Während des Zweiten Weltkriegs bauten Nazi-Ingenieure einige der schärfsten Luftwaffen, die die Welt je gesehen hatte. Die Focke-Wulf Fw 190 war nicht nur ein weiteres Jagdflugzeug; Eine Zeit lang übertraf es alles, was die Alliierten fliegen konnten. Es war schnell. Es war tödlich. Und es war ein Problem.
Zum Glück für die alliierten Mächte schlug die Technik schließlich das Pendel zurück. Sie haben nicht mit einer auffälligeren oder schnelleren Bombe gewonnen. Sie gewannen mit einem Motor, von dem die meisten Menschen heute noch nie gehört haben. Ein robustes, unkonventionelles Triebwerk neutralisierte die Luftwaffe. Auf seine stille Art trug dieser Motor zum Sieg im Krieg bei.
Der Schiebermotor trieb schnelle britische Jäger wie die Hawker Typhoon und die Hawker Tempest an. Mit roher Pferdestärke kontrollierten diese Flugzeuge den Himmel. Sie leisteten Luftunterstützung für Bodentruppen. Sie haben den Konflikt beendet.
Aber was ist ein Hülsenventilmotor? Warum hat es einen so bizarren Namen? Und warum ist es heute größtenteils weg?
Funktionsweise des Sleeve-Valve-Motors
Der Name kommt von der Hardware. In jedem Zylinder gleiten dünnwandige Metallhülsen auf und ab. Löcher in der Hülse und Löcher in der Zylinderwand liegen in vorhersehbaren Abständen aneinander. Durch diese Bewegung wird Frischluft angesaugt und Abgase ausgestoßen.
Es hat funktioniert. Dieser komplexe Aufbau wurde jedoch durch die Stößelventile, die wir heute in Verbrennungsmotoren verwenden, beeinträchtigt. In der Luftfahrt wichen die Kolbenmotoren weitgehend den Jets.
Schreiben Sie es noch nicht als nutzloses Relikt ab.
Mindestens ein Unternehmen versucht, das altehrwürdige Hülsenventil zurückzubringen. Es kommt mit modernen Wendungen zurück. Wir schauen uns an, was es ausmacht. Warum es in Ungnade fiel. Und warum es jetzt zu einem anderen Kampf aufgerufen wird.
Die Technologie hinter dem Lärm
Auf dem Höhepunkt des Industriezeitalters erschien der Schiebermotor, der wie eine Requisite aus einem Steampunk-Roman aussieht. Moderne Ingenieure staunen über seine Klugheit. Sie schmunzeln auch über die hohe Komplexität.
Es ist eine schöne Sache, wenn man die einzelnen Teile erst einmal verstanden hat. Krempeln Sie die Ärmel hoch. Wir machen uns schmutzig.
Dieser Motor entzieht sich jeder einfachen Beschreibung. Aber hier ist die grundlegende Logik. Hülsenventilmotoren können in vielen Konfigurationen erhältlich sein. Eine Anordnung, der in Flugzeugen verwendete Radial-Hülsenventilmotor, sieht aus wie eine Kreuzung zwischen einem Rock ’Em Sock ’Em Robot und einem Sentinel aus The Matrix.
Um es zu bekommen, müssen Sie zunächst verstehen, was es nicht ist. Es ist nicht der Sitzventilmotor. Sitzventile sind heute der De-facto-Standard. Pilzförmige Ventile öffnen und schließen sich unter Federspannung rhythmisch. Sie kontrollieren Kraftstoff, Luft und Abfall.
Das Hülsenventil verwendet eine verschiebbare, manchmal rotierende Hülse. Es steuert, wie viel Luft und Kraftstoff bei jedem Kompressionshub zur Explosion gebracht werden. Die Prämisse ist dieselbe. Kraftstoff und Luft entzünden. Antriebskolben. Eine Kurbelwelle drehen.
Bei Konstruktionen, bei denen sich die Hülse dreht, sind die darin eingeschnittenen Öffnungen entweder mit den Einlass- oder Auslassöffnungen ausgerichtet. Es kommt auf den Schlaganfall an. Innerhalb der Hülse bewegt sich ein Kolben auf und ab. Der Ärmel gleitet hin und her. Mit der Kurbelwelle verbundene Zahnräder treiben die Hülsenbewegung an.
Kratzen Sie sich immer noch am Kopf? Hier sind die Schritte.
- Kompressionshub: Der Kolben nähert sich dem oberen Totpunkt. Alle Häfen sind geschlossen. Die Zündkerze zündet. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet sich.
- Verbrennungstakt: Durch die Zündung wird der Kolben nach unten gedrückt. Beim Erreichen des unteren Totpunkts verschiebt sich der Liner. Seine ausgeschnittenen Öffnungen fluchten mit den Auslassöffnungen des Zylinders.
- Auspuffhub: Abgas wird ausgestoßen. Der Kolben kommt wieder hoch. Die Auslassöffnungen schließen.
- Ansaughub: Die Hülse dreht sich in die andere Richtung. Es legt Lufteinlassöffnungen frei. Der Kolben senkt sich. Es saugt frische Luft an. Die Hülse verschiebt sich, um die Einlassöffnung zu verschließen. Der Vorgang wiederholt sich.
Multiplizieren Sie das mit mehreren Zylindern. Fügen Sie eine Kurbelwelle hinzu. Sie haben selbst einen Hülsenventilmotor.
Wenn es kompliziert klingt, ist es das auch. Ein Hauptgrund für diese Motoren war ihre Komplexität. Es macht Sinn, wenn man den Prozess in Aktion sieht. Schauen Sie sich Videos an, um es zu veranschaulichen.
Warum volumetrische Effizienz wichtig ist
Warum also mit einem so komplizierten Motor herumspielen? Sie waren notorisch durstig nach Schmieröl. Sie waren nicht gerade freundlich gegenüber Verunreinigungen wie Splitt.
Die Antwort ist volumetrischer Wirkungsgrad.
Diese Motoren sind viel besser darin, Luft in den Brennraum hinein und aus ihm heraus zu befördern als normale Motoren. Die Anordnung der Öffnungen sorgt für bessere Dralleigenschaften. Das ist Ingenieurskunst für die Erzeugung turbulenter Luft. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch verbrennt effizienter.
„Das Hülsenventil hingegen verwendet eine verschiebbare, manchmal rotierende Hülse, um zu steuern, wie viel Luft und Kraftstoff bei jedem Kompressionshub zur Explosion gebracht werden.“
Charles Yale Knight war nicht nur ein Bauernsohn aus Indiana mit einem Notizbuch. Er war ein Mann, der Lärm hasste. Um 1901 kaufte er ein dreirädriges Knox-Auto, hauptsächlich um für sein Farmtagebuch zu pendeln. Das mechanische Klappern der Kolbenringe und Tellerventile war unerträglich. Es ruinierte seinen Frieden. Also hat er getan, was Ingenieure tun, wenn sie genervt sind. Er baute einen leiseren Motor.
Mit dem Geld eines wohlhabenden Geldgebers hat Knight nicht nur ein Design optimiert. Er hat den Ventiltrieb neu erfunden. 1906 stellte er auf der Chicago Auto Show den „Silent Knight“ vor. Es war eine 4-Zylinder-Maschine mit 40 PS, die sich über den Status quo hinwegsetzte.
Die Technik war in ihrer Einfachheit elegant. Die meisten Motoren dieser Zeit verwendeten Tellerventile – kleine, hammerartige Strukturen, die sich flatternd öffnen und schließen. Sie waren laut. Sie waren zerbrechlich. Sie erforderten häufige Anpassungen. Knights Lösung? Zwei Hülsen pro Zylinder.
Stellen Sie sich das wie einen Kolben im Kolben vor. Die Innenhülle gleitet in einer Außenhülle. Der eigentliche Kolben bewegte sich in dieser Innenhülse. Der Gasfluss wurde nicht durch aufspringende Klappen kontrolliert. Es wurde durch die physische Bewegung dieser Ärmel gesteuert. Das Ergebnis war genau das, was der Name versprach: Stille.
Inländische Autohersteller ignorierten es. Warum? Weil sie in die Herstellung von Tellerventilen verstrickt waren. Die Infrastruktur, die Werkzeuge, das Fachwissen – alles deutete auf den alten Weg hin. Der Silent Knight war in Sachen Haltbarkeit und Geräuschreduzierung überlegen, aber die Branche wollte einfach nicht nachgeben.
Über dem Atlantik war die Geschichte anders.
Verfeinerungen des Designs erregten die Aufmerksamkeit britischer Hersteller. Daimler in England (das ursprüngliche Unternehmen, lange vor der Mercedes-Benz-Fusion) übernahm die Technologie. Es war nicht nur eine Neuheit. Es war eine Aussage. Andere Marken folgten diesem Beispiel. Willys in den USA kam schließlich auf den Markt, ebenso wie Mercedes-Benz und Rolls-Royce. Wenn Sie in den 1910er und frühen 20er Jahren stillen Luxus wollten, kauften Sie einen Knight-Motor.
Aber der Fortschritt hört nicht auf. In den 1920er Jahren begann sich die Architektur des Hülsenventils weiterzuentwickeln. Knights Doppelärmel-Design war robust, aber schwer. Komplex. Teuer in der maschinellen Bearbeitung.
Geben Sie das Single-Sleeve-Design ein.
Unternehmen wie Burt-McCollum haben die Mechanik vereinfacht. Ein Ärmel statt zwei. Leichter. Weniger Reibung. Günstiger in der Herstellung. Für Massenmarkthersteller waren die wirtschaftlichen Aspekte unbestreitbar. Der Knight-Entwurf wurde von seinen eigenen Nachfolgern überholt.
Dann kamen die Flügel.
Triebwerkshersteller wie Bristol und Rolls-Royce übernahmen die verfeinerten Hülsenventilkonzepte und drängten sie in die Luftfahrt. Der Kolbenflugmotor benötigte Zuverlässigkeit in der Höhe und eine reibungslose Leistungsabgabe. Hülsenventile boten im Verhältnis zu ihrer Größe eine große Ventilfläche, was eine bessere Atmung bei hohen Drehzahlen ermöglichte. Sie litten nicht unter der gleichen thermischen Belastung wie Tellerventile.
Das Hülsenventil ist nicht aus Inkompetenz gestorben. Es wurde durch Effizienz und Gewichtseinsparungen verdrängt. Doch für einen kurzen Moment dominierte es die High-End-Automobilwelt und eroberte dann den Himmel.
Warum Hülsenventile in der Massenproduktion versagten
Der Hauptgrund für das Verschwinden von Hülsenventilen aus der Garage eines durchschnittlichen Autofahrers war kein technisches Versagen
Harry R. Ricardo brauchte keinen Hörsaal, um Ingenieurwissenschaften zu lernen. Der 1885 in London geborene Mann, der später Sir Harry Ricardo werden sollte, verbrachte seine Kindheit knietief in einer örtlichen Maschinenwerkstatt. Er beschäftigte sich mit der Mechanik der Bewegung und nahm dieses grobe Wissen dann mit nach Hause, um seine eigenen Motoren zu bauen. Rückblickend gab Ricardo zu, dass ihm diese frühen, gescheiterten Versuche mehr über die tatsächliche Fertigung beigebracht hatten, als es eine formelle Ausbildung jemals könnte.
Er wuchs zu einem unheilbaren Überflieger heran. Während des Ersten Weltkriegs optimierte er Panzermotoren, um die Pattsituation zu überwinden. Er war der Pionier des Oktanzahlsystems, das wir noch heute zur Einstufung der Kraftstoffqualität verwenden. Aber sein Beitrag zum Zweiten Weltkrieg war wohl der mechanisch bedeutendste.
Die Hülsenventillösung zur Dominanz der Luftwaffe
1941 erlitt die Royal Air Force eine schwere Niederlage. Die britische Spitfire, die Hauptstütze ihrer Kampftruppe, wurde von der deutschen Focke-Wulf Fw 190 übertroffen. Die deutschen Flugzeuge starteten nahezu ungestraft Bodenangriffe in geringer Höhe. Nichts konnte sie fangen. Nichts, bis die Hawker Typhoon 1942 in Dienst gestellt wurde.
Der Taifun war ein Biest. Angetrieben wurde es von einem 2.180 PS starken Napier Sabre-Motor im Hülsenventilmotor -Design. Ricardo hatte in den 1920er-Jahren die Theorie aufgestellt, dass Hülsenventil-Flugzeugmotoren höhere Verdichtungsverhältnisse erzeugen könnten als vergleichbare Stößelventil-Motoren, was zu einer höheren Leistung führen würde. Er hatte recht.
Das zusätzliche Drehmoment gab dem Typhoon die nötige Kraft, nicht nur Eindringlinge der Luftwaffe abzuschießen, sondern auch Bomben zu transportieren. Später im Krieg erwiesen sich mit Bomben und Raketen ausgerüstete Taifune als entscheidend. Sie unterstützten die Bodentruppen der Alliierten, als die Schlinge um die Nazis immer enger wurde.
„Als Kind war ich immer fasziniert von Motoren und mechanischen Bewegungen im Allgemeinen und vor allem von dem großen Geheimnis, wie solche Dinge tatsächlich hergestellt wurden … Rückblickend glaube ich, dass ich aus diesen frühen und sehr groben Konstruktions- und Herstellungsversuchen mehr von tatsächlichem Wert gelernt habe als aus allem anderen.“
Warum Hülsenventiltechnologie für Entwicklungsmärkte wichtig ist
Trotz seiner vorbildlichen militärischen Leistung wurde der Schiebermotor einer harten Realitätsprüfung unterzogen. Düsentriebwerke kamen. Sie würden in den Nachkriegsjahren die kommerzielle und militärische Luftfahrt dominieren. Das goldene Zeitalter des Verbrennungsmotors in der Luftfahrt war praktisch vorbei.
Aber das Erbe ist nicht verschwunden. Enthusiasten erinnerten an die Technologie in selbstgebauten Modellen und Online-Archiven. Einige fliegende Modellflugzeuge verwenden immer noch Miniaturversionen. Und jetzt erlebt die Technologie möglicherweise ein Wiederaufleben in den größten und am schnellsten wachsenden Automobilmärkten der Welt.
Ist der Sleeve-Ventil-Motor eine evolutionäre Sackgasse?
Schauen wir uns den größeren Zyklus an. Hollywood recycelt alte Konzepte, wenn die Ideen versiegen. Die Autoindustrie tut es auch. Elektroautos waren eine große Sache, bevor der Elektrostarter die Verbrennungsmotoren praktikabel machte. Die Elektrizität verschwand, bis Umweltschutzbedenken sie um die Jahrhundertwende aus dem Grab holten.
Das gleiche Muster könnte sich beim Hülsenventilmotor für moderne Automobilanwendungen abzeichnen.
Pinnacle Technologies mit Sitz in San Carlos, Kalifornien, setzt auf die aufgestaute Nachfrage nach sauberen und günstigen Transportmitteln in Asien. Sie entwickeln eine moderne Interpretation des Hülsenventils. Ihr Motor ist ein Viertaktmotor mit Funkenzündung (SI) und Gegenkolbenkonstruktion.
Gründer Monty Cleeves behauptet, dass der patentierte Motor eine Effizienzsteigerung von 30 bis 50 Prozent gegenüber aktuellen Verbrennungsmotoren erbringt.
„Diese Motorentechnologie bietet den Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emissionen eines Hybrids zu einem Preis, den sich die ganze Welt leisten kann.“
Pinnacle macht sich keine Sorgen darüber, dass Elektrofahrzeuge (EVs) ihre Technologie bald überflüssig machen könnten. Sie sehen eine enorme Chance in schnell wachsenden Märkten wie Indien und China. Diese Entwicklungsländer wollen die Treibhausgasemissionen reduzieren und gleichzeitig den Lebensstandard durch den Besitz eines Kraftfahrzeugs verbessern. Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge sind immer noch mit einem erheblichen Preisaufschlag verbunden.
Das neu konzipierte Hülsenventil von Pinnacle fungiert als „Brückentechnologie“. Es bietet einen Mittelweg, bis Elektrik für jedermann erschwinglich wird.
Das Unternehmen hat sich mehrere Millionen Dollar an Risikokapital gesichert. Sie streben eine Lizenzvereinbarung mit einem asiatischen Autohersteller an. Es wurde erwartet, dass die Produktion im Jahr 2013 beginnt. Ob dieser Zeitplan eingehalten wurde oder ob die Technologie seitdem einen dauerhaften Platz in der globalen Lieferkette gefunden hat, bleibt abzuwarten. Aber das Kernversprechen bleibt: hohe Effizienz, niedrige Kosten und ein Design, das auf der jahrhundertealten Erkenntnis eines Jungen basiert, der gerne Maschinen auseinanderbaut.
