Gourt Home::Gourt :: Freikolbenmaschine
Die Freikolbenmaschine kombiniert eine Wärmekraftmaschine mit innerer Verbrennung und eine Arbeitsmaschine (Pumpe, Verdichter, Generator). Charakteristisch ist die direkte, triebwerklose Übertragung der zyklischen Bewegung des Kolbens der Wärmekraftmaschine auf den Arbeitsteil; dadurch entfallen jegliche mechanische Triebwerke, wie z.B ein Kurbeltrieb. Die Leistungsabgabe erfolgt nicht-mechanisch. Der Gasprozess der Freikolbenmaschine ist prinzipbedingt ein Zweitakt-Prozess.
Freikolbenmaschinen lassen sich sehr kompakt bauen und zeichnen sich durch große Einfachheit und ein hohes Leistungs/Gewichtsverhältnis aus.
Derartige Maschinen wurden unter anderem von Junkers (etwa 1926), SIGMA (Pescara) (1934), Sulzer (1942) in Serie gefertigt.
Anwendungsformen
Integriert man in den Freikolbenmotor einen Kompressor, eine Hydraulikpumpe oder einen Lineargenerator, entsteht eine kompakte Einheit.
Motor/Generator
Ein Freikolbengenerator, also ein Freikolbenmotor mit integriertem Lineargenerator zur Erzeugung elektrischer Energie, ist eine der gängigsten Freikolbenmaschinen.
In Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung kommt für den Antrieb meist ein Stirling-Freikolbenmotor zum Einsatz. Die bedeutendsten Hersteller von Freikolbenmaschinen waren bis in die 1970er Jahre Sigma in Frankreich und Alan Muntz & Co. aus Großbritannien.
Der Pescaramotor wurde 1952 von der US-Marine als Gaserzeuger für eine Gasturbine eingesetzt und erreichte eine Leistung von etwa 900 kW. 1956 untersuchte ein Team von General Motors unter Leitung von Arthur F. Underwood bei dem Versuchsfahrzeug XP 500 eine Freikolbenmaschine zur Gaserzeugung für die eigentliche Antriebsturbine von immerhin 184 kW (250 PS) Leistung.
Kompressor
Häufigste Anwendung ist der direkt angetriebene Kompressor. Für kleine Kompressoren werden gegen eine Feder arbeitende Kolben gebaut, die elektrisch angetrieben werden. Auf deutschen U-Booten sind im 2. Weltkrieg Freikolbenkompressoren der Firma Junkers zur Erzeugung der Druckluft beim Torpedoausstoß verwendet worden. Solche Kompressoren wurden damals in Serie produziert. Sie werden auch heute noch gebaut (Fa. E+JE).
Hydraulikpumpe
| Bei der thermohydraulischen Freikolbenmaschine (FKM) wird die auf der verbrennungsmotorischen Seite freigesetzte Energie auf der hydraulischen Seite in Form von hydraulischer Arbeit abgegeben. Die Bezeichnung stammt aus der Kombination von Thermodynamik (Verbrennung) und Hydraulik. Im Endeffekt handelt es sich um eine Hydraulikpumpe, die von einem Verbrennungsmotor mit Energie versorgt wird. | Thermohydr_fkm_aufbau.jpg |
Vor- und Nachteile
Die Vorteile einer Freikolbenmaschine sind:
- Integration von zwei Maschinen in ein gemeinsames Gehäuse
- kompaktes Aggregat mit wenig Einzelteilen
- keine verlustbehafteten Bewegungsumwandlung (Translation -> Rotation -> Translation)
- keine aufwändigen und teuren mechanischen Triebwerke (z.B. Kurbeltrieb)
- keine Kolbenseitenkraft durch Schrägstellung des Pleuels, keine Lagerreibung
- geringe Masse
- montage- und wartungsfreundlich
- unkonventionelle Betriebsarten möglich (variabler Hub; Pulspausenmodulation ...)
Nachteile:
- bei Fehlzündung bleibt Freikolbenmaschine a priori stehen (der Kurbelwellenmotor läuft in diesem Fall, angetrieben von der kinetischen Energie der Schwungmasse, weiter)
- prinzipbedingter Zweitaktprozess ist abgaskritisch
- die Bewegung des Freikolbens muss mit aufwändiger Regelung stabilisiert werden (die Totpunkte der Kolbenbewegung werden nicht durch die Kurbelwelle vorgegeben)
- die extrem hohen Beschleunigungen des Kolbens im verbrennungsmotorischen oberen Totpunkt beeinflussen den Brennverlauf auf bisher unbekannte Weise
- eingeschränkter Leistungsbereich (ca. 15 ... 50 kW)
- problematischer Antrieb der Nebenaggregate (Kraftstoffpumpe, Kühlwasserpumpe, Generator ...)
- Geräusch- und Schwingungsverhalten völlig abweichend von etablierten Verbrennungsmotoren
- einfachwirkende Maschine verursacht erhebliche Massenkräfte
- die abgegriffene Leistung wird vollständig in elektrische Energie und wieder zurück in mechanische Energie umgewandelt mit entsprechend ungünstigen Getriebewirkungsgraden
Forschung und Entwicklung
An Freikolbenmaschinen wird zur Zeit unter Anderem an folgenden Stellen geforscht:
- Innas B.V. (Breda, Niederlande)
- Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrttechnik (DLR, Stuttgart)
- Technische Universität Dresden in Zusammenarbeit mit Bosch Rexroth
- Universität Tampere (Finnland)
- Caterpillar (Peoria / Illinois, USA)
- Volvo (Göteborg, Schweden; schwedische Bezeichnung: Frikolvmaskin)
- Sandia National Laboratories, USA
Siehe auch
Weblinks
- Lineargenerator der Firma Pempek Systems
- Stirling Freikolbenmaschine (englisch)
- PDF- Datei mit ausführlicher Funktionsbeschreibung
- Thermohydraulische Freikolbenmaschine
- Erstes programmierbares, vollektronisch gesteuertes, stationäres Hybridtriebwerk auf Basis eines Freikolbenantriebes. Das Funktiosprinzip wurde 1989 unter der Bezeichnung "PROMOT" Programmierbarer Motor erfolgreich getestet.
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