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Der Freikolbenlineargenerator FKLGStromerzeugung mit hohem Wirkungsgrad
Dr.-Ing. Markus Gräf Institut für Fahrzeugkonzepte
APU-WorkshopErlangen
26.10.2005
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Das Institut für Fahrzeugkonzepte
InnovativeTechniksysteme
Synergie Straßen-/SchienenfahrzeugeKraftstoff- &Energiespeicher
Al ternat ive Antr iebe &Energiewandlung
Leichtbau &Hybridbauweisen
Innovative Fahrzeugkonzeptein einem nachhaltigen
Verkehrssystem
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Combustion Gas Spring Control ValveStator RunnerGas Exchange Valve Verbrennung Gasfeder RegelventilStator LäuferGaswechsel
Quo vadis ?
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Quo vadis Kraftstoff ?
Quelle: BMWQuelle: DaimlerChrysler
Methanol
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Quo vadis Verbrennung ?
Quelle: VolkswagenWeitere Namen: Homogene Raumzündung, HCCI, CAI, CCS
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Combustion Gas Spring Control ValveStator RunnerGas Exchange Valve Verbrennung Gasfeder RegelventilStator LäuferGaswechsel
Übersicht und Historie
der Freikolbenmotoren
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Systematische Einteilung von Freikolbenmotoren
Energiewandlung
pneumatische Energie
hydraulische Energie
elektrische Energie
Bauweisen
Einzelkolben
Gegenkolben
Doppelkolben
Keine Bereitstellungvon mechanischer Energie
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Pneumatische Energie Junkers Freikolbenverdichter
Junkers, Patentanmeldung 1912
► 4-stufiger Luftverdichter
► Einsatz in U-Booten im 2. Weltkrieg
►
Hohe Zuverlässigkeit► Lizenzfertigung bis 1959 durch Kobe Steel
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Pneumatische Energie Stelzer Motor
Stelzer, 1982
► Doppelkolbenprinzip
► Verdichtung von Luft
►
Bereitstellung von hydraulischer Energie
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Hydraulische Energie Innas Chiron Compressor
Innas, Niederlande, 1996
► Bereitstellung von hydraulischer Energie
► Direkteinspritzender Diesel mitSelbstzündung
► Kompressor mit variabler Frequenz,niedrigem Kraftstoffverbrauch undreduzierten Emissionen
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Elektrische Energie Erstes Patent 1971
Jarret, Frankreich, 1971
► Thermischer Motor mit innererVerbrennung
► Patentanmeldung mit der Erwähnungder elektrischen Energie-auskopplungsmöglichkeit
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Elektrische Energie aktuelle Projekte
13
Volvo-Konsortium
► FPEC: Free Piston Energy Converter
► 2-Takt mit Schlitzsteuerung
►
Doppelkolbenprinzip► HCCI
Sandia Laboratories, USA
► HFPA: Hydrogen Free Piston Alternator
► 2-Takt mit Schlitzsteuerung
► Doppelkolbenprinzip
► HCCI
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Systematische Einteilung der Freikolbenmotoren
Einzelkolben Gegenkolben Doppelkolben
pneumatischeEnergie
hydraulischeEnergie
elektrischeEnergie
Energiewandlung in
Bauweisen
Innas, Niederlande, im Bau
Junkers, Deutschland, 1935 Stelzer, Deutschland, 1982
Jarret, Frankreich, 1971
Innas, Niederlande, 1996
Pescara, Frankreich, 1928
Hibi, Japan, 1970 Tikkanen, Finnland, 1996
FreikolbenFreikolben--lineargenerator lineargenerator
DLR, Deutschland, 2002
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Combustion Gas Spring Control ValveStator RunnerGas Exchange Valve Verbrennung Gasfeder RegelventilStator LäuferGaswechsel
Der Freikolbenlineargenerator FKLG
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Der Freikolbenlineargenerator FKLG Funktionsprinzip
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Der Freikolbenlineargenerator FKLG Eigenschaften
Online-Downsizing des Motors
Variable VerdichtungHomogene Raumzündung (HCCI)Hervorragende Multifuel-Tauglichkeit
Variabler Hub
Variable Kolbengeschwindigkeit Beeinflussung der Abgasemissionen
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Der Freikolbenlineargenerator FKLG Eigenschaften
Wirkungsgradoptimierung
des SystemsVariable Verdichtung
Variabler Hub
Variable Kolbengeschwindigkeit
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Der Freikolbenlineargenerator FKLG PotenzialeVerlustübersicht konventioneller Motor
Wandwärmeübergang
Ladungswechsel
Reibung
Nutzarbeit
Abgas
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Der Freikolbenlineargenerator FKLG PotenzialeVerlustübersicht konventioneller Motor
Wandwärmeübergang
Ladungswechsel
Reibung
Nutzarbeit
Abgas
Quelle: AVL
100
50
75
25
-17%
Zündkerze HCCI
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Der Freikolbenlineargenerator FKLG PotenzialeVerlustübersicht Freikolbenlineargenerator
Wandwärmeübergang
Ladungswechsel
Reibung
Nutzarbeit
Abgas
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Der Freikolbenlineargenerator FKLG Potenziale
Lastpunkt 25 % 50 % 75 % 100 %
FKLG: th = 42.5 % th = 45.5 % th = 42.2 % th = 38.4 %Konv. Ottomotor: th = 37.6 % th = 38.6 % th = 39.3 % th = 38.2 %
Erste Abschätzung derWirkungsgradpotentiale für
- Variabler Hubraum
- Variable Verdichtung
ohne HCCI-Brennverfahren imVergleich zu einem konv.Ottomotor mit Kurbelwelle
Lastpunkt 25 %
UT UT
OT OT
Variabler Hubraum
Variable Verdichtung
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 50 100 150 200 250 300 350 400
V [cm³]
p
[ b
a r ]
FKLG
Konv. Ottomotor
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Der Freikolbenlineargenerator FKLG Potenziale
n [U/min]
M [Nm]
P = 50 kW
P = 40 kW
P = 30 kW
n = konst
Verbesserter Wirkungsgrad durchOptimierung bei konstanter Frequenz
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Der Freikolbenlineargenerator FKLG PotenzialeHCCI - Homogenous Charge Compression Ignition
Quelle: IFP
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Der Freikolbenlineargenerator FKLG Massenausgleich
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Der Freikolbenlineargenerator FKLG Zusammenfassung
► Variabler Hubraum⇒ Online-Downsizing des Motors
► Alle Verluste können reduziert werden
► Deutlich verbesserter Teillastwirkungsgrad
► Mit HCCI sehr niedrige Emissionen
► Absoluter Massenausgleich mit 2 Einheiten in äußerst kompakter Bauform► Kostengünstige Herstellbarkeit
► Volvo Freikolbenmotor mit HCCI: 46 % Wirkungsgrad prognostiziert
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Combustion Gas Spring Control ValveStator RunnerGas Exchange Valve Verbrennung Gasfeder RegelventilStator LäuferGaswechsel Ventil
Der Freikolbenlineargenerator FKLG Netzwerk
Linearmotor
Verbrennungstechnik
Leistungselektronik
Gesamtsystem
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Der Freikolbenlineargenerator FKLG ProjektstatusRückfederraum
Wirkungsgrad bei 94 %ohne Optimierung
Quelle: BMW
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Der Freikolbenlineargenerator FKLG Anwendungen
1. APU für Bordnetz und Standklima (PKW 5-10 kW, LKW 10 kW)
2. Fahrzeugantrieb – NexGen Hybrid (40 kW - ...)
3. Stationäres Blockheizkraftwerk BHKW (5 kW - ...)
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Der Freikolbenlineargenerator FKLG Anwendungen APU für Bordnetz
Quelle: BMW
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Der Freikolbenlineargenerator FKLG AnwendungenNexGen Hybrid
3
M
3
0.5 kWh
optional
FKLGModul 2
optional
FKLGModul 2
Konventionelles HybridfahrzeugNexGen Hybridfahrzeug
mit modularem Mehrzylinder-FKLG
FKLGModul 1
1. Besserer Wirkungsgrad durchverbesserte Teillasteigenschaften
2. Besserer Wirkungsgrad durchechte Zylinderabschaltung
M
3
1.5 kWh
3
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Das Institut für Fahrzeugkonzepte
Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit !