Universal Motor Corporation GmbHDer Freikolbenlineargenerator -On-board Stromerzeugung für Elektrofahrzeuge11.03.2010

Dr. Markus Gräf

Worüber wir sprechen ...Der Freikolbenlineargenerator FKLG

2

FKLG

Diesel

Erdgas

Wasserstoff

Biokraftstoffe

Benzin

Strom

Weltweit erster Verbrennungsmotor mit variabler Verdichtung und variablem Hubraum

Flexfuel-Eigenschaften für optimale Verbrennung aller Kraftstoffe

Zylinderabschaltung durch modulares Konzept

Sehr niedrige Bauhöhe von 15 cm realisierbar

95 g CO2/km in 2020 erreichbar

Niedrige Herstellkosten (20-30 €/kW bei einer Leistung von 100 kW)

Mobilität

Elektrifizierungder Antriebsstränge

Energie

Dezentrale Energieerzeugung

Trend

Mechanischer Antriebsstrang

Trend

Zentrale EnergieerzeugungVehicle to GridV2G

Trend

Trends und TreiberEnergie und Mobilität

3

Keine Vernetzung der Systeme

Trends und Treiber: Erdöl, China, IndienEndlichkeit der fossilen Ressourcen

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Trends und Treiber: FlexfuelZunehmende Kraftstoffvielfalt in der Zukunft

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Quelle: Auto Motor Sport 09/2006

Die Kraftstoffvielfalt wird in naher Zukunft deutlich größer.

Einen optimalen Bifuel-Motor gibt es bis heute nicht.

Für die Hersteller steigt der Applikationsaufwand und damit die Kosten.

Trends und Treiber: Emissionen Die Herausforderung: Stickoxide und Partikel

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Quelle: Shell PKW Szenarien 2001

Trends und Treiber: MotorenLösungsansatz: Homogene Selbstzündung

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Quelle: Institut Francais du Petol (IFP)

Eine deutliche Reduktion der Emissionen von NOx und Partikel ist gleichzeitig möglich.

Das Brennverfahren „Homogene Selbstzündung“ (HCCI) erfordert aber mehr Freiheitsgrade in der Steuerung der Verbrennung.

Trends und Treiber: Fahrzeuge Neue Konzepte

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GM Autonomy

Neue Fahrzeugkonzepte erfordern flache Antriebsaggregate

Modularität im Antriebsstrang würde große Kostenpotenziale heben

Der Freikolbenlineargenerator FKLGFunktionsprinzip - Vollast

9

UT OT

UT OT

pGF = 1 bar

Der Freikolbenlineargenerator FKLGFunktionsprinzip - Teillast - Variabler Hubraum

10

UT OTUT OT

UT OT

pGF = 5 bar

Der Freikolbenlineargenerator FKLGWirkungsgradkennlinie

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Hohe Wirkungsgrade im Teillastbereich durch variable Verdichtung und variablem Hubraum (ohne Nebenaggregate)

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Wir

kung

sgra

d

Lastpunkt in %

Wirkungsgrad FKLG

Wirkungsgrad konv. VM

City Überland Autobahn

60 % 30 % 10 %

Fahrzyklus

Typische Verteilung

Der Freikolbenlineargenerator FKLGEigenschaften

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Variable Verdichtung

Variabler Hubraum

Keine KurbelwelleKeine Nockenwelle

Keine Drosselklappe

Der Freikolbenlineargenerator FKLGTechnische Vorteile

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EigenschaftenFKLG

Variable Verdichtung

Variabler Hubraum

Keine KurbelwelleKeine Nockenwelle

Keine Drosselklappe

HCCI-BrennverfahrenFlexfuel-Tauglichkeit

Verbrauchsreduzierung

Online-DownsizingVerbrauchsreduzierung

Keine KolbenquerkräfteReibungsminimierung

Verbrauchsreduzierung

Der Freikolbenlineargenerator FKLGKundenvorteile

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KundenvorteilAuswirkungFKLG

HoherWirkungsgrad

FlexfuelBenzin, Erdgas, H2 ...

HCCIBrennverfahren

Variable VerdichtungVariabler Hubraum

kein Zahnriemen kein Keilriemen

NiedrigeRohemissionen

Wartungsfreiheit

keine Kolben-querkräfte

Niedrige Betriebskosten

Investitions-sicherheit

Niedrige Unterhaltskosten

Ölfreiheit durchKohlenstoffkolben

Der Freikolbenlineargenerator FKLGKundenvorteile

15

KundenvorteilAuswirkungFKLG

Niedrige Herstellkosten

Kompakte Abmessungen

Niedrige Betriebskosten

Modularisierung2 bis 12-Zylinder

Einzelkolben Nur 2 Zylinder für Massenausgleich

StandardisierungGleichteile

effektiveZylinderabschaltung

HCCI: NiedrigeRohemissionen

einfache Abgas-nachbehandlung

BetriebssicherheitAusfall-Redundanz

GeringereErsatzteilkosten

Der Freikolbenlineargenerator FKLGEntwicklungsstand

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2002: Erste PatentanmeldungenStart des FKLG-Projekts am DLR Computersimulationen des FKLG

2004: Entwicklung und Aufbau einer weltweiteinzigartigen Testeinrichtung für den FKLG

2006: Erste Generation Gasfeder und Linear-generator erfolgreich entwickelt und getestet

2008: Verbrennungsteststand und -zylinder momentan aufgebaut, Entwicklung der Steuerungssoftware

2009: Verbrennung erfolgreich in Betrieb genommen

2010: Proof of Concept

Mögliche Anwendungsfelder

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FKLG

PWTPKW

PWTBus

PWTLKW

PWTZug

PWTSchiff

PWTSPVAPU

CHP

USV

MobilHydraulik

MobilPneumatik

Mögliche AnwendungsfelderFokussierung auf lukrative Märkte

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Powertrain (PWT)Next Generation Hybridfür PKW, LKW und Bus

Auxiliary Power Unit (APU)Mobile Strom-, Wärme-und Kälteerzeugung

Combined Heat and Power (CHP)Dezentrale Stromerzeugung mitBlockheizkraftwerken

Produktname e-Pex®: electrical Power extension

PWT: Batterie-Fahrzeug Batteriekosten

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0

10 000

20 000

30 000

40 000

50 000

60 000

70 000

80 000

0 100 200 300 400 500

Bat

teri

ekos

ten

in €

Reichweite in km

2010 1000 €/kWh

2015 500 €/kWh

2020 300 €/kWh

2025 200 €/kWh

Kostenschwelle für Masseneinsatz

Energieverbrauch Elektrofahrzeug: 15 kWh/100 km

Range Extender !!!

PWT: Next Generation HybridModularisierung

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optional

optional

50 kW

M M

MM

Neue Fahrzeugkonzepte durch Integration im Unterboden des Fahrzeug

Räumliche Verteilung der e-Pex®-Module im Unterboden möglich

Flaches Package des e-Pex® Range Extender Moduls passend zur flachen Batterie

Erhöhte Ausfallsicherheit durch Redundanz

Baukastensystem: Vom Range Extender bis zum Full-Hybrid Fahrzeug

PWT: e-Pex® - AntriebsbaukastenSkalierung, Modularisierung

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e-Pex®

Range Extender 25

M50 kW

25 kW

e-Pex®

Compact 100

M M

100 kW50 kW

e-Pex®

Economics 50

M50 kW

e-Pex®

Sports 150

MM M

M

50 kW

100 kW

PWT: e-Pex® - Fahrzeug Entkopplung von Fahrleistung und Verbrauch

22

Ref

eren

zfah

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g

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0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0

Verb

rauc

h [l/

100k

m]

Verbrauch NEFZ-3

9 %

-35

% -40

%

e-Pex® e-Pex® e-Pex®

0

50

100

150

200

250

CO

2[g

/km

]

CO2-Emissionen im NEFZ

Otto-Brennverfahren (60 bar) Otto-Brennverfahren (opt.) HCCI-Brennverfahren

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g

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g

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zfah

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g

e-Pex® e-Pex® e-Pex®

PWT: e-Pex® - Fahrzeug Entkopplung von Fahrleistung und Verbrauch

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EU 2020:95 g CO2/km

PWT: e-Pex® - Fahrzeug Entkopplung von Fahrleistung und Verbrauch

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e-Pe

x®+

30 k

W L

i-Ion

Ref

eren

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g

e-Pe

x®+

30 k

W L

i-Ion

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g

e-Pe

x®+

30 k

W L

i-Ion

Ref

eren

zfah

rzeu

g

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

16.0

18.0

Zeit

[s]

Beschleunigung 0-100 km/h

PWT: e-Pex® - Fahrzeug

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KonventionellesFahrzeug

Hybrid-Fahrzeug

Batterie-Fahrzeug

Brennstoffzellen-Fahrzeug e-Pex®

WTW-Wirkungsgrad / CO2

Schadstoffemissionen / Kosten

Herstellkosten

Gewicht

Reichweite

Kraftstoff- / Ladeinfrastruktur

Technologischer Anspruch

Zusammenfassung

Kommentare Ausgereift, Optimierungs-potenzialnahezu aus-gereizt bezüg-lich Kosten und Emissionen

Hohe Komplexitätund Gewicht, reduziertesWirkungsgrad-potenzial

Reichweiten-Problematik ,hohes Gewicht und sehr hohe Kosten

FehlendeWasserstoff-Infrastruktur,ungelöstes Boil-off Prob-lem, Lebens-dauer, sehr hohe Kosten

BreakthroughTechnologie, adressiert Kernfrage-stellungen der Verbrennungsmotoren

Mit HCCI-Brennverfahren sehr niedrige Rohemissionen

Herstellkosten wie konventionelles Fahrzeug

Flexfuelfähigkeit erweitert Infrastrukturzugang

Kleine Batterie, lokales ZEV, hohe Reichweite

Hohe WTW-Effizienz im Teil-lastbereich für Stadtverkehr

Steuerung und Regelung ist aufwendig und komplex

Einfaches, kompaktesleichtes Design