Hydraulikzylinder simuliert Größen für einen Freikolbenmotor

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Hydraulischer Testzylinder übernimmt verschiedene Aufgaben

Am DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte werden die Funktionen der einzelnen FKLG-Komponenten auf Testständen simuliert. Diese Tests liefern die Daten für die Entwicklung, Modifizierung und Optimierung der Komponenten, bevor diese zu einem System zusammengeführt werden. Für diese Aufgaben wurde ein Hydraulikzylinder installiert, der die erforderlichen Kräfte und Bewegungsverläufe zur Simulation der Komponentenfunktionen erzeugt.

Am Kolben des Zylinders werden die einzelnen Komponenten angeflanscht. Dieser Testzylinder, der sehr schnelle Linearbewegungen mit hohen Beschleunigungswerten ermöglicht, hat das Aufgabenspektrum der Teststände am Institut erweitert (Bild 2 – siehe Bildergalerie).

Hydraulikzylinder simuliert Kraft- und Bewegungsverlauf nicht verfügbarer Komponenten

In der ersten Phase der Systementwicklung hat der Zylinder den Kraft- und Bewegungsverlauf der am Teststand nicht zur Verfügung stehenden Komponenten simuliert. Nach erfolgreicher Inbetriebnahme der Einzelkomponenten wurde das Gesamtsystem getestet – mit allen Komponenten.

Die Steuerung der FKLG-Kolbenbewegung erfolgte dabei noch über den Hydraulikzylinder. In dieser Phase hat der Zylinder dem Maschinenkolben noch seine Bewegung aufgeprägt.

In einem weiteren Schritt übernimmt der Hydraulikzylinder nur noch eine passive Sicherheitsfunktion. Er wird dann kraftneutral mit der Kolbeneinheit mitlaufen. So schützt die Hydraulik den FKLG-Kolben vor mechanischen Schäden, sofern an diesem im Fehlerfall unerlaubte Kräfte wirken sollten.

Hydraulikzylinder für Ölvolumenstrom von 1000 l/min

Diese Aufgabe und die damit verbundenen hohen Ansprüche an die Synchronisation zwischen Hydraulik- und Verbrennungszylinder gaben den Ausschlag, dass der Testzylinder von Hänchen in der Ausführung Servofloat installiert wurde. Der Grund dafür lag in den hohen Frequenzen bis zu 30 Hz bei Hüben bis 90 mm.

Diese hochfrequente, präzise gesteuerte Kolbenbewegung erfordert einen sehr hohen Ölvolumenstrom von 1000 l/min. Das sind selbst für den Servofloat-Zylinder extreme Anforderungen – gerade im Dauerbetrieb (Bild 3).

Dieser Zylinder mit der patentierten schwimmenden Ringspaltdichtung von Hänchen ist gerade für hochdynamische Anwendungen besonders geeignet. Aufgrund des berührungsfreien Druckabbaus nach außen – im hochpräzise gefertigten Ringspalt – arbeitet der Zylinder praktisch reibungsfrei, und das bei höchster Energieeffizienz.

Selbst bei äußerst langsamen und sehr schnellen Bewegungen sind Stick-slip-Freiheit sowie ein Maximum an Positions- und Wiederholgenauigkeit garantiert. Die hohe Präzision ist zwingend, weil zur exakten physikalischen Berechnung der Verbrennungsverdichtung die genaue Kolbenposition ausschlaggebend ist.

Hydraulikzylinder derzeit noch nicht ersetzbar

Der Hydraulikzylinder diente also zunächst in erster Linie dazu, die Einzelkomponenten zu testen, um das Gesamtsystem entwickeln zu können. Ferner übernahm er zeitweise die Aufgabe einer übergeordneten Steuergröße. Nach der schrittweisen Reduzierung der wegbasierten Regelung hat er heute noch eine wichtige Funktion als Fallback-Lösung im Fehlerfall.

Natürlich ist das Ziel, ein eigenständig lauffähiges System zu entwickeln. Ein vollständiger Wegfall des Hydraulikzylinders ist jedoch beim derzeitigen Entwicklungsstand noch nicht möglich, weil eine komplett fehlerfreie autarke Systemfunktion noch nicht gewährleistet werden kann.

Deshalb muss der Zylinder bei Fehlern eingreifen. Bei einer Instabilität ist er in der Lage, Energie auszukoppeln oder zuzuführen.

* Dipl.-Ing. Frank Rinderknecht ist Teamleiter Alternative Antriebe und Energiewandlung am Institut für Fahrzeugkonzepte des deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart

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