Warum „Freikolben“-Motoren Ihren nächsten Plug-in-Hybrid antreiben könnten

Wenn wir an die Automobiltechnologie der Zukunft denken, denken wir normalerweise an alternative Kraftstoffe, sei es Wasserstoff oder Strom aus futuristischen Batterien. Es stellt sich heraus, dass die Zukunft tatsächlich einer neuen Form der Verbrennungskraftmaschine gehören könnte: dem „Freikolbenmotor“.

Diese Technologie verändert Motoren grundlegend und ersetzt die Kurbelwelle, die normalerweise die Kraft von den Kolben überträgt, durch eine Kompressionskammer und ein Turbolaufrad. Freikolbenmotoren bieten das Potenzial einer radikal verbesserten Effizienz. Prototypen von Freikolbenmotoren sind bereits 50 bis 60 Prozent effizienter als alle derzeit produzierten Motoren – und es besteht noch Potenzial für noch viel mehr.

Wie funktioniert es?

Ein Freikolben besteht größtenteils aus den gleichen Komponenten wie jeder Verbrennungsmotor. Der Hauptunterschied besteht darin, wie die Verbrennungskraft erfasst wird.

Bei einem Standardmotor werden Kraftstoff und Luft in die Kompressionskammer eingespritzt und gezündet. Diese Verbrennung drückt auf den Kolben, der mit der Kurbelwelle verbunden ist. Bei Autos wird die Energie der rotierenden Kurbelwelle über ein Getriebe an die Antriebsräder weitergeleitet.

Bei einem Freikolbenmotor erfolgt die Verbrennung auf die gleiche Weise, es gibt jedoch keine Kurbelwelle. Auf den ersten Blick erscheint das verrückt, da die Kolben einfach nur in ihren Zylindern klappern. Aber das ist eigentlich ein Geniestreich – ja, das Wortspiel war meine Absicht. Durch die horizontale Gegenüberstellung zweier Zylinder und deren gleichzeitige Detonation komprimieren die Kolben die Luft zwischen ihnen. Diese Luft wird durch einen Kompressor geleitet, der einem Turbolader sehr ähnlich sieht.

Während es technisch möglich ist, eine Achse direkt von dieser Turbine anzutreiben, wird diese Turbine in der Praxis am besten zum Antrieb eines elektrischen Generators eingesetzt.

Die Idee für einen solchen Motor gibt es schon seit 1807, aber die Herausforderungen, die Kolben zum Zünden zu bringen und Die gleichzeitige Bewegung hat die Konstrukteure bisher daran gehindert, die Vorteile des Freikolbenmotors voll auszuschöpfen.

Die Vorteile

Warum sollte man sich angesichts dieser Herausforderungen überhaupt die Mühe machen? Nun, alles hat mit Effizienz zu tun. Bei einem Standard-Verbrennungsmotor geht ein großer Teil der Leistung in Form von Wärme und Vibration verloren. Moderne Benzinmotoren können nur 18 bis 25 Prozent der potenziellen Energie des von ihnen verbrannten Kraftstoffs in nutzbare Energie umwandeln. Die effizientesten Benzinmotoren schaffen momentan bis zu 35 Prozent, allerdings nur unter idealen Bedingungen.

Das Fehlen einer Kurbelwelle im Freikolbensystem bedeutet, dass es keine ständigen Impulsänderungen gibt, die Vibrationen und Reibung erzeugen, die die Effizienz beeinträchtigen. Diese Vorteile sind seit zwei Jahrhunderten offensichtlich, aber mit der Präzision moderner Technologie kommt noch ein weiterer hinzu: variable Kompressionsverhältnisse.

Bei einer Kurbelwelle in der Größe des Brennraums ist die Länge der Kolbenbewegung festgelegt. Bei modernen, experimentellen Freikolbenmotoren können die Größe der Kammer und die Länge des Arbeitshubs im laufenden Betrieb variiert werden von Umdrehung zu Umdrehung, wobei das Motormanagement die Größe des Brennraums an die ideale Kraftstoffluft anpasst Mischung.

Darüber hinaus sollte diese Variabilität es ermöglichen, dass Freikolbenmotoren mit allem von Wasserstoff bis Erdgas betrieben werden können. Tatsächlich wäre ich nicht überrascht, wenn einer dieser Motoren mit Single Malt Scotch laufen würde.

All diese Eigenschaften machen den Freikolbenmotor ideal als Bordgenerator und könnten die Antriebsstrangkonstruktion revolutionieren.

Im Ernst, wann kann ich eines bekommen?

Bisher sind zwei Prototypen von Freikolbenmotoren in Arbeit. Die erste stammt, wenig überraschend, von deutschen Wissenschaftlern/dunklen Magiern am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).

Ihr Prototyp mit dem Namen „Freikolbenlineargenerator“, der meiner Meinung nach kein Beweis dafür ist, ob die Deutschen Sinn für Humor haben oder nicht, befindet sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Dennoch verspricht es eine Leistung, von der andere Antriebsingenieure nur träumen können.

Der Freikolbenlineargenerator verwendet einander zugewandte Zylinder. Durch diese Kolbenausrichtung ist er noch kompakter als typische Freikolbenmotoren. Dadurch eignet es sich perfekt für den Einsatz als Range Extender.

Nehmen wir zum Beispiel den Chevy Volt. Es verfügt über Batterien und kann ausschließlich mit Strom betrieben werden. Wenn die Batterien jedoch leer sind, kann ein 1,4-Liter-Benzinmotor sie aufladen und das Auto selbst auf über 65 Meilen pro Stunde bringen. Das funktioniert gut, aber leider sind selbst Benzinmotoren mit kleinem Hubraum sperrig, schwer und teuer.

Der Freikolbenlineargenerator kann die gleiche Aufgabe erfüllen, ist dabei aber klein genug, um unter dem Boden eines Autos montiert zu werden, was Platz für andere Dinge wie beispielsweise Grünkohl spart.

Aber ein Wundermotor auf der Werkbank eines germanischen verrückten Wissenschaftlers ist doch weit von der tatsächlichen Produktion entfernt, oder?

Nun, auch Toyota ist mit an Bord. Diesen Sommer kündigte der große japanische Autohersteller seinen eigenen Freikolbenmotor oder „Lineargenerator“ an. Die Toyota-Version verwendet Er besteht aus einem einzelnen Zylinder anstelle eines gegenüberliegenden Zylinderpaars und erreicht bei konstantem Betrieb einen thermischen Wirkungsgrad von 42 Prozent Bedingungen. Das ist besser, als jeder Serienmotor zu leisten vermag – selbst vorübergehend und unter optimalen Bedingungen.

Der Motor von Toyota wäre in der Lage, aus einem Paket von acht Zoll Durchmesser und zwei Fuß Länge 15 PS zu erzeugen. Zwei davon würden wahrscheinlich mehr als ausreichen, um die Batterien in einem modernen Fahrzeug mit erweiterter Reichweite aufzuladen, was enorme Platz- und Energieeinsparungen mit sich bringt. Die deutsche Technologie ist erstaunlich, aber Toyotas Motor könnte schon bald im Prius zum Einsatz kommen.

Abschluss

Reiner Strom – oder möglicherweise Wasserstoff – ist mit ziemlicher Sicherheit immer noch die langfristige zukünftige Energiequelle für Autos. Allerdings ist keine dieser Technologien ganz ausgereift. Elektro kommt dem nahe, ist aber für die meisten amerikanischen Verbraucher immer noch viel zu teuer, ganz zu schweigen von buchstäblich Milliarden chinesischen und indischen Verbrauchern, die ein Auto besitzen möchten.

Freikolbenmotoren könnten eine entscheidende Brückentechnologie sein, die die Effizienz der Verbrennungsmotoren drastisch verbessern kann. Dank ihrer Fähigkeit, fast alles Brennbare zu verbrennen, haben sie möglicherweise auch eine längere Lebensdauer als herkömmliche Formen der Verbrennungskraft … Ich sehe Sie an, ölige Lappen.

Wenn sich Branchenriesen wie Toyota dazu entschließen, die Technologie mit aller Kraft zu unterstützen, könnte sie schon bald in Serienautos zum Einsatz kommen. Lass uns hoffen.

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