4.2. Freikolben- lineargenerator

Der Freikolbenmotor unterscheidet sich von einem Hubkolbenmotor hauptsächlich durch die mechanische Auskoppelung des Kolbens, was ihn ihm im Betrieb besonders flexibel macht. Die Auskoppelung macht eine Rückstellung des Kolbens nötig, um die nächste Verdichtung einzuleiten. Der Freikolbenmotor ist in der Lage die im Kraftstoff gespeicherte chemische Energie, je nach Bedarf sowohl in pneumatische, hydraulische als auch elektrische Energie zu wandeln. In den weiteren Betrachtungen ist allein die Wandlung in elektrische Energie von Bedeutung.
Um die verschiedenen Energiearten gewandelt zu bekommen sind jeweils geringfügige Änderungen erforderlich, wobei das Grundprinzip immer erhalten bleibt.
Eine weitere Differenzierung des Freikolbenmotors ist bezüglich seiner Bauweise bzw. Kolbenanordnung möglich.
Das Konzept des Freikolbenmotos an sich ist nicht neu, sondern seit mehr als 100 Jahren bekannt.
Der Einsatz zur Stromerzeugung wurde aber erst in den letzten 2 Jahrzehnten durch die immer besser werdenden Steuerungs- und Regeltechnik intensiver erforscht.^[1]

 

Abb. 15: Übersicht über Freikolbenkonzepte mit elektrischer Energieauskopplung^[2]

 

 
Das deutsche Luft- und Raumfahrtzentrum (DLR) forscht seit 2002 an einem Freikolbenlineargenerator, also einem Freikolbenmotor mit elektrischer Energieauskopplung.
Das DLR konzentriert sich dabei auf einen kopfgespülten 2-Takter in Verbindung mit einer
Gasdruckfeder zur Rückstellung.^[3]

 

Abb. 16: Funktionsprinzip des Freikolbenlineargenerators^[4]

 

Häufig auftretende Probleme in der Zweitaktspülung können durch die weitgehend konstante Betriebsfrequenz umgangen werden. Die als Rückfedereinheit verbaute Gasfeder kann über ein Steuerventil durch die Regulierung der Gasmasse als Hubraumverstellung genutzt werden. Durch den Einsatz von vollvariablen Ventiltrieben erhält man einen Verbrennungsmotor, der die bisher umfassendsten Optimierungspotentiale hinsichtlich der Verbrennung bietet. Langfristig wird versucht ein HCCI-Brennverfahren (Kompressionszündung eines homogenen Kraftstoff-Luftgemisches) zu realisieren, bei dem das Gemisch gleichzeitig im gesamten Brennraum gezündet wird. Eine solche Zündung ermöglicht eine besonders schadstoffarme Verbrennung.
Da die lineare Bewegung des Freikolbenlineargenerators nicht in eine rotierende umgewandelt werden muss, da der magnetische Läufer auf der Kolbenstange durch den Stator geführt wird, kann auf eine Umlenkung der Bewegung über eine Kurbelwelle verzichtet werden.⁵
Im Folgenden finden sich die Kerneigenschaften des Freikolbenlineargenerators noch einmal in der Übersicht.

Abb. 17: Kerneigenschaften des Freikolbenlineargenerators^[5]

Weiter unterschieden wird der Freikolbenlineargenerator durch die Ausgestaltung der Brennkammer, wobei man zwischen Einzelbrennkammer und Zentralbrennkammer unterscheiden kann.⁵ Abbildung 18 und 19 veranschaulichen die beiden Ausgestaltungen.

Abb. 18: Freikolbenlineargenerator mit Einzelbrennkammern^[6]

 

 

Abb. 19: Freikolbenlineargenerator mit Zentralbrennkammer^[7]

 

Ein Vorteil der Zentralbrennraumvariante hinsichtlich des Einsatzes als Range-Extender ist die Möglichkeit, einen vollständigen Ausgleich der bewegten Massen zu erreichen. Störende Vibrationen und Massekräfte, wie sie bei konventionellen Hubkolbenmotoren auftreten, können so umgangen werden. Dies kann auch durch den gegenläufigen Einsatz zweier Einzelbrennkammeraggregate erreicht werden.
Ein Freikolbenlineargenerator lässt sich aufgrund seiner geringen Bauhöhe ideal im Unterboden eines Fahrzeugs positionieren. Das geringe Gewicht von ca. 70 kg pro Modul prädestiniert ihn zusätzlich für den Einsatz als Range-Extender, da jedes zusätzliche Gewicht sich negativ auf die Fahrzeugreichweite auswirkt. Durch die enormen Anpassungsmöglichkeiten aller Kenngrößen der Verbrennung lässt sich der Freikolbenlineargenerator mit einer Vielzahl von Kraftstoffen betreiben.
Für den Praxisbetrieb wird die Konstruktion wohl aber eher auf einen monovalenten Betrieb ausgerichtet, da sonst teilweise erhebliche Anpassungen am Kraftstofftank, der Einspritztechnik bis hin zu Brennraumgeometrie nötig wären. Prinzipiell ist es aber möglich den Freikolbenlineargenerator für einen Betrieb mit einem oder mehreren der folgenden Kraftstoffe auszulegen.^[8]
In Abbildung 20 sind die potentiellen Kraftstoffe eines Freikolbenlineargenerators dargestellt.

 

Abb. 20: Potenzielle Kraftstoffe zu Verwendung in einem Freikolbenlineargenerator^[9]

Da in dieser Arbeit nur CO₂-neutrale Kraftstoffe für den Einsatz in Range-Extendern von Bedeutung sind, entfallen Diesel und Benzin an dieser Stelle für die weitere Betrachtung.
Aktuell befinden sich die Freikolbenlineargeneratoren jedoch noch in der Forschungsphase und es können noch keine validen Aussagen bezüglich der Effizienz der jeweiligen Kraftstoffe bzw. Bauweisen getroffen werden.
Festzuhalten bleibt aber das enorme Potential des Freikolbenlineargenerators, da er entsprechend nahezu aller Anforderungen, sei es in Leistungsfähigkeit in Form von gekoppelten Aggregaten und variablen Hubräumen oder hinsichtlich der verfügbaren Kraftstoffe, angepasst werden kann. Bereits der Versuchsträger erreichte je nach Bauart einen Wirkungsgrad zwischen 35-37 %. Dieser Wert liegt schon über denen aktueller Hubkolbenmotoren und lässt das zukünftige Potential dieser Technik erahnen.
Weitere Steigerungen des Wirkungsgrades sind durch die Umsetzung des HCCI-Verfahrens zu erwarten, welches sich auch positiv auf die Emissionen auswirkt, die trotz eines CO₂-neutralen Kraftstoffes auftreten.
Des Weiteren zeichnet sich Freikolbenlineargenerator durch vergleichsweise überschaubare Herstellkosten von 1.934,00 € für die Einzelbrennraumbauweise und 1.501,00 € für den Zentralbrennraumbauweise, ausgehend von einer Produktion von 100.000 Stück im Jahr.^[10]
In Tabelle 5 werden die Eckdaten des Freikolbenlineargenerators nochmal kurz darfgestellt.
 

Eckdaten Freikolbenlineargenerator:

Geringe Bauhöhe, geringes Gewicht Vibrationsarm Geräuschpegel wie ein Verbrennungsmotor Diverse Kraftstoffe nutzbar Wirkungsgrad von 35%-37% Herstellkosten von ca. 2.000,-

Tabelle 5: Eckdaten Freikolbenlineargenerator