Ziel der Entwicklung

Im Zuge des weltweit steigenden Energiebedarfs bei gleichzeitigen Dezentralisierungs- und Flexibilisierungsbestrebungen spielen mechanisch angetriebene Generatorlösungen mit geringen Baugrößen und Eigenmassen eine immer größer werdende Rolle. Dabei stehen temporäre Optionen für die Erzeugung bedarfsgerechter Nutzenergiemengen unmittelbar am Einsatzort im Mittelpunkt, was die Energievorhaltekosten und -aufwände erheblich senkt. Neben einer stationären Verwendung derartiger Systeme werden zunehmend mobile Varianten eingesetzt, hierbei beinhalten das Eigengewicht, die Baugröße und die Laufruhe der Kraftquellen besondere Anforderungen. Anwendungsbeispiele sind integrierte Standenergieversorgungen für Transportfahrzeuge, mobile Energieversorgungen für den gewerblichen Bereich insgesamt, Backup-Systeme für öffentliche Einrichtungen, aber auch der Konsumerbereich. Klassische Motorenkonzepte stoßen in Bezug auf das Verhältnis von Bauraum, Eigenmasse und abzugebender Leistung in kompakten Ausführungen schnell an konstruktive Grenzen. Beim effizienten Betrieb von Generatoren stellt die Laufruhe des primären Antriebs bei einem gleichbleibend hohen Drehmoment eine wesentliche Größe dar. Derzeitig übliche Lösungen realisieren diese Anforderung mittels aufwändigen Ausgleichsgetriebe-Anordnungen, was vorgenanntes Verhältnis weiter verschlechtert. Je geringer die Schwankungen des primären Antriebsmomentes sind, desto gewichtsoptimaler können mechanische Lager und Koppelglieder ausgelegt und aufwändige Ausgleichsgetriebe eingespart werden. Dies ist wiederum bei mobilen Lösungen von außerordentlichem Interesse.
Der Anspruch des Vorhabens besteht in der Entwicklung einer Leichtbau-Kraftquelle mit konstanter Drehmomenten-Abgabe bei geringer Eigenmasse und Baugröße. Die technische Lösung soll dabei neben den konstruktiven Vorteilen eine deutliche Verringerung der Masse von 20-25 Prozent gegenüber konventionellen Ausführungsformen erzielen. Innerhalb des Vorhabens soll eine technische Lösung in Form einer Leichtbauausführung eines Orbital-Getriebe-Motors (OGM) entwickelt werden. Das System soll dahingehend aus einem Vier-Zylinder-Kolbensystem und dem Orbitalumlaufgetriebe aus vier Oval-Zahnrädern bestehen. Der technologische Ansatz ist so gestaltetet, dass das Umlaufverhalten der speziellen Zahnräder eine nahezu permanente Kraft auf die zentrale Abtriebsachse realisiert, ohne dass es zu deutlichen asymmetrischen Belastungen der Lager wie bei Kurbelwellensystemen kommt. Spezifischer Vorteil der entwickelten Technologie ist eine spielfreie Kraftübertragung, die pro Vollkreis der Antriebsachse doppelt so viele Schubphasen wie ein Kurbelwellensystem hat.

Vorteile und Lösungen

Bei dem realisierten Vier-Zylinder-System werden pro Viertelkreis je eine Schubphase über den Aktiven Zylinder realisiert. Da es sich um ein 4-Taktsystem handelt, schiebt der aktive Zylinder die jeweiligen Leer-Takte der anderen Zylinder aktiv an. Im klassischen Kurbelwellensystem wird das über die Schwungmasse der Ausgleichsgewichte realisiert. Das OGM System hat weiterhin den Vorteil das pro Vollkreis viermal gezündet wird, im Gegensatz zu klassischen Vierzylindern mit nur zwei Zündungen. Diese hohe Zündfolge realisiert das hohe Drehmoment im niedrigen Drehzahlbereich und erreicht bereits im Kolbensystem die Laufruhe eines 8 Zylinders. Weiterhin werden diese Schubphasen direkt von dem Ovalzahnrad-Orbitalgetriebe übertragen und somit eine nahezu stetige Kraftwirkung in Form eines gleichförmigen Drehmoments an der Abtriebsachse erzeugt. Damit kann der Antrieb direkt ohne Untersetzung und Ausgleichsgetriebe an einen Generator gekoppelt werden. Weiterhin gestattet die Ausführungsform der stetigen Kraftumsetzung, beliebige Formen der Kolbenkrafterzeugung einzusetzen und im geschleppten Betrieb das Vierzylindersystem als Pumpensystem zu betreiben. Hierzu sind am Markt ausgereifte Komponenten für das thermodynamische Kolben-Zylinder-System sowie Zündelektronik und freiprogrammierbare Motorsteuerelektronik verfügbar, was die Gesamtsystementwicklung erleichterte. Ein weiterer wesentlicher Vorteil des OGM ist, dass dieser sehr gut als Dauerlaufantrieb für eine konstante Drehzahl- und Drehmomenten-Abgabe geeignet ist. Bezüglich der Wahl des Antriebsmittels und der Form der Brennkrafterzeugung wurde ein umweltfreundliches Propangas-Gemisch festgelegt. Im Gegensatz zu Benzin besteht keine übermäßige Gefährdung durch das Austreten von Kraftstoffen bei Betriebsstörungen des Motors. Undichtheiten im Brennstoff-Leitungssystem können durch leicht verfügbare Sicherheitseinrichtungen (EX-Schutzsensoren) erkannt und durch entsprechende Belüftungen abgefangen werden. Die entstehenden Verbrennungsrück-stände des Motorbetriebs sind außerordentlich umweltneutral, rußfrei und benötigen keine aufwendige Filtertechnologie.

Zielgruppe und Zielmarkt

Als primäre Zielgruppe für Erstapplikationen der entwickelten Technologie werden Lösungen im Sondermaschinen- und Anlagenbau sowie der Gebäudeautomation gesehen. Hierbei sollen bestehende Anlagenkonzepte insofern weiterentwickelt werden, dass einsatz- und kundenspezifische dezentrale Energieversorgungsoptionen angeboten werden können. Weiterhin sollen Lösungen zur Verfügung gestellt werden, um bestehende Automationslösungen durch lokale Notenergieversorgungsmodule (zum Beispiel Etagennotversorgung in Krankenhäusern als Konzepte zur skalierbaren dezentralen Energiesicherstellung) zu erweitern, die platzsparend unmittelbar an den industriellen Einsatzorten (Werkhallen) betrieben werden können.
Als besonderer Vorteil soll dabei die Fähigkeit der Langzeitvorhalte, hohe Verfügbarkeit, Kompaktheit, kostengünstiger Energieträger ohne gesundheitliche Risiken und Umweltbelastungen zum Tragen kommen. Hierbei soll auf toxische und wartungsintensive Batterie/Brennstoffzellen-Lösungen verzichtet werden, weiterhin sind klassische Benzin- und Diesel-Lösungen aus gesundheitlichen Gründen ausgeschlossen.
Das OGM-Konzept zeichnet sich hierbei durch folgende Merkmale aus: Kostengünstig durch Aufbau ausverfügbaren Basistechnologien; keine Nutzung von exotischen/ toxischen/ kostenintensiven Rohstoffen; Niedrige Komplexität für Wartung / Reparaturen; Geringes Gefahrenpotenzial; Geringer Platzbedarf + geringe Masse + robuste Ausführung; Hohe Leistung bei niedrigem Energieträgerverbrauch.
Als sekundäre Zielgruppen sind mobile beziehungsweise teilmobile Verwendungen des OGM-Systems möglich. Hierbei soll das System, ähnlich wie in den Maschinenbauanwendungen als lokaler Energielieferant zu Frachtenergieversorgung bei Frachtcontainer oder Energiequelle für elektrische Antriebe zum Einsatz kommen.
Als besondere Zielgruppe kann hierbei der Luftsport oder der Bereich der Leichtfluggeräte benannt werden, deren Vertreter bereits bei Diskussionen starkes Interesse an dem OGM-Konzept gezeigt haben.
Die Einsatzbreite von Elektromotoren und mechatronischen Systemen hat in den letzten Jahren deutlich zugenommen. Das gilt neben stationären vor allem für mobile Anwendungen. Somit steigt der Bedarf an sicheren unterbrechungsfreien Elektroenergie-Erzeugungssystemen, welche die Funktionsfähigkeit der mechatronischen Komponenten auch ohne netz- oder batteriebasierte Hauptenergieerzeugung sicherstellen. Beispiele hierfür sind die Standenergieerzeugung für LKW oder Schiffe, bei denen der Hauptantrieb in Parkposition deaktiviert wird, aber die Bordsysteme und Ladung weiterhin mit Energie versorgt werden müssen. Weiterhin sind netzunabhängige Kleinindustrieanlagen zu nennen, die nur temporär Wirk- oder Prozessvorhalteenergie benötigen.
In den letzten Jahren ist in vielen Teilen der Welt ein steigender Bedarf an insbesondere kleinen Systemen zur Erzeugung von Elektroenergie (zwischen 2 und 12 Kilowattstunden) zu verzeichnen. Neben Solar- und Windanlagen, welche eine hohe Empfindlichkeit gegen Umweltereignisse besitzen, konzertiert sich der Bedarf vor allem auf einfach zu wartende und zu reparierende kompakte Motor-Generator-Systeme, die mit einer Vielzahl von Verbrennungskraftstoffen betrieben werden können. Hintergrund dieser Entwicklung ist, dass in vielen Regionen auf den Aufbau einer leistungsstarken energietechnischen Infrastruktur aus Kostengründen verzichtet und eher der Ausbau der drahtlosen Informationstechnologien vorangetrieben wird. Hierfür ist die Verwendung der entwickelten technischen Lösung von großem Interesse.
Vor diesem Hintergrund und den Problematiken der momentanen Neuorientierung der überregionalen Inlands-Elektroenergieversorgung zu dezentralen Clustern aus verschiedenen Quellen wird deutlich, dass auch dezentrale Insellösungen für Kleinabnehmer mehr an Attraktivität gewinnen. Hier sind vor allem wartungsgünstige stand-by fähige Einrichtungen von Interesse, welche lokale Versorgungsschwankungen abfedern oder über einen definierten Arbeitszyklus eine stabile Energieversorgung gewährleisten.