Funktionsweise von Hülsenventilmotoren

Oktober 1945: Ein veraltetes Junkers JU 88-Transportflugzeug mit einem Focke-Wulf FW 190-Jäger an der Spitze bei einer Ausstellung britischer und deutscher Flugzeuge im Royal Aircraft Establishment in Farnborough, England. Schauen Sie sich unsere Animation an, wie der Hülsenventilmotor funktioniert. Fox Fotos / Getty Images

Während des Zweiten Weltkriegs entwickelten Ingenieure des NS-Regimes 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 Luftüberlegenheitspendel zu ihrem Vorteil. Ein robuster, unkonventioneller Motor, von dem viele Menschen heute wahrscheinlich noch nie gehört haben, trug dazu bei, die Fw 190 und den Rest der Luftwaffe zu neutralisieren. Auf seine Weise half ein Motor, die Alliierten zum Sieg zu führen [Quelle: Rickard].

Der Hülsenventilmotor, der sowohl in Automobilen als auch in Flugzeugen eingesetzt wurde, trieb schnelle britische Jäger wie den Hawker Typhoon und den Hawker Tempest an. Mit ihrer brutalen Leistung halfen sie den Alliierten, den Himmel zu kontrollieren, die Bodentruppen in der Luft zu unterstützen und schließlich den Krieg zu gewinnen.

Aber was genau ist ein Hülsenventilmotor und was ist mit dem lustigen Namen? Und warum sehen oder hören wir heute nicht viel über sie??

Der Motor hat seinen Namen von der dünnwandigen Metallhülse, die während des Verbrennungsprozesses in jedem Zylinder auf und ab gleitet. Typischerweise richten sich Löcher in der Hülse und in dem Zylinder, der sie enthält, in vorhersehbaren Intervallen aus, um Abgase auszutreiben und Frischluft einzusaugen.

Trotz seiner ehrenwerten Leistungen bei den Streitkräften verlor das komplexe Hülsenventil-Setup an dem, was wir heute in Verbrennungsmotoren verwenden, Stößelventilen. In Flugzeugen machten natürlich kolbengetriebene Triebwerke aller Art den Triebwerken weitgehend Platz.

Aber Moment mal - entlassen Sie das Hülsenventil noch nicht als nutzloses historisches Relikt.

Mindestens ein Unternehmen versucht, den ehrwürdigen Hülsenventilmotor wieder in Betrieb zu nehmen, allerdings mit ein paar modernen Wendungen.

Auf den nächsten Seiten werden wir uns ansehen, wie sich der Motor des Hülsenventils dreht. Wir werden auch untersuchen, warum es in Ungnade gefallen ist, zusammen mit den Gründen, warum es jetzt, mehr als ein Jahrhundert nach seiner Erfindung, aufgerufen wird, in einer anderen Art von "Kampf" zu dienen.

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Inhalt

1. Motorventil-Motortechnologie
2. Hülsenventile auf dem Landweg - Verwendung in Kraftfahrzeugmotoren
3. Hülsenventile auf dem Luftweg - Verwendung in Flugzeugtriebwerken
4. Was kommt als nächstes?

Der Hülsenventilmotor kommt wie in der Blütezeit des Industriezeitalters an und sieht aus wie eine Erfindung, die in einem Steampunk-Roman genau richtig wäre. Moderne Ingenieure staunen über seine Klugheit. Und glucksen bei seiner hohen Komplexität.

Sie wurden also gewarnt. Eigentlich ist es eine ziemlich schöne Sache, wenn man erst einmal versteht, wie all diese Teile zusammenarbeiten. Krempeln Sie jetzt die Ärmel hoch, denn wir werden uns mit dem Innenleben eines Hülsenventilmotors schmutzig machen.

Dieser Motor hat so viel zu bieten, dass er sich fast jeder Beschreibung entzieht. Aber wir werden es versuchen. Hülsenventilmotoren können wie ihre Gegenstücke mit Stößelventilen in vielen verschiedenen Konfigurationen geliefert werden. Eine solche Anordnung, die in Flugzeugen verwendeten Radialhülsenventilmotoren, sieht ein bisschen so aus, wie man sie bekommen könnte, wenn ein Rock 'Em Sock' Em-Roboter ein Baby mit einem "Squiddie" -Wächter von "The Matrix" hätte.

Um zu verstehen, was ein Hülsenventilmotor ist und tut, kann es hilfreich sein, zunächst zu verstehen, was er nicht ist. Es ist nicht in erster Linie das beliebte System, mit dem die meisten von uns vertraut sind, ein Tellerventilmotor. Tellerventile sind der De-facto-Standard heutiger Verbrennungsmotoren. Mit ihnen öffnen und schließen sich pilzförmige Ventile unter Federspannung rhythmisch, um den Ein- und Austritt von Kraftstoff, Luft und Abgasen in den Zylinder zu steuern.

Ein Hülsenventil verwendet andererseits eine verschiebbare, manchmal rotierende Hülse, um zu steuern, wie viel Luft und Kraftstoff bei jedem Kompressionshub zur Detonation gebracht werden. Die Grundvoraussetzung, Kraftstoff und Luft zu zünden, um einen Satz Kolben anzutreiben und eine Kurbelwelle zu drehen, ist dieselbe wie bei anderen Verbrennungsmotoren.

Hier ist eine weitere Besonderheit von Hülsenventilen. Bei Konstruktionen, bei denen sich die Hülse dreht, richten sich die eingeschnittenen Öffnungen je nach Teil des Hubs entweder an den Einlass- oder Auslassöffnungen im Zylinder aus. Ein Kolben bewegt sich in jeder Hülse auf und ab, selbst wenn die Hülse hin und her gleitet. Die Hülsenbewegung wird von Zahnrädern angetrieben, die mit der Kurbelwelle verbunden sind.

Kratzt euch immer noch am Kopf, was genau passiert? Hier sind die Schritte:

• Kompressionshub: Der Kolben nähert sich dem oberen Totpunkt, alle Anschlüsse des Zylinders sind geschlossen und die Zündkerze zündet und zündet das Kraftstoff / Luft-Gemisch
• Verbrennungshub: Die Zündung drückt den Kolben zurück in den Zylinder. Wenn sich der Kolben in den unteren Totpunkt bewegt, verschiebt sich die Laufbuchse (oder Hülse), um ihre Aussparungsöffnungen an den Auslassöffnungen des Zylinders auszurichten
• Auspuffhub: Abgas wird ausgestoßen, wenn der Kolben wieder hochkommt; Die Auslassöffnungen schließen
• Ansaughub: Die Hülse dreht sich in die andere Richtung und legt die Lufteinlassöffnungen frei. der Kolben senkt sich und saugt frische Luft an; Die Hülse verschiebt sich, um die Einlassöffnung für den nächsten Zündhub zu schließen, und dann wiederholt sich der gesamte Vorgang

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

Wenn es kompliziert klingt, liegt das daran, dass es so ist. Einer der Hauptgründe für diese Motoren war, dass sie so komplex waren. Es ist jedoch etwas sinnvoller, 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 Wirbel auf: Hülsenventile und volumetrische Effizienz

Warum sollte jemand mit einem so komplizierten Motor herumspielen wollen? Immerhin waren sie notorisch durstig nach Schmieröl; und sie nahmen Verunreinigungen wie Sand nicht freundlich auf. Die Antwort ist, dass sie den Vorteil der volumetrischen Effizienz bieten. Mit anderen Worten, sie sind viel besser als normale Motoren darin, Luft in den Brennraum und aus diesem heraus zu bringen. Auch die Anordnung der Anschlüsse bietet bessere Wirbeleigenschaften. Das ist Ingenieur, 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-Auto, damit er sein Farmjournal im Mittleren Westen der USA melden und veröffentlichen konnte. Aber er empfand das Klappern der Ventile des Autos als ernsthaften Schmerz in den Ohren. Also tat er, was jeder selbstbewusste Unternehmer mit einem Hintergrund in Industriemaschinen tun würde: Er machte sich daran, selbst einen besseren Motor zu bauen.

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

Der Knight-Motor verfügte nicht über eine, sondern über zwei Hülsen pro Zylinder, wobei die innere Hülse innerhalb der äußeren gleitete. Der Kolben rutschte wiederum in die innere Hülse. Der Ritter war seinem Spitznamen treu und ruhig. Obwohl sich der Knight-Motor als überlegen gegenüber den lauten und zerbrechlichen Tellerventilen seiner Zeit erwies, gaben ihm die US-Autohersteller zunächst die kalte Schulter.

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

Der Silent Knight war ein Hit, und bald wollten andere Hersteller an der Hülsenventil-Aktion teilnehmen - darunter auch Autohersteller in den USA. Willys Autos und leichte Lastwagen, Daimler und Mercedes-Benz, setzten unter anderem den Knight-Hülsenventilmotor ein [Quelle: Wells].

In den 1920er Jahren war das Design von Hülsenventilen jedoch über Knights Hülsen-in-Hülsen-Konfiguration hinausgegangen. Einhülsen-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 den Himmel fliegen.

1940: Das Bodenpersonal bereitet sich darauf vor, einen Hawker-Taifun mit Bomben zu beladen. Fox Fotos / Getty Images

Harry R. Ricardo (später "Sir" Harry Ricardo), geboren 1885 in London, wartete nicht bis zum College, um sein Ingenieurstudium zu beginnen. Als kleiner Junge beobachtete und absorbierte er am Knie eines örtlichen Maschinisten und ging vom Geschäft des Maschinisten nach Hause, um sein neues Wissen über den 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 Rätsel, wie solche Dinge tatsächlich hergestellt wurden. Rückblickend denke ich, dass ich aus diesen frühen und sehr groben Werten mehr über den tatsächlichen Wert gelernt habe Versuche zu entwerfen und herzustellen als von irgendetwas anderem "[Quelle: University of Cambridge].

Ricardo war im Erwachsenenalter ein unheilbarer Überflieger. Neben der Optimierung der Motoren an Tanks, die dazu beigetragen haben, das Patt des Ersten Weltkriegs zu überwinden, leitete er bahnbrechende Forschungen zur Zuordnung der Oktanzahl zu verschiedenen Kraftstoffsorten.

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

Ricardo theoretisierte in den 1920er Jahren, dass ein Flugzeugmotor mit Hülsenventil eine höhere Leistung als ein vergleichbarer Motor mit Stößelventil erzeugen könnte, weil er ein höheres Verdichtungsverhältnis erzeugen könnte.

Es stellte sich heraus, dass bis 1941 britische Flugzeuge, darunter das Hauptjägerflugzeug Supermarine Spitfire, von Deutschlands überlegenem Focke-Wulf Fw 190 geschlagen wurden. Die Fw 190 starteten auch ungestraft Bodenangriffsangriffe auf alliierte Anlagen, da nichts möglich war Fange sie in geringer Höhe, nachdem sie ihre Bomben abgeworfen haben.

Der 1942 in Betrieb genommene Hawker Typhoon mit Hülsenventilmotor änderte dies. Angetrieben von einem Napier Sabre-Motor mit 2.180 PS, bedeutete das zusätzliche Auf- und Absteigen des "Tiffy's", dass es nicht nur schnelle Luftwaffen-Eindringlinge abschießen, sondern auch Bomben tragen konnte. Später im Krieg erwiesen sich mit Bomben und Raketen ausgerüstete Taifune als ausschlaggebend für die Unterstützung alliierter Bodentruppen, da sie die Schlinge gegen die Nazis verschärften und den Krieg in Europa beendeten [Quelle: Rickard].

Trotz der vorbildlichen militärischen Bilanz des Hülsenventilmotors stand die Schrift an der Wand: Düsentriebwerke würden ab den Nachkriegsjahren die kommerzielle und militärische Luftfahrt dominieren.

Das Erbe von Knight, Ricardo und anderen würde nicht vollständig verschwinden - Motorenthusiasten würden den Hülsenventilmotor in den kommenden Jahrzehnten mit selbstgebauten Modellen und auf Websites in Erinnerung rufen. Einige fliegende Modellflugzeuge verwenden Miniatur-Hülsenventilmotoren. Und es ist denkbar, dass die Technologie in einigen der größten und am schnellsten wachsenden Automobilmärkte der Welt wieder aufleben wird.

War der Hülsenventilmotor eine evolutionäre Sackgasse, was den Fortschritt der Verbrennung angeht??

Sagen wir mal so. So wie Hollywood gerne alte Konzepte recycelt und ihnen eine neue Wendung gibt, wenn es an neuen Ideen mangelt, tut dies auch die Autoindustrie. Wie Sie sich vielleicht erinnern, waren Elektroautos eine große Sache, bevor (ironischerweise) der Elektrostarter Verbrennungsautos sehr praktisch machte. Die Elektrik verschwand so gut wie aus dem Mainstream-Verkehr, bis sie um die Jahrhundertwende aus Umweltgründen aus dem Grab zurückgebracht wurden.

Und so könnte sich auch der Fall mit dem schlummernden Hülsenventilmotor entfalten. Wie das Sprichwort sagt: "Was alt ist, ist wieder neu."

Pinnacle Technologies mit Sitz in San Carlos, Kalifornien, setzt auf die aufgestaute Nachfrage nach sauberen und billigen Transportmitteln in Asien, um die moderne Interpretation des Hülsenventils zu verbessern. Ein neuer Motor basiert auf dem, was das Unternehmen als viertaktige, funkengezündete (SI) Gegenkolben-Hülsenventil-Architektur beschreibt.

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

"Diese Motorentechnologie 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 bald veralten lassen könnten. Stattdessen gibt es eine große Chance, schnell wachsende Märkte wie Indien und China zu bedienen. Sie und andere Entwicklungsländer wollen die Treibhausgasemissionen senken und gleichzeitig den Lebensstandard ihrer Bürger durch den Besitz von Kraftfahrzeugen verbessern. Da Elektrofahrzeuge und Hybride immer noch einen erheblichen Preisaufschlag haben, ist das überarbeitete Hülsenventil laut Pinnacle eine gute "Brückentechnologie", bis die Elektrik für alle erschwinglicher wird.

Pinnacle, das Risikokapital in Höhe von mehreren Millionen Dollar erhalten hat, verfolgt eine Lizenzvereinbarung mit einem asiatischen Autohersteller und erwartet, dass die Produktion 2013 beginnen wird.

Anmerkung des Autors: Funktionsweise von Hülsenventilmotoren

Als großer Geek von Militärflugzeugen hatte ich vor diesem Einsatz von Hülsenventilmotoren gehört. Aber das war ungefähr das Ausmaß. Angesichts ihres Status als Fußnote in der Geschichte hatte ich sie immer nur abstrakt gesehen. Im Gegensatz zu einem Tellerventilmotor, den Sie in Ihrer eigenen Einfahrt studieren können, waren diese "Hülsenventil-Dinge" für mich nur eine vergessene, wenn auch kuriose Technologie wie Dampflokomotiven. Als ich die Kraft der Interwebs nutzte, um sie in Aktion zu sehen, war ich sofort beeindruckt und bewundert. Wie haben die Leute vor 100 Jahren alle notwendigen Winkel, Toleranzen, Gewichtsausgleiche 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 Hülsenventilmotoren des 20. Jahrhunderts "überentwickelt" waren - das heißt, sie waren zu kompliziert für ihr eigenes Wohl. Oder es könnte einfach sein, dass sie ohne die Fortschritte in der Materialwissenschaft und die Präzision des computergestützten Designs, die wir heute genießen, ihrer Zeit nur voraus waren.

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Quellen

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• Hodgson, Lee. "Eine kurze Geschichte der Sternmotoren." Agelessengines.com. (18. Februar 2012) http://www.agelessengines.com/history.htm
• Pinnacle Engines. "Technologie." (16. Februar 2012) http://pinnacle-engines.com/technology.html
• Raymond, Robert J. "Vergleich von Kolbenmotoren für Hülsen- und Tellerventilflugzeuge." Enginehistory.org. April 2005. (20. Februar 2012) http://www.enginehistory.org/members/articles/Sleeve.pdf
• Rickard, J. "Hawker Typhoon". Historyofwar.org. 30. April 2007. (15. Februar 2012) http://www.historyofwar.org/articles/weapons_hawker_typhoon.html
• Roush, Wade. "Pinnacle sieht jenseits von Detroit als Markt für seinen Gegenkolbenmotor aus." Xconomy. 4. Oktober 2011. (14. Februar 2012) http://www.xconomy.com/san-francisco/2011/10/04/pinnacle-looks-beyond-detroit-as-the-market-for-its -opposed-kolbenmotor /? single_page = true
• Smith, Sam. "Die 10 ungewöhnlichsten Motoren aller Zeiten." Auto und Fahrer. Oktober 2010. (16. Februar 2011) http://www.caranddriver.com/features/the-10-most-unusual-engines-of-all-time-feature
• Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Universität Cambridge. "Sir Harry Ricardo, F.R.s. - Ein Pionier oder der Verbrennungsmotor." (12. Februar 2012) http://www-g.eng.cam.ac.uk/125/achievements/ricardo/#9.%20SLEEVE
• Wells, Jerry. "Pioneer Sleeve Valve Engine." Enginehistory.org. (17. Februar 2012) http://www.enginehistory.org/pioneering_sleeve_valve.shtml
• YouTube.com. "Radiale Animation des Bristol Hercules-Hülsenventils." 8. April 2009. (16. Februar 2012) http://www.youtube.com/watch?v=_vrvep_YOio
• YouTube.com. "Brotherhood Sleeve Valve Engine, Hülsenbetrieb." 20. August 2010. (17. Februar 2012) http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&v=sPd6VJQeSYw&NR=1