Pflanzenölmotor

Pflanzenölmotor
Elsbett 3-Zylinder Reihenmotor

Ein Elsbett-Motor ist ein Vielstoff-Hubkolbenmotor, der nach dem Dieselprinzip arbeitet. Das charakteristische Merkmal ist der optimierte Verbrennungsprozess der im Kolbenraum rotierenden Verbrennungsluft mit dem eingespritzten Kraftstoff. Das Prinzip kann unabhängig von Bauweise und Arbeitsverfahren der Motoren eingesetzt werden. Die Motoren können ohne Kühlsysteme betrieben werden.[1]

Der Begriff Elsbett-Motor geht auf den Namen seines Erfinders Dr. h.c. Ludwig Elsbett zurück.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Beispiel eines Gegenkolbenmotors
Die Schrägscheibenmaschine war Vorlage für den Elsbett-Taumelscheibenmotor

Die Ursprünge[2] der Elsbett-Motoren liegen 1937 bei den Junkers-Flugzeugwerken. Der letzte von Ludwig Elsbett entwickelte Diesel-2-Takt-Gegenkolbenmotor[3] gleicht den ersten Entwicklungen, an denen er mitgearbeitet hat. Bereits der Junkers Jumo 205 arbeitete nach diesem Prinzip, das beim JUMO 207 zu hohen Wirkungsgraden führte.

In den Jahren 1973 bis 1978 wurden erste serienmäßig hergestellte direkteinspritzende Dieselmotoren für PKW auf den Markt gebracht, die die TDI-Motorentechnik vorwegnahmen. Es wurden 3-Zylinder- Reihenmotoren und 6-Zylinder-V-Motoren hergestellt.[4] Ein Prototyp eines 14-Zylinder-Taumelscheibenmotors nach dem Prinzip der Schrägscheibenmaschine wurde gebaut, kam aber nie zum Einsatz.

Für die Landwirtschaft wurde 1989 der Traktor "Eicher 3108 Elsbett ( 3026 / ZF T3345 ) mit 130 PS auf der Agritechnica vorgestellt. Ausgangsbasis war ein Eicher-3-Zylinder-EDL-Motor. Mit größeren Zylindern wurde ein Hubraum von 3890 cm³ erreicht. Das max. Drehmoment betrug 430Nm bei 1500 1/min. - Drehmomentanstieg 29%. Der Wirkungsgrad lag bei 40%. Der Motor hatte einen Ölkühler. Da der Landmaschinen-Hersteller Eicher kurze Zeit darauf in wirtschaftliche Schwierigkeiten geriet, blieb dieser Traktor erfolglos. Einige Bestandteile der Elsbett-Technologien werden in jüngster Zeit von dem Traktorenhersteller Deutz-Fahr wieder aufgegriffen.[5]

Dem Elsbettmotor wurde in den 1980er Jahren eine große Zukunft vorausgesagt, da er gegenüber den damaligen PKW-Dieselmotoren einen Verbrauchsvorteil von 20 bis 25% aufwies. Mit der Einführung des direkteinspritzenden Dieselmotors im PKW-Bereich, kennfeldgesteuerter Stufen- oder Mehrfacheinspritzung und vermehrter Turboaufladung mit Ladeluftkühlung konnte er seine Vorteile nicht mehr ausspielen.

Der gegenüber herkömmlichen Motoren höhere Herstellungspreis kann als Grund für seine geringe Verbreitung betrachtet werden. Auch die externe Patentlage mag bei vielen Konzernen eine Rolle gespielt haben.

Durch die Kooperation mit AMS (Antriebs- und Maschinentechnik GmbH) Schönebeck wurden dort Elsbett-Motoren in Lizenz gefertigt und spezielle Versionen[6] für den stationären Betrieb (BHKW) weiterentwickelt. Schon die Junkers Flugzeug- und Motorenwerke haben in Schönebeck Motoren gebaut. Diese Tradition wurde in Schönebeck (Barbarastr. 9) von dem IFA der DDR (VEB Dieselmotorenwerk Schönebeck (Elbe)), der DMS-Dieselmotoren- und Geraetebau GmbH, der AMS (Antriebs- und Maschinentechnik GmbH) und zuletzt von der MWS Löschenkohl & Mitter Motorenwerk Schönebeck GmbH fortgeführt. Auch die aktuellen Entwicklungen (2008) der Golle Motor AG knüpfen technisch an die Entwicklung der Junkers Flugmotoren an bei denen Elsbett beteiligt war.

Technologie

Prinzipskizze des MAN M-Verfahrens
Der Ladungswechsel umfasst die Takte 1 (Ansaugen) und 4 (Ausschieben)
Zylinderlaufbuchse eines Gegenkolbenmotors
1 Einlassbereich (Einlassschlitze)
2 Kühlbereich des Arbeitsraumes
3 Auslassbereich (Auslassschlitze)
4 Kühlbereich des Auslasses

Hauptmerkmal der Elsbett-Motoren ist die technische Gestaltung des Motors um die beim Verbrennungsprozess freiwerdende Energie des Kraftstoffes mit einem höheren Wirkungsgrad als bei herkömmlichen Motoren zu nutzen. Dazu wurde der Elsbett-Motor unter anderem in folgenden Bereichen optimiert:

Charakteristisch für den Elsbett-Motor sind der Gelenkkolben[7][8] mit Verbrennungsraum, die Rotationsspülung[9] und die Vielstoffeignung, die durch ein sogenanntes „nicht wandverteilendes“ Einspritzverfahren realisiert wurde. Der Kraftstoff wird hierzu in einer Weise in den Verdichtungsraum eingespritzt, dass die umgebenden Wände (Patentgrafik[10] Zylinderkopf, -wand und Kolbenboden) nicht benetzt werden (Vergleich: Mittenkugelmotor). Dadurch wird ein besseres Thermomanagement erreicht und somit das Verkoken des Motors vermieden. Deshalb können nahezu alle dieselähnlichen Kraftstoffe, auch Pflanzenöle hoher Viskositäten, eingesetzt werden.

Duothermische Verbrennung wird als Begriff benutzt, um die Wirkung der Elsbett-Motoren zu beschreiben.[1] Das Duotherm-Verfahren und Doppel-Duotherm-Verfahren findet sich in verschiedenen Veröffentlichungen.[6] Ziel dieser Anwendung ist die Optimierung der Verbrennung deren Problematik in nachstehenden Artikeln beschrieben ist:

Die in den vorstehenden Artikeln erklärten Theorien gehen von einer gleichförmigen Verteilung des Verbrennungsluftverhältnises in der Brennkammer (Zylinder) aus. Unberücksichtigt bleiben Kraftstoffverluste durch Niederschlagung an den Brennraumkammeroberflächen. Vordringlich werden Motoren, die auf dem Dieselprinzip basieren, mit einer qualitativen Gemischregulierung - mit Luftüberschuss - betrieben. Für Dieselmotoren wurde ein Optimum (λ = lambda) mit einem mageren Gemisch (Luftüberschuss), von 1,3 < λ < 2,2 ermittelt. Diese Werte werden im Kern der Verbrennung durch die Duothermische Verbrennung erreicht, wobei die Abwärme genutzt wird, um den an der Verbrennung unbeteiligten Aussenmantel des Gaskerns zu erhitzen. Dem Anteil der Stickoxide (NOx) wird entgegengewirkt, indem nur die im Verbrennungskern beteiligten Gasanteile Temperaturen erreichen, um diese zu bilden (siehe NOxSynthese). Zu diesem Zweck sind die Zuführungskanäle der Verbrennungsluft so angeordnet, dass diese im Verbrennungsraum rotiert. Weil sich dabei die Gase dem Rotationsmittelpunkt nähern, steigt die Rotationsgeschwindigkeit. Die Zündung der Verbrennung erfolgt im Kern der rotierenden Verbrennungsluft. Die Rotation der Verbrennungsluft führt dazu, dass die schwereren kalten Schichten der unverbrannten Luft den Gaskern der explosionsartigen Verbrennung umhüllen. Die Einspritzung in die rotierende Gasmasse im halbkugelförmigen Kolbenverbrennungsraum bedingt eine relativ langsame, gleichmäßige Verbrennung im Vergleich zu regulären Otto- und Dieselmotoren. Für den Elsbett-Motor ist aufgrund seiner Bauart und des hohen Wirkungsgrades keine Wasserkühlung erforderlich, ein kleiner Ölkühler reicht aus, um die überschüssige Abwärme abzuführen. Das Öl im Kurbelwellengehäuse wird zu Kühlzwecken von unten in den Kolben/Zylinder eingespritzt. Elsbett-Motoren wurden als Hubkolbenmotoren, mit Arbeitsverfahren als Zweitaktmotoren- und 4-Takt-Motoren gebaut.

Das Emissionsverhalten der Elsbett-Motoren wurde unter anderem in einer Studie zum „Pflanzenölbetriebenen Blockheizkraftwerken“[11] vom Bayrischen Staatsministerium für Landesentwicklung und Umweltfragen(StMLU) untersucht.

Vorteile

  • Durch das Fehlen des Flammkontaktes mit der Brennraum- und Zylinderwand nur geringe Wärmeverluste über die Wandungen, was deren Kühlung überflüssig macht
  • Guter Wirkungsgrad, allerdings nicht viel höher als bei modernen Direkteinspritzern
  • Lange Lebensdauer durch geringere Belastung des Motors und niedrige Drehzahlen
  • Prinzipiell vielstoffgeeignet

Nachteile

  • Schlechtes Masse-Leistungs-Verhältnis; leistungsstarke Motoren werden dadurch sehr schwer
  • Rauher Lauf
  • Kaltstart problematisch
  • geringe Drehzahldynamik

Abgrenzung

Die Technologie der Elsbett-Motoren bezieht sich auf Motoren nach dem Dieselprinzip. Leicht flüchtige Kraftstoffe, die bei der Verwendung der Flexible-Fuel-Vehicle-Technik beschrieben werden, sind ausgenommen.

Kritik

Neben den im Abschnitt Nachteile genannten technischen Problemen gibt es beim Betrieb dieses Motors mit sogenannten Öko-Kraftstoffen offene Fragen.[12] Die Ökobilanz, die besonders von der Herstellungsweise der Pflanzenöl-Kraftstoffe beziehungsweise gemischter Öko-Kraftstoffe beeinflusst wird (siehe auch unter Palmöl und Pflanzenöl-Kraftstoff), wirft Fragen auf, die auch für andere ähnliche Techniken gelten. Die Erforschung der Umweltrisiken, vor allem bezüglich möglicherweise erhöhtem Krebsrisiko durch Verbrennungsprodukte,[12] ist nicht abgeschlossen.

Die Stadt Hilpoltstein betreibt seit 1995 ein Blockheizkraftwerk[13] mit einem Elsbett-Motor. Wirtschaftlichkeitsrechnungen[14] für diesen Einsatz sind nicht öffentlich abrufbar.

Patentinformationen

Siehe auch

Literatur

  • Motortechnische Zeitschrift(MTZ),Heft 9 (1956), Franckh'sche Verlagshandlung Stuttgart PDF-Datei
  • Elsbett-Hilfsmotor (1-Zylinder-2-Takt), technische Beschreibung PDF-Datei
  • Öko-Motor: besser als die Industrie erlaubt (Quelle: Zeitschrift DER3.WEG-Februar 1999, von Bernd Hercksen)[1]
  • Buch der Synergie, Achmed A. W. Khammas, Teil C, Der Elsbett-Motor [2]

Einzelnachweise

  1. ↑ a b Funktionsweise Elsbett-Motoren
  2. ↑ Chronologie der Elsbett-Motoren-Entwicklung
  3. ↑ 2-Takt-Gegenkolbenmotor von Elsbett
  4. ↑ Fotos von Elsbett-Motoren: 3-Zylinder-Reihenmotor, 6-Zylinder-V-Motor, 14-Zylinder-Taumelscheibenmotor
  5. ↑ 'Landtechnikmagazin' Grüne Revolution: Pflanzenöltraktor Agrotron NaturalPower von Deutz-Fahr
  6. ↑ a b Technische Universität München Blockheizkraftwerke / Elsbett-Motoren
  7. ↑ Patent Gelenkkolben Elsbett-System
  8. ↑ Patent Verbesserung Gelenkkolben von der Mahle GmbH
  9. ↑ Rotationsspülungsverfahren Elsbett-System (Patentzeichnung)
  10. ↑ Patentzeichnung zur 'Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine'
  11. ↑ 'Bayrischen Staatsministerium für Landesentwicklung und Umweltfragen (StMLU), Studie: Pflanzenölbetriebene Blockheizkraftwerke
  12. ↑ a b Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft: Emissionen von Biodiesel und Pflanzenölen im Vergleich
  13. ↑ Blockheizkraftwerk der Stadt Hilpoltstein
  14. ↑ Forschungsbericht über Blockheizkraftwerke, Bundesanstalt für Landtechnik, Österreich

Weblinks


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