Funktionsweise von Hülsenventilmotoren

Während des Zweiten Weltkriegs entwickelten Ingenieure innerhalb des Naziregimes einige der besten und fortschrittlichsten Luftwaffen der Ära. Ein deutsches Kampfflugzeug, die Focke-Wulf Fw 190 , übertraf zeitweise alles, was die Alliierten in die Luft bringen konnten.

Zum Glück für die Alliierten schwang die Technik auf ihrer Seite schließlich das Pendel der Luftüberlegenheit zu ihrem Vorteil aus. Ein robuster, unkonventioneller Motor, von dem viele Menschen heute wahrscheinlich noch nie etwas gehört haben, half dabei, die Fw 190 und den Rest der Luftwaffe zu neutralisieren. Auf seine Weise half ein Motor, die Alliierten zum Sieg zu treiben [Quelle: Rickard ].

Der Schiebermotor, der sowohl in Automobilen als auch in Flugzeugen verwendet wurde, trieb schnelle britische Kampfflugzeuge wie die Hawker Typhoon und die Hawker Tempest an. Mit ihrer rohen Pferdestärke halfen sie den Alliierten, den Himmel zu kontrollieren, die Bodentruppen aus der Luft zu unterstützen und schließlich den Krieg zu gewinnen.

Aber was genau ist ein Schiebermotor und was hat es mit dem komischen Namen auf sich? Und warum sehen oder hören wir heute nicht viel von ihnen?

Der Motor hat seinen Namen von der dünnwandigen Metallhülse, die während des Verbrennungsprozesses in jedem Zylinder auf und ab gleitet. Typischerweise reihen sich Löcher in der Hülse und in dem sie enthaltenden Zylinder in vorhersagbaren Intervallen aneinander, um Abgase auszustoßen und Frischluft anzusaugen.

Trotz seiner ehrenvollen Bilanz im Militärdienst verlor das komplexe Hülsenventil-Setup gegenüber dem, was wir heute in Verbrennungsmotoren verwenden, den Stößelventilen. In Flugzeugen wichen kolbengetriebene Triebwerke aller Art natürlich weitgehend Strahltriebwerken.

Aber halten Sie fest – tun Sie das Hülsenventil noch nicht als nutzloses historisches Relikt ab.

Mindestens ein Unternehmen versucht, den ehrwürdigen Schiebermotor wieder zum Laufen zu bringen, aber mit ein paar modernen Wendungen.

Auf den nächsten Seiten werfen wir einen Blick darauf, was den Schiebermotor zum Drehen bringt. Wir werden auch untersuchen, warum es in Ungnade gefallen ist, zusammen mit den Gründen, warum es jetzt, mehr als ein Jahrhundert nach seiner Erfindung, einberufen wird, um in einer anderen Art von „Kampf“ zu dienen.

1. Hülsenventil-Motorentechnologie
2. Hülsenventile von Land -- Verwendung in Automotoren
3. Sleeve Valves by Air – Verwendung in Flugzeugmotoren
4. Was kommt als nächstes?

Wie auf dem Höhepunkt des Industriezeitalters angekommen, sieht der Schiebermotor aus wie eine Erfindung, die in einem Steampunk - Roman zu Hause wäre. Moderne Ingenieure staunen über seine Cleverness. Und guck guck bei seiner hohen Komplexität.

Sie sind also gewarnt. Eigentlich ist es eine ziemlich schöne Sache, wenn man erst einmal versteht, wie all diese Teile zusammenwirken. Jetzt krempeln Sie die Ärmel hoch, denn wir werden gleich mit dem Innenleben eines Ventilmotors fertig.

Dieser Motor hat so viel zu bieten, dass er sich fast jeder Beschreibung widersetzt. Aber wir werden es versuchen. Hülsenventilmotoren können wie ihre Gegenstücke mit Stößelventilen in vielen verschiedenen Konfigurationen erhältlich sein. Eine solche Anordnung, die in Flugzeugen verwendeten radialen Hülsenventilmotoren, sieht ein bisschen so aus, als würde ein Rock 'Em Sock 'Em-Roboter ein Baby mit einem "Squiddie" -Wächter aus "The Matrix" bekommen.

Um zu verstehen, was ein Schiebermotor ist und was er tut, kann es hilfreich sein, zuerst zu verstehen, was er nicht ist. Es ist nicht in erster Linie das populäre System, mit dem die meisten von uns vertraut sind, ein Tellerventilmotor. Tellerventile sind der De-facto-Standard bei heutigen Verbrennungsmotoren. Bei ihnen öffnen und schließen sich pilzförmige Ventile unter der Spannung von Federn rhythmisch, um den Ein- und Austritt von Kraftstoff, Luft und Abgasen in den Zylinder zu steuern.

Ein Hülsenventil hingegen verwendet eine gleitende, manchmal rotierende Hülse, um zu steuern, wie viel Luft und Kraftstoff bei jedem Kompressionshub zur Detonation gebracht werden. Die grundlegende Prämisse, Kraftstoff und Luft zu zünden, um einen Satz Kolben anzutreiben und eine Kurbelwelle zu drehen, ist die gleiche wie bei anderen Verbrennungsmotoren.

Hier ist ein weiteres besonderes Merkmal von Hülsenventilen. Bei Konstruktionen, bei denen sich die Hülse dreht, richten sich die darin geschnittenen Öffnungen entweder mit den Einlassöffnungen oder den Auslassöffnungen im Zylinder aus, je nachdem, welcher Teil des Hubs stattfindet. Ein Kolben bewegt sich in jeder Hülse auf und ab, selbst wenn die Hülse hin und her gleitet. Die Hülsenbewegung wird durch Zahnräder angetrieben, die mit der Kurbelwelle verbunden sind.

Kratzen Sie sich noch am Kopf, was genau passiert? Hier sind die Schritte:

Multiplizieren Sie das jetzt mit mehreren Zylindern und werfen Sie eine Kurbelwelle hinein, damit sie sich drehen, und Sie haben einen Hülsenventilmotor!

Wenn es sich kompliziert anhört, nun, das liegt daran, dass es das auch ist. Einer der größten Kritikpunkte an diesen Motoren war, dass sie so komplex waren. Es macht jedoch etwas mehr Sinn, wenn Sie den gesamten Prozess in Aktion sehen. Schauen Sie sich das Video auf dieser Seite an, um es besser zu visualisieren.

Holen Sie sich Ihren Swirl On: Hülsenventile und volumetrische Effizienz

Warum sollte also jemand mit einem so komplizierten Motor herumalbern wollen? Schließlich waren sie notorisch durstig nach Schmieröl; und sie nahmen Verunreinigungen wie Sand nicht gut auf. Die Antwort ist, dass sie den Vorteil der volumetrischen Effizienz bieten. Mit anderen Worten, sie sind viel besser als normale Motoren, wenn es darum geht, Luft in die Brennkammer und wieder heraus zu bekommen. Außerdem sorgt die Anordnung der Öffnungen für bessere Wirbeleigenschaften. Das ist ingenieuresisch, denn sie erzeugen turbulente Luft, wodurch das Luft- und Kraftstoffgemisch effizienter verbrennt [Quelle: Raymond ].

Der in Indiana geborene Charles Yale Knight kaufte um 1901 ein dreirädriges Knox-Automobil , um über sein Farmjournal im Mittleren Westen der USA zu berichten und es zu veröffentlichen. Aber er empfand das Klappern der Autoventile als ernsthaften Schmerz in den Ohren. Also tat er, was jeder anständige Unternehmer mit einem Hintergrund in Industriemaschinen tun würde: Er machte sich daran, selbst einen besseren Motor zu bauen .

Mit der Unterstützung eines wohlhabenden Geldgebers entwickelte und testete er ausgiebig Prototypen. Bis 1906 hatte er genug Fortschritte gemacht, um sein 4-Zylinder-Auto „Silent Knight“ mit 40 PS auf der Chicago Auto Show vorzustellen.

Der Knight-Motor hatte nicht eine, sondern zwei Hülsen pro Zylinder, wobei die innere Hülse in die äußere gleitete. Der Kolben wiederum glitt in die innere Hülse. Der Knight war seinem Spitznamen entsprechend beeindruckend ruhig. Obwohl sich der Knight-Motor den lauten und zerbrechlichen Tellerventilen seiner Zeit als überlegen erwies, zeigten ihm die US-Autohersteller zunächst die kalte Schulter.

Knight und sein finanzieller Wohltäter LB Kilbourne erging es in Übersee erheblich besser. Nach einigen Verfeinerungen des Designs fand der Knight-Motor seinen Weg in Daimler-Fahrzeuge in England (nicht zu verwechseln mit Daimler-Benz).

Der Silent Knight war ein Hit, und bald wollten andere Hersteller in die Schieber-Aktion einsteigen – einschließlich Autohersteller in den Vereinigten Staaten. Willys Autos und leichte Lastwagen, Daimler und Mercedes-Benz verwendeten unter anderem den Knight-Hülsenventilmotor [Quelle: Wells ].

In den 1920er Jahren war das Hülsenventildesign jedoch über Knights Hülse-in-einer-Hülse-Konfiguration hinaus fortgeschritten. Single-Sleeve-Designs, einschließlich des Burt-McCollum, waren leichter, weniger komplex und kostengünstiger zu bauen und daher den Herstellern vorzuziehen. Mit weiteren Modifikationen von Motorenherstellern wie Bristol und Rolls-Royce würden sie sogar in die Lüfte fliegen.

Harry R. Ricardo (später „Sir“ Harry Ricardo), 1885 in London geboren, wartete mit seinem Ingenieurstudium nicht bis zum College. Als kleiner Junge beobachtete und absorbierte er die Knie eines örtlichen Maschinisten und ging von der Werkstatt des Maschinisten nach Hause, um sein neues Wissen beim Bau von Motoren anzuwenden . Er würde später sagen:

"Als Kind war ich immer fasziniert von Motoren und mechanischen Bewegungen im Allgemeinen und vor allem von dem großen Geheimnis, wie solche Dinge eigentlich hergestellt wurden ... rückblickend denke ich, dass ich aus diesen frühen und wirklichen Werten mehr gelernt habe sehr grobe Design- und Herstellungsversuche als von irgendetwas anderem" [Quelle: University of Cambridge ].

Ricardo war im Erwachsenenalter als berufstätiger Ingenieur ein unheilbarer Überflieger. Neben der Optimierung der Motoren an Panzern, die dazu beitrugen, die Pattsituation des Ersten Weltkriegs zu überwinden, leitete er bahnbrechende Forschungen zur Zuordnung von Oktanzahlwerten zu verschiedenen Kraftstoffqualitäten.

Sein vielleicht bemerkenswertester Beitrag in den Jahren des Zweiten Weltkriegs war seine Arbeit an der Verbesserung des Hülsenventilmotors.

Ricardo stellte in den 1920er Jahren die Theorie auf, dass ein Flugzeugmotor mit Hülsenventil mehr PS erzeugen könnte als ein vergleichbarer Motor mit Stößelventil, weil er ein höheres Verdichtungsverhältnis erzeugen könnte.

Es stellte sich heraus, dass 1941 britische Flugzeuge, einschließlich des Hauptkampfflugzeugs Supermarine Spitfire, von Deutschlands überlegener Focke-Wulf Fw 190 geschlagen wurden . Die Fw 190 starteten auch fast ungestraft Bodenangriffe auf alliierte Einrichtungen, da sie nach dem Abwurf ihrer Bomben in geringer Höhe nicht mehr erwischt werden konnten.

Der Hawker Typhoon mit Schiebermotor, der 1942 in Dienst gestellt wurde, änderte das. Angetrieben von einem Napier Sabre-Motor mit 2.180 PS, bedeutete die zusätzliche Ausstattung der „Tiffy“, dass sie nicht nur schnelle Eindringlinge der Luftwaffe abschießen, sondern auch Bomben tragen konnte. Später im Krieg erwiesen sich mit Bomben und Raketen ausgerüstete Taifune als ausschlaggebend für die Unterstützung der alliierten Bodentruppen, als sie die Schlinge um die Nazis enger zogen und den Krieg in Europa beendeten [Quelle: Rickard ].

Trotz der vorbildlichen militärischen Leistungen des Schiebertriebwerks stand die Schrift an der Wand: Strahltriebwerke würden die kommerzielle und militärische Luftfahrt von den Nachkriegsjahren an dominieren.

Das Vermächtnis von Knight, Ricardo und anderen würde nicht vollständig verschwinden – Motorenthusiasten würden dem Schiebermotor mit selbstgebauten Modellen und auf Websites in den folgenden Jahrzehnten ein Denkmal setzen. Einige fliegende Modellflugzeuge verwenden Miniatur-Hülsenventilmotoren. Und es ist denkbar, dass die Technologie in einigen der größten und am schnellsten wachsenden Automobilmärkte der Welt ein Wiederaufleben erleben könnte.

War der Schiebermotor also eine evolutionäre Sackgasse, was den Fortschritt des Verbrennungsmotors angeht ?

Sagen wir mal so. So wie Hollywood gerne alte Konzepte wiederverwertet und ihnen eine neue Wendung gibt, wenn ihm die neuen Ideen ausgehen, so tut es auch die Autoindustrie. Elektroautos , wie Sie sich vielleicht erinnern, waren eine große Sache, bevor (ironischerweise) der Elektrostarter Autos mit Verbrennungsmotor sehr praktisch machte. Elektrik verschwand so ziemlich aus dem Mainstream-Motorsport, bis Umweltbedenken sie um die Jahrhundertwende aus dem Grab zurückbrachten.

Und so ähnlich könnte sich der Fall mit dem schlummernden Schiebermotor entwickeln. Wie das Sprichwort sagt: „Was alt ist, ist wieder neu.“

Pinnacle Technologies aus San Carlos, Kalifornien, rechnet mit der aufgestauten Nachfrage nach sauberen, billigen Transportmitteln in Asien, um sich seine moderne Interpretation des Hülsenventils zu schnappen. Ein neuer Motor basiert auf dem, was das Unternehmen als Viertakt-Ottomotor (SI) mit Gegenkolben und Hülsenventil beschreibt.

Pinnacle-Gründer Monty Cleeves sagt, dass sein patentierter Motor eine 30- bis 50-prozentige Effizienzsteigerung gegenüber aktuellen Verbrennungsmotoren erzielen kann [Quelle: Pinnacle Engines ].

"Diese Motortechnologie bietet den Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emissionen eines Hybrids zu einem Preis, den sich die ganze Welt leisten kann", sagte Cleeves in einer vom Unternehmen herausgegebenen Erklärung

Pinnacle sagt, es mache sich keine Sorgen darüber, dass Elektrofahrzeuge seine Technologie in absehbarer Zeit obsolet machen könnten. Stattdessen sieht es eine große Chance darin, schnell wachsende Märkte wie Indien und China zu bedienen. Sie und andere Entwicklungsländer wollen die Treibhausgasemissionen eindämmen und gleichzeitig den Lebensstandard ihrer Bürger durch den Besitz von Kraftfahrzeugen verbessern. Da Elektrofahrzeuge und Hybride immer noch einen erheblichen Preisaufschlag haben, sagt Pinnacle, dass sein neu konzipiertes Hülsenventil eine gute „Brückentechnologie“ ist, bis Elektrik für alle erschwinglicher wird.

Pinnacle, das mehrere Millionen Dollar an Risikokapital erhalten hat, sagte, es strebe eine Lizenzvereinbarung mit einem asiatischen Autohersteller an und gehe davon aus, dass die Produktion 2013 beginnen werde.

Anmerkung des Autors: Funktionsweise von Hülsenventilmotoren

Als großer Geek für Militärflugzeuge hatte ich vor dieser Aufgabe von Hülsenventiltriebwerken gehört. Aber das war auch schon das Ausmaß. Angesichts ihres Status als Fußnote in der Geschichte hatte ich immer nur abstrakt an sie gedacht. Im Gegensatz zu einem Tellerventilmotor, den Sie in Ihrer eigenen Einfahrt studieren können, waren diese „Hülsenventildinger“ für mich nur eine vergessene, wenn auch kuriose Technologie, wie Dampflokomotiven. Als ich also die Macht der Interwebs anzapfte, um sie in Aktion zu sehen, war ich sofort von Ehrfurcht und Bewunderung überwältigt. Wie haben die Menschen vor 100 Jahren alle notwendigen Winkel, Toleranzen, Gewichtsbalancen und mehr herausgefunden, um diese unglaublich komplexen Maschinen zum Leben zu erwecken? Die Tatsache, dass Unternehmer heute versuchen, dem Konzept neues Leben einzuhauchen, spricht Bände über das Genie und die Vision dieser ursprünglichen Pioniere. Man könnte argumentieren, dass die ursprünglichen Schiebermotoren des 20. Jahrhunderts „over-engineered“ waren – das heißt, sie waren zu kompliziert für ihr eigenes Wohl. Oder es könnte einfach sein, dass sie ihrer Zeit voraus waren, weil ihnen die Fortschritte in der Materialwissenschaft und die Präzision des computergestützten Designs fehlten, die wir heute genießen.

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