Seltsame Motoren am Rande des Fortschritts

Der Wankelmotor, der Stirlingmotor und verschiedene Arten von Turboaggregaten haben nie Einzug in den automobilen Mainstream gehalten. Eine Reihe bekannter Unternehmen – von Mazda bis GM, von Mercedes bis Volvo – arbeitete jahrzehntelang an ihnen. Auch kleine Firmen und Einzelerfinder blieben am Ball. Doch stellte sich heraus, dass jedes alternative Konzept weit mehr Tücken barg, als anfangs erwartet. Das bedeutet nicht, dass die Entwicklung unkonventioneller Antriebsaggregate unmöglich ist. Enthusiasten treiben verschiedene Ideen weiter voran, und hier stellen wir einige der exotischsten Motorkonzepte vor, die je gebaut wurden.

Split-Cycle-Motoren: Zwei Zylinder, ein Arbeitstakt

Einige Motorenkonstrukteure kamen zu dem Schluss, dass die klassische Kombination aus Zylinder, Kolben, Pleuelstange und Kurbelwelle sich über mehr als ein Jahrhundert bewährt hat – und dass die Verbesserung von Verbrennungsmotoren nur die Anpassung bestimmter Aspekte erfordert, anstatt das Rad neu zu erfinden. Das erste Beispiel auf unserer Liste ist der Motor des amerikanischen Unternehmens Scuderi Group, der die klassischen Takte Einlass, Verdichtung, Arbeit und Auslass beibehält – sie jedoch auf zwei separate Zylinder aufteilt:

• Kalter (Verdichter-)Zylinder — übernimmt Einlass und Verdichtung
• Heißer (Arbeits-)Zylinder — übernimmt Arbeitstakt und Auslass

Während sich das Gas im Arbeitszylinder ausdehnt, findet im kalten Verdichterzylinder der Einlasstakt statt. Während der Arbeitszylinder ausstößt, verdichtet der Verdichterzylinder. Am Ende des Verdichtungstakts nähern sich beide Kolben ihren oberen Totpunkten, das Gemisch strömt durch einen Bypass-Kanal vom kalten in den heißen Zylinder und wird gezündet. Dieser geteilte Kreisprozess – im Wesentlichen ein modifizierter Otto-Kreislauf – wurde 2006 patentiert, und 2009 baute die Scuderi Group den Prototyp des Scuderi Split Cycle Engine.

Der Verdichter- und der Arbeitszylinder können unterschiedliche Durchmesser und Kolbenhübe haben, was eine flexible Abstimmung der Motorparameter ermöglicht – vergleichbar mit dem Miller-Kreislauf mit zusätzlicher Gasexpansion. Fügt man dem Kanal zwischen den Zylindern einen Zweig mit Ventilen und einer Hochdruckflasche hinzu, kann der Motor beim Bremsen Energie zurückgewinnen und beim Beschleunigen einsetzen. Seit einigen Jahren beschränken sich die Aktivitäten der Scuderi Group jedoch auf Prototypen und Messeauftritte. Reale Effizienzgewinne rechtfertigen die erhebliche Komplexität des Designs bislang nicht.

Das kroatische Unternehmen Paut Motor wandte sich ebenfalls dem geteilten Arbeitszyklus zu. Ihr räumlich getrenntes Design erregte aus mehreren Gründen Aufmerksamkeit:

• Deutlich weniger bewegliche Teile als bei konventionellen Motoren
• Geringere Reibungsverluste
• Reduzierte Betriebsgeräusche
• Kompakte Abmessungen: 500×440×440 mm bei 7-Liter-Hubraum
• Gewicht von etwa 135 kg — ungefähr halb so schwer wie ein herkömmlicher Motor gleichen Hubraums

Das Fehlen von Öl im Kurbelgehäuse erfordert zwar einen externen Schmierstofftank, doch die Erfinder betrachteten dies als akzeptablen Kompromiss. Mehrere Prototypen wurden gebaut, obwohl die endgültige Leistungsabgabe nie offiziell ermittelt wurde. Der letzte Prototyp wurde 2011 zusammengebaut, seitdem stagniert das Projekt.

Der Bonner-Zweitaktmotor: Maximale Komplexität, ambitionierte Ziele

Der Bonner-Zweitaktmotor (benannt nach seinem Sponsor Bonner Motor) wurde 2006 in den Vereinigten Staaten von Walter Schmid erfunden und treibt die mechanische Komplexität noch weiter. Wie beim Paut Motor sind die Zylinder in einer X-Konfiguration angeordnet, und die Kurbelwelle führt über ein Zahnradsystem eine Planetenbewegung aus. Wesentliche Merkmale:

• Ventile in den Zylinderböden und rotierende Spulventile im Motorgehäuse zur Gasverteilung
• Externe Kolben, die sich unter Öldruck leicht verschieben können, um ein variables Verdichtungsverhältnis zu ermöglichen
• Hohes Leistungsgewicht als primäres Konstruktionsziel

In der Theorie klingt der Bonner-Motor überzeugend. In der Praxis sind jedoch seit Jahren keine wesentlichen Neuigkeiten aus dem Projekt bekannt geworden — offenbar hat er die Erwartungen nicht erfüllt.

Axialmotoren: Zylinder wie in einem Revolver angeordnet

Andere Erfinder ließen die Arbeitstakte des Verbrennungsmotors unverändert, dachten jedoch die physische Anordnung seiner Komponenten neu. Axialmotoren, die es seit über einem Jahrhundert gibt, sind ein typisches Beispiel. Sie unterscheiden sich im Detail, teilen aber ein gemeinsames Prinzip: Die Zylinder sind wie Patronen in einer Revolvertrommel koaxial zur Abtriebswelle angeordnet. Verschiedene Mechanismen — wie Schrägbolzen und Kegelscheiben — wandeln die Hin- und Herbewegung der Kolben in eine Wellendrehung um.

Das Duke-Engines-Projekt aus Neuseeland ist eine bemerkenswerte Variante: ein Fünfzylinder-Viertakt-Axialmotor mit 3 Liter Hubraum. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Motor gleichen Hubraums bot das Duke-Aggregat:

• 19 % geringeres Gewicht
• 36 % kompaktere Bauweise
• Vielseitige Einsatzmöglichkeiten in Automobil-, Marine- und Luftfahrtanwendungen

Es wurden ambitionierte Versprechen über eine breite Marktdurchdringung gemacht — doch die Träume von der Welteroberung blieben Träume.

Der RadMax-Motor des kanadischen Unternehmens Reg Technologies treibt das Axialkonzept noch weiter. Anstelle einzelner Zylinder werden im Inneren einer gemeinsamen Trommel mithilfe dünner Lamellen ein Dutzend Kammern gebildet. In Rotorschlitze eingesetzte Platten gleiten an diesen entlang, während der Rotor dreht, und gekrümmte Flächen an den Trommelenden definieren die Lamellenverläufe und steuern den Gasaustausch. Bemerkenswerte Eigenschaften:

• Kompatibel mit mehreren Kraftstoffarten, wobei Diesel zunächst im Vordergrund stand
• Ein Prototyp aus dem Jahr 2003 maß lediglich 152 mm in Durchmesser und Länge und leistete 42 PS — weit mehr als ein konventioneller Motor vergleichbarer Größe
• Spätere Prototypen sollen angeblich 127 PS und 380 PS erreicht haben

Trotz dieser vielversprechenden Werte scheinen alle RadMax-Aktivitäten auf dem Versuchsstadium stehen geblieben zu sein.

Toroidalmotoren: Wenn der Zylinder zur Donutform wird

Der VGT-Motor (Variable Geometry Toroidal Engine) des mittlerweile nicht mehr existierenden kanadischen Unternehmens VGT Technologies ist ein weiteres Beispiel dafür, dass die Theorie die Praxis überflügelt. Der 2005 erstmals getestete Motor ersetzt den herkömmlichen Zylinder durch einen Toroid — eine donutförmige Kammer —, in der ein Rotor mit einem Paar angebrachter Kolben rotiert.

Eine dünne Verteilungsscheibe mit einem Ausschnitt für die Kolben dreht sich über einen Riemenantrieb durch den Toroid und begrenzt das Kraftstoff-Luft-Gemisch während der Verdichtung und des Arbeitstakts. Im Jahr 2009 entwickelten die amerikanischen Unternehmer Gary Kelley und Rick Ivas unabhängig voneinander einen Toroidalmotor, der dem kanadischen Design sehr ähnelte. Ihren Schätzungen zufolge würde ein Toroid mit einem halben Meter Durchmesser folgendes leisten:

• 230 PS
• Etwa 1.000 N·m Drehmoment
• Das alles bei nur 1.050 U/min

Ihr Unternehmen Garric Engines zeigt auf seiner Website heute nur noch eine Platzhalter-Meldung: „Vielen Dank für Ihr Interesse. Die Seite könnte in Zukunft aktualisiert werden.”

Der Nutationsmotor: Rotierende Scheiben statt Kolben

Ein etwas vielversprechenderes Schicksal könnte den Nutationsmotor erwarten, der 2006 vom Amerikaner Leonard Meyer erfunden wurde — zumindest wurden mehrere funktionsfähige Exemplare gebaut. Der Name leitet sich vom lateinischen nutatio (Nicken oder Taumeln) ab. Meyers Konstruktion bildet vier Arbeitskammern mit variablem Volumen zwischen dem Motorgehäuse und einer Scheibe, die seitlich nutiert (taumelt) und als Kolben fungiert. Die Scheibe ist entlang ihres Durchmessers halbiert und auf eine Z-förmige Abtriebswelle aufgefädelt, wobei Kanäle und Ventile im Gehäuse den Gasaustausch steuern.

Prototypen wurden von Baker Engineering und seiner Schwesterfirma Kinetic BEI gebaut, mit beeindruckenden Ergebnissen:

• Einzelne 102-mm-Scheibe: 7 PS
• Zwei 203-mm-Scheiben: 120 PS
• Abmessungen des Zweischeibenmotors: 500 mm Länge, 300 mm Durchmesser, 3,8 Liter Hubraum
• Leistungsgewicht: 2,5–3 PS/kg gegenüber 1–2 PS/kg bei serienmäßig gefertigten Saugmotoren

Die literbezogene Leistung ist weniger beeindruckend, aber die Leistungsdichte ist bemerkenswert. Baker und Kinetic scheinen das Design weiterzuentwickeln, obwohl die Aktivität auf ihren Websites begrenzt bleibt.

LiquidPiston: Der Wankelmotor von innen nach außen gewendet

Rotationsmotorkonzepte faszinieren Erfinder weiterhin, als ob die Abkehr von der vertrauten Kolben-Zylinder-Anordnung von Natur aus bessere Leistung verspräche. Nikolay Shkolnik, ein ehemaliger sowjetischer Ingenieur, der in die Vereinigten Staaten übersiedelte, und sein Sohn Alexander entwickelten einen Motor, der dem Wankelmotor gleicht — jedoch von innen nach außen gewendet. Ein erdnussförmiger Rotor dreht sich in einer dreieckigen Kammer — dieselbe Grundgeometrie wie beim Wankel —, aber entscheidend ist, dass die Dichtungen an den Kammerwänden und nicht am Rotor befestigt sind.

Die Shkolniks gründeten LiquidPiston, um das Konzept weiterzuentwickeln, und warben Ko-Finanzierung von DARPA für potenzielle Einsatzmöglichkeiten ein:

• Leichtflugzeuge und Drohnen
• Tragbare Stromgeneratoren
• Antriebsstränge für Hybridfahrzeuge

Ein 23-cm³-Prototyp erreicht bereits eine thermische Effizienz von 20 % — beeindruckend für diese Hubraumklasse. Das Team strebt nun einen Diesel-Prototyp an, der etwa 13 kg wiegen und 40 PS leisten soll, wobei die angestrebte thermische Effizienz auf 45 % steigen soll.

Der Schwingkolbenmotor: Viereckig werden

Der letzte Motor in unserer Übersicht beweist, dass der Reiz einer flachen, kompakten Einheit real ist — und dass Rotoren nicht der einzige Weg sind, dies zu erreichen. Der Schwingkolbenmotor von Pivotal Engineering macht den traditionellen Kolben einfach viereckig, sodass der Zylinder in der Draufsicht rechteckig ist. Dieses Zweitaktdesign existiert seit einigen Jahren, in denen eine Reihe von Prototypen sowohl Motorräder als auch Flugzeuge angetrieben hat.

Das Unternehmen zielt primär auf Luftfahrtanwendungen ab, und das Design bietet einige echte Vorteile:

• Hohes Leistungsgewicht und hohe Leistungsdichte
• Ausgezeichnetes Aufladepotenzial, ermöglicht durch einen Flüssigkeitskühlkanal, der durch die feste Achse des Kolbens verläuft — in herkömmlichen Motorarchitekturen schwer realisierbar
• Flacher Formfaktor, da der quadratische Rotor sehr dünn ausgeführt werden kann

Weitere exotische Motorkonzepte, die es wert sind, bekannt zu sein

Es gibt viele bemerkenswerte exotische Motorendesigns jenseits der hier behandelten. Einige erwähnenswerte Beispiele:

• 12-Rotor-Wankelmotor — das Kreiskolbenkonzept von Mazda auf die Spitze getrieben
• Knight-Schiebermotor — ein jahrhundertealtes Design, das kurzzeitig mit dem Tellerventil konkurrierte
• Gegenkolbenmotoren — zwei Kolben teilen sich einen einzigen Zylinder, ohne Zylinderkopf
• Motoren mit variablem Verdichtungsverhältnis — ermöglichen die Echtzeitanpassung der Verdichtung zur Effizienzoptimierung unter verschiedenen Lastbedingungen
• Fünftaktmotoren — fügen einen dedizierten Expansionszylinder hinzu, um mehr Arbeit aus den Verbrennungsgasen zu gewinnen
• Rotationsschaufelmotoren — bei denen sich Rotorkomponenten wie sich öffnende und schließende Scherenklingen bewegen

Warum schaffen es alternative Motoren nicht in die Serienproduktion?

Selbst eine kurze Übersicht über unkonventionelle Verbrennungsmotordesigns zeigt ein auffälliges Muster: Dutzende cleverer Ideen, sehr wenige Serienfahrzeuge. Die wiederkehrenden Hindernisse sind konsistent:

• Dichtungsverschleiß — Rotationsdesigns scheitern häufig an der Degradation der Eckdichtungen über die Zeit
• Wechselnde mechanische Belastungen — Rotationsschaufelkonzepte leiden unter Ermüdung an der Verbindung zwischen Schaufel und Welle
• Fertigungskomplexität — exotische Geometrien sind teuer und schwer in großem Maßstab herzustellen
• Zuverlässigkeit und Langlebigkeit — unkonventionelle Motoren erreichen selten die Haltbarkeit herkömmlicher Kolbenmotoren, die über 100 Jahre lang verfeinert wurden

Der zweite Grund, warum es alternative Motoren schwer haben, ist, dass die konventionelle Verbrennungsmotortechnologie nicht stillgestanden hat. Die neuesten Ottomotoren mit Miller-Kreislauf erreichen auch ohne Aufladung eine thermische Effizienz von bis zu 40 % — eine bemerkenswerte Zahl, wenn man bedenkt, dass die meisten Ottomotoren nur 20–30 % und Dieselmotoren 30–40 % erreichen (wobei große Schiffsdieselmotoren bis zu 50 % erreichen).

Am wichtigsten ist, dass die globale Alternative zum Verbrennungsmotor bereits da ist: Elektromotoren und Brennstoffzellenantriebe. Wenn die Erfinder hinter diesen exotischen Kuriositäten ihre technischen Herausforderungen nicht sehr bald lösen, könnte es sein, dass kein Markt mehr auf sie wartet — Elektrofahrzeuge werden die Straßen längst übernommen haben.

Dies ist eine Übersetzung. Das Original können Sie hier lesen: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html