Der Freikolbenlineargenerator des DLR könnte künftig als Range Extender für Elektrofahrzeuge zum Einsatz kommen.
DLR
Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart haben einen Freikolbenlineargenerator (FKLG) entwickelt, der künftig als Range Extender für Elektrofahrzeuge zum Einsatz kommen könnte.
Sie sind damit nach eigenen Angaben weltweit die ersten, denen es gelungen ist, einen solchen Energiewandler bestehend aus Verbrennungsteil, Lineargenerator und Gasfeder erfolgreich in Betrieb zu nehmen. Der FKLG 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 elektrische Energie. 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.
Das Grundprinzip 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 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.
Im Vergleich zu konventionellen Verbrennungsmotoren 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 Range Extender von DLR 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. Dennoch ist der Freikolbenmotor des FKLG durch Benzin-Direkteinspritzung und vollvariablen elektromagnetischen Ventiltrieb technisch sehr anspruchsvoll gestaltet. Damit geht das DLR bei der Entwicklung des Range Extenders einen grundsätzlich anderen Weg als andere Unternehmen wie Mahle oder KSPG Automotive, die eher technisch einfache und damit preiswerte Range Extender in Entwicklung haben. Aus Sicht des DLR ist der besonders effizient arbeitende FKLG allerdings mehr als ein bloßes Notfall-Aggregat. Er soll es ermöglichen, 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 FKLG-Range-Extender.
DLR
Im aktuellen Entwicklungsstand liefert der FKLG des DLR rund 12 kW elektrische Leistung bei 16 bis 20 Hz. In der weiteren Entwicklung soll die Frequenz auf 40 Hz gesteigert werden. Für einen Fahrzeugeinsatz wäre eine Leistung von 20 bis 35 kW zielführend, die man laut DLR durch eine Einheit aus zwei parallelen FKLG darstellen könnte. Es gibt aber auch Überlegungen, einen Gegenkolbenmotor zu verwenden und so eine Doppeleinheit zu gestalten. "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 geschlossen und wird die weiteren Arbeiten wissenschaftlich begleiten. Unter anderem gilt es, Gewicht und Größe des FKLG so zu optimieren, dass ein oder mehrere Aggregate im Unterboden eines Wagens Platz finden.
Ein ausführlicher Fachbeitrag über den FKLG ist für die MTZ 10/2013 geplant, die am 13. September 2013 erscheint.