Kurbelschlaufenmotor

Vierzylinder Kurbel­schlaufen­motor nach Russell L. Bourke

Figure 2 aus Patent US 2172670 A

Figure 1 aus Patent US 2172670 A

Animation eines Vierzylinder Kurbelschlaufenmotors

Ein Kurbelschlaufenmotor ist ein Verbrennungsmotor nach dem Prinzip des Scotch-Yoke-Kurbeltriebes.

Allgemeines

Nach heutigem Wissensstand wurde der erste Motor nach diesem Prinzip im Jahr 1932 von Russell Lyle Bourke zum Patent angemeldet, woraus sich später die Bezeichnung Bourke-Motor (englisch: Bourke engine) entwickelte. Bourkes Bemühungen zielten ursprünglich darauf ab, den Zyklus des Ottomotors zu verbessern.

Weitere, marktübliche Bezeichnungen für diesen Motorentyp sind:

• Scotch-Yoke-Motor nach dem Scotch-Yoke-Prinzip
• Sliderengine von Slider Engine Technologies, ein 90°-Doppelkurbelschlaufenmotor (Patente von 2000 bzw. 2002)

Bourke-Motor

Im Jahre 1938 meldete Russell Lyle Bourke den Motor in den USA zum Patent an. Weiterentwicklungen wurden im Jahre 1939 in Großbritannien und Frankreich patentiert.

Trotz seines Erfolges bei der Umsetzung seines Designs in verschiedene laufende Motoren hatte Bourke dennoch wenig Glück. Der Ausbruch des Zweiten Weltkriegs, sein schlechter Gesundheitszustand und die „Besserwisser“-Haltung führten gemeinsam dazu, dass sein Motor trotz der behaupteten Vorteile niemals auf dem Markt erschien.

Der Motor befand sich in der Vorproduktion bei der Hudson Motor Car Co. (heute American Motors), wurde aber nicht produziert, da der Zweite Weltkrieg begann. Bis heute, in das 21. Jahrhundert hinein, gibt es verschiedene kleine Gruppen, die die Vorzüge dieses Motordesigns loben.

Konstruktionsmerkmale

Ein Bourke-Motor hat zwei sich gegenüberliegende Zylinder, deren Kolben über einen Scotch-Yoke-Mechanismus gekoppelt sind. Da sich die Kolben in einer perfekten Sinuswelle bezüglich Zeit versus Hub bewegen, verbrennt der Kraftstoff in einem kleineren Volumen bei höherer Temperatur. Die Verwendung eines Scotch-Yoke-Kurbeltriebes reduziert die Vibrationen bei der Bewegung der Kolbenstange. Die Einspritzventile werden durch Anschlüsse ersetzt, und durch die Reduzierung der Anzahl der Bauteile erhöht sich die volumenbezogene Effizienz der Maschine.

Es wird vermutet, dass die Merkmale, die die Wirtschaftlichkeit des Motors erhöhen, insbesondere die Art der Kraftstoffverbrennung, Emissionsprobleme verursachen können. Die höhere Temperatur bei der Verbrennung in Kombination mit der längeren Zykluszeit am oberen Totpunkt kann zu erhöhten Stickoxid-Emissionen führen. Bis heute gibt es keine verifizierten Messungen des Stickoxid-Ausstoßes an laufenden Motoren, die diese Emissionsprobleme bestätigen oder widerlegen würden.

Bourke-Motoren unterscheiden sich von Ottomotoren, Dieselmotoren oder Wankelmotoren.

• Scotch-Yoke-Kurbeltrieb statt Kolbenstangen (Pleuel) zur Umwandlung der Translationsbewegung in eine Rotationsbewegung:
• Beim Zweizylinder nur drei bewegliche Teile
• Ruhigerer Lauf durch rein sinusförmige Weg/Kurbelwinkel-Funktion (Das üblicherweise bei Verbrennungsmotoren eingesetzte Schubkurbelgetriebe liefert bei endlicher Pleuellänge vergleichsweise geringere Kolbenbeschleunigungen am unteren und höhere am oberen Totpunkt.)
• Zwei Arbeitstakte pro Umdrehung, d. h. Zweitakt der sich gegenüberliegenden Kolben statt eines Arbeitstaktes bei jeder zweiten Umdrehung wie beim Einzylinderviertaktmotor mit dem Ergebnis einer nahezu doppelten Kraft bei gegebener Drehzahl.
• Eine Trennwand dichtet die Unterseite des Kolbens gegen das Kurbelgehäuse ab, deshalb muss dem Kraftstoff kein Öl beigemischt werden, wie es bei anderen Zweitaktmotoren üblich ist und das Blowby wird verhindert, sodass das Öl im Kurbelgehäuse nicht verschmutzt, und seine Lebensdauer verlängert wird.

Vereinfachtes Funktionsprinzip

Ein Bourke-Motor ist im Prinzip ein Zweitaktmotor, dessen Kolbenbewegung etwas anders verläuft.

Im ersten Takt verdichtet der sich in Richtung Zylinderkopf bewegende Kolben das sich unter dem Druck erhitzende Gemisch; da aber Kolbenkopf und Zylinderwände kalt sind, wird dieses nicht stark genug erhitzt, um sich selbst zu entzünden, obgleich die Selbstentzündung wegen des hohen Kompressionsverhältnisses (mehr als 10:1) nahe ist. Kurz vor dem oberen Totpunkt funkt die Zündkerze und entflammt das Gemisch. Der Kraftstoff verbrennt fast vollständig im Sauerstoff der erhitzten Luft.

Im zweiten Takt bewegt sich der Kolben im Zylinder nach unten, das dem Kolben folgende Gas expandiert und kühlt sich dabei ab. In der Nähe des unteren Totpunktes gibt der Kolben die Spülschlitze im Zylinder frei und damit Zeit zum Ausströmen der Abgase und zur Einspritzung des frischen Gas-Luft-Gemisches.

Kraftstoffwahl

Die Mischung muss mager genug sein, damit die Kompressionswärme des Gemisches nicht vor Erreichen des oberen Totpunktes zur Selbstentzündung führt. Ist dies nicht der Fall, läuft der Motor gar nicht oder nur sehr rau. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch muss sich in der „explosiven“ Zone befinden, d. h., für den Motor muss unbedingt das richtige Mischungsverhältnis vorliegen, damit dieser richtig läuft. Es kann jeder beliebige Kraftstoff, der im richtigen Verhältnis gemischt wird, mit diesem Motor verwendet werden, d. h., der Motor ist zur Verbrennung verschiedener Kraftstoffe fähig.

Drehmoment und Effizienz

Der maximale Druck auf den Kolben tritt wie bei konventionellen Motoren kurz nach dem Erreichen des oberen Totpunktes auf. Die vollständige Verbrennung des Kraftstoffes ist wichtig für die Effizienz und die geringen Emissionen eines Motors.

Zyklus

Die durch die expandierenden Gase verursachte Kühlung hinter dem Kolbenkopf, die kaum vorhandene Verbrennung von Kraftstoff während der Kolbenbewegung und die Verdampfung von Kraftstoff während der Einspritzung sind ausschlaggebend für die niedrige Abgastemperatur. Die Kühlung des Kolbenkopfes beugt darüber hinaus dem Klopfen bzw. Nageln während des nächsten Kompressionszyklus vor.

Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird während des Kolbenrückhubs hinter dem Kolben angesaugt und beim Arbeitshub wie in einem Verdichter komprimiert. Anschließend strömt es in den Verbrennungsraum vor den Kolben. Die Einspritzung erfolgt zum selben Zeitpunkt mit dem Abgasausstoß, allerdings auf der anderen Seite des Zylinders. Aufgrund der Form des Kolbens erreicht das eingespritzte Gemisch den abgeschrägten Kolbenkopf, was zu einer Verdampfung der Kraftstofftröpfchen führt, die den Kolbenkopf weiter abkühlt und eine Wirbelströmung verursacht, die zu einer kompletten Durchmischung des Kraftstoff-Luft-Gemischs führt. Diese Mischung trägt mit zur vollständigen Verbrennung bei. Der abgeschrägte Kolbenkopf trennt das einströmende Gemisch effektiv von den auszustoßenden Abgasen.

Scotch-Yoke

Der Kolben ist mit dem „Schottischen Pleuel“ mittels einer „dreifachen Gleitführung“ (einer Art hydrodynamischer Schwenkblockführung) verbunden. Diese Führung absorbiert und glättet die Kraft der Verbrennung und verhindert damit Deformation oder Zerstörung von Motorteilen. Die Führung absorbiert auch sämtliche lateralen Kräfte, was Vibrationen vorbeugt.

Kompressionsverhältnis

Das Kompressionsverhältnis muss dem zu verbrennenden Kraftstoff angepasst werden. Wenn das Kompressionsverhältnis zu hoch gewählt wird, wird die Drehzahl aufgrund von Klopfen unregelmäßig und schwer kontrollierbar. Durch Anpassen des Kompressionsverhältnisses können sowohl Kraftstoffe mit niedriger als auch mit hoher Oktanzahl verbrannt werden.

Die Kolbenform mit größerem Volumen an der Spitze unterstützt zusätzlich die vollständige Verbrennung.

Patente für Kurbelschlaufenmotoren

Für Kurbelschlaufenmotoren existieren heute weltweit eine Vielzahl von Patenten. Alleine mit dem Suchbegriff „Scotch Yoke Engine“ lassen sich inzwischen mindestens 45 verschiedene, weltweit verstreute Patente ausfindig machen, die sich mit Scotch-Yoke-Motorentechnik befassen. „Scotch Yoke Motor“ liefert weitere Treffer.

Eine vergleichsweise kleine Auswahl von Patenten zum Thema Kurbelschlaufenmotor findet sich wie auch viele Animationen der verschiedenen Motortypen auf der Website von Slider Engine Technologies, einem australischen Unternehmen, das sich auf Kurbelschlaufenmotoren spezialisiert hat und selbst mehrere Patente zu diesem Thema hält.

Die folgende Patentliste ist alphabetisch nach den Firmennamen geordnet.

• BMW (1996)
• Collins Motor Corporation (1997)
• Daimler-Benz AG (1987)
• Fiat (1999)
• Ficht (1985)
• RP&M (1987)
• Saab (1993)
• Slider Engine Technologies
• Toyota (1996)
• VW (1998)
• US-Patent 4013048 aus dem Jahre 1977 nennt Daniel M. Reitz als Erfinder einer „Bourke Type Engine“.
• US-Patent 5315967 aus dem Jahr 1994 nennt Harry Schoell als Erfinder eines 4-Zylinder-Kurbelschlaufenmotors, bei dem die 4 Zylinder jeweils um 90° verdreht angeordnet sind.

In den vergangenen 20 bis 25 Jahren wird wieder verstärkt an der Weiterentwicklung dieser Motoren gearbeitet, was sich insbesondere auch an einer Vielzahl von Patenten erkennen lässt, die seither angemeldet wurden.

Vor- und Nachteile

Das wachsende Interesse der Automobilindustrie an diesen Motoren ist außer umweltpolitischen Ursachen auch auf die Vorteile des Scotch-Yoke-Prinzips gegenüber Kurbelwellen und Pleueln zurückzuführen. Diese sind u. a.:

• Weniger bewegliche Teile
• Leichtgängigkeit
• Bei Motoranwendungen entfallen wegen des Kolbenbolzens weitere Verbindungsstellen
• Großes Drehmoment bei geringer Zylindergröße
• Geringerer Zeitanteil am oberen Totpunkt verbessert die Effizienz des Motors
• Höherer Zeitanteil am unteren Totpunkt verbessert den Ausstoß der Abgase

Nachteile der Kurbelschlaufe sind:

• Schnelle Abnutzung der Bolzenlagerung
• Eine einzelne Kurbelschlaufe kann von selbst keine Rotation erzeugen; es sind mindestens zwei winkelversetzte, achsgekuppelte Schlaufen notwendig.
• Schmierfilmabriss auf der Lagerung der Pleuel-Kurbelwelle wegen der oszillierenden Kinematik kann zur Selbstzerstörung des Motors führen

Siehe auch

• Homogene Kompressionszündung

Quellen

• Bourke-engine.com
• sliderengine.com
• Patentanmeldung WO02097248A1: Verbrennungsmaschine für eine Verbrennung von brennbarem Gas. Angemeldet am 31. Mai 2002, veröffentlicht am 5. Dezember 2002, Erfinder: Reinhold Ficht.‌

Weblinks

Commons: Bourke engine – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Artikel von Hans-Günther Rosenkranz zum Kurbelschlaufenmotor (MTZ-Veröffentlichung von 1997, PDF-Datei; 631 kB)
• Kurbelschlaufe beim Verbrennungsmotor (PDF-Datei; 374 kB)
• UNCONVENTIONAL CONVENTIONAL INTERNAL COMBUSTION ENGINES
• Bourke Engine Project
• Hydrodynamically lubricated scotch yoke

Einzelnachweise

Bauweisen von Verbrennungsmotoren

Einzylindermotor | Reihenmotor | Boxermotor | V-Motor | U-Motor | W-Motor | Y-Motor | VR-Motor | X-Motor | H-Motor

Sternmotor | Reihensternmotor | Mehrfachsternmotor | Umlaufmotor | Taumelscheibenmotor

Doppelkolbenmotor | Gegenkolbenmotor | Freikolbenmotor | Rotationskolbenmotor | Kugelmotor | Schiebermotor | Glühkopfmotor | Direkteinspritzender Glühkopfmotor

Δ-Motor | Stelzer-Motor | Wankelmotor | Schukey-Motor | Kauertz-Motor