Auxiliary Power Unit for Trucks

Auxiliary Power Unit: MobilGen™ G70

Bordstromversorgung, Standheizung und Standklimatisierung neu gedacht

Die Erfindung der alphagamma® Technologie bietet die Grundlage für eine völlig neue Generation von Wärmekraftmaschinen kleiner Leistung im Bereich von 500 W bis ca. 20 kW. Neben den Voraussetzungen für einen wartungsfreien Betrieb arbeiten die Maschinen leise und vibrationsarm und sind in Folge ihrer Einfachheit wirtschaftlich herstellbar.

Sie nutzen die seit Jahrzehnten bewährten Elemente der ölfrei laufenden Kolbenmaschinen (Kompressoren) und halten in Verbindung mit einem patentierten Aufbau ein weltweites Alleinstellungsmerkmal in Fachbereich der Stirlingmotoren.

Die neuesten Entwicklungen offenbaren eine erfreuliche Performance für den Einsatz von Auxiliary Power Units auf Fahrzeugen wie Transit-LKWs, Reisemobilen und Yachten. Basierend auf den gemessenen Leistungsmerkmalen sollen zunächst die Randbedingungen für eine Integration des Aggregats in Bordstromversorgungen diverser Fahrzeuge gesammelt werden.

Prototyp MobilGen G70 Auxiliary Power Unit
Prototyp MobilGen™ G70 (Foto: Erwin Berghammer)

40 Ampere Ladeleistung erreicht

Im August 2021 durfte das Forscherteam einen erfolgreichen Meilenstein feiern: der Prototyp des als Auxiliary Power Unit vorgesehenen alphagamma® Aggegats mit einem Expansionsvolumen von 70 ccm erzielte eine stabile Ladeleistung von 40 Ampere an einem LKW-Batterieset mit 24 Volt Nennspannung. Das entspricht einer Verdoppelung seit der ersten Inbetriebnahme auf dem Prüfstand.

Immerhin muß bei diesem Wert berücksichtigt werden, dass Verluste des Generators und der Gleichrichtung etwa 20% betragen, sodass die Wellenleistung mit 1,25 kW zu einem respektablen mechanischen Wirkungsgrad von über 30% führt. Darauf kann das Team stolz sein, zumal es bei kleinen Motoren immer schwieriger wird, an Wirkungsrade von größeren Ausführungen heranzukommen.

Diese Steigerung ist das Ergebnis von zahlreichen Eingriffen und Optimierungen in Elemente, die den thermodynamischen Prozess günstig beeinflussen. Jedoch auch mechanische Teile wie Kolbenringe, Lager und Führungen konnten im Sinne der Minimierung von Reibarbeit deutlich verbessert werden.

Eine besondere Beachtung wurde von Anfang an kostengünstigen Herstellprozessen gewidmet. Fast alle Teile können in CNC-Technik hergestellt werden, und die manuellen Tätigkeiten sind auf das Notwendigste minimiert.

Leises und schlankes Kraftpaket

Auch das geringe Gewicht kann sich sehen lassen: das als Prototyp ausgeführte Aggregat brachte 48 kg auf die Waage. Da es sich dabei lediglich um ein erstes Funktionsmuster handelte, wurde noch nicht in Gewichtsoptimierung investiert.

Infolge der erfreulichen Leistungswerte begannen die Konstrukteure umgehend mit einem gewichtsoptimierten Design mit dem Ergebnis, dass noch 15 kg ohne Einschränkung der Performance eingespart werden kann.

Fasziniert kann man vom leisen Betrieb des Aggregats sein. Die geringen Schallemissionen lassen schon jetzt den Schluss zu, dass bei optimalen Einbaubedingungen ein Betriebsgeräusch kaum lauter als ein Kühlschrank wahrgenommen wird.

MobilGen G70 Auxiliary Power Unit by frauscher thermal motors
MobilGen™ G70: Entwurf gewichtsoptimiertes Aggregat

Saubere Verbrennung und zukunftsfähige Treibstoffe

Bei Stirlingmotoren findet die Wärmezufuhr außerhalb der Maschine, also unter atmosphärischen Bedingungen statt. Diese Brennertechnik erzeugt systembedingt extrem niedrige Abgas-Schadstoffe.

Zieht man in diesem Anwendungsbereich einen Vergleich zu den europäischen Vorschriften gemäß Stage V, so erreichen die Schadstoffe NOx und CO je nach Betriebszustand lediglich etwa 20% des zulässigen Höchstwertes bei Betrieb mit Flüssiggas (Diagramm 1 und 2).

Die äußere Wärmezufuhr birgt noch einen weiteren Vorteil, der für die zukünftigen Treibstoffe von Bedeutung sein wird: die Flexibilität bei der Art des Treibstoffes.

Während die ersten Prüfstandsmotoren mit Flüssiggas betrieben werden, sammeln die Frauscher-Ingenieure bereits Daten für weitere Brennstoffe und Brennerlösungen. Der Betrieb mit Dieseltreibstoff ist das nächste Ziel, jedoch eignet sich das Aggregat nach entsprechender Brenneranpassung auch für zukünftige Brennstoffe wie Bioöl, Erdgas oder Biomethan in Form von CNG oder LNG, E-Fuels oder Wasserstoff.

MobilGen G70 NOx Emissionen
NOx-Emissionen, Grenzwerte gemäß VO(EU)2016/1628
MobilGen G70 CO Emissionen
CO-Emissionen, Grenzwerte gemäß VO(EU)2016/1628

Genügsamer Dauerläufer

Durchaus revolutionär ist der einfache Aufbau des Aggregats und der Betrieb ohne Schmieröl. Infolge der geringen Kolbenkräfte der alphagamma® Technologie konnte auf Trocklauftechnik gesetzt werden, die sich schon seit längerer Zeit bei bestimmten Kolbenkompressoren bewährt hat.

Diese Technik ist Grundlage für einen langen wartungsfreien Zeitraum. frauscher thermal motors kann bei anderen Motoren nach dem alphagamma® Prinzip auf eine langjährige Betriebserfahrung zurückgreifen. Demnach kann bei vorsichtigen Prognosen der Wartungszyklus durchaus konform mit der Fahrzeugwartung einhergehen.

Hybride Nutzung

Bringt man den anspruchslosen Betrieb in Einklang mit den geringen Geräuschemissionen, so ist es naheliegend, das Aggregat neben der Bordstromversorgung auch als Standheizung zu verwenden. Das erspart nicht nur Systemaufwand sondern auch eine Menge Energie, die in kalten Jahreszeiten sinnvoll zur Kabinenheizung genutzt werden kann.

Entsprechend dem Stand der Technik kann dabei neben der Kühlleistung des Aggregats auch die abgegebene elektrische Leistung temporär in den Heizkreis eingebunden werden, sodass Heizleistungen bis 4 kW zur Verfügung stehen. Die Vorwärmung der Antriebsmaschine des Fahrzeuges vor dem Start ist eine weitere Eigenschaft, die sich anbietet.

In der Sommerzeit hingegen kann die elektrische Ausgangsleistung von ca. 1 kW ohne Einschränkung Standklimaanlagen oder den elektrischen Klimakompressor versorgen. Da bleibt noch was übrig für andere Abnehmer wie Kühlschrank, Kaffeemaschine oder Verbraucher im Ladebereich des Fahrzeuges wie beispielsweise Ladebordwände oder andere elektrohydraulische Antriebe.

Die Bordbatterien sorgen schliesslich nur mehr für die Abdeckung der Lastspitzen, wie sie beispielsweise beim Starten des Hauptdiesels auftreten. Da sie immer voll geladen sind, werden sie das mit einer hohen Lebensdauer honorieren.

Platz- und Gewichtsthemen

Während US-amerikanische Long Haul Trucks ausreichend Platz für dieselbetriebene APU-Aggregate zur Verfügung halten, ist das Raumangebot bei europäischen Trucks deutlich enger bemessen. Ausreichend Platz ist jedoch immer für die Bordbatterien, die meist aus zwei in Serie geschaltete 12 Volt Akkus bestehen, deren Maße nach DIN EN-50342-4 genormt sind.

Betrachtet man den erforderlichen Platzbedarf von zwei Stück 225 Ah Batterien, so ist dafür ein Volumen von mindestens LxBxH 558*518*250 mm bereitszustellen. Die u. a. Abbildung zeigt, dass darin ein MobilGen™ G70 ohne weiteres Platz findet und darüber hinaus noch ausreichend Volumen zum Einbau der Starterbatterien mit 100 Ah zur Verfügung steht.

Diese Kombination stellt in der Tat eine aussichtsreiche Perspektive für neuartige Bordstromversorgungen dar, zumal einhergehend auch an Gewicht eingespart werden kann.

MobilGen G70 Battery Box
Studie der Anordnung eines MobilGen™ G70 in einem Batteriekasten

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T: +43 7711 318 20-0
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