerator schwingt die Kolbeneinheit zwischen zwei Kompressionsräumen, wovon in einem ein Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird.

"Das war von Anfang an eine der größten Herausforderungen", erklärt Kock. Denn dabei kann auch vieles schiefgehen. Wenn sich der Kolben auch nur ein Stückchen zu weit bewegt, schlägt er im Zylinderkopf am Ende der Apparatur ein und es entsteht ein riesiger Schaden. Das wäre nicht nur kostspielig, sondern auch gefährlich. Deshalb überwachen die Wissenschaftler die Tests mit dem FKLG aus einem separaten Steuerraum - hinter 3 cm dickem Panzerglas. Mindestens zwei DLR-Mitarbeiter schauen während dieser Testläufe auf die fünf installierten Monitore. Neben der Spannung, ob die Versuche wie geplant laufen, ist der FKLG zudem extrem laut. "Noch hört es sich an als ob man direkt neben einem Presslufthammer steht. Das ist auch einer der Punkte an denen wir gerade arbeiten", erläutert Kock.

Ein anderer Punkt ist die schiere Größe. Zum jetzigen Zeitpunkt ist es schwer vorstellbar, dass der FKLG mal leise summend seinen Platz in einem Elektroauto einnehmen wird. Genau das ist nämlich das Ziel. Als Teil eines Hybridantriebs erzeugt der FKLG dort den Strom für den Antrieb, selbst dann, wenn die Batterien leer sind. Während ein Hybridauto kürzere Strecken bis zu fünfzig Kilometer, beispielsweise in der Innenstadt, rein elektrisch fahren kann, soll zukünftig bei längeren Strecken bis zu 600 Kilometer der FKLG-Range-Extender übernehmen. So ist der FKLG eine Stromerzeugungseinheit, die für einen Einsatz als Range Extender interessante Potenziale aufweist: Ein Wirkungsgrad von mehr als 36 Prozent für die gesamte Wandlungskette bis zur elektrischen Ausgangsleistung scheint erreichbar, schreiben Kock und Forscherkollegen im Artikel "Der Freikolbenlineargenerator - Potenziale und Herausforderungen" aus der MTZ 10-2013.

Elektronische Kurbelwelle

Aber nicht nur der mechanische Aufbau war eine große Herausforderung. Denn Kock leitet auch die Programmierung der Elektronik und Regelungstechnik. "Wir haben quasi die 'elektronische Kurbelwelle' entwickelt. Was früher ein mechanisches Konstrukt war, haben wir als reine Software darstellen können." Dass das System funktioniert, ist seit über zwei Jahren erwiesen. Ein wichtiger Bestandteil des Erfolgs ist die eigens entwickelte Datenbanksoftware, in der alle Bauteile katalogisiert sind. "Dieses Tool ist extrem wichtig um bei kleineren Defekten nachvollziehen zu können, was, wann, wo und warum verbaut wurde", betont der Projektleiter.

Die bisherigen Ergebnisse sollen eine Basis für weitere Arbeiten bilden, die sich zunehmend von der reinen Forschung hin zu einer stärker industriell geprägten Forschung/Vorentwicklung entwickeln sollen.

DLR

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