Knickpleuelmotor

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Knickpleuelmotoren sind Verbrennungsmotoren mit einer durch einen im Motorgehäuse gelagerten Schwinghebel angelenkten Kolbenstange. Dies soll eine Optimierung des Motorlaufs durch ein vergleichsweise längeres Verweilen in einer Totpunktlage ermöglichen.

Das Prinzip des Knickpleuelmotors konnte sich nicht durchsetzen und kam nie über das Prototypenstadium mit wenigen Einzelanfertigungen hinaus.

Lever-Motor[Bearbeiten]

Im Jahr 1924 reichte der amerikanische Erfinder Alvah L. Powell unter der US-Patentnummer 1663261 ein Patent ein, welches einen Motor mit Knickpleuel beschrieb. Dieser Motor wurde im Jahr 1930 in vier Fahrzeugen der amerikanischen Marke Elcar verbaut.

Anfang der 1950er Jahre entwickelte die Lever Motors Corp, Charleston, USA einen „gleichstromgespülten Zweitaktmotor mit Einlassventilen und Auslassschlitzen“.[1] Kern dieser Entwicklung war eine geänderte Anlenkung der Kolbenstange an einem Schwinghebel, welcher im Motorgehäuse drehbar gelagert wurde. Ziel dieser veränderten Kinematik des Kurbeltriebs war es, eine längere Verweildauer des Kolbens im unteren Totpunkt (wegen der dann verlängerten Zeit für den – bei Zweitaktmotoren wichtigen – Spülvorgang) zu realisieren. Dies hatte in der Theorie einige positive Effekte auf Motorlauf und -Wirkungsgrad. Die längere Verweildauer im unteren Totpunkt ließ dem Motor mehr Zeit für den Auslass der entstandenen Abgase, wodurch die Wärmeabgabe erhöht und das Luftgemisch für den nachfolgenden Takt verbessert wurde. Weiterhin bewirkte die Führung durch den Schwinghebel eine geringere Schrägstellung des Kolbens, was in einem ruhigeren Lauf resultieren sollte.

Bereits damals war der Nutzen dieser durch den Einsatz zusätzlicher, bewegter Gelenke und Hebel realisierten Kinematik anstelle eines klassischen Kurbeltriebes mit Pleuelstange umstritten. Das Magazin ATZ schrieb im Jahr 1952: „Ob die Verbindung einer normalen Pleuelstange mit zwei weiteren Hebeln und drei weiteren Zapfen die beabsichtigten Vorteile aufwiegt, erscheint mindestens fraglich.“[2]

Mederer-Motor[Bearbeiten]

In den 1970er Jahren, und damit etwa 50 Jahre nach erstmaliger Entwicklung des Knickpleuel-Prinzips, schlug der deutsche Erfinder Gerhard Mederer ein Kurbeltrieb-Konzept vor. Ausgehend von der Tatsache, dass der herkömmliche Kurbeltrieb gerade im Bereich der höchsten Verdichtung kaum Drehmoment entwickelt, wollte Gerhard Mederer eine Optimierung des verfügbaren Drehmoments erreichen, indem er durch verschiedene Anordnung von Hebeln den Bereich des verfügbaren Drehmoments nahe dem oberen Totpunkt vergrößerte. Ein Effekt war, dass der Kolben sich mit geringerer Geschwindigkeit durch den oberen Totpunkt bewegt als dies mit einem normalen Pleuel der Fall wäre. Der Ansatz Mederers war, aufgrund von statischen Überlegungen den Durchgang des Kolbens am oberen Totpunkt hinsichtlich der Verweildauer zu optimieren. Dies sollte ein höheres Drehmoment zur Folge haben. Der Mederer-Entwurf hatte wie der Lever-Motor nebst der normalen Pleuelstange zwei damit verbundene Hebel.

Alle Mederer-Konstruktionen erreichten aufgrund seiner eingebauten Hebel eine verlängerte Verweildauer des Kolbens im Bereich des oberen Totpunkts.

Dieses Prinzip hat Vor- und Nachteile. Der sich langsamer durch den Bereich um den oberen Totpunkt bewegende Kolben ermöglicht die Einstellung eines späteren und damit in den Arbeitsbereich verschobenen Zündzeitpunktes. Dadurch ist nunmehr – gegenüber dem herkömmlichen Kurbeltrieb – schon kurz nach dem oberen Totpunkt, wenn sich der maximale Gasdruck im Brennraum ausprägt, ein vergrößerter Hebelarm vorhanden. Dies ermöglicht theoretisch eine erhöhte Leistung, niedrigere Gastemperaturen und damit verbunden ein verbessertes Abgasverhalten des Triebwerks. Als weiterer Vorteil kann die gute Eignung des Mederer-Motors für Brennstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen, z.B. unverestertes Rapsöl, gelten.

Einem Nachteil des Mederer-Kurbeltriebes, den höheren, zusätzlichen Massenkräften, die dadurch entstehen, dass der Kurbeltrieb die langsame Bewegung beim Durchschreiten des oberen Totpunkts später wieder aufholen muss, konnte Mederer nur teilweise begegnen. Die vor und nach Erreichen des oberen Totpunkts entstehenden höheren Beschleunigungen und damit einhergehend starken Massenkräfte am Kurbeltrieb hatte Mederer in speziell hierfür entwickelten Kurbelgehäusen und Lagern abgefangen. Dies hatte zur Folge, dass die Drehzahl reduziert und die Gelenke der Kolbenstangen besonders haltbar und damit schwer ausgeführt werden mussten. Aufgrund der reduzierten Drehzahlen sah er zunächst einen ersten Einsatz in Bereichen mit langsamer laufenden Motoren vor. Das zur Verfügung stehende höhere Drehmoment hätte bei der Verwendung in Fahrzeugen ein entsprechend dimensioniertes Getriebe zur Drehmomentwandlung erforderlich gemacht.

Versuche mit dem Mederer-Motor[Bearbeiten]

J. Blumberg und J. Gerster untersuchten wenige Jahre nach dem Bekanntwerden von Mederers Konstruktionen einen seiner ersten verwirklichten Kurbeltriebe, indem sie einen Einzylinder-Dieselmotor erst im Serienzustand mit konventionellem Pleuel und dann nach Umbau mit Knickpleuel untersuchten. In der 49. Ausgabe der MTZ aus 1988 berichteten sie: „Gemessen an den Hoffnungen des Erfinders blieben die Ergebnisse bei den Prüfläufen sehr stark hinter den ursprünglichen Erwartungen zurück. Sowohl im Vollastbetrieb als auch im Teillastbetrieb wurden jeweils höhere spezifische Verbräuche gemessen als beim Basismotor. Das erwartete hohe Drehmoment des Knickpleuelmotors im mittleren Drehzahlbereich blieb aus.“[3]

Kontroverse und Berichterstattung in den Medien[Bearbeiten]

Mederer blieb stets von der Wirksamkeit des Knickpleuelprinzips überzeugt. Ergebnisse von Untersuchungen an Mederer-Motoren bezweifelte er oft, da er zu den Untersuchungen nicht hinzugezogen wurde. Unter anderem zweifelte er die Aussagekraft der Werte der genutzten Prüfstände an.[4] Er nutzte als Gegenbeispiel den von ihm genutzten Wagen, einen mit Knickpleuel umgerüsteten Mercedes W123. Diesem Fahrzeug hatte der TÜV München in einem Bericht nach Aussage Mederers einen deutlich gesenkten Kraftstoffverbrauch und Schadstoffausstoß bescheinigt.[5] Hierfür erhielt er eine Goldmedaille auf der Erfindermesse 1991 in Nürnberg und einen Staatspreis auf der Internationalen Handwerksmesse in München. Dennoch wurde die Idee des Knickpleuels von keinem Motoren- oder Automobilhersteller weiter verfolgt; in Versuchen verschiedener Hersteller wurde dem Motor ein erhöhter Stickoxid-Ausstoß, zu hohe Vibrationen und schwer beherrschbare Massenkräfte beschieden.[6] Mederer, der seinen Motor als „den Beginn eines neues Motorenzeitalters“ bezeichnete[7], bekam in seinem Vorhaben, den von ihm entwickelten Kurbeltrieb in der Öffentlichkeit bekannter zu machen, auch Unterstützung von deutschen Tageszeitungen und Zeitschriften. So schrieb der Focus in seiner Ausgabe vom Januar 1995: „Der deutschen Automobilindustrie passt die Erfindung eines fränkischen Garagenbastlers anscheinend nicht in den Kram“.[8] Auch im Internet kursieren Berichte, die den Mederer-Motor als zukunftsträchtige, innovative Erfindung darstellen. Diese sind zum Teil nur unzureichend belegbar oder schlicht falsch. Sie haben daher keine wissenschaftliche Relevanz.

Auch ausländische Hersteller haben das Knickpleuel-Prinzip nie übernommen. Die Wochenzeitung Die Zeit vom 11. August 1995 berichtete von einer laut Mederer gemachten Aussage des japanischen Fahrzeugherstellers Isuzu: „Wenn Ihr Motor nur halb so gut ist, wie es der TÜV-Bericht verspricht, wollen wir ihn haben“[9] Bis heute vertreibt Isuzu keine entsprechenden Motoren. Weitere ernsthafte Entwicklungen in der Knickpleueltechnik waren Mederer bis zu seinem frühen Tod nicht möglich.

Aktuelle Entwicklung[Bearbeiten]

Die Idee des Knickpleuelmotors ging weder in der Ausführung des Mederer-Motors noch in der von Powell über das Erprobungsstadium hinaus und besitzt heutzutage im Motorenbau keine Relevanz.

Der heutige Stand der Motorentechnik hat mit der vollelektronischen Zündanlage und der hochentwickelten Kraftstoff-Direkteinspritzung mittlerweile einen Entwicklungsstand erreicht, der die Annäherung an einen der oben genannten Vorteile, die bessere Ausnutzung des Verbrennungsvorgangs, ermöglicht. Der weitere Effekt, die Optimierung des Drehmomentverlaufs, wurde technisch nicht weiter verfolgt. Es ist dennoch denkbar, dass einige der vielen Varianten der bisherigen, angedachten Konstruktionen des Kurbeltriebes mit Knickpleuel bei speziellen Anwendungen verbesserte Lösungsmöglichkeiten bieten.

Momentan wird bei Ottomotoren an Pleuel-Bauarten gearbeitet, die ein variables Verdichtungsverhältnis ermöglichen. Diese haben allerdings bis auf den Ansatz, das klassische Pleuel zur Änderung der Motoreigenschaften zu variieren, wenig mit der Knickpleueltechnik zu tun.[10]

Literatur[Bearbeiten]

  • Stefan Zima: Ungewöhnliche Motoren. Buchverlag vogel, Würzburg 2005,ISBN 3-8023-1995-8

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. The Powell Lever Motor. Abgerufen am 6. April 2013.
  2.  ATZ: Zweitaktmotor der Levi Motors Group.. In: ATZ. April 1952, S. 93.
  3.  Blumenberg, J. und Gerster, J.: Versuche mit einem Serienmuster nach Umrüstung auf ein Knickpleuel.. In: MTZ. März 1988.
  4.  Lewe, T.: Ein Mann kämpft für den Knick im Pleuel.. In: Frankfurter Allgemeine Zeitung. 22. November 1994.
  5.  Blum, W.: Der Trick mit dem Knick.. In: Die Zeit. 11. August 1995.
  6.  Sieger, H.: Der Trick mit dem Pleuel-Knick.. In: Focus. Januar 1995 ([1], abgerufen am 6. April 2013).
  7.  Lewe, T.: Ein Mann kämpft für den Knick im Pleuel.. In: Frankfurter Allgemeine Zeitung. 22. November 1994.
  8.  Sieger, H.: Der Trick mit dem Pleuel-Knick.. In: Focus. Januar 1995.
  9.  Blum, W.: Der Trick mit dem Knick.. In: Die Zeit. 11. August 1995.
  10. Mit variabler Verdichtung laufen Automotoren sparsam sauber. Abgerufen am 6. April 2013.