Die Autoindustrie ist nach wie vor weit davon entfernt, vollständig auf Elektromobilität umzustellen. Bis es so weit ist, braucht es alltagstaugliche Ansätze, um den Kraftstoffverbrauch von Verbrennungsmotoren zu senken. Genau darauf zielt ein neues, bemerkenswertes Patent aus den USA ab: Es will mit exzentrischen beziehungsweise unrunden Zahnrädern die Effizienz eines Hubkolbenmotors steigern.
Ein Hubkolbenmotor in klassischer, bewährter Bauweise hat konstruktionsbedingt ein Problem: Seine Drehbewegung ist nahezu zwangsläufig gleichförmig. Die zwei beziehungsweise vier Takte fallen zeitlich jeweils mehr oder weniger gleich lang aus – obwohl es gasdynamisch deutlich sinnvoller wäre, bestimmte Takte zu verkürzen oder zu verlängern, ohne die Gesamtzeit einer Umdrehung zu verändern. Das grundlegende Verhältnis muss dabei also bestehen bleiben.
Hubbewegungen mit unterschiedlicher Dauer
Genau hier setzt der Erfinder Brian Schmidt aus Galena im US-Bundesstaat Ohio an. Er kombiniert eine zusätzliche Antriebswelle am Pleuel mit unrunden Zahnrädern, die die Wangen der Kurbelwelle bilden, und will so die Dauer der Hubbewegungen variieren.
Mit diesem Konzept eines Kurbelgetriebes – denn im Kern ist es genau das – beabsichtigt Schmidt bei einem Viertaktmotor, die beiden Abwärtsbewegungen zu verlängern: Ansaug- und Arbeitstakt. Ein längerer Ansaugtakt sorgt für eine stärkere Füllung mit kühlendem Frischgas; damit steigt das Potenzial der Zylinderfüllung. Ein verlängerter Arbeitstakt kann – abhängig vom Gasdruck – mehr oder länger anstehendes Drehmoment erzeugen.
Die im Gegenzug kürzeren Hübe für Verdichten und Ausstoßen hätten theoretisch Vorteile für die Temperaturentwicklung im Zylinder. Beim Ausstoßen drückt der Kolben das heiße Abgas zusätzlich zur Expansion aus dem Brennraum. Das beschleunigt die Abkühlung des Brennraums und kann – je nach Steuerzeiten – einen höheren Unterdruck am Einlass erzeugen, der Frischgas in den Zylinder saugt. Ob auch ein kürzerer Verdichtungstakt positiv wirkt, bleibt offen.
Kürzere Verweildauer am unteren Totpunkt
Mit den veränderten Taktzeiten verschiebt Schmidt theoretisch außerdem die Verweildauer am unteren Totpunkt, also am Umkehrpunkt mit Momentangeschwindigkeit null. Laut Zeichnung ist diese Zeit um gut 75 Prozent reduziert. Der theoretische Vorteil: Der Motor steht kürzer still, verliert dadurch womöglich weniger Schwung und könnte so den Wirkungsgrad weiter erhöhen.
Schmidts Ziel ist eine effizientere Verbrennung – also mehr Newtonmeter pro Zündung. Rein thermodynamisch ist das prinzipiell möglich. Auf den ersten Blick nutzt das Konzept jedoch sehr viele Zahnräder und zusätzliche Gleitlager, die wiederum Reibung erzeugen und den Wirkungsgrad voraussichtlich wieder mindern könnten. Unabhängig davon dürfte dieser Kurbeltrieb rau und laut laufen sowie die Zahnräder ungleichmäßig belasten, was Verschleiß begünstigt.
Und da die Motorenindustrie den grundsätzlichen Kompromiss des Hubkolbenmotors seit über 100 Jahren kennt, ihn aus Kostengründen aber eher weiterentwickelt als einen Rotationsmotor, wird Brian Schmidts Erfindung vermutlich genau das bleiben: Eine äußerst interessante, aber wohl kaum zukunftsträchtige Idee.
