Verbrennungsmotor

Kohlenstaub als Kraftstoff in Motoren zur Stromgewinnung

| Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Reinhlod Ficht* / Ute Drescher

Konstruktion und Ausführung des Ficht-Kurbelschlaufen-Motors FK 366 mit gegenlaufenden Massenausgleich; Verwendung: Antrieb, Stromaggregat, Versuchsmotor für Keramikteile
Konstruktion und Ausführung des Ficht-Kurbelschlaufen-Motors FK 366 mit gegenlaufenden Massenausgleich; Verwendung: Antrieb, Stromaggregat, Versuchsmotor für Keramikteile (Bild: Ficht)

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Eine Energiequelle könnte an Bedeutung gewinnen, die vor mehr als 80 Jahren schon einmal Anlass zu großer Hoffnung gab: Kohlenstaub.

Kohlenstaub als Kraftstoff in Motoren zu verwenden, ist eine alte Idee. Heute geben ihr neue Möglichkeiten Auftrieb. So stehen neue keramische Werkstoffe für Zylinder in Motoren zur Verfügung, die nicht auf eine Ölschmierung angewiesen sind. Darüber hinaus wurde die Kinematik des Kurbeltriebes neu entwickelt, so dass Zylindern und Kurbelgehäuse räumlich getrennt sind. Kohlenstaub dagegen ist heute kein ausbaubares Thema mehr. Doch Stäube aus nachwachsenden Rohstoffen bieten energiereiche Möglichkeiten, sofern Kohlenstaubmotoren entwickelt werden können, die umweltfreundlich und wirtschaftlich diese Stäube als Kraftstoffe verarbeiten können.

Staub ist eine sehr energiereiche Form, in der ein Feststoff in natürlichen als auch in technischen Prozessen auftreten kann. Staub muss als eigenständiger Stoff mit sehr spezifischen Eigenschaften betrachtet werden. Man definiert Staub als die Verteilung feinster Partikel eines Feststoffes in der Luft. Bei einer Explosion erfolgt eine Oxidation des staubförmigen Feststoffes.

Je feiner der Staub, desto explosiver

Die Vehemenz der Explosionsfähigkeit der Stäube steigt mit zunehmender Feinheit der festen Partikel, da deren Oberfläche, bezogen auf das Gesamtvolumen des festen Stoffes, sehr schnell ansteigt. Ein Beispiel verdeutlicht dies: Ausgegangen wird von einem Feststoffvolumen von 1 cm3. Liegt es in Form eines Kubusses vor, dann beträgt seine Oberfläche 6 cm2. Denkt man sich dieses Festvolumen in Partikeln aufgeteilt, deren Durchmesser 1 µm beträgt, so erhält man insgesamt eine Oberfläche von 6 x104 cm2. Die Oberfläche des Staubes ist also zehntausendmal größer als die des Vergleichskubus mit fester Oberfläche.

Ficht hat erkannt, dass seine Kurbelschlaufenmotoren die idealen Voraussetzungen bieten, Stäube als energiereiche Kraftstoffe zu nutzen. Schon 1977 hat sich der Ingenieur Reinhold Ficht im oberbayerischen Kirchseeon eine einfache Lösung eines Kurbeltriebes ausgedacht und zwar mit dem Hintergrund, ein System für 2-Taktmotoren zu schaffen, das keine Gemischschmierung mehr benötigt. Dazu muss aber der Kurbeltrieb von den Zylinderbereichen getrennt werden. Diese Trennung ist jedoch mit dem heute immer noch üblichen System Gelenkpleuel, Kolbenbolzen und Kolben nicht möglich. Ficht ersetzte diese Mechanik, die zwingend ein offenes Gehäuse erfordert, durch ein einziges Bauteil, der Kurbelschlaufe.

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Eine Kurbelschlaufe, also nur ein Bauteil, ermöglicht einen 2-Zylinder Kurbelschlaufenmotor in einer Art Boxerbauweise, in dem die beiden gegenüberliegenden Kolben über runde Kolbenstangen und einen festen Rahmen fest miteinander verbunden werden. Dieser Rahmen enthält senkrecht zur Kolbenbewegung zwei Gleitschienen, zwischen denen sich ein Gleitstein bewegt. In diesen Gleitstein greift die Kröpfung der Kurbelwelle (Hubzapfen) ohne Umwege über einen Pleuel ein. Durch die explosiven Kräfte des Brennstoffes wird Druck auf die Kolben ausgeübt. Dieser Druck wird über die Kolbenstangen auf den Gleitstein übertragen. Die Kurbelwelle beginnt sich zu drehen.

Im Zweitakt funktioniert die Technik

Die Technik funktioniert als reine Sinusbewegung vollkommen unspektakulär im Zweitakt, so dass der Motor alle 180° zündet. Da der Motor als „unechter Boxer“ abwechselnd rechts und links zündet, entwickelte Ficht einen Massenausgleich, so dass der Motor nicht schütteln kann. Ficht verwendet die hermetisch gegen das Kurbelgehäuse abgedichteten Räume unter den Kolben auch zur Vorverdichtung der angesaugten Luft, die beim Herabgehen des jeweiligen Kolbens durch die Überströmkanäle in die Brennräume der Zylinder gelangt.

Die Kolben sind mit den runden Kolbenstangen fest verbunden. Sie könnten in den Zylindern selbst bei nur geringem Spiel praktisch ohne Berührung mit den Wänden laufen und kippen nicht.

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Die Geschichte des Staubs als Verbrennungsstoff

Das zu wissen ist wichtig, weil Ficht damit die Möglichkeit erhielt, Zylinderlaufbüchsen aus Keramik zu verwenden. Keramik ist gegen Stoß und Schlag empfindlich, hat aber praktisch keinen Verschleiß und ist unempfindlich gegen aggressive chemische Einflüsse. Der Motor arbeitet mit Kolben aus Kohlenstoff – ohne jede Schmierung.

Der 4-Zylinder Kurbelschlaufenmotor von Ficht in Sternbauweise benötigt keinen zusätzlichen Massenausgleich. Die Kurbelschlaufen, für 2-Zylinder jeweils eine, sind bei diesem Motor im Winkel von 90° angeordnet. Alle Kräfte und Momente heben sich dabei gegenseitig auf. Der Motor läuft beispielhaft rund. Lediglich über den Abstand der beiden Kurbelschlaufen entsteht ein kleines Restmoment bei senkrechter Kurbelwelle über die Hochachse, das in der Praxis nicht zu bemerken ist.

Alle Zylinder gut zugänglich

Auch dieser neu entwickelte 4-Zylinder läuft völlig unspektakulär im 2-Takt. Alle 90°-Kurbelwinkel zündet ein Zylinder fortlaufend im Kreis. Dieser Zündabstand entspricht einem 8-Zylinder 4-Taktmotor mit wesentlich höherem Bauaufwand. Für den stationären Betrieb als Generatorantrieb ist die liegende Anordnung des Motors mit senkrechter Kurbelwelle ideal für alle Wartungsarbeiten. Alle Zylinder sind hervorragend zugänglich, der Einlass- und Auslasstrakt mit den Nebenaggregaten ist in bequemer Arbeitshöhe. Das sind nicht zu unterschätzende Vorteile, die sich auf den Wartungsaufwand positiv auswirken.

Ein anderer großer Vorteil der Kurbelschlaufenmotoren von Ficht sind die vergleichsweise langen Standzeiten des Schmieröles. Die Abdichtung des Kurbelgehäuses zu den Zylinderbereichen hat nämlich noch den Vorteil, dass keine Blow-By-Gase das Öl verunreinigen können, was sich wiederum positiv auf die Standzeiten des Öles auswirkt.

Ziel: elektrische Energie erzeugen

Die hermetischen Abdichtungen der Zylinderbereiche gegen das Kurbelgehäuse und die Paarung Keramik mit Kohlenstoff machen den Motor ideal geeignet für Stäube als Kraftstoff. Einfach ausgedrückt hat Ficht sich zur Aufgabe gemacht, mit seinen fortschrittlichen 4-Zylinder-Kurbelschlaufenmotoren die hervorragenden Eigenschaften von nachwachsenden biogenen Stäuben zu nutzen und damit elektrische Energie zu erzeugen.

Natürlich sind bis dahin noch zahlreiche Probleme zu lösen. Zum Beispiel das Einbringen und Einblasen des Staubes in die Brennräume in Verbindung mit Blasluft oder einem Brenngas um die Zündwilligkeit des Staubes zu verbessern, nur um einige der anstehenden Arbeiten zu nennen.Selbstverständlich müssen die Abgase gefiltert, die festen Aschebestandteile entfernt und das Abgas nachbehandelt werden. Möglicherweise kann sogar die Asche als Düngemittel Verwendung finden, da sie sehr mineralreich ist.

Der thermischen Nutzung fester biogener Brennstoffe zur Strom- und Wärmeerzeugung kommt eine steigende Bedeutung zu, da diese Energieträger unter Voraussetzung einer nachhaltigen Forst- bzw. Landwirtschaft weitgehend CO2 neutral sind und zusätzlich die regionale Wertschöpfung erhöhen. (ud)

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* Dipl.-Ing. Reinhlod Ficht, Ficht Fahrzeug + Marinetechnik GmbH & Co. KG, Kirchseeon

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