Freikolbenmotor

Motor der Zukunft?

Eine technisch einfache Antriebseinheit mit hohem Wirkungsgrad, die fast jeden Kraftstoff verbrennt: Seit 1926 ist das Prinzip bekannt. Aber erst jetzt mit der Klimadiskussion wird es wieder interessant.

13.02.2007 | Redakteur: Jens Badstübner

Seit fast einem halben Jahrhundert zieht der Frankfurter Ingenieur Frank Stelzer mit seinem Freikolbenmotor (FKM) durch die Automobilgeschichte. Der Doppelkolbenmotor verdichtet die

Seit fast einem halben Jahrhundert zieht der Frankfurter Ingenieur Frank Stelzer mit seinem Freikolbenmotor (FKM) durch die Automobilgeschichte. Der Doppelkolbenmotor verdichtet die Luft und treibt dann eine Hydraulikeinheit an. Es soll auch eine Variante mit Generatoreinheit existieren. Immer wieder beachtet und zitiert, blieb der Durchbruch bis heute versagt – obwohl sich Automobil- und Motorenhersteller das System genau ansahen, „dann aber arrogant die Heimreise antraten“, wie Stelzer berichtet. Doch er glaubt seit 1960 an sein Patent. „1968 wollte mir General Motors sogar zehn Millionen Mark geben, wenn ich den Motor nicht mehr weiterentwickele.“ General Motors hatte die eigene Entwicklungsarbeit nämlich 1956 eingestellt. Die Gasturbine im Concept Car XP 500 erzielte zwar beachtliche 250 PS, jedoch bereiteten der niedrige Wirkungsgrad, Zündaussetzer, der Teillastbetrieb und das Luftmanagement den Ingenieuren damals große Probleme. Der Freikolbenmotor zur Gaserzeugung saß im Bug, Rohre versorgten die Gasturbine über der Hinterachse.

Das Prinzip haben Wissenschaftler des Instituts für Fahrzeugkonzepte im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart wiederentdeckt und wollen es zur elektrischen Energieerzeugung nutzen. Kombiniert mit einem Generator kann der so genannte Freikolbenlineargenerator (FKLG) thermische in elektrische Energie umwandeln, die dann über eine Leistungselektronik Komponenten von Hybridfahrzeugen versorgen könnte.

Die Herausforderung liegt in der Systemregelung, die die Funktionen einer elektronischen Kurbel- und Nockenwelle übernehmen muss. Im Normalfall haben sie keine mechanische Verbindung nach außen – es fehlen Kurbelwelle und Pleuel. Im Innern bewegt sich der Kolben frei zwischen einem Verbrennungszylinder und einer Gasfeder hin und her. Die Motoreinheit basiert auf dem Zweitaktverfahren. Die Ingenieure schwören auf die variablen Eigenschaften – variabel in der Verdichtung, der Kolbengeschwindigkeit und dem Hubraum. Der variable Hub erlaubt eine leistungsabhängige Hubraumanpassung; über die Kolbengeschwindigkeit beeinflussen die Ingenieure die Abgasemissionen.

Die Überlegenheit des Systems liegt jedoch in der variablen Verdichtung. Projektleiter Markus Gräf: „Kombiniert mit einer homogenen Verbrennung können wir mit unserer Einheit auch Kraftstoffe wie Benzin, Erdgas, Wasserstoff oder Ethanol verbrennen – ohne Leistungseinbußen.“ So lässt sich die homogene Verbrennung flexibel anpassen.

Problematisch ist noch die Abstimmung der Komponenten Verbrennung, Lineargenerator und Gasfeder mit der Steuerungselektronik. Gelingt sie, ergeben sich völlig neue Freiheitsgrade in der Verbrennungsführung. Gräf: „Die thermodynamische Betrachtung des Freikolbenlineargenerators ergibt ein etwa zwanzigprozentiges Potenzial gegenüber herkömmlichen Motoren.“ Der thermodynamische Wirkungsgrad liegt bei 42,5 Prozent, der des konventionellen Ottomotors bei 37,6 Prozent.

Der Einsatz der FKLG-Stromerzeugungseinheit in einem Hybridfahrzeug birgt weiteres Potenzial: Da keine mechanische Kopplung über eine Kurbelwelle existiert, kann die Leistung modular erweitert werden. Damit ist es möglich, bei mehreren FKLG-Modulen eine Zylinderabschaltung ohne die üblichen Pump- und Reibverluste zu realisieren. Zudem könnte der Freikolbenmotor das Bordnetz oder die Klimaanlage im Standbetrieb versorgen. „In die übernächste Generation von Hybridfahrzeugen könnte schon eine entsprechende Einheit mit mindestens fünf bis zehn Kilowatt Leistung integriert werden“, prophezeit Gräf.

Der Freikolbenmotor – ein Motor mit Zukunft? Damit rechnen jedenfalls die schwedischen Entwickler bei Volvo. Sie untersuchten einen Freikolbenmotor innerhalb des europäischen Forschungsprojekts FPEC (Free Piston Energy Converter). Demnach hat der Volvo-Freikolbenmotor mit homogener Verbrennung einen Wirkungsgrad von 46 Prozent.

Egon Morawietz

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