Der Motor ohne Mechanik

Otto-Peter A. Bühler

Zweitakter mit freifliegenden Kolben erzeugt hohe Leistungen bei Frequenzen bis 30.000 1/min

Der Artikel von Otto-Peter A. Bühler ist der erste ernstzunehmende Beitrag in den Medien, der dem Stelzer-Motor gerecht wird. Obwohl 1980 erschienen, hat er bis heute nichts von seiner Aktualität verloren:

Aus den VDI-Nachrichten vom 26. September 1980

Eine sparsame Zweitakt-Brennkraftmaschine mit freifliegenden Stufenkolben stellte kürzlich der Frankfurter Motorenkonstrukteur Frank Stelzer Interessenten aus Unternehmen der USA und Deutschland vor. Der Motor besteht aus acht Teilen, von denen sieben den Zylinder bilden: das achte Teil ist der Stufenkolben. Das Grundprinzip der Maschine entspricht dem des Otto-Motors, die Bewegungen verlaufen jedoch in so hohen Frequenzen, daß sie nicht zu sehen sind: der Geräuschpegel ist niedrig. Der vorgestellte Prototyp leistete bei einem Kolbendurchmesser von 140 mm und 5000-1/m-Zyklen etwa 74 kW. Die geringste Leistungsgröße eines kleinen Motors wurde mit 1,5 kW bis 2,6 kW angegeben – Leistungen über 750 kW sind theoretisch auch möglich. Den Einsatz sieht man beispielsweise beim Antrieb von Pumpen, Wasserkanonen, Generatoren – der Einbau als Fahrzeugantrieb ist in Verbindung mit einem Generator durchaus denkbar.

Die Vorstellung, mit nur einem beweglichen Teil einen Verbrennungsmotor zu realisieren, dessen geringe Abmessungen nicht nur im Gegensatz zu erzielbaren Leistungen stehen, sondern der so simpel in seiner Konstruktion ist, daß dessen Produktion keinerlei komplizierten Aufwand benötigt, ist nicht neu. Allerdings konnte bislang kein Objekt überzeugen. Anders stehen die Chancen für eine für eine wesentlich verbesserte Version, die derzeit als Prototyp läuft. Frank Stelzer, 47 Jahre alt, bezeichnete letztlich seinen inzwischen patentierten Motor vor in- und ausländischen Interessenten als einen Motor ohne Mechanik.

Das einzige bewegliche Teil ist ein Mehrstufenkolben, dessen unterschiedliche Durchmesser und Absätze im Zylinder bei jeder horizontalen Bewegung die bekannten Zwei-Takte auslöst und zugleich in Leistung umsetzt. Ansaugen + Verdichten, Verbrennen + Ausströmen der verbrannten Gase entspricht dem Grundprinzip eines Otto-Motors, wobei jedoch die Bewegung in so hohen Frequenzen verläuft, daß diese Bewegung nicht mehr zu sehen und der Motor fast nicht mehr zu hören ist. In vollem Lauf verhält sich der Motor so ruhig, daß ein auf dem Block stehendes Glas Wasser keine Bewegung mehr zeigt.

Der »Stelzer«-Motor besteht aus acht Teilen, von denen sieben den Zylinder bilden.
Das achte Teil ist der Stufenkolben. Die Erfindung liegt darin, daß zu den Kolbenstufen die beidseitigen Brennkammern axial innen angeordnet sind, zwischen denen sich je eine weitere Kammer befindet.
Diese Vorverdichtungskammern werden von entsprechenden Kolbenstufen mit Gasgemisch gefüllt, das dort verdichtet und über Kanäle in die Brennkammerstirnseiten gedrückt wird. Eine Stufe verschließt dabei die Kammern.

 

Kombinierte Kraft- und Arbeitsmaschine

Bei der Expansion wird der Kolben so weit mit der ersten Stufe aus dem Zylinder geführt, daß die Ausströmöffnungen frei werden und die verbrannten Gase austreten, wobei gleichzeitig frisches Gemisch über besonders gestaltete Kanäle in die Vorverdichtungskammern einströmt. Da dieser Vorgang wechselseitig erfolgt, wird der Stufenkolben in vorgegebenem Schwingungsweg hin und her geworfen, wobei der Verdichtungsdruck als Polster wirkt. Je höher die Schwingungszahl, umso höher der Druck, umso schneller die Verbrennung des Gemisches, umso höher die Leistung des Zwei-Takt-Motors.

Das Besondere der Konstruktion ist die Anordnung der Kolbenstufen, die Auslegung der Gas-Kanäle und die Abmessungen der Kammern, die optimal auf den für die Überwindung des Auspuffdrucks erforderlichen Verdichtungsgrad abgestimmt sind. Weiter spielt die Art der Mündungen der Kanäle und der Auslaßschlitze eine entscheidende Rolle beim Spülungsablauf. Dadurch erst wird der nutzbare Kolbenhub optimal.

Die Gemisch-Ansaugöffnung befindet sich im Mittelteil des Zylinders. Sie dient beiden Vorverdichtungskammern. In Abhängigkeit von der Ansaug- oder Kompressionsstellung der zusätzlichen Kolbenstufe ist der jeweilige Vorverdichtungsraum gegen die Auslaßöffnung offen oder gegen sie abgeschlossen sind.

Was diese Motor-Entwicklung als kombinierte Kraft- und Arbeitsmaschine auch gekennzeichnet, ist die Länge des Stufenkolbens, der über den Zylinderblock rechts und links hinausragt, je nach Kolbenstellung. Die konstruktive Auslegung des Kolbens gestattet beispielsweise den Motor direkt als Kompressor zu benutzen, denn die Kolbenenden lassen sich zugleich als Arbeitskolben verwenden. Weitere Abstufungen oder Zwischenringe sind nicht mehr notwendig. Aus dieser Lösung ergeben sich auch die weiteren Einsatzmöglichkeiten. Bereits kurz nach dem Start, der mit selbstlösender Exzenterkupplung (bei etwa 1000 Schwingungen) erfolgt, arbeitet der »Stelzer«-Motor einwandfrei. Gasaufnahme über Unterdruck-Vergaser und auch Steuerung der Leistung. Der vorgestellte Prototyp hat einen Kolben von 140 mm Durchmesser und erreicht bei 5000-1/min-Zyklen etwa eine Leistung von 74 kW.

Da im Gegensatz zu herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen im Motor keine negativen Massenbewegungen des Kolbens stattfinden (zum Beispiel keine Kurbelwelle, die den Kolben im vierten Takt aus der Fluchtgeschwindigkeit zurückreißt oder beim Wankelmotor die Fliehkräfte im Kolben), beschleunigt der Kolben praktisch zwischen zwei Gaspolstern mit steuerbaren Frequenzen – also multipliziert sich auch keine Reibung aus beschleunigten Massen. Der freischwingende Kolben behält nur sein Eigengewicht an der Zylinderwand. Die ringförmige Anordnung der Brennkammern beidseitig im Zylinder ergibt, daß der Kolben adäquat gewünschter Leistungsgröße über den Zylinderblock verlängert werden kann. Deshalb ist mit dem freifliegenden Kolben eine direkte Leistungsübertragung vorzunehmen. Beispielsweise läßt sich über entsprechend angeordnete Wicklungen elektrische Energie erzeugen. Interessant dabei ist, daß der entwickelte Kolben durchbohrt ist und deshalb mit einfacher konstruktiver Lösung direkt als Pumpe wirken kann, also, daß dieser Motor in kleinen Abmessungen für langzeitige Konstantleistungen unmittelbar verwendbar wird.

Da praktisch keine Verschleißteile vorhanden sind, ist eine lange Betriebsfunktion ohne Wartung denkbar. Die Leistung im Motor wird von der Anzahl der Schwingungen bestimmt. Je schneller der Kolben zwischen den Gaspolstern hin und her fliegt, umso höher wird der Druck in der Vorkammer, multipliziert sich das Kolbengewicht, steigt die Leistung: die Leistung ist das Produkt aus Kolbengröße und Gewicht und erreichbaren Schwingungen. Da die Anzahl der Bewegungen durch die derzeit verwendeten Kolbenringe bei etwa 20.000 1/min begrenzt ist, arbeitet der Frankfurter Motor-Konstrukteur an Keramik-Kolben (da sonst keine Verwindungsbeanspruchung erfolgt), die eine wesentlich höhere Frequenz erreichen können und höhere Drücke meistern.
Die absolute Schwingungsgrenze liegt im Abriß der Gaszuführung. Mit einem 5 kg schweren Kolben erzielt der »Stelzer«-Motor im Prototyp rund 59 kW Leistung bei einer Frequenz von etwa 5000 1/min. Angesichts der Treibstoffverteuerung kommt dieser Entwicklung eine weitere Bedeutung zu. Der Motor liegt im Durchschnitt mit vergleichbaren Leistungen um 30 % unter den Verbräuchen von Otto-Motoren. Diese Tatsache könnte die Frage nach einer Verwendung als Fahrzeug-Antriebsaggregat in Koppelung mit einem Generator aktualisieren. Vom Leistungsgewicht her gäbe es keine Probleme (1 kW etwa 1 kg Motorgewicht), auch nicht von den Motorabmessungen. Das Problem läge jedoch nicht bei dem Energiespeicher.

 

Baugrößen fast unbeschränkt

Interessant sind auch die Ergebnisse bei Verwendung unterschiedlicher Treibstoffe. So sollen Schweröle ebenso einwandfrei verbrennen wie leichte Kohlenwasserstoffe. Versuche mit Methanol wurden noch nicht gefahren, dürften jedoch keine Probleme aufwerfen. Die Baugrößen des »Stelzer«-Motors sind fast unbeschränkt. Nach den jetzigen Bearbeitungsmöglichkeiten dürfte der kleinste Motor etwa 300 mm lang und 100 mm breit und hoch sein. Der Kolbendurchmesser liegt dann etwa bei 60 mm. Die Leistungen erreichen dann eine Größenordnung von etwa 26 kW; ausreichend ist dies zum Beispiel für den Antrieb von Wärmepumpen. Nach oben gibt es praktisch keine Grenzen. Leistungen über 750 kW sind theoretisch möglich.

Nach ersten Kontakten mit Unternehmen der USA und Generatoren-Herstellern aus der Bundesrepublik Deutschland sieht der Konstrukteur die Chancen für seinen Motor in der Verwendung als Druckpumpe für Hydraulikantriebe, in Wasserkanonen für den Bergbau, als Generatorantrieb und als Antrieb für Wärmepumpen. Nach seiner Meinung ist der Einbau in Fahrzeugen durchaus möglich, wobei in Verbindung mit einem Generator die Linearbewegungen in rotierende Bewegung umgesetzt werden – und das vielleicht ohne Übersetzungsgetriebe. Auch ließen sich bei der Verwendung leichterer Materialien, beispielsweise Aluminium, die Einsatzmöglichkeiten des »Stelzer«-Motors weiter ausdehnen.

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