Der Elsbett-Motor

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 Ludwig Elsbett zurück.


Elsbett-3-Zylinder-Reihenmotor


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-Zweitakt-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 Dreizylinder-Reihenmotoren und Sechszylinder-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-Dreizylinder-EDL-Motor. Mit größeren Zylindern wurde ein Hubraum von 3890 cm³ erreicht. Das maximale Drehmoment betrug 430 Nm bei 1500 min−1, ein Drehmomentanstieg von 29 Prozent. Der Wirkungsgrad lag bei 40 Prozent. Der Motor hatte einen Ölkühler. Da der Landmaschinenhersteller 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 Prozent 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 der damaligen Antriebs- und Maschinentechnik GmbH in 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, und auch die aktuellen Entwicklungen (2008) der Golle Motor AG knüpfen technisch an die Entwicklung der Junkers-Flugmotoren an, bei denen Elsbett beteiligt war.

Technologie

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:

Ladungswechsel
Gemischbildung
Direkteinspritzung
Thermomanagement

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 dafür 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 das Verkoken des Motors vermieden. Deshalb können nahezu alle dieselähnlichen Kraftstoffe, auch Pflanzenöle hoher Viskosität, eingesetzt werden.


Der Ladungswechsel umfasst die Takte 1 (Ansaugen) und 4 (Ausschieben)

„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:

Joule-Kreisprozess
Seiliger-Kreisprozess
Gleichraumprozess
Diesel-Kreisprozess

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 NOx-Synthese). 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 Wärme 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 Viertaktmotoren 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
Ruhigerer Lauf als Dieselmotor

Nachteile

Schlechtes Masse/Leistungs-Verhältnis; leistungsstarke Motoren werden dadurch sehr schwer
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.
Patentinformationen

Übersicht der Elsbett-Patente
Patent DE889959: Patentschrift Kreiselverdichter. Veröffentlicht am 14. September 1953, Erfinder: Ludwig Elsbett.‌
Patent DE1026574: Brennkraftmaschine, z.B. Zweitakt-Einspritzmotor. Veröffentlicht am 20. März 1958, Erfinder: Ludwig Elsbett.‌
Patent DE1526321: Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine. Veröffentlicht am 9. Juli 1970, Erfinder: Ludwig Elsbett.‌
Patent DE3343677: Reduzierung der Wärme- und Schadstoffemissionen bei Dieselmotoren. Veröffentlicht am 13. Juni 1985, Erfinder: Ludwig Elsbett.‌

Siehe auch

BtL-Kraftstoff (Kraftstoff aus Biomasse)
CtL-Kraftstoff (Coal to Liquid)
GtL-Kraftstoff Flüssigkraftstoffherstellung aus (Erd-)Gas
Kohleverflüssigung
Biogas
Biodiesel
Cellulose-Ethanol
Homogene Kompressionszündung (HCCI)


Quelle