Neue Hydrostatische Antriebe

Hydrostatische Antriebe werden seit mehr als 60 Jahren überwie-gend in schweren Arbeitsmaschinen verwendet bei denen eine Kraftunterbrechnung während des Schaltens nicht zulässig ist. Aufgrund der einfachen Bedienung werden sie auch als Antrieb für Garten-Traktoren populär - Geschwindigkeitsbereich, Gewicht und Verbrauch sind hier jedoch von geringer Prioritat. Die Antriebe bestehen aus einer von einem Verbrennungsmotor angetriebenen Pumpe die Druckflüssigkeit erzeugt und damit hydraulische Moto-ren antreibt die die Energie wieder in mechanische Bewegungen umwandeln. Pumpen und Motoren haben einen variablen Hubraum um den Operationsbreich zu erweitern. Die Fähigkeit die Energie schnell zu speichern und abzugeben erhöht Leistung und Effizienz und reduziert die erforderliche Grösse des Verbrennungs-motors, den Verbrauch und die Emissionen.

Für Straßenfahrzeuge sind diese Antriebe jedoch nicht geeignet da deren Operationsbereich bei weitem zu schmal und die Energiever-luste, Kosten und das Gewicht zu hoch sind. Nur eine drastische Verbesserung technischer Daten und die Reduzierung der Kosten ermöglichen Fahrzeugkonzepte die die geforderten erheblichen Reduzierungen in Verbrauch und Emissionen erzielen. Maßnah-men die der Erhöhung der Verkehrssicherheit dienen sollten gleich-zeitig mit eingeschlossen werden.

Der neue fortschrittliche hydrostatische Antrieb erfüllt diese Anfor-derungen. Er besteht aus einer hydraulischen Frei-Kolben Brenn-kraftmaschine zur Erzeugung von Druckflüssigkeit, einem Akkumu-lator zur Speicherung der Energie und hydraulischen Axial-Kolben Radmotoren zum Antreiben und Bremsen des Fahrzeuges. Da der Energiespeicher die Leistungsspitzen für das Beschleunigen zur Verfügung stellt ist nur eine wesentlich kleinere Antriebsmaschine (-2/3)  für das Aufladen des Akkumulators erforderlich. Sie operiert im intermittierenden Betrieb unter optimalen Bedingungen wodurch bestmögliche Werte für Verbrauch und Emissionen erzielt werden. Auch andersartige Energiequellen (elektrisch, mechanisch) können zur Aufladung des Akkumulators verwendet werden.

Die Entwicklung des Hydraulik Hybrid ‚Ingocar‘ basiert auf Test-ergebnissen des hydraulischen Motors und detaillierten Entwürfen der Frei-Kolben Brennkraftmaschine. Die Antriebstechnologie basiert auf einer größeren Anzahl neuer Bauweisen die durch

Advanced Hydrostatic Drivetrain

Patente (6) oder zum Patent angemeldeten Erfindungen (2) ermöglicht werden. Die Auswirkungen dieser auf den Ingocar, dessen Antriebskomponenten und weitere Anwendungen fort-schrittlicher hydrostatischer Antriebe werden im folgenden demonstriert.

 

Hydraulische Frei-Kolben Brennkraftmaschine

Die hydraulische Frei-Kolben Maschine mit Impuls-Lader ist sehr einfach, klein und effizient. Die Kraft der Brenngase auf den Kolben wird hier direkt, ohne Verwendung eines Kurbeltriebes, in hydrau-lischen Druck übertragen. Er ist daher frei von Seitenkräften und eine Schmierung nicht erforderlich. Die Mechanik ist somit unem-pfindlich gegenüber hohen Drücken, Temperaturen und Geschwin-digkeiten. Das dadurch zulässige grosse Kompressionsverhältnis und sehr hohe Aufladung erzielen ungewöhnlich hohe Leistungen und Wirkungsgrade bei gleichzeitig stark reduzierten Abmessungen und Kosten. 

Die 2-Takt Frei-Kolben Brennkraftmaschine hat zwei gegenläufige Kolben in einem Zylinder deren Geschwindigkeit und Position durch die Brenn- und hydraulisch gesteuerten Kräfte bestimmt werden. Diese werden durch elektro-hydraulische Ventile kontrolliert und bestimmen am Ende des Hubes, unabhängig voneinander, das Öffnen und Schließen der Ein- und Auslaßkanäle für die Brenn-gase. Erzielt wird dadurch die beste Form der Zylinderspülung (Gleichstrom) und ein nahezu vibrationsfreier Lauf. Öffnungs- und Schließzeiten sowie das Verdichtungsverhältnis (35:1) sind schnell und stufenlos veränderbar, so daß alle handelsüblichen Kraftstoffe (Flüssigkeiten, Gase) unter besten Bedingungen verarbeitet wer-den können. Die Kontrolle der Kanäle, Gleichstrom-Spülung und Direkteinspritzung vermeiden die Nachteile des im Prinzip ein-fachen und effizienten 2-Takt Systems.

Der Kolben des Impuls-Laders wird vom Abgas der Brennkraftma-schine angetrieben und entzieht dessen thermische und kinetische Energie mit sehr hohem Wirkungsgrad (Stossaufladung, geringe thermodynamische Verluste). Die Ladeluftseite des Kolbens ver-sorgt den Brennraum mit komprimierter Luft und die hydraulische Seite den Akkumulator mit Druckflüssigkeit. Die Aufteilung in Lade-luft und Druckflüssigkeit ist stufenlos veränderbar um den Entzug der Energie aus dem Abgas zu maximieren. Der stufenweise Druckabbau der Brenngase reduziert den Auslassdruck und die Geräuschabstrahlung.

Gains in Power and Efficiency

Das p-V Diagram zeigt die hohe Kompression und Leistung der Frei-Kolben Maschine und die Rekuperation von Abgasenergie in der zusätzlichen Expansionphase des Impuls-Laders.

Die hydraulisch angetriebene Einspritzpumpe des neuartigen peri-pheren Einspritzsystems übersetzt den hydraulischen Druck des Akkumulators verlustarm in sehr hohe Einspritzdrücke (3.500 bar) des Kraftstoffes. Dieser wird durch eine grössere Anzahl (24) sehr schmaler Schlitze am Umfang des Brennraumes direkt eingespritzt. Die periphere Anordnung der Schlitze vermeidet den örtlichen Luft-mangel der durch die Konzentration mehrerer Kraftstoffstrahlen (5-8) bisher an der Düse entsteht. Ebenso wird das Anspritzen der Zylinderwand und der nicht mehr erforderlichen Brennraummulde weitestgehend vermieden. Die erzielte homogene Verteilung und sehr feine Zerstäubung reduziert die Temperaturspitzen während der Verbrennung. Hohe Turbulenzen zur Vermischung der Brenn-gase sind nicht mehr erforderlich wodurch sich die Wandwärme-verluste und thermische Belastung der Brennkammer merkbar verringern und somit den Wirkungsgrad verbessern. Unter diesen Bedingungen wird die Bildung von Stickoxyden (NOx) (>70%) und Ruß stark reduziert. Kaum noch messbare Werte sind zwischen-zeitlich mit ähnlichen, aber weniger fortschrittlichen Konzepten für begrenzte Operationsbereiche erzielt worden. HC und CO Emis-sionen sind bei Dieselmotoren generell relativ niedrig, und die CO2 Emissionen reduzieren sich proportional mit dem Kraftstoffver-brauch des Antriebsmotors (>30%) - beim Ingocar >75%.

In der Bauart vergleichbare Dieselmotoren großer Schiffe (2-Takt, Hub/Bohrungsverhältnis > 3:1, Gleichstromspülung, Turbo Aufla-dung, Abgasenergie Rückgewinnung) erzielen einen sehr hohen effektiven Wirkungsgrad von bis zu 55% (153 gr/kW·h). Bei einem dieser Motoren (MAN B&W K98 MC) wird trotz niedriger Kolben-geschwindigkeit (8,3 m/sec), sehr niedriger Qualität des Kraftstoffes und geringem mittleren spezifischem Druck von 18,2 bar eine Kolbenflächenleistung von 755 W/cm2 erreicht. (Mollenhauer, Handbuch Dieselmotoren, Springer Verlag, 2001) Die verwendete Kolbenflächenleistung kennzeichnet den Stand der Technik und ist unabhängig von der Größe und Drehzahl der Motoren. Beachtens-wert ist hier auch, daß der Zylindermantel trotz der erforderlichen Kolbenschmierung nicht mit Wasser gekühlt wird.

Die Unempfindlichkeit der Frei-Kolben Maschine gegenüber hohen Drücken, Temperaturen und Geschwindigkeiten (keine Kolben-Seitenkräfte), die höhere Qualität der Verbrennung und des Kraft-stoffes, sowie der hohe Wirkungsgrad der Implus-Aufladung lassen eine erheblich grössere Kolbenflächleistung zu. Eine Anhebung der Kolbengeschwingkeit auf 15 m/sec und des mittleren Druckes pe auf 45 (+) bar durch höhere Kompressionsverhältnisse und Lade-luftdrücke, ermöglichen eine Flächenleistung von 3.4 kW/cm². Dieser Wert wurde bei der Auslegung der Frei-Kolben Maschine für den Helicopter und das Kettenfahrzeug zugrunde gelegt. Erwartet wird, dass die vorteilhaften Abmessungen großer Motoren (geringe Wandwärmeverluste) durch die wesentlich bessere Verbrennung und sehr geringe mechanische Reibung der Frei-Kolben Maschine mehr als ausgeglichen werden. PKW Motoren für Serienfahrzeuge erzielen Leistungen von 133 kW/L (Mercedes AMG) mittlere Drücke von pe = 32 bar (BMW, Borg Warner) und Geschwindigkeiten von 18 m/sec. Neueste Motoren für Rallyfahrzeuge erreichen 250 kW/L (VW). Es wird erwartet, daß die höheren Drehzahlen der gegenwär-tigen Motoren durch die merkbar höheren Drücke und besseren Wirkungsgrade der Frei-Kolben Maschine (268 kW/L) mehr als kompensiert werden.

Die Erwartung des hohen thermischen Wirkungsgrades von ca. 65% wird durch das hervorragende dynamische Verhalten der gegenüberliegenden Kolben (nahezu Gleichraumverbrennung), der kleinere Brennraumoberfläche (-55%), sowie die sehr effiziente Rekuperation von Abgasenergie durch den Impuls-Lader unter-stützt. Unter Berücksichtigung der sehr geringen Reibungsverluste der Frei-Kolben Maschine, den zusätzlichen hydraulischen Ver-lusten (5%) für die Ansteuerung der Frei-Kolben und den Antrieb der Einspritzpumpe wird eine Reduzierung des Verbrauches auf 140 gr/kW∙h (-30%) erwartet.

Im Vergleich zu Turboschaft-Triebwerken sind der Verbrauch der Frei-Kolben Maschine um 45% und der Einbauraum um 55% geringer. Die Verwendung von Titan Bauteilen reduziert das Gewicht um ca. 35%. (Siehe Tabelle unten)

http://www.valentintechnologies.com/Data/Sites/30/media/drivetrain/chart-german.gif

 

Hydraulischer Motor

Hydraulische Motoren für Fahrzeuge müssen sehr effizient, klein, leicht und im Hubvolumen verstellbar sein. Dieses erfordert hohe Betriebsdrücke die nur von Kolbenmaschinen dauerhaft erreicht werden. Axialkolben-Motoren erreichen, im Vergleich mit Radial-kolben-Motoren, einen weiteren Stellbereich, höhere Drehzahlen und eine leichtere Bauweise. Von diesen haben die Motoren in Schrägachsen-Bauweise einen größeren Stell- und Drehzahl-bereich und besseren Wirkungsgrad (geringere mechanische Ver-luste), sind jedoch deutlich größer, schwerer, teurer und haben  eine kürzere Lebensdauer als die der Schrägscheiben-Bauweise.

 

Hydraulic Wheel Motor

Der neue Motor ist ein Schrägscheiben Triebwerk. Mehrere patentierte und neue Bauweisen resultieren in eine drastische Verringerung von Baugröße und Gewicht (-60%), Erhöhung der Drehzahl und Erweiterung des Stellbereiches für das Hubvolumen, sowie eine signifikante Verringerung der Verluste, speziell in den wichtigen Bereichen kleiner Leistungen. Die Bauweise ist über einen sehr weiten Bereich von 10 kW bis 10 MW skalierbar. Im Vergleich mit Elektromotoren für Fahrzeugantriebe haben die neuen Motore eine 20-fach höhere spezifische Leistung (kW/kg) und einen noch deutlich höheren Faktor hinsichtlich des Bau-volumens (kW/L). Weiterhin ist die Regelung des hydraulischen Motors wesentlich einfacher.

Der Stellbereich wird durch die stufenlose Verstellung der Schräg-scheibe von 0° bis 33° (+ 57%) erhöht, vergleichbar mit einem Stellwinkel von 40,5° von Schrägachsen-Triebwerken. Diese haben jedoch bei großen Winkeln keinen oder nur in einen begrenzten Stellbereich und keine Null-Stellung wie es für fortschrittliche Fahr-antriebskonzepte erforderlich ist. Weiterhin erweitern neue Wege der Flüssigkeitsführung und Bauteillagerung den Drehzahlbereich um 80%. Konventionelle Hydraulik Hybrids übertragen die Leistung daher, aufgrund des kleinen Stell- und Drehzahlbereiches und der höherer Verluste, bei höheren Geschwindigkeiten durch ein zusätz-liches, mehrstufiges Zahnradgetriebe mit Kardanwelle.

Die kritischen mechanischen Belastungen verringern sich aufgrund der neuen Triebwerks-Geometrie erheblich und die entstehenden mechanischen Reibverluste werden durch die beidseitige Diamond-Like-Coating (DLC) Beschichtung um mehr als 50% reduziert. Die bei kleinen Stellwinkeln erheblich zunehmenden Kompressionsver-luste werden durch die aussermittige Lagerung der Schrägscheibe auf das machbare Minimum verringert. Prototypentest haben die Wirksamkeit und Zuverlässigkeit der neuen Bauweise bestätigt.

Die Reduzierung der hydraulischen Verluste wird durch mehrere patentierte und neue Bauweisen erzielt. Die äusseren Verluste durch Leckage verringern sich aufgrund der kleineren Bauweise mit kürzeren Dichtlängen um mehr als 30%. Die erhebliche Reduzier-ung der inneren Leckage, generell der wesentliche Anteil aller Ver-luste, wird u.a. durch patentierte und neue Mechanismen zur Druckanpassung bei der Umsteuerung zwichen den Hoch-, Mittel- und Niederdruck-Bereichen an der Ventilplatte erreicht. Diese Anpassung dient gleichzeitig der Minderung von Geräusch und Vibrationen. Tests, Erfahrungen und Berechnungen deuten darauf-hin dass durch diese Verbesserungen, die alle kritischen Bereiche betreffen, die bisherigen Vorteile der Schrägachsen Bauweise nahezu aufgehoben und in den entscheidenden Punkten übertroffen werden.

Basierend auf diesen Maßnahmen ist der Operationsbereich - ein Product aus nutzbarem Drehzahl-, Druck-, und Stellbereich - um einen Faktor 5.6, und das Leistungsgewicht um einen Faktor 6 größer als bei gegenwärtigen Produkten. Das Diagramm zeigt die technischen Daten der Operationsbereiche der derzeitig besten Motoren im Vergleich zum neuen Motor.

Der verstellbare Motor des Vorderrades hat eine Maximalleistung von 120 kW und wiegt 7.5 kg mit Planetengetriebe. Diese Voraus-setzungen ermöglichen Antriebskonzepte bei denen der Antrieb in das Rad verlegt wird – ohne mehrstufiges Schaltgetriebe – klein, leicht und sehr effizient.

U.S. Patente, Internationale Patente, Patente angemeldet.

 

Vergleich mit elektrischen Antrieben

Im Vergleich mit dem Ingocar (533 kg) wiegen Elektro- oder Elektro-Hybrids das 2.5-fache und mehr. Der Energieverbrauch (Well to wheel) ist aufgrund des höheren Fahrzeuggewichts, der deutlich größeren Abmessungen des Antriebes (Luftwiderstand), geringen Rückgewinnung von Bremsenergie (ca. 20%), sowie der Verluste bei der Herstellung und Übertragung elektrischer Energie ganz erheblich höher. Die Wirkungsgrade der jeweiligen Kompo-nenten (Motore/Energiespeicher) weichen nur geringfügig vonein-ander ab, deren Anzahl ist jedoch bei hydraulischen Antrieben geringer. Die CO2 Emissionen sind daher auch bei einem für die Zukunft angestrebten Strommix höher als bei einem 1 ¼ Liter Auto.

Elektrische Fahrantriebe können aus praktischen Gründen nicht die vollen Bremsleistungen aufnehmen (rekuperieren) da das Gewicht elektrischer Motoren für Fahrzeuge um einen Faktor 20 größer ist und auch die Batterien nicht in der Lage sind die kurzfristig hohen Bremsleistungen aufzunehmen. Vergleichbare elektrische Radmo-toren erhöhen das Gewicht der Räder eines Personenwagens um ca. 300 kg, und die Aufnahme der Bremsenergie durch Kapazita-toren kompliziert den Aufbau und erhöht Raumbedarf, Gewicht und Kosten. Elektrische Antriebe benötigen daher weiterhin ein separates, konventionelles Bremssystem.

Die Graphic zeigt den Einfluss des Fahrzeuggewichts, der Effizienz des Antriebes und der rekuperierten Bremsenergiee auf den Ener-giebedarf eines Fahrzeuges. Die verwendeten Daten entsprechen ca. denen der Fahrzeuge: Tesla S, Toyota Prius, konventionellem Personenwagen, hypothetischem Hydraulik Hybrid mit mecha-nischem Getriebe und dem Hydraulic Hybrid - Ingocar.

In der Gesamt-Bilanz verschiebt sich das Ergebnis weiterhin zu Ungunsten der elektrischen Antriebe aufgrund der zunehmenden Abhängigkeit von ausländischen Quellen für Rohstoffe (Metalle - Kupfer, Lithium, und andere) und dem hohen Aufwand für die Herstellung, den Austausch und das Recycling der Batterien. Die unbefriedigenden Reichweiten, mangelnde Leistung bei niedrigeren Temperaturen und unvollständige Infrastruktur sind weitere Nachteile.

Fazit: Die Belastung für die Umwelt und die Kosten für den Erwerb,  Betrieb und die Unterhaltung sind bei Elektrik- oder Elektrik-Hybrids erheblich höher – auch langfristig.

 

Weitere Anwendungen Fortschrittlicher Hydrostatischer Antriebe

Das Ziel ist es die Funktion, Kosten und Umweltbelastung durch den Verkehr gravierend zu verbessern. Die folgenden Projekte zeigen den Umfang des Einflusses der Technologie auf gegen-wärtige Antriebskonzepte. Aus dem weiten Anwendungsspektrum werden folgende Projekte dargestellt:

  • Hydrostatische Windkraftanlage 
  • Hochgeschwindigkeits-Hubschrauber
  • Allrad-Antrieb Kettenfahrzeug
  • Hydrostatischer Schiffsantrieb
  • Lokomotive mit Energie-Speicherung
  • Hydro Bike 

Ziel der Veröffentlichung ist es finanzielle Unterstützung für die Entwicklung der neuen Technologie zu gewinnen und Produkte herzustellen und zu vermarkten.

Advanced Hydrostatic Drives

Hydrostatic drives are in service for more than 60 years, predominantly in heavy construction machinery where the interruption of torque during shifting is not admissible. Because of their ease of use, they became also popular in garden tractors and other small equipment. However, speed range and efficiency are here of lesser importance. The drives consist of a combustion engine driving a pump, transmitting pressurized fluid to a hydraulic motor which converts the energy back into mecha-nical power. Pumps and motors have a variable displacement to extend their range of operation. The ability to store and release energy fast increases the power and efficiency and reduces the required size of the engine, the consumption and emissions.

Concept of Hydrostatic Drivetrain

The drives are not suitable for road vehicles since their operating range is by far too small and the energy losses, costs and weight are too high. Only drastically improved technical data and a reduction in costs allow for vehicle concepts fulfilling the requirements for the considerable reduction in fuel consumption and emissions. In addition, measures which improve the safety should be included.

The new advanced hydrostatic drive fulfills these requirements. It consists of a hydraulic Free-Piston Combustion Engine for producing pressurized fluid, an accumulator for storing the energy, and hydraulic Axial-Piston Wheel Motors for driving and breaking the vehicle.

Conventional Hydrostatic Drivetrain

Since the accumulator provides the power peaks for acceleration only a noticeably smaller engine (-2/3) is required to charge the accumulator. The intermittently working engine operates here at optimal conditions (load, speed) for best possible fuel consumption and emissions. Other types of energy sources (electric, mechanic) can also be applied to charge the accumulator.

The development of the Hydraulic Hybrid ‘Ingocar’ is based on previous tests of the hydraulic motor and detailed designs of the new free-piston engine. The drivetrain technology includes a larger number of features described in Patents (6) or Patent applications (2). Their influence in the Ingocar, its drivetrain components, and additional advanced hydro-static drive systems are demonstrated in the following sections.

 

Hydraulic Free-Piston                 Combustion Engine

The Hydraulic Free-Piston Engine with Impulse-Charger is very simple, small, and efficient. The combustion forces are directly transferred into hydraulic forces, without utilizing a crank mechanism. The piston is free of side forces and its lubrication is not required. The mechanics are therefore insensitive towards high pressure, temperatures and veloci-ties. Therefore, high charge pressures and compression ratios can be used, achieving unusually high powers and efficiencies and simulta-neously a significant reduction in size.

The 2-stroke free-piston engine has two opposing pistons in one cylinder. Position and velocity of the pistons are determined through the combustion and hydraulic forces acting on the pistons. The forces are initiated through fast, electro-hydraulic vales, controlling at the end of the stroke, independently from each other, the opening and closing of the in- and outlet ports for the combustion air. This allows the best type of scavenging (uniflow) and a vibration-free operation. The opening and closing of the ports and the compression ratio (35:1 +) become fast and infinitely adjustable, allowing the use of all common combustible fuels (fluids, gases) under optimal conditions. This control of ports, uniflow scavenging, and direct fuel injection overcomes the disadvantages of the principally simpler and more efficient 2-stroke system.

The piston of the impulse-charger is driven by the exhaust gases of the engine and extracts the thermal and kinetic energy form the exhaust gas very efficiently (pulse charge, low thermodynamic losses). The air side of the charger piston pumps compressed air to the combustion chamber, and the hydraulic side pressurized fluid into the accumulator. The distribution in charge air and hydraulic power is infinitely adjustable to maximize the energy extraction form the exhaust gas. The stepwise reduction of the gas pressure reduces the exhaust pressure and radiation of noise.

The p-V Diagram shows the high compression and power of the free-piston engine and the recuperation of exhaust energy in the additional expansion phase of the impulse-charger.

The hydraulically driven fuel injection pump of the new peripheral fuel injection system transmits the hydraulic pressure of the accumulator directly and very efficiently into very high pressure (50,000 psi) of the fuel. The fuel is injected through a larger number of very small slots (20) at the circumference of the combustion chamber. The peripheral arrangement prevents the insufficient local air supply due to the con-centration of fuel beams (5-8) at the nozzle. In addition, an impinge-ment of fuel at the cylinder wall and piston bowl, not required anymore, is largely prevented. The resulting, homogeneous distribution and high atomization of fuel reduces high local temperatures during the com-bustion. Highly turbulent air, noticeably increasing the heat losses and thermal stress for piston and liner is not required anymore, increasing the efficiency. Under these conditions, NOx (>70%) and soot emissions are significantly reduced. In the meantime, nearly non-measurable NOx emissions have been reached at limited operating conditions with com-parable, but less sophisticated systems. The HC and CO emissions are generally relatively low in Diesel engines, and CO2 emissions are reduced proportionally to the fuel consumption (>30%).

Diesel engines of comparable design for large ships (2-stroke, stroke to bore ratio > 3:1, uniflow scavenging, turbo compounded) achieve high conversion efficiencies of up to 55% (251 lb/hp·h). A large ship engine (MAN B&W K98MC) achieves at a low piston velocity of 27 ft/sec (8.3 m/sec), very poor fuel quality, and a mean effective pressure (b mep) of 264 psi (18.2 bars) a ‘piston area power’ of ca. 6.6 hp/in² (755 W/cm²) (Mollenhauer, Handbuch Dieselmotoren, Springer Verlag, 2001, ISBN 3-540-41239-5) The specific power per piston face area (hp/in²) indi-cates the State of the Art of combustion engines, independent of its size and rotational speed. It is also worth noting that the cylinder barrel of the engine is here not water cooled.

The low sensitivity of the free-piston engine towards high pressures, temperatures and velocities (no piston side loads), the noticeably higher quality of the fuel and combustion, and the high efficiency of the impulse-charger allow for a significant increase of the above stated power of 6.6 hp/in². An increase of the piston velocity to 50 ft/sec and a b mep to 650 (+) psi, and higher charge pressure and increased com-pression ratio allow for a ‘piston area power’ of 30 hp/in². These data are used for the layout of the engine for the helicopter and the tracked vehicle. It is expected that the favorable dimensions of the large Diesel engines (low cylinder wall heat losses) are more than compensated through the high combustion efficiency and reduced mechanical friction of the free-piston engine. Current engines for cars in production reach performances of 2.96 hp/cu.in (133 kW/L) (Mercedes AMG), a b mep of 464 psi (32 bar) (BMW, Borg Warner) and velocities of 59 ft/sec (18 m/sec.). Latest engines for rally cars reach 5.56 hp/cu.in (250 kW/L) (VW). It is expected, that the higher rpm. of the current engines will be compensated through the noticeably higher pressures and increased efficiencies of the free-piston engine.

 

 

Summary: The expectations of achieving the high thermal efficiency of 65% are based furthermore on the excellent dynamic behavior of the opposing free-pistons (nearly constant volume combustion), smaller surface area (-55%) of the combustion chamber, and highly efficient recuperation of exhaust energy through the impulse-charger. When considering the very low friction losses of the free-piston engine and the additional hydraulic losses (+ ca.5%) for controlling the piston and driving the fuel injection pump, a reduction in specific fuel consumption to 230 lb/hp·h (-30%) (140 gr/kW·h) is expected.

In comparison with Turboshaft engines, the Free-Piston Engine reduces the fuel consumption by 45% and the space required by 55%. The use of Titanium components lowers the weight by 35%. (See table below)

 

Hydraulic Motor

Hydraulic motors for vehicles have to be very efficient, small, light, and their displacement has to be adjustable. These conditions require high operating pressures, obtained reliably only with piston units. Axial-piston motor types provide, in comparison with radial-piston units, a wider adjustment range, higher rotational speed, and lower weight. Of those, bent-axis type axial-piston motors have a wider range of adjust-ment and speed and are more efficient (lower mechanical losses), but are noticeably larger in size, heavier, more expensive and have a shorter life expectancy than swashplate-type motors.

The new motor is a swashplate type unit. Several patented and new features result in a drastically reduced size and weight (-60%), an increase in speed and a widening of the adjustment range of the displacement, and a significant reduction of losses, especially in the important areas of low powers. The design concept is scalable over a very wide area, from 15 hp to 15,000 hp. In comparison to electric motors for automotive drivetrains, the new motors have a 20 times higher specific power (kW/kg) and a larger factor regarding the specific volume (kW/Liter). In addition, the control for the hydraulic motors is noticeably simpler.

The displacement is infinitely adjusted by tilting the swashplate from 0° to 33° (+57%), comparable with a 40.5° tilt angle for bent-axis type units. However, bent-axis units with large tilt angles have no or only a limited adjustment range and no zero position, as needed for advanced drivetrain concepts. New fluid flow patterns and bearing systems of the new unit widen the speed capacity by ca. 80%. Conventional Hydraulic Hybrids transmit, because of their narrow adjustment and speed range and higher losses, the power at higher speeds through an additional conventional geared transmission and drive shafts.

Based on the new motor geometry, the critical mechanical loads have been lowered noticeably and the mechanical friction losses reduced through double-sided Diamond-Like-Coating (DLC) by more than 50%. The compression losses, significantly increasing with low swashplate tilt angles, are reduced to a minimum due to the off-center swashplate adjustment. Prototype tests have confirmed the efficacy and reliability of the design.

The hydraulic losses are reduced noticeably through several patented and new mechanisms. The small size and shorter sealing areas reduce the external leakage by more than 30%. A significant reduction of inter-nal leakage, generally the largest portion of losses, is reached through patented and new features, i.e. controlling the step-wise adjustment of pressure between the high-, medium-, and low pressure ports at the valve plate. The mechanism also reduces noise and vibration. Tests, experiences, and calculations indicate that the improvements, covering all critical sections, nearly eliminate the advantages of current bent-axis motors and exceed them in the important areas.

Based on the improvements, the operating range - a product of usable ranges for speed, pressure and swashplate adjustment - is increased by a factor of 5.6, and the specific weight (hp/lb) by a factor of 6. The Diagram shows the technical data for the operating ranges of the best current motors in comparison to those of the new motor.

Operating ranges - New and current Hydraulic Motors

The complete front wheel motor has 163 hp (120 kW) and weighs 16.5 lbs with planetary gear stage. The conditions allow for a drive concept where the motor (w/o shiftable gear box) is placed in the wheel hub - small, light, and very efficient.

U.S. Patents, International Patents, Patents pending.

 

Comparison with electric drives

In comparison with the Ingocar (1.174 lbs), Electro- or Electro-Hybrids weigh 2.5 times as much or more. The energy consumption (Well to wheel) is significantly higher because of the higher weight, significant larger size of the drivetrain, small amount of recuperated braking ener-gy (20%), and the losses from producing and transmitting the electric power. The efficiency of the components (electric/hydraulic) deviate only slightly from each other, however, their number is higher in electric drives. The CO2 emissions are therefore, also when considering future sources of power, higher than for a 190 mpg car.

For practical reasons, electric drives can’t absorb (recuperate) the high amounts of braking energy since current electric motors for passenger cars are 20 times heavier than the new hydraulic motor, and the batte-ries are not capable of absorbing the high power peaks during hard braking. Comparable electric wheel motors would increase the weight of the wheels by about 660 lbs. and capacitors for absorbing the power peaks would increase the already high complexity, costs, and weight of the system.) Therefore, Electric or Electric-Hybrid cars still need a conventional brake system, increasing the space requirements, weight, and costs.

 

Energy consumption of various car concepts.

The graph shows the influence of weight, drivetrain efficiency and energy recuperation of various drivetrain concepts, approximating the Tesla S, Toyota Prius, a conventional Car, a hypothetical Hydraulic Hybrid with mechanical drivetrain, and the Hydraulic Hybrid - Ingocar.

The comparison becomes more unfavorable when including the increasing dependency on foreign sources of raw material (Metals - Copper, Lithium, and others) and the high expenses for producing, replacing and recycling the batteries. The insufficient travel distan-ces, power supply at low temperatures and incomplete infrastructure are known drawbacks.

Result: The impact on the environment and the costs for buying, operating and maintaining an Electric- or Electric-Hybrid car are noticeably higher – even in long terms.

 

Additional Applications of Advanced Hydrostatic Drives

It is the goal to significantly improve the function, environmental impact and costs of transportation. The following projects show the conceptual benefits the new technology has in established drive system concepts. The following projects are selected from a wide range of applications:

  • High-Speed Helicopter
  • Hydrostatic Wind Turbine 
  • All-wheel-drive Tracked Vehicle
  • Locomotive with Energy Storage
  • Hydrostatic Marine Propulsion
  • Hydro Bike

The goal of this presentation is to obtain financial support for developing the drive system technology and to develop, produce and sell products.

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