Kraft aus der Kugel

Kugelmotor: Der Ingenieur Arnold Wagner baut in Winterthur einen Benzinmotor – ohne Zylinder, ohne Kolben

03.08.2007 | Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Ullrich Höltkemeier* / Karl-Ullrich Höltkemeier

Neu entdecktes Motorenkonzept: Der Peraves-Kugelmotor (CAD-Schnitt des Typ PKM-12EA)
Neu entdecktes Motorenkonzept: Der Peraves-Kugelmotor (CAD-Schnitt des Typ PKM-12EA)

Der Schweizer Arnold Wagner von der Firma Peraves hat einen Viertakt-Kugelmotor entwickelt, der aus 377 cm3 Kammervolumen eine berechnete Nennleistung von knapp 48 PS bei 6000/min holt. In dem kompakten Gehäuse bewegen sich die Umlaufachse und zwei Kugelkolben. Vorteile gegenüber einem Hubkolbenmotor laut Wagner: geringere Produktionskosten, weniger Gewicht, turbinenartige Laufruhe, gleiche Leistung bei der halben Drehzahl, weniger Verschleiß.

Mit gezielten Handgriffen fasst Arnold Wagner die Teile seines Motors an. Behutsam fügt er die beiden halbkugelförmigen Segmente um die Antriebswelle und lässt die billardkugelgrosse Konstruktion ins Motorgehäuse gleiten. Ein Tipp mit dem Zeigefinger genügt, und die Kugel beginnt sich zu drehen.

Moment mal. Sollten Motoren nicht Kolben haben? Kurbelwellen, Ventile, Zylinderköpfe und Nockenwellen? Anderswo vielleicht, nicht aber hier, in dieser kleinen Werkstatt in Winterthur. Wagner ist Seniorchef der Firma Peraves, die Kabinenmotorräder herstellt. Nun hat er die Fabrikation den Söhnen übertragen und widmet sich seinem Traum: Er will den Kolbenmotor ins Museum schicken und durch etwas Besseres ersetzen: eine Maschine, die aus der Drehung Kraft gewinnt. Der Letzte, der das versucht hat, war vor 50 Jahren Felix Wankel. Doch dessen Drehscheiben-Motor war wenig Erfolg beschieden.

Ingenieur mit neuen Ideen

Wagner versucht es mit zwei Kugelhälften, zwischen denen sich Treibstoff entzündet und Drehenergie erzeugt. Das Prinzip verspricht Vorteile: Der Motor ist wesentlich kompakter als ein Kolbentriebwerk, er funktioniert mit nur drei beweglichen Teilen innerhalb des Gehäuses. Das spart Baukosten. Ein weiterer Vorteil: Der Kugelmotor bringt seine Leistung bei halber Drehzahl. Er könnte also leiser und langlebiger sein.

Noch durchlebt der Motor seine Babyphase und braucht zum Einlaufen ein Öl- Benzin-Gemisch, das beträchtlich qualmt. 85 000 Franken kostet allein einer der Motor- Prototypen, die mit speziellen Fräsmaschinen aus ganzen Metallstücken geschnitten werden müssen. 2,5 Millionen Franken hat der Winterthurer Tüftler in sein Projekt investiert. Mehr als 150 Stunden haben seine Motoren zusammen auf dem Prüfstand absolviert.

Demnächst will Wagner ein Kugeltriebwerk in einen Motorroller einbauen und zu Probefahrten starten. «Wir haben auf dem Prüfstand 17 Kilowatt, also 23 PS, gemessen, bei 2500 Umdrehungen. Das würde zum Fahren reichen.» Noch braucht es einen Spezialanlasser aus der Werkstatt mit besonders hoher Drehzahl, damit der Kugelmotor in die Gänge kommt. Während der Fahrt darf der Testroller nicht ausgehen, er ließe sich unterwegs nicht wieder starten.

Das Prinzip des Kugelmotors

Es braucht dreidimensionales Vorstellungsvermögen, um das Prinzip zu durchschauen. Zwei Kugelhälften drehen sich auf einer Achse innerhalb des Motorgehäuses. Während jeder Umdrehung öffnen und schließen sich zwischen den Kugelhälften mehrere Spalten, die als Ansaug- und Brennkammer dienen. In einem ersten Takt saugt der Motor ein Benzin-Luft-Gemisch von der Seite her an. Eine Viertelumdrehung später schließt sich die Ansaugkammer und bläst das Gemisch durch einen Kanal in die Brennkammer. Diese verdichtet das Gemisch, es wird von Zündkerzen zur Explosion gebracht. Der entstehende Druck treibt die Drehung der Kugel weiter.

Die Konstruktion arbeitet mit Pro/ENGINEER

Um die Konstruktion selbst in der Hand zu behalten, musste Arnold Wagner, Unternehmens-leiter PERAVES AG Fahrzeug- + Motorenbau, Winterthur/Schweiz, mit 63 Jahren, nach eigenen Aussagen, 6 Leidensmonate der Konversion vom klassischen Reissbrett zum Pro/ENGINEER-3-D-CAD erdulden. Wagner: „Ohne den Einsatz dieses Software-Tools, ist der dreidimensionale Kugelmotor unvorstellbar. Das direkte Feeding der Teiledaten in die 5-Achsen-Fräsmaschine per IGS und E-Mail mit unglaublicher Zeitersparnis und Präzision ist aber mehr als erwartete Belohnung dafür. Ja, hätte man das schon früher für seine Konstruktionen gehabt, sie würden sicher ganz anders ausgesehen haben!“

Dabei setzt Wagner auf das Software-Haus INNEO Solutions mit seiner Niederlassung in der Schweiz. Wagner: „Mithilfe von 3D können wir die Entwicklungszeit reduzieren, gleichzeitig aber detailliertere Konstruktionen realisieren und die Produktqualität spürbar verbessern. Ohne das Software-Tool wäre eine Lösung, wie der Kugelmotor, nicht möglich gewesen. Wir haben uns für dieses Werkzeug entschieden – heute würde die Entscheidung nicht anders lauten.“

Software-Dienstleister als Anbieter von CAD

INNEO Solutions ist mit über 200 Mitarbeitern in Deutschland und der Schweiz führender Anbieter in den Kernbereichen CAD/CAM, PDM/PLM, IT und Projektmanagement. Mit dem Geschäftsbereich PTC bietet man ein umfassendes Portfolio von Lösungen für die System-integration im Pro/ENGINEER- und PDM-Umfeld. Das Hauptaugenmerk gilt dabei der erfolg-reichen Implementierung, Systemintegration und Prozessunterstützung. Die breit gefächerte Palette an Dienstleistungen – von Trainings- und Ausbildungskonzepten über prozessbezogenes Consulting bis hin zu Automationslösungen in der Produktentwicklung – komplettiert das Angebot.

Pro/ENGINEER ist der Standard auf dem Gebiet der 3D-Produktkonstruktion. Die Lösung enthält branchenführende Produktivitäts-Tools, welche die Nutzung von optimalen Vorgehensweisen in der Konstruktion fördern und gleichzeitig für die Einhaltung aller branchen- und unternehmensspezifischen Normen sorgen. Integrierte Pro/ENGINEER CAD-/CAM-/CAE-Lösungen ermöglichen es, Konstruktionen schneller als je zuvor anzufertigen – wobei Innovation und Qualität an erster Stelle stehen.

Das Ergebnis sind außergewöhnliche Spitzenprodukte.

1. Unübertroffene Funktionen zur Geometrieerstellung, die eine hervorragende Produktdifferenzierung und Bearbeitungseignung gewährleisten

2. Vollständig integrierte Anwendungen ermöglichen die Verwendung einer einzigen Anwendung für den gesamten Entwicklungszyklus – von der Konzeptionierung bis zur Fertigung 3. Automatische Weiterleitung von Konstruktionsänderungen an alle nachgeordneten Lieferbestandteile für ein größeres Vertrauen in die Konstruktionsarbeit 4. Umfassende Funktionen für die virtuelle Simulation ermöglichen verbesserte Produktleistungen und eine noch höhere Produktqualität

5. Automatisierte Generierung von assoziativer Werkzeugkonstruktion, Montageanweisungen und Maschinencode für maximale Produktionseffizienz

Die erste praktische Anwendung ...

des Peraves Kugelmotors PKM-16 in 2 YP-400-Rollern steht nun mit abgeschlossenen Anpassungs- und Einbauarbeiten sowie Standläufen am Beginn der Fahrerprobung (16.04.2007). Wagner: „Wir konzentrieren uns z.Z. auf die technische Fertigstellung bis und mit Zulassung inklusive Einhaltung von ECE-Geräusch- und Abgaslimiten. Diese Anwendung ist nicht als Vorserien-Prototyp mit der Absicht einer späteren Produktionsaufnahme konstruiert und gebaut worden. Es soll vielmehr ein CONCEPT-PROOF, ein Beweis für das Potential des Kugelmotors damit erbracht werden. Bis zur völligen Funktionsreife dieses PKM-16-Rollers inklusive Erfüllung der gesetzlichen Zulassungs-Bedingungen machen wir lediglich CAD-Studien für weitere Kugelmotor-Typen, wobei vor allem die Diesel-, aber auch Erdgas- und später Wasserstoff-Adaptionen untersucht und vorbereitet werden.

Arnold Wagner: „Die Zukunftsplanung bei PERAVES und Lizenznehmern sieht als nächsten Schritt, nach der Fertigentwicklung des PKM-16-Rollers vor, einen PKM-24 als OTTO- und gleichzeitig Diesel-Triebwerk mit 1‘325 cm3 und Leistungsstufen bis zu 130 kW zu verwirklichen. Dieser Typ soll einerseits als PKW-Einbaumotor von einer interessierten Motorenfabrik in China in Stückzahlen produziert und angeboten sowie andererseits als Antrieb im neuen Kabinenmotorrad MonoTracer eingesetzt werden,

Zur Ruhe setzen ist nicht angesagt

Motorenbauer Wagner ist ein Konkurrent auf den Fersen: der Lörracher Erfinder Herbert Hüttlin. Er hatte den Kugelmotor entworfen und Wagner 2003 eine Baulizenz verkauft. Doch dann stellte sich heraus, dass der US-Ingenieur Frank Berry bereits 1961 einen Kugelmotor gezeichnet und patentiert hatte. Berry war zu früh dran: Erst jetzt, mit digitalen Zeichenprogrammen und computergesteuerten Fräsmaschinen, lässt sich der Entwurf verwirklichen.

Glück für Wagner: Berrys Patente sind abgelaufen, das Konstruktionsprinzip ist frei verfügbar. So konnte er sich von Hüttlin trennen, auf eigene Faust weitermachen. Auch Hüttlin entwickelte seine Version des Kugelmotors weiter. Im Herbst plant er erste Prüfstandtests bei der Empa. Auf dass die bessere Maschine gewinne.

*Dipl.-Ing. Ullrich Höltkemeier, Chefreakteur der konstruktionspraxis

 

Neu entdecktes Motorenkonzept: Der Kugelmotor

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