Technik: Viertaktmotor mit Drehschiebersteuerung (Archivversion)

Selbstgedrehte

Arno Hofmann konstruierte einen Viertakter mit Drehschiebersteuerung und drehte und fräste die wichtigsten Bauteile gleich selbst.

Während seines Physikstudiums ließ Arno Hofmann aus Gelnhausen ein Gedanke nicht mehr los, der wahrscheinlich jeden Motorenkonstrukteur schon einmal beschäftigte: die oszillierenden Tellerventile konventioneller Viertaktmotoren durch rotierende Gaswechselorgane zu ersetzen. Die Idee, im Prinzip fast so alt wie der Verbrennungsmotor selbst (siehe Seite 62), nahm nach seinem Studium so konkrete Formen an, daß der Endzwanziger sich entschloß, sein Vorhaben mit aller Konsequenz in die Tat umzusetzen. Als Physiker reizten Hofmann vor allem die thermodynamischen Vorteile, die das Konzept theoretisch parat hält. Die Frischgase heizen sich im Einlaßtrakt nicht an heißen Ventilen auf, die Luftdichte bleibt nahezu erhalten. Daraus resultiert eine gute Zylinderfüllung und somit hohe Leistungsausbeute. Heiße Zonen wie die Auslaßventile im konventionellen Zylinderkopf entfallen, es lassen sich weit höhere Verdichtungsverhältnisse realisieren, ohne daß der Motor zu klopfen beginnt. Doch auch bei der Gasdynamik hat das Drehschieberkonzept die Nase vorn: Rotierende Bauteile geben selbst bei kürzeren Steuerzeiten größere Querschnitte frei, es entstehen keine engen Ringspalte wie bei Tellerventilen mit extremen Änderungen der Gasgeschwindigkeiten in den Kanälen, wiederum gut für einen hohen Füllungsgrad und somit hohe Leistungsausbeute. Drehschieber sind zudem unempfindlicher gegen hohe Drehzahlen, vom weitaus geringeren Bauaufwand ganz zu schweigen. Genügend Gründe also, die für das Rotationsprinzip sprechen. Bei der Umsetzung scheiterten aber viele Techniker an der Abdichtung zwischen dem Brennraum und den rotierenden Steuerorganen, ein Problem, das auch Arno Hofmann noch beschäftigen sollte. Doch zurück zu den Anfängen. Der diplomierte Physiker entschied sich für zwei mit halber Kurbelwellendrehzahl im Zylinderkopf rotierende Hohlkugeln. Fenster in den sphärischen Bauteilen geben zylindrische Bohrungen im Zylinderkopf frei. Im Gegensatz zu ähnlichen Konstruktionen sind Ein- und Auslaßtrakt von den Schiebern entkoppelt, drehen sich also nicht mit diesen mit. Ein Luftspalt trennt die rotierenden Teile von den Ein- und Auslaßkanälen, die wiederum wärmeisoliert mit dem Zylinderkopf verschraubt sind. Aufgrund der Trennung von Steuerelementen und Kanälen erhielt Hofmann ein Patent auf seine Konstruktion.Bei der Suche nach einer geeigneten Basis zeigte sich BMW äußerst kooperativ und stellte einen Einzylinder der BMW F 650 zur Verfügung. Der Hesse beraubte das Rotax-Triebwerk seines Zylinders und Zylinderkopfs und stellte mit seinem Maschinenpark fast alle Teile für sein Projekt in Eigenregie her. Doch zur Realisierung war auch Grundlagenforschung nötig. Im Gegensatz zu ventilgesteuerten Viertaktern kann bei Drehschieber-Konstruktionen praktisch auf keinerlei Know-how zurückgegriffen werden. So mußte Hofmann zum Beispiel die geeignete Reibpaarung von Kugeln und Dichtelementen wie andere Tüftler vor ihm nach der Trial-and-error-Methode herausfinden. Zwei Dutzend unterschiedliche Detaillösungen gipfelten schließlich in der Kombination von harteloxiertem Aluminium und gesintertem Kohlenstoff. Der Antrieb des Drehschiebers war dagegen schon fast ein Kinderspiel. Um die Lage von Ein- und Auslaßkanal beizubehalten, war ein Antrieb mit einer Umlenkung um 90 Grad notwendig. Den übernehmen nun ein Zahnriemen, Zahnräder und ein Winkeltrieb. Nach einem Jahr und mehreren tausend Stunden Arbeit war der Motor startklar und sprang sofort an, ging aber nach kräftigem Spucken ebenso abrupt wieder aus. Eine langwierige Fehlersuche folgte, bis der Motor nach vielen Modifikationen schließlich gleichmäßig lief, wie sich MOTORRAD überzeugen konnte. Doch nach wie vor plagen das Triebwerk Startschwierigkeiten. Die führt der Erbauer aber nicht etwa auf Dichtprobleme, sondern vielmehr auf eine prinzipbedingte Eigenart zurück: Durch den vollständig geöffneten Querschnitt des Einlaßkanals trifft das mittels Vergaser aufbereitete Gemisch beim Kaltstart nicht auf sich schnell aufheizende Einlaßventile, sondern kann an den kalten Zylinderwänden kondensieren. Ein Nachteil, so hofft der Konstrukteur, der sich durch eine Einspritzanlage mit gezielter Richtung des Kraftstoffstrahls und Zerstäubung in den Griff bekommen läßt. Auch die Zündung bereitet noch Probleme und muß einer leistungsfähigeren Anlage weichen. Doch nach dem Beweis der Funktionsfähigkeit will Arno Hofmann die nun anfallenden, langwierigen und kostenintensiven Entwicklungsarbeiten nicht länger in Eigenregie durchführen, sondern mit der Industrie kooperieren. Dabei ist es ihm wichtig, daß der Motor mit seiner Person verbunden wird und er seine Erfahrung sowie sein hart erarbeitetes Know-how einbringen kann. Das Patent zu verkaufen kommt für ihn nicht in Frage. Sollte der Physiker keinen Interessenten finden, kann er sich auch vorstellen, sein Konzept auf einen sportlichen Zweizylinder zu übertragen und selbst eine Kleinserie zu initiieren. Potential hat das Konzept allemal. Bleibt Arno Hofmann nur zu wünschen, daß er einen Partner findet, mit dem er seine Idee zu Ende entwickeln kann, als Alternative zum ventilgesteuerten Viertakter allemal gut für neue Perspektiven.
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Historie des Drehschiebers (Archivversion) - Schiebermütze

Die Geschichte des Viertaktmotors ist reich an Versuchen, den Gaswechsel im Zylinderkopf mit Schieberelementen zu realisieren.
Die mit rasender Geschwindigkeit auf und ab gehenden Tellerventile von Viertaktmotoren erschienen vielen Konstrukteuren seit je her nicht als der Stein der Weisen. Ein Grund, warum zahllose Ingenieure versuchten, dieses Prinzip zu umgehen. Bereits um 1900 entwickelte der Amerikaner Charles Knight eine Konstruktion, bei der zwei um den Zylinder greifende Hülsenschieber das Öffnen der Ein- und Auslaßkanäle in der Zylinderwand steuerten. Dieses Prinzip ging bereits 1909 bei Mercedes-Benz in Serie und erntete durch die ungewöhnliche Laufruhe Beifall. Eine ähnliche Anordnung, allerdings mit nur einem Schieber, der zur Auf- und Abbewegung eine zusätzliche Rotation ausführte, entwickelten um 1910 gleichzeitig - ohne voneinander zu wissen - der Brite Peter Burt und der Kanadier James Mc Collum. Beide erhielten in ihrem Land das Patent und schlossen sich zur Vermarktung ihres Produkts zusammen. Der Burt/Mc Collum-Schieber verrichtete bis vor wenigen Jahren in Tausenden von Bristol- Flugmotoren zuverlässig seinen Dienst. Um 1910 begannen Entwicklungen mit Drehschiebern, die im Bereich des Zylinderkopfs rotierten. So experimentierte der Brite Roland Cross an einer im Zylinderkopf rotierenden Walze. Durch Stege getrennt, strömten die Frisch- und Altgase durch den hohlen Schieber und spülten durch Fenster in der Mantelfläche den Brennraum. Aufgrund von Dicht-und Schmierungsproblemen gab auch Norton in den 50er Jahren den Versuch mit diesem Prinzip wieder auf, ebenso wie der Ölmulti ESSO, der sogar bis Mitte der Siebziger mit dem Cross-Schieber experimentierte. Ende der 30er Jahre machte der englische Ingenieur Fred Aspin mit einer neuen Konstruktion auf sich aufmerksam. Ein konischer Drehschieber rotierte auf dem Zylinder. Doch ein 1937 fertiggestellter Versuchsmotor mit angeblich sensationellen Ergebnissen verschwand wieder sang- und klanglos.Deutsche Firmen griffen die Idee mit Rotationssteuerungen ebenfalls auf. NSU experimentierte in den 30ern mit einem Cross-Walzenschieber, um 20 Jahre später nochmals durchzustarten, allerdings mit einem neuen Prinzip. Die Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt hatte während des Zweiten Weltkriegs einen Flachschieber entwickelt, der im Zylinderkopf rotierte. NSU griff das Patent auf und entwickelte einen Max-Motor mit dieser Anordnung. Das Projekt fiel letztlich aber der neu aufkeimenden Euphorie um den Wankelmotor zum Opfer. Neben den hier aufgezählten Namen versuchten sich noch unzählige Konstrukteure und renommierte Automobilhersteller bis vor wenigen Jahren an Schieberkonstruktionen, scheiterten aber alle an der Umsetzung. Doch mit aktueller Werkstofftechnologie lassen sich heute Probleme lösen, die vor Jahren noch eine unüberwindbare Hürde darstellten.

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