Toyota entwirft neuen Verbrennungsmotor als Range Extender

[netzmeister]

Das Hauptargument gegen Elektrofahrzeuge ist die Reichweite, weshalb der Gedanke eines zusätzlichen Reichweitenverlängerers (Range Extenders) naheliegt. Der Einfachheit halber ist das ein regulärer Verbrennungsmotor, mehr oder minder angepasst an seine neue Aufgabe als Stromerzeuger. Der Opel Ampera und sein Zwillingsbruder Chevrolet Volt nutzen z.B. ein solches System, auch der BMW i3 kann optional mit RE geordert werden.

Einen Vollhybriden (z.B. den Toyota Prius) könnte man mit einigem guten Willen sogar dahingehend interpretieren, dass der Range Extender eben nicht nur Strom für den Elektroantrieb erzeugt, sondern auch die Achsen antreibt. Wie auch immer man es definiert: Die Reichweite wird entsprechend verlängert.

Dennoch: Ein regulärer, dem "hiermit treiben wir normal Autos an"-Regal entnommener Verbrennungsmotor hat bei weitem nicht die Effizienz*, die man für den recht spezifischen Einsatz als Stromerzeuger gerne hätte. Er wurde halt ursprünglich auch für was ganz anderes entwickelt. Das gelbe vom Ei ist das also auch nicht.

Toyota hat deshalb einen neuen Verbrennungsmotor entwickelt, der einzig und alleine nur dem Einsatz im Stationärbetrieb als Stromerzeuger dient. Der "Free Piston Engine Linear Generator", kurz FPEG, wurde als reiner Linearmotor konzipiert und funktioniert im Endeffekt wie einer dieser "Schüttelgeneratoren" in den Not-Taschenlampen: Am einen Ende wird konventionell ein Benzin-Luft-Gemisch gezündet, das schiebt den Kolben nach hinten und komprimiert damit am anderen Ende ein Gas, das dadurch den Kolben wie eine Feder wieder zurückdrückt. Der Kolben an sich ist magnetisch ummantelt (Neodym-Eisen-Bor) und läuft in einer Spule hin und her - und genau durch diese Bewegung wird Strom erzeugt.

Diese Konstruktion bringt ein paar ganz entscheidende Vorteile: Es fehlen all jene komplexen rotierenden Teile, die durch ihre Reibungsverluste die Effizienz des Gesamtsystems enorm verschlechtern. Der Strom wird direkt am Kolben erzeugt, der ganze Generator bleibt dadurch außerordentlich kompakt. Außerdem ist die kompakte Bauweise leicht zu kühlen und auch leicht zu schmieren, der Kolben wurde zusätzlich mit einer Keramik-Beschichtung versehen, um die Reibung (und damit die nötige Schmierung) weiter zu vermindern.

Auch wenn der Kolben hohl ist und alle Teile sehr leicht ausgeführt sind: Natürlich kann man einen solchen Linearmotor nicht beliebig skalieren, die bewegte Masse würde unerwünschte Vibrationen erzeugen. Der Prototyp wurde deshalb auf eine Größe beschränkt, die lediglich 10 kW erzeugt. Nimmt man nun zwei davon und ordnet sie entgegengesetzt an, hat man a) die Vibrationen eliminiert und b) genügend Strom, um ein Fahrzeug der Größe Yaris oder Corolla bei guten 120 km/h zu bewegen - völlig ausreichend für den gediegenen Alltagsbetrieb. Und über ein Ventil im gasgefüllten Teil kann sogar die Charakteristik verändert werden.

Hier sieht man das System in einer Animation:
http://www.tytlabs.com/tech/fpeg/fpeg02.html

Der Kolben ist übrigens so lang ausgelegt, damit der Magnet nicht durch die Hitzeentwicklung in der Brennkammer beeinträchtigt wird.

Das System ist noch weit von der Serienreife entfernt, aber interessant ist dieser Ansatz allemal. Auch wenn Linearmotoren beileibe nichts neues sind, ist das hier doch ein recht clever ausgeklügeltes Maschinchen.



* Hier noch zur weiteren Information ein paar Infos zur Energiebilanz der Range Extender...über deren Aussagekraft oder Unabhängigkeit kann ich allerdings nichts sagen

[niwre77]

Nicht blöd

Sozusagen ein Hybrid aus Schwingkompressor und AHC

[HZJXX]

Na, da wird die Erfindung der Herren Daimler und Benz endlich mal sinnvoll weiterentwickelt, und wir werden diese blöde Kurbelwelle und den ganzen daran hängenden Kram los..!

Ich möchte übrigens gleich eine Starkstromsteckdose an diesem Motor für meinen Hausanschluss, damit ich nicht mehr über meine Stromrechnung diesen ganzen EEG-Schwachsinn finanzieren muss.

edit: So neu ist die Idee wohl doch nicht.

[Feldi]

Hier sieht man das System in einer Animation:
http://www.tytlabs.com/tech/fpeg/fpeg02.html

Quasi ein Zweitakter, aber was drückt die Frischluft in den Zylinder?

[toyotamartin]

Der Sog vom Kolben.

[niwre77]

Quasi ein Zweitakter, aber was drückt die Frischluft in den Zylinder?

Sieht nach Gleichstromspülung aus.
Da wäre IMHO ein externer Verdichter nötig.
Nur: Wo sitzt der?

[leoat]

Meiner Seel, was unterrichte ich in Zukunft bloß, wenn ich keine Kurbelwellen- und Pleuelfestigkeitsnachweise verlangen kann? Dann kann ich mich ja nur mehr auf die Thermodynamik (und meine Schüler damit in die Verzeiflung) stürzen
Jetzt ohne Spaß: Das System ist natürlich "cool", das Leistungsgewicht scheint vorderhand bestechend. Es handelt sich aber um einen rein "seriellen Hybrid", der Wärme in mechanische Arbeit, dann in Strom, und dann wieder in mechanische Arbeit wandelt. Der Vergleich zu einem Parallelhybrid, bei dem die mechanische Arbeit über ein leistungsverzweigtes Getriebe mechanisch direkt in den Antriebsstrang gekuppelt wird, bleibt trotzdem "interessant"!
jmho!

[leoat]

Sieht übrigens wirklich wie ein Zweitakter aus. Mit Auslaßkanal unten und zwei Einlassventilen oben, die elektromagnetisch angesteuert werden. Für das "Ansaugen" (evtl. ist das auch turbogeladen) braucht jeder bisherige Motor ein Schwungrad. Das ist halt hier vermutlich elektromagnetisch realisiert: Im Arbeitstakt liefert die Spule Energie in den Akku. Im Ansaugtakt holt sie sich die Energie aus demselben! So ließe sich übrigens auch ein Viertaktprozess realisieren. Vlt. ist es ohnehin einer? Und es handelt sich um Einlass- und Auslassventil. Der untere Ausströmkanal könnte ein "Sicherheitsventil" sein oder aber auch zur raschen Spülung dienen

[niwre77]

Mit Auslaßkanal unten und zwei Einlassventilen oben

Die Ventile sind Auslassventile, wenn ich die Bilder richtig deute.
Die Schlitze am unteren Totpunkt sind die Einlassöffnungen.
Ist bei einem Gleichstromzweitakter auch so.

So ließe sich übrigens auch ein Viertaktprozess realisieren.

Wozu? Der Zweitakter hat prinzipbedingt einen höheren Wirkungsgrad.
Und im Gleichstromverfahren keine Spülverluste und kein Abgasproblem wie bei einem quer,- oder umkehrgespülten.

[leoat]

Wozu? Der Zweitakter hat prinzipbedingt einen höheren Wirkungsgrad.

Verzeihung, das ist Schwachsinn! Der Zweitakter hat eine höher "Leistungsdichte" in Form der höheren Literleistung und er mag andere Vorteile, wie weniger bewegte Teile haben er hat aber niemals einen höheren Wirkungsgrad! Die Pfeilchen könnten ebensogut eine bewusste Irreführung darstellen.

[niwre77]

Einspruch.
Der Gleichstromzweitakter hat den besseren Wirkungsgrad.
Genau deshalb wird beim Grossdiesel dieses Prinzip angewendet.
Eta >50%, was für einen Ottomotor Rekord darstellt.

[leoat]

Je größer der Motor, desto besser der Wirkungsgrad, weil das Volumen/Oberfläche-Verhältnis des Brennraums immer besser wird und sich damit Verdichtungs- und Arbeitstakt der isentropen Zustandsänderung "nähern".
Großdieselmotoren lassen sich u. a. auch aufgrund der dann erforderlichen riesigen Steuerungselemente nicht witschaftlich (Verhältnis Masse/Leistung) als Viertaktmotoren ausführen. Das spielt insbesondere in Schiffen, in denen derartige Motoren praktisch ausschließlich zum Einsatz kommen, eine entscheidende Rolle. Darüber hinaus wird mit zunehmender Baugröße der Einfluss des Spülverlusts beim Zweitakter immer kleiner und besser beherrschbar. Daher gelangen Zweitaktmotoren zum Einsatz. Vergleicht man Motoren gleicher Leistung, haben Viertaktmotoren einen bedeutend besseren Wirkungsgrad. Das gilt im übrigen auch für bereits relativ große Motoren, die noch dazu eigentlich wie geschaffen wären für das Zweitaktprinzip, weil sie mit konstanter Drehzahl und Leistung laufen. Motoren, wie sie in BHKWs zum Einsatz kommen.
Kurz: Würde man den von Dir erwähnten Zweitakter leistungsmäßig gleichwertig (d. h. mit fast doppeltem Hubraum) als Viertaktmotor ausführen, hätte er selbstverständlich einen besseren Wirkungsgrad.

[niwre77]

Carnotprozess ist mir bekannt.
Leider alles sehr theoretisch, was Du da bringst.
Ich halte mich lieber an Fakten wie z.B. 171g/kWh.
Diesel. Zweitakt. Gleichstromspülung.
Realität.

Aber wahrscheinlich alles sowieso nur eine Irreführung von Toyota

Gute Nacht!

[leoat]

Nach Entdeckung der Animation bestätige ich: Zweitakt, Gleichstrom, direkt einspritzend ob Diesel oder Ottokraftstoff konnte ich nicht erkennen. Woher das be=171g/kWh stammt, konnte ich nicht verifizieren.
Der Carnotprozess spielt hier keine Rolle und von dem war acuh keine Rede. Und vom Widerspruch zu Deiner Aussage der Zweitakter sei "prinzipbedingt" wirtschaftlicher steige ich nicht herunter. Keinen Millimeter. Dass er hier zum Einsatz kommt ist Folge eines konsequent zu Ende gedachten Downsizings, sprich möglichst wenig Masse pro Kilowatt.

[Feldi]

Na, und wie kommt die Luft rein? Die Kolbenrückseite dient ja offensichtlich nicht als "Pumpe".