Daniel Hagen

Die Entwicklung meines Freikolben- Generators
Vereinfachter Lineargenerator
Für den Anfang sind Freikolbenmotoren mit nur einem beweglichen Teil einfacher zu beherrschen- im Wissen, dass die Serienversion ein masseneutraler Gegenkolbenmotor sein wird. Der folgende Film zeigt das Prinzip eines vereinfachten Freikolben-Lineargenerators.

Robert Huber lehrte, dass die Laufcharakteristik dieser Motoren völlig anders ist, als diejenige von kurbelwellengebundenen Motoren. Die Kolbenbeschleunigung ist wesentlich höher, die Steuerzeiten können nicht mit konventionellen Motoren verglichen werden.

Daher kam die Verwendung von handelsüblichen Zweitakt- Motorenzylindern wegen den vorgegebenen, suboptimalen Steuerzeiten nicht in Frage. Ausserdem haben Motoren mit Querstromspülung aus abgastechnischen Gründen keine Zukunft.

Danebst reizte es mich sehr, den sogenannten Stelzermotor näher zu betrachten. Seit den frühen achtziger Jahren las man regelmässig von diesem Motor, aber er machte eher wegen betrogenen Investoren Schlagzeilen, denn wegen der revolutionären Technik. Der Motor sollte nun aus rein technischer Sicht analysiert werden.

Ein Besuch bei Frank Stelzer sollte Klarheit über das Motorensystem und dessen Erfinder schaffen. Leider erwies sich Frank Stelzer nicht als genialer Motorenkonstrukteur. Die von ihm gebauten Motoren hatten über all die Jahre keine Entwicklung durchgemacht, alles wirkte sehr improvisiert und amateurhaft. Frank hatte selten einen Motor zur Hand, den er auf Anhieb starten bzw. demonstrieren konnte, obwohl er sich jahrzehntelang mit diesem Motor beschäftigte. Wer ihn persönlich kannte weiss, was ich meine: Er war nicht von dieser Welt.

1:1 Schnittmodell eines Stelzermotors
1:1 Schnittmodell eines Stelzermotors
1:1 Schnittmodell eines Stelzermotors

Der Motor hat auffällig kleine Ein- und Auslassbohrungen. Er ist überquadratisch, auch wenn man die Kolbenstange von der Kolbenfläche wegrechnet.

1:1 Schnittmodell eines Stelzermotors
1:1 Schnittmodell eines Stelzermotors
1:1 Schnittmodell eines Stelzermotors

Sehr bemerkenswert: Die ringförmige Brennkammer und die Gleichstromspülung.

1:1 Schnittmodell eines Stelzermotors
1:1 Schnittmodell eines Stelzermotors
Das Original ist ein strömungstechnischer Alptraum. Die Anzahl an Kanten und Engpässen ist überwältigend. Durch den kurzen Hub und den schlechten Gaswechsel kann kaum ein ausreichender Verbrennungsdruck aufgebaut werden. Als Folge schlagen die Kolben oft am Zylinderkopf auf.

Eines war klar: Wenn der Motor nur so läuft, wie ihn sein Erfinder konstruierte, dann war er für nichts zu gebrauchen.

Die Frage war also:

Kann der Motor signifikant optimiert werden, oder nicht.

Stelzermotor
Stelzermotor
Wenn man von den zwangsläufigen Vibrationen absieht, wiegt der Aspekt der Gleichstromspülung viele Nachteile dieses Motorendesigns auf.
D. Hagen, erster Motor
D. Hagen, erster Motor
Erster Motor

Der erste selbstgebaute Motor, dessen Gaswechsel gegenüber dem Original fundamental überarbeitet wurde. Der Motor verfügt über eine verstellbare Zündung mit Lichtschranke.

​Auffallend an Freikolbenmotoren ist das fast verzögerungsfreie Ansprechen aufs "Gaspedal", ähnlich einem Rennmotor. Der Motor erträgt auch mehrere Zündaussetzer, ohne zu stoppen.

Lineargenerator
Lineargenerator
Parallel zum ersten Prototypen arbeitete ich an einem Lineargenerator.
Diesen wollte ich in einen zweiten, nochmals komplett überarbeiteten Motor integrieren.

Viele angefragte Spezialisten bekundeten Mühe damit, eine kreisrunde in eine lineare Bewegung umzugestalten. Noch dazu, wenn die Umkehrpunkte der Linearbewegung variabel sind. Dieser Umstand zwang mich dazu, mich selbst intensiv mit der Materie auseinander zu setzen, um die Vorschläge und Argumente rund um Lineargeneratoren bewerten zu können. Ich entschied mich schliesslich für ein eigenes (nicht publiziertes) Design, welches ich in der kleinsten technisch sinnvollen Grösse umsetzen wollte.
Startstrategie
Startstrategie
Lineargeneratoren sind in der Theorie schon hinlänglich berechnet worden. Mein Fokus galt daher dem Startvorgang, bzw. wie soll der Generator ausgelegt werden, sodass er hinreichend Kraft erzeugt, um den Verbrennungsmotor zu starten. Die Anlassenergie reicht mangels Getriebeübersetzung nicht, um die notwendige Verdichtung direkt zu erreichen.

Einen Freikolbenmotor zu starten bedeutet also, den/die Kolben aufzuschaukeln unter Ausnützung der kinetischen Energie und der entstehenden Luftpolster. Umgekehrt kann man davon ausgehen, dass ein korrekt ausgelegter Elektromagnet auch als Generator funktioniert.

1:1 Schnittmodell eines Stelzermotors
1:1 Schnittmodell eines Stelzermotors
Nun zeigte sich ein grosser Vorteil dieses Motors- zumindest für Versuchsaufbauten:

Die aussen frei zugänglichen Kolben ermöglichen es, auf einfachste Weise die äussere Position derselben zu bestimmen.

D. Hagen, 2. Motor
D. Hagen, 2. Motor
Grosser Wert wurde gelegt auf eine niedrige Betriebstemperatur des Generators. Mit dem mittigen Einbau konnte der Wärmetransport vom Zentrum nach aussen genutzt werden.

Die Motorzylinder sind nur schematisch dargestellt, sie wurden strömungstechnisch komplett überarbeitet.

Proof of Concept

  1. Es wurde ein Motorensystem ausgewählt, das Entwicklungspotential aufweist und relativ einfach zu bauen ist.

  2. Aus abgastechnischen Gründen wurde darauf geachtet, ein System zu verwenden, das mit Gleichstromspülung arbeitet.

  3. Aspekte der Massenneutralität wurden bewusst ausgeklammert, da letztendlich ein Gegenkolbenmotor verwendet werden sollte.

  4. Es wurde ein Lineargenerator entwickelt, der - als Elektromagnet angesteuert - die notwendige Kraft entwickelt, um den Motor starten zu können unter Berücksichtigung von Baugrösse und Gewicht.

  5. Es wurde eine Strategie entwickelt, um den Motor zuverlässig zu starten.

  6. Die einzelnen Elemente wurden in einer neu konstruierten Maschine zusammengefasst und die Zielerreichung wurde überprüft.
  7. Bis zu diesem Zeitpunkt wurde das gesamte Projekt ausschliesslich privat finanziert.
Das Resultat der Arbeit

Der Motor hat 2 x 15 ccm Hubraum. Er schwingt mit 160Hz. Der Lineargenerator erzeugt via Brückengleichrichter 15 oder 30 V Gleichstrom. Das Verdichtungsverhältnis ist 1:24.
Proof of Concept Prototyp
Die Verdichtung 1:24 bei einem benzinbetriebenen Motor klingt atemberaubend. Dank der fehlenden Kurbelwelle und der dadurch enormen Kolbenbeschleunigung sind aber noch wesentlich höhere Werte möglich.
Das Gemisch wird relativ früh gezündet. Bei maximaler Frequenz führt die Abschaltung der elektronischen Zündung dazu, dass sich das sehr stark komprimierte Benzin/Luftgemisch selbst entzündet. Da der Kolbenweg nicht gebunden ist, ergibt sich ein klopffreier, stabiler Lauf bei sehr hoher Verdichtung.

Die eingangs erwähnte, sehr hohe Kolben-Anfangsbeschleunigung vermeidet übermässige Wärmeverluste über die Zylinderwände. Diese Faktoren ermöglichen erst den sehr hohen Wirkungsgrad der Freikolbenmotoren, setzen aber wegen der hohen Kolbenbeschleunigung einen Langhuber voraus.