Im NET-Journal (siehe Externe Links) Januar/Februar 2003 sowie März/April 2003 wurden der Knick-Pleuel von Siegfried Meyer und der Doppelpleuel von Gerhard Mederer beschrieben und diskutiert. Im Internet sind diverse andere Artikel zu diesen Stichworten zu finden. Auch bei der Tagung ´Technologien zur Kraftstoff-Optimierung´ am 16. Mai 2003 in Breisach wurde darüber berichtet. Aufgrund dieser Anregungen habe ich einige Überlegungen zu diesen Techniken angestellt.
Dazu stelle ich hier einfache Betrachtungen zur Mechanik dar - welche möglicherweise zu einem rein mechanisch arbeitenden Motor führen könnten. In jedem Fall werden damit einige Effekte obiger Erfindungen erklärbar.
Meyer´s Knickpleuel
Der Pleuel ist die bewegliche Verbindung zwischen Kolben und Kurbelwelle und hat die Aufgabe, die lineare Kolbenbewegung in die Drehbewegung der Kurbelwelle zu transformieren. Diese Technik ist bewährt seit dem Zeitalter der Dampfmaschinen und wird auch heute noch praktisch unverändert in Verbrennungsmotoren eingesetzt. Dennoch wollte Siegfried Meyer diese Technik entscheidend verbessern - durch einen Knick in der Pleuelstange.
Die praktischen Effekte sind geringerer Verbrauch und wesentlich bessere Abgaswerte, wie durch Tests und praktischen Einsatz zweifelsfrei nachgewiesen ist. Die Automobilhersteller jedoch zeigen seit Jahren keinerlei Interesse an diesen realen Fakten einer real ausgeführten Technik (außer in Fern-Ost). Das ist trauriger Fakt - und die Gründe sind wachen Bürgern bekannt.
Als Effekt der gekröpften Pleuelstange wird genannt, dass der Kolben länger im Bereich seiner obersten Position verweilt, so dass eine längere Zeitspanne für die Verbrennung des Treibstoffs bei relativ gleichbleibendem Volumen zur Verfügung steht.
Dagegen steht das Argument, dass die Distanz zwischen Kurbel- und Kolbenlager stets konstant ist, egal wie das Pleuel dazwischen geformt ist. Tatsächlich dürfte lediglich die zusätzliche ´Unwucht´ des gekröpften Pleuels eine seitliche Ausweichbewegung des Kolbens im Zylinder bewirken und die Kurbel damit leichter durch den obersten Bahnpunkt geführt werden.
Mederer´s Doppelpleuel
Ähnliche Verbesserung des Verbrauchs und der Abgaswerte, aber zusätzlich wesentlich verbessertes Drehmoment im gesamten Drehzahlbereich, erreicht Gerhard Mederer mit einem zweiteiligen Pleuel (in obigem Bild rechts dunkelblau und hellblau gezeichnet) plus drittem Bauelement in Form eines Schwenkhebels (in obigem Bild rechts rot gezeichnet). Die folgende Animation veranschaulicht den sich dabei ergebenden Bewegungsablauf.
Auch bei dieser Technik verbleibt der Kolben relativ lange Zeit im Bereich seiner obersten Position und ergibt damit eine intensivere Verbrennung des Treibstoffs, d.h. bessere Abgaswerte. Darüber hinaus wird der Expansionsdruck in einem günstigeren Winkel auf die Kurbelwelle übertragen.
Mederer erhielt schon in 1991 Goldmedaillen für diese Erfindung, ihre positiven Effekte sind bestens dokumentiert und praktisch durch Langzeit-Einsatz bewiesen - die Automobilhersteller aber interessieren sich nicht für diese Erfindung eines Außenseiters - siehe oben.
In den Medien wurde diese Erfindung publik gemacht. Beispielsweise beschrieb Gottfried Hilscher schon 1992 in der FAZ die komplexe Mechanik und vermutete dort, dass zusätzlich Kurbelkraft eingespart wird, weil das knickende Pleuel ´aus sich heraus´ den Kolben mit nach oben schiebt.
Diese beiden Effekte der besseren Umsetzung der Kräfte im Expansions- wie im Kompressions-Takt sollen nachfolgend verdeutlicht werden. Zur einfacheren Erklärung sollen zunächst einige generelle Überlegungen zur Mechanik dargestellt werden.
Kraft gleich Gegenkraft
In Bild EV GM 01 bei A ist eine wirksame Masse (WM) eingezeichnet, auf welche Gravitation wirkt, welche also eine Gewichtskraft (GK) senkrecht nach unten besitzt. Diese Last kann auf konstanter Höhe gehalten werden, hier beispielsweise durch einen Lasthebel (LH). Das Fundament (F) ist fixe Basis der erforderlichen Stützkraft (SK). Wie jedermann weiß, entsprechen sich die Beträge von Kraft (hier ausgeübt durch das Gewicht der wirksamen Masse) und Gegenkraft (hier ausgeübt mittels Lasthebel und Fundament) immer.
Es ist nun aber keinesfalls so, dass der ursächlichen Kraft (hier Gravitation bzw. Gewicht) nur diese eine, exakt entsprechende Gegenkraft entgegen steht. Eine ursächliche Kraft kann vielmehr sehr viel mehr Kräfte zur Wirkung bringen.
In Bild EV GM 01 bei B ist beispielsweise auf dem Fundament (F) eine feststehende Wand (W) installiert. Die wirksame Masse wird durch den Lasthebel (LH) an diese Wand angelehnt.
Noch immer ist ursächliche Kraft lediglich die Gewichtskraft (GK) dieser Masse. Durch das Anlehnen drückt die Masse aber zusätzlich auf die Wand, d.h. diese muss eine horizontale (Gegen-) Kraft (HK) ausüben. Der Lasthebel trägt nun die Last in diagonaler Richtung, wobei Kraft-Komponenten in senkrechter Richtung (SK) und horizontaler Richtung (HK) aufzubringen sind.
Natürlich entsprechen sich weiterhin ursächliche Gewichtskraft und Stützkraft, aber es sind - aus dem Nichts heraus bzw. lediglich durch andere Anordnung - zusätzliche Kraftwirkungen entstanden. Natürlich entsprechen sich auch die Beträge dieser horizontal wirkenden Kräfte.
Vermehrt wirkende Kräfte
Je nach Anordnung der Mechanik können also aus einer ursächlichen Kraft vermehrte Kräfte ´generiert´ werden. In Summe heben sich sämtliche Kräfte natürlich auf. Je nach Zielsetzung können aber einige Kräfte neutralisiert werden, z.B. indem sie auf fixe Fundamente abgeleitet werden.
In Bild EV GM 01 bei C ist beispielsweise die vorige Wand durch einen Stützhebel (SH) ersetzt, symmetrisch zum Lasthebel (LH) angeordnet. Wie jedermann weiß, lastet bei dieser Anordnung die Hälfte des Gewichts mittels Stützhebel (SH) auf dem Fundament bzw. sind dort in einem Lager die wirksamen Kräfte fixiert (FK). Am Lasthebel ist (z.B. durch manuelles Anheben) eine Stützkraft von nur mehr halbem Betrag zu leisten. Die dort horizontal wirkende Kraftkomponente kann z.B. weitgehend durch Reibung aufgebracht werden.
Eine ursächliche Kraft kann also durch ´ungeschickte´ Anordnung zusätzliche Kräfte zur Wirkung bringen. Durch ´geschickte´ Anordnung können Teilkomponenten aber neutralisiert werden. Je nach Zielsetzung - hier dem Halten bzw. Heben von Last - können geringere Kräfte (als die ursächliche) ausreichend sein.
Gasthaus-Schilder
Imponierend sind Art und Weise wie Weißes Rössel, Schwarzes Pferd, Goldener Ochse, Silberner Krug (oder wie immer sich Gasthäuser nennen) per Schildern auf sich aufmerksam machen. In Bild EV GM 02 sind drei Möglichkeiten beispielsweise dargestellt.
Bei A ist die wirksame Masse (WM), also das Schild bzw. die Figur, auf einem waagrechten Lasthebel (LH) montiert, der in dieser Lage gehalten wird durch einen darüber angeordneten Stützhebel (SH). Die ursächliche Gewichtskraft (GK) bewirkt bei dieser Anordnung eine horizontal wirkende Druckkraft (HK) gegen die Wand (W) und eine diagonal wirkende Zugkraft (ZK) auf die obere Halterung.
Bei B ist der Lasthebel (LH) schräg nach oben gerichtet und wird durch den horizontal angeordneten Stützhebel (SH) in dieser Lage gehalten. Damit tritt eine diagonal abwärts wirkende Druckkraft (DK) sowie eine horizontal wirkende Zugkraft (ZK) auf. Wiederum müssen die Halterungen in der Wand (W) diese vermehrten Kräfte aufnehmen.
Noch imposanter ist die Anordnung bei C, wo beide Hebelarme nach oben weisen. Sowohl die Druckkraft (DK) als auch die Zugkraft (ZK) weisen nun in diagonale Richtung. Die Druckkraft (wie auch schon bei B eingezeichnet) muss eine Stützkraft (SK) im Betrag der Gewichtskraft als Gegenkraft in senkrechter Richtung aufbringen.
Darüber hinaus sind aber diese horizontalen Kraftkomponenten gegeben, die sich insgesamt ausgleichen, aber an unterschiedlichem Ort angreifen (also ein ´Drehmoment´ ergeben). Durch diese ´ungeschickte´ Anordnung wird also ein Vielfaches der ursächlichen Kraft wirksam an dieser Wand. Zusätzlich ist nun eine - seltsamerweise nach oben gerichtete - Zugkraft entstanden. Wenn aber alle Kräfte in Summe immer ausgeglichen sind - wo ergibt sich die zur aufwärts gerichteten Zug-Komponente entsprechende Gegenkraft?
Doppelter Hebelarm
Wenn schon das Gasthaus-Schild weit auf die Strasse hinaus weisen soll, so wären auch einfachere Konstruktionen machbar, z.B. wie in Bild EV GM 03 bei A dargestellt ist.
Das Gewicht der wirksamen Masse (WM) lastet auf einem horizontalen Stützhebel (SH), welcher mittig in einem Stützpunkt (SP) durch einen vertikalen Lastheben (LH) abgestützt ist. Die Gewichtskraft (GK) lastet nun praktisch auf einer Balkenwaage und erzeugt an der Wand (W) eine nach oben gerichtete vertikale Kraft (VK). Die Wand lastet in dieser Halterung (hier DP genannt) praktisch als Gegengewicht am Hebelarm dieser ´Balkenwaage´.
Es ist klar, dass damit auf dem Fundament (F) das doppelte Gewicht lastet (wie bei jeder Balkenwaage), d.h. über den Lasthebel (LH) eine Stützkraft (SK) von doppeltem Betrag aufzubringen ist.
In diesem Bild bei B ist nun wieder obige Anordnung dargestellt, bei welcher beide Hebel (SH und LH) diagonal nach oben weisen und die Druckkraft (DK) wie Zugkraft (ZK) in entsprechend diagonale Richtungen wirken.
Der Stützhebel (SH) ist nun auf der Wand (W) in einem Drehpunkt (DP) ziemlich weit unten gelagert. Auf dieser Höhe setzt auch der Lasthebel (LH) in einem Stützpunkt (SP) an, endet oben links aber wieder direkt beim Gewicht. Diese Konstruktion entspricht obiger ´Balkenwaage´, stellt nur eine etwas seltsame Version davon dar.
Wenn der Stützpunkt (SP) sich mittig zwischen Gewicht und Drehpunkt (DP) befindet, lastet auf dem Stützpunkt (SP) die doppelte Gewichtskraft (GK), d.h. muss dort die doppelte Stützkraft (SK) aufgebracht werden (sowie eine horizontale Gegenkraft HK), um das System im Gleichgewicht zu halten.
In diesem Bild bei C ist nochmals die einfachere ´Balkenwaage´ dargestellt, bei welcher allerdings der linke Arm diagonal nach oben weist. Auch hier kann die Gewichtskraft (GK) links nur durch eine vertikale Gegenkraft (VK) in Balance gehalten werden. Auf dem Stützpunkt (SP) lasten beide Kräfte.
Die Konzeption (B) mit den zwei diagonalen Hebeln ist in der Wirkung identisch mit dieser Balkenwaage (C). Die aufwärts gerichtete Zugkomponente wird durch Verdopplung der Last am Stützpunkt kompensiert. Diese Technik ist im übrigen wohl bekannt und wird z.B. bei Fußpumpen eingesetzt, um Fahrrad-Reifen oder Schlauchboote möglichst effektiv aufblasen zu können.
Dach oder Kran
Wenn nun also eine ursächliche Kraft (obiges Gewicht einer wirksamen Masse oder der Druck in einem Kolben) möglichst effektiv genutzt bzw. gehandhabt werden soll, so sind zweierlei mechanische Anordnungen von Bedeutung. Diese sind in Bild EV GM 04 schematisch dargestellt.
Bei A ist die ´Dach-Anordnung´ eingezeichnet, bei welcher die Gewichtskraft (GK) einer wirksamen Masse (WM) über zwei Hebel (Lasthebel LH und Stützhebel SH) auf zwei Punkte (Stützpunkt SP und Drehpunkt DP) verteilt wird. Beide Hebel weisen nach oben, aber in entgegen gesetzte Richtungen. Im Drehpunkt rechts werden die auftretenden Kräfte am Fundament fixiert, am Stützpunkt muss zum Tragen der Last nur die halbe (Gewichts-) Kraft aufgewandt werden. Mit dieser Konstruktion ließe sich also eine Masse mit relativ geringem Aufwand anheben.
Bei B ist die ´Kran-Anordnung´ dargestellt (so genannt, weil früher Lastkräne mit zwei diagonal aufwärts weisenden Hebelarmen gebaut wurden). Wenn der Drehpunkt (DP) wiederum fix mit dem Fundament verbunden ist, wirken am Stützhebel (SH) obige, nach oben gerichtete Zugkräfte und am Stützpunkt (SP) drückt entsprechend höhere Last nach unten. Die ursächliche Kraft (GK) hat somit am Stützpunkt (SP) erhöhte Wirkung.
Bei C ist nun schematisch dargestellt, dass diese beiden Anordnungen in einem kontinuierlichen Prozess abwechseln entstehen sollten und daraus resultierend die Drehbewegung einer Kurbelwelle sich ergeben sollte.
Der Drehpunkt (DP) ist fix im Gehäuse dieser Maschine zu installieren, um die Kräfte des Stützhebels (SH) aufzunehmen. Der Stützpunkt (SP) dagegen ist an einem Kurbelhebel (KH) installiert, so dass die am Lasthebel (LH) auftretenden bzw. aufzubringenden Kräfte übertragen werden, durch Drehung dieser Kurbel um die Systemachse (SA). In dieser Animation ist der Bewegungsablauf einer solchen Maschine visualisiert.
Heben und Senken
In Bild EV GM 05 sind die verschiedenen Situationen bzw. Phasen des Bewegungsablaufs dargestellt. Die Begriffe wurden hier den gängigen Bezeichnungen eines Motors mit Kurbelgetriebe angepasst.
Gegeben ist die Kurbelwelle (KW) mit der Kurbel (K), an deren Ende sich das Kurbelgelenk (KG) befindet. Dort setzt das Pleuel (P) an, an dessen anderem Ende sich das Pleuelgelenk (PG) befindet. In diesem Bereich ist die wirksame Masse (M) installiert, dort wirkt also die ursächliche Gewichtskraft.
Andererseits ist am Pleuelgelenk schwenkbar der Stützhebel (S) installiert, dessen anderes Ende im Stützgelenk (SG) im Gehäuse ebenfalls schwenkbar gelagert ist.
In den vier Bildern sind die Bauelemente jeweils mehrfach eingezeichnet, so dass die Kraftwirkungen der verschiedenen Phasen erkennbar werden.
In diesem Bild bei A ist die Kurbel in zwei Positionen eingezeichnet, in der 12-Uhr-Stellung und in der 1-Uhr-Stellung. In dieser Phase findet der Übergang zwischen ´Dach- und Kran-Anordnung´ statt.
Bei B ist die Kurbel in vier Positionen von 2-Uhr bis 5-Uhr eingezeichnet. Dort weisen sowohl das Pleuel als auch der Stützhebel diagonal nach links oben. Diese Phase stellt also die ´Kran-Anordnung´ dar, d.h. am Kurbelgelenk wirken starke Kräfte. Deren jeweils rechtwinklig zur Kurbel gerichtete Kraftkomponente bewirkt das Drehmoment an der Kurbelwelle.
Bei C ist die Kurbel in den Positionen bei 6-Uhr und 7-Uhr eingezeichnet. In dieser Phase findet der Übergang zurück zur ´Dach-Anordnung´ statt.
Bei D ist die Kurbel in vier Positionen von 8-Uhr bis 11-Uhr eingezeichnet. Pleuel und Stützhebel weisen beide nach oben, aber in entgegen gesetzten Richtungen. Über den Stützhebel wird die Last teilweise auf das Stützlager übertragen. Die Kurbel kann also mit relativ geringem Aufwand die Masse anheben.
Bahn der Masse
In obiger Animation wie aus vorigem Bild ist erkennbar, dass die Masse eine kreisbogenförmige Bahn beschreibt. Dabei sind allerdings die Geschwindigkeiten je Zeiteinheit höchst unterschiedlich, in der Aufwärtsbewegung anders als in der Abwärtsbewegung.
Hier in Bild EV GM 07 sind bei A und B unterschiedliche Bahnen markiert. Ihr Verlauf ist abhängig von den Längen der eingesetzten Hebelarme sowie von der Lage des Stützpunktes relativ zur Achse der Kurbelwelle.
Durch ein Simulationsprogramm könnte ermittelt werden, bei welchen Abmessungen sich ein Optimum ergibt bzw. ob schon mit dieser einfachen Anordnung ein rein mechanisch arbeitender Motor sich ergeben könnte. Möglicherweise kann auch erst ein beweglicher Stützpunkt die entscheidende Verbesserung bringen. Es müsste also zuerst nach dem optimalen Bahnverlauf der wirksamen Masse gesucht werden und dann nach der technischen Möglichkeit einer Realisierung.
In diesem Bild bei C ist eine andere Möglichkeit angedeutet, wobei die wirksame Masse linear geführt wird (wie Kolben in einem Zylinder), in vertikaler Richtung, gegenüber der Systemachse aber etwas seitlich versetzt. Diese Führung der Masse könnte auch auf schiefer Ebene erfolgen oder in einer anders geformten ´Kulisse´ ablaufen, um ein Optimum zu erreichen.
Das Pleuel könnte auch über das Pleuelgelenk hinaus reichen (in gerader Richtung oder geknickt) und die wirksame Masse an dessen Ende installiert sein. Die Masse würde damit seitlich verlagert, der Stützhebel also mehr oder weniger Anteil am Gewicht tragen. Diese Anregungen sollen an dieser Stelle ausreichend sei.
Nur phasenweise Arbeit
Nachfolgend sollen vielmehr die Effekte obigen Doppelpleuel-Motors anhand voriger Überlegungen diskutiert werden. Die obige Animation zum prinzipiellen Bewegungsablauf dieser Konstruktion ist hier noch einmal eingefügt.
Generell ´arbeitet´ ein Kolben eines Viertakt-Verbrennungsmotors nur innerhalb weniger Zeitabschnitte. Im Ausstoß-Takt drückt der Kolben praktisch kraftlos die Abgase aus dem Zylinder. Im Einlass-Takt saugt der Kolben praktisch kraftlos Luft in den Zylinder. Im Kompressions-Takt wird großer Druck erst in der Schlussphase erreicht, d.h. muss der Kolben nur während einer begrenzten Phase wesentliche Kraft einbringen. Ebenso sind die hohen Drücke im Expansions-Takt nur kurze Zeit gegeben, geht ein wesentlicher Teil der Druck- (bzw. Wärme-) Energie zum Ende dieser Phase praktisch wirkungslos verloren.
Genau in den entscheidenden Phasen hoher Kraftumsetzung aber erweist die Doppelpleuel-Konstruktion ihre besonderen Vorteile.
Die in der Animation als Bewegung erscheinenden zwölf Bilder sind in Bild EV GM 08 einzeln dargestellt. Die oberste Position des Kolbens wird erst erreicht, nachdem die Kurbel ihre oberste Position verlassen hat. Darum sind hier die zwölf Positionen jeweils etwas später als ´zur vollen Stunde´ eingezeichnet.
In der oberen Reihe weist die Kurbel während eines Expansions-Takts von (etwas später als) 0-Uhr bis etwa 5-Uhr, in der unteren Reihe weist die Kurbel während eines Kompressions-Takts von etwa 6-Uhr bis etwa 11-Uhr.
Kraftübertragung im Expansions-Takt
Die hohen Drücke aus der Verbrennung (hervorgehoben durch dunkles Gelb) sind im Expansions-Takt praktisch nur während der Kurbel-Positionen von 0- bis maximal 2-Uhr gegeben. Genau in dieser Phase weisen der untere Teil (rot) des zweiteiligen Pleuels sowie der Schwenkhebel (schwarz) beide nach oben links, befinden sich also in der ´Kran-Anordnung´.
Die Kraft aus hohem Druck im Zylinder wird durch dieses Pleuelteil nahezu rechtwinklig auf die Kurbel übertragen. Die Vorteile der erhöhten (obigen Stütz-) Last werden also bestmöglich in Drehmoment an der Kurbelwelle umgesetzt.
Die wirksamen Teile in dieser (´Arbeits´-) Phase sind hier hervor gehoben. Der restliche Bewegungsablauf des Expansions-Taktes ist von sehr untergeordneter Bedeutung, beim diesem Doppelpleuel wie bei einfachem Pleuel.
Kraftübertragung im Kompressions-Takt
Ebenso wird in der Anfangsphase der Kompression (etwa 6-Uhr bis 8-Uhr) nur relativ wenig Kraft umgesetzt. Aber gerade bei der 9-Uhr-Position der Kurbel erreicht die Stellung des (unteren Teils des) Pleuels sowie der Schwenkhebel obige ´Dach-Anordnung´. Die Kurbelwelle bringt in dieser Phase Kraft in das System ein, d.h. der Kolben übt nach unten entsprechenden Gegendruck aus.
Von diesem Gegendruck trägt der Schwenkhebel in dieser Phase einen wesentlichen Anteil. Darum werden die hohen Drücke (dunkel-gelb) der Kompression mit sehr viel geringerem Kraftaufwand erzeugt als bei der herkömmlichen Konstruktion einteiliger Pleuel.
Optimale Lösung
Nach diesen Überlegungen ist es also leicht erklärbar, warum ein Motor mit Mederer´s Doppel-Pleuel ein wesentlich höheres Drehmoment erreicht, bei niedriger Drehzahl nahezu das Doppelte, bei hoher Drehzahl noch 40 Prozent höhere Leistung bringt. In den entscheidenden Phase hoher Kraftumsetzung ist diese Mechanik die effektivere Lösung - bei wesentlich geringerem Verbrauch und besseren Abgaswerten.
Nach diesen eindeutigen Ergebnissen ergibt sich erneut die Frage, ob dieses Plus an Leistung - erreicht lediglich durch geschickte Anordnung mechanischer Teile - nicht ausreichend sein müsste für einen Motor ohne Verbrennung, in welchen z.B. nur die konstante Kraft aus Gravitation als ursächliche Kraft genutzt wird. Oben wurden bereits einige Vorschläge konstruktiver Möglichkeiten gemacht, wobei die Last einerseits an einem Kurbelgetriebe wirksam ist und andererseits durch einen Stützhebel getragen wird.
Im folgenden Kapitel Mechanismen wird dieses Prinzip in einem Rad eingesetzt, ohne externe Abstützung der wirksamen Masse, durch Nutzung der Gravitation.
Evert / 10.10.2003
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