Hydraulikzylinder simuliert Größen für einen Freikolbenmotor

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Freikolbenmaschine ohne Kurbelwelle

Der FKLG ist eine Freikolbenmaschine, die ohne Kurbelwelle auskommt. Die Umsetzung der translatorischen Kolbenbewegung in elektrische Energie erfolgt ohne den Zwischenschritt einer rotativen Bewegung.

Das Gesamtsystem besteht aus drei Komponenten: Verbrennungszylinder, Lineargenerator und Gasfeder. Die Gasfeder ist erforderlich, um den Kolben nach der Verbrennung des Brenngas-Luft-Gemisches vom unteren Totpunkt in die Ausgangsposition zurückzuführen. Über den Lineargenerator erfolgt dann die Auskoppelung der Energie. Die Gasfeder dient folglich während des Hubes als Energiespeicher für die Rückbewegung. Ihre Steifigkeit ist variabel, um sie so als Stellglied für die Kolbenbewegung zu nutzen.

Freikolbenmaschine arbeitet auch unter Teillast energieeffizient

Der Wegfall der Kurbelwelle bei diesem System ermöglicht, die Kolbenbewegung im Betrieb zu verändern. Die Regelung des FKLG ist in einer elektronischen Steuerung implementiert. Die dazu benötigten Stellgrößen sind die Steifigkeit der Gasfeder, der Kraftverlauf des Lineargenerators und der Druckverlauf im Verbrennungszylinder.

Die Verdichtung lässt sich während des Betriebs variieren, was den Wirkungsgrad des Systems gerade im Teillastbereich deutlich erhöhen kann. So ermöglicht der FKLG durch variable Verdichtung und variablen Hub, verschiedene Kraftstoffe situationsabhängig bei optimierter Effizienz zu verbrennen.

Dabei wird elektrischer Strom erzeugt. Die Verbrennung lässt sich durch die zusätzlichen Freiheitsgrade in jedem Betriebspunkt hochgradig optimieren. Dabei ist es das Ziel, die vom Elektromotor angeforderte Energie direkt zur Verfügung zu stellen, ohne dabei Energie im Akkumulator zwischenzuspeichern und weitere Verluste in Kauf zu nehmen.

Nutzung der Bremsenergiefür die Fortbewegung

Mithilfe eines kleinen Zwischenspeichers lässt sich in diesem System auch die Bremsenergie zur Fortbewegung nutzen. Zudem bedeutet die variable Verdichtung einen enormen Fortschritt im Vergleich zu konventionellen Verbrennungsmotoren, die aufgrund der Kurbelwelle zum Beispiel nur unter Inkaufnahme eines Leistungsabfalls die Verbrennung von Benzin und Erdgas kombinieren können.

Beim FKLG ist unter anderem ein emissionsreduzierter und verbrennungsoptimierter Betrieb desselben Fahrzeugs mit verschiedenen Kraftstoffen vorgesehen. Die effiziente Verbrennung erfolgt flexibel, weil die Software den Motor bei jedem einzelnen Hub adaptiv ansteuert und so auch an den Kraftstoff anpasst.

Variable Verdichung sorgt für hohen Wirkungsgrad

Die variable Verdichtung sorgt für einen hohen Wirkungsgrad sowohl auf Strecken großen Leistungsbedarfs als auch im Stadtverkehr. Das war bisher bei Verbrennungsmotoren aufgrund des konstanten Verdichtungsverhältnisses nur eingeschränkt möglich.

Je nach Fahrprofil ermöglicht der FKLG durch flexible Anpassung an die jeweilige Fahrsituation eine Verbrauchsreduzierung von bis zu 30% im Vergleich zu einem Fahrzeug mit herkömmlichem Verbrennungsmotor der gleichen Leistungsklasse. Damit geht eine Verminderung des CO₂-Ausstoßes in gleichem Maße einher.

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