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Laufstabilität
Wer sich mit Freikolbenmotoren befasst, wird öfters mit der Argumentation konfrontiert, dass diese Motoren angeblich sehr instabil und schwierig zu regeln sein sollen. Sogar in Arbeiten von namhaften Forschungsinstituten wird aur diesen angeblichen Umstand hingewiesen, und dass noch viel Grundlagenforschung betrieben werden müsse, um die Motoren beherrschen zu können.
Betrachten wir hierbei die Arbeit von Robert Huber, der nachstehend zum Thema Betriebsstabilität zitiert wird.
"Im Laufe der Entwicklung dieser Maschinen mussten viele Probleme gelöst werden. Eines der schwierigsten betraf den absolut gleichmässigen Dauerbetrieb eines Kolbens, der nicht mit einer Baugruppe - bestehend aus Pleuel und Kurbelwelle - verbunden ist.
Auf den ersten Blick mag es scheinen, dass der Wegfall der klassischen Pleuelstange-Kurbelwelle Kopplung zwangsläufig in einen sensiblen Betriebszustand münden würde, und dass kleine Störungen oder Fehleinstellungen dazu führten, dass der Motor unregelmässig zu betreiben wäre oder sogar abgewürgt würde.
Allerdings wurden viele Freikolbenmotoren dieser Art über Jahrzehnte gebaut, welche Tausende von Betriebsstunden liefen ohne einen einzigen Zwischenfall, bedingt durch den Wegfall von Kolbenbolzen, Pleuel und Kurbelwelle."
Der Freikolben-Gaserzeuger A enthält zwei gegenüberliegende Stufenkolben (1) mit identischem und symmetrischem Hub.
Der Motorzylinder (2) ist in der Mitte. Er arbeitet als aufgeladener Zweitakt-Dieselmotor. Die zwei Kompressorzylinder (4) sind an beiden Enden des zentralen Gehäuses angeordnet. Die Endräume (3) bilden die Rückwurfzylinder, welche die Energie für den Rückhub speichern. Die verdichtete Luft wird zum Spülen des Arbeitszylinders verwendet.
Frischluft wird durch die Ventile (5) angesaugt und durch die Ventile (6) in den Spülluftbehälter (S) gepumpt, der den Motorzylinder umgibt. Der Kraftstoff wird durch Düsen (7) eingespritzt, die in der Mitte der Brennkammer angeordnet sind.
Die Abgase aus dem Motorzylinder gelangen, vermischt mit dem Spülluftüberschuss, in den Auspufftopf (B) und von dort in die Gasturbine (C), welche mechanische Leistung nach aussen abgibt.
"Die Aufzeichnung aufeinanderfolgender Kolbenhübe bietet eine sehr zuverlässige Methode zur Analyse und Untersuchung der Funktionsweise des Motors.Diese Aufzeichnungen zeigen die Position der inneren und äusseren Totpunkte in Bezug auf die Maschinenmitte sehr genau, wovon der Kompressionsdruck innerhalb des Motorzylinders abgeleitet werden kann, die momentane Belastung, sowie die Regelung der aufeinanderfolgenden Zyklen bzw. Hübe."
Die maximale Abweichung des äusseren Totpunktes in Bezug auf die mittlere Position beträgt max. 1.4 mm. Für diese äussere Totpunktlage ist der effektive Druck in den Rückwurfzylinder gleich 4.5 kg/cm2.
Die Energieschwankung infolge der Unregelmässigkeiten ist 41 kgm, was +/- 1,2% entspricht bei einer indizierten Leistung von 3430 kgm. In der Praxis variiert die Leistung noch weniger, da die Verschiebungen des äusseren Totpunktes nicht allein durch hubweise kleine Unterschiede der Fördermenge hervorgerufen werden, sondern auch durch Variationen der Kompressorarbeit und der Reibungsverluste.
"Hubaufzeichnungen stellen darüber hinaus eine sehr praktische Mittel dar zum Nachvollziehen der Veränderungen durch kurzzeitige Störungen, insbesondere bei der Kraftstoffeinspritzung. Zu Testzwecken wurden solche Störungen simuliert, dies durch die Variation der eingespritzten Kraftstoffmenge für einen Zeitraum von mehreren Zyklen."
Diese Diagramme zeigen daher, dass es eine sehr ausgeprägte Tendenz seitens des Motors gibt, sich nach jeder Unterbrechung des Normalbetriebs selbst wieder in denselbigen zu justieren.
Der Grad der Stabilität eines Motors hängt ab von der Anordnung und den Abmessungen der Motor- sowie der Kompressorzylinder.
Wie in Abbildung 11 dargestellt, dauern die kürzeren Hübe über mehrere Zyklen an.
Die Kraftstoffeinspritzung wurde an Punkt A um etwa ein Drittel reduziert. Der innere Totpunkt verschiebt sich nach aussen, aber nach etwa sechs Zyklen ist er wieder auf seiner früheren Position (B), was darauf hinweist, dass die Druckanpassung in den Rückwurfzylinder abgeschlossen ist.
Die benötigte Zeit für diese Anpassung war etwa 0,6 Sekunden.
Eine Verschiebung des inneren Totpunktes um die gleiche, aber entgegengesetzte Grössenordnung zwischen den Punkten C und D zeigt die Reaktion, wenn die Kraftstoffeinspritzung wieder auf den ursprünglichen Wert erhöht wird.
Die oben auszugsweise zitierte Studie zeigt, dass Freikolbenmotoren mit perfekter Zuverlässigkeit und Gleichmässigkeit betrieben werden können, trotz der fehlenden Kurbelwellen- Zwangssteuerung.
Eine Kollision der beiden Kolben oder der Kolben mit den äusseren Zylinderdeckeln ist (bei korrekter Auslegung) nicht möglich. Selbst bei temporären Störungen durch fehlerhafte Kraftstoffeinspritzung, bei übermässiger Reibung oder bei undichten Ventilen verändert sich der Normalbetrieb nicht.