mini|Schnittbild eines Motors mit Drehschiebersteuerung (Darracq 1912) mini|Schnittbild eines Knight-MotorsBezeichnungen von oben nach unten: Einlass, Auslass, Öffnungen, Kolben, äußere und innere Schieberhülse, Hülsenantriebskurbeln mini|Burt-McCollum-Steuerung mit einfachem kreisenden Hülsenschieber mini|hochkant=1.3|Aufgeschnittener Schiebermotor Bristol Perseus
Schiebermotor ist der Oberbegriff für verschiedene Bauarten von Zwei- und Viertaktmotoren mit einer Schiebersteuerung für den Ladungswechsel. Anders als ventilgesteuerte Motoren, deren Ein- und Auslassventile in geschlossenem Zustand stillstehen, werden Schiebermotoren über ständig hin- und herbewegte, kreisende oder sich drehende Schieber gesteuert. Um die Jahrhundertwende vom 19. zum 20. Jahrhundert versuchten sich mehrere Hersteller an Schiebersteuerungen, bei Viertaktmotoren waren nur die Hülsenschieber-Systeme von Charles Yale Knight und von Argyll Motors (nach Burt und McCollum) bis in die Zeit des Zweiten Weltkrieges erfolgreich.
Das wesentliche technische Problem besteht darin, trotz reibungsarmer Lagerung der Schieber einen dichten Ventilschluss gegen hohen Kompressionsdruck zu halten, was durch Materialausdehnung bei starkem Temperaturwechsel erschwert ist. Die Schieber müssen gut geschmiert werden, wodurch an den Steuerkanten Öl verlorengeht. Bei Ventilsteuerung mit Tellerventilen wird die Abdichtung durch den Kompressionsdruck unterstützt und der Ventilsitz ist ungeschmiert. Schiebersteuerung gibt es nur noch bei einigen Zweitaktmotoren als Einlassdrehschieber. Dort muss der Schieber nur gegen den niedrigen Vorverdichtungsdruck des Kurbelgehäuses abdichten und wird auch keinen höheren Temperaturen und Temperaturwechseln ausgesetzt.
Überblick Von den Anfängen des Motorenbaus bis weit in die 1940er Jahre gab es unterschiedliche Versuche, den Gaswechsel (Ansaugen, Ausstoßen) bei Verbrennungsmotoren zu steuern. Als Vorbilder der Motorenbauer dienten die Steuerungen von Dampfmaschinen und die Armaturen als Bedienelemente von Maschinen und Apparaten. Die heute in Verbrennungsmotoren eingebauten Ventile waren in der Frühzeit des Motorenbaus häufig Ursache von Motorschäden. Sie brachen oft am Übergang von Ventilschaft zum Ventilteller. Auch andere Nachteile der Ventile waren schon erkennbar. Viele Motorenbauer konstruierten Schiebersteuerungen, die die Nachteile der Ventile vermeiden sollten. Alle Drehschieberkonstruktionen haben gemeinsam das Problem der Dichtheit bei hohen Verbrennungsdrücken und hohen Temperaturen. Mehrere Konzepte wurden bis zur Serienreife entwickelt.
Bei Hülsenschiebern wird der Verbrennungsdruck von der Hülse aufgenommen und beansprucht nicht die Fuge zwischen Schiebern und Gehäuse. Die Abdichtung zwischen Zylinderkopf und Schieber übernehmen Kolbenringe, die auch vor dem Ersten Weltkrieg schon technisch beherrschbar waren. Der amerikanische Journalist Charles Yale Knight erfand 1903 eine Steuerung mit zwei hin- und herbewegten konzentrischen Schieberhülsen, die bis Ende der 1930er Jahre in Sport- und Luxuswagen verwendet wurden. 1912 führte der schottische Automobilhersteller Argyll Motors Schiebermotoren ein, die mit einer kreisenden Schieberhülse auskamen und von den Ingenieuren Burt und McCollum konstruiert worden waren. Der britische Hersteller Bristol produzierte in der Zeit des Zweiten Weltkrieges einige Typen von Flugmotoren wie etwa den Bristol Hercules mit Schiebersteuerung nach Burt-McCollum in Serie. Von BMW, Daimler-Benz und Junkers wurden gegen Ende des Zweiten Weltkrieges Flugmotoren (von Junkers ein Torpedomotor) mit DVL-WVW-Flachschiebersteuerung zur Serienreife entwickelt. Sie wurden jedoch nicht mehr in Serie gefertigt, da zu dieser Zeit die ersten, allen Kolbenmaschinen technisch überlegenen Strahltriebwerke fertig entwickelt waren.
Eine Entwicklung aus jüngerer Zeit sind sphärische Drehschieber. Der Schieber hat die Form eines Kugelabschnitts. Pro Zylinder werden zwei Schieber verwendet, je einer für Ein- und Auslass. Sie sind im Zylinderkopf montiert und drehen sich mit halber Kurbelwellendrehzahl. Die Schieber laufen auf Keramikringen und brauchen keine Schmierung.
Historisches In den Anfängen der Entwicklung von Verbrennungsmotoren wurden unzählige Varianten von Schiebersteuerungen entworfen und gebaut. Viele von ihnen waren schon (nach heutigem Kenntnisstand) von Anfang an zum Scheitern verurteilt. Erfolgreiche Schiebersteuerungen waren ausschließlich mit oszillierenden Hülsenschiebern ausgestattet, weshalb sich die folgende Beschreibung im Wesentlichen auf diese Bauart beschränkt.
Einige bekannte Bauformen sind: mit drehenden Schiebern Zylinder: Itala (nach 1904), Pittler 1905 Kegel: Aspin 1937, Cotterau auf Pariser Salon 1910, Peacy 1926 Kugel: Sklenar 1938, Grundpatent Sklenar-Keller 1926 (Entwicklung bei Gebr. Sachsenberg in Dessau-Roßlau) Scheibe (Flachschieber): Flugmotor von BMW 1943 mit schwingenden (oszillierenden) Schiebern, nur als Hülsenschieber zweifach: Knight 1908 einfach: Burt-McCollum 1911.
Der erste verbreitete Schiebermotor wurde in Chicago von Charles Yale Knight (1868–1940) ab 1903 entwickelt, bis 1907 zur Serienreife entwickelt und 1908 zuerst in Großbritannien, dann 1910 in den USA zum Patent angemeldet.
Bei der Schiebersteuerung nach Knight wird der Gaswechsel über zwei konzentrisch zur Zylinderachse liegende Schieberbuchsen von 3 mm Dicke gesteuert, die sich während des Motorbetriebes mit einem Hub von etwa 25 mm auf und ab bewegen. Der Kolben läuft in der inneren Schieberbuchse. Angetrieben werden die Buchsen von einer im Kurbelwellengehäuse liegenden, mit halber Drehzahl laufenden Exzenterwelle über kurze Pleuelstangen. Bei der Bewegung der Schieberbuchsen werden abwechselnd die Ein- und Auslassschlitze freigegeben. Sie liegen einander gegenüber am oberen Ende des Zylinders. Solche Schiebermotoren waren seinerzeit robuster und weniger störungsanfällig als ventilgesteuerte Motoren und wurden für ihre außergewöhnliche Laufruhe sowie ihre gute Leistungsentfaltung im unteren Drehzahlbereich geschätzt. Darin waren sie gleich großen ventilgesteuerten Motoren überlegen.
Mit steigenden Motorleistungen und Drehzahlen kamen jedoch die Knight-Schieber an ihre Grenzen. Die relativ großen und schweren Schieber begrenzten die möglichen Motordrehzahlen und durch die zwei Schieberhülsen zwischen Kolben und eigentlichem Zylinder wurde die Wärmeabfuhr des Kolbens behindert. Hinzu kamen Schmierungsprobleme der Schieber.
Felix Wankel hat sich sehr intensiv mit Drehschiebersteuerungen beschäftigt. Dies gipfelte in der Entwicklung der WVW-DVL-Drehschiebersteuerung für große Flugmotoren (WVW = Wankel Versuchswerkstätten, DVL = Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt).
Aufbau und Fertigung Schiebermotoren waren nur mit einem hohen konstruktiven und technischen Aufwand zu fertigen und ihr Betrieb stellte hohe Ansprüche an die regelmäßige Wartung. Sie verbrauchten viel Öl; Ölmangel führte zu irreparablen Schäden am Motor. Sie waren vor allem für Hersteller von Wagen der oberen Preisklasse interessant. Für die Knight-Schiebersteuerung wurden mehr als 30 Fertigungslizenzen erteilt, so an Daimler (Mercedes), Panhard & Levassor, Minerva, Hotchkiss, Laurin & Klement. Bei Mercedes wurden ab 1910 drei Motoren entwickelt, von denen der erfolgreichste bis 1924 produziert wurde.
Technische Daten des Mercedes-Knight 16/45 PS: 4 Zylinder Bohrung: 100 mm, Hub: 130 mm Hubraum: 4084 cm³ Leistung: 33 kW (45 PS) bei einer Drehzahl von 1300 min−1 Höchstgeschwindigkeit: 85 km/h
Im letzten Produktionsjahr wurde die Leistung auf 50 PS erhöht. Insgesamt wurden bei Mercedes 5500 Fahrzeuge mit Knight-Motoren gebaut. Im Jahre 1927 stellte ein Spezialwagen von Voisin, der mit einem 12-Zylinder-Knight-Motor mit 8 Litern Hubraum ausgerüstet war, den 24-Stunden-Weltrekord auf. Er fuhr eine Durchschnittsgeschwindigkeit von 182,5 km/h. Im Jahre 2004 gewann ein Mercedes-Knight von 1912 das vom AvD betreute Gordon-Bennett-Rennen in Bad Homburg vor der Höhe in der Klasse der Oldtimer bis 13,5 Liter Hubraum.
Aufbau des Rohr-/Hülsenschiebers mini|Teilschnitt durch einen Knight-Motor, Schieber an den mittleren Zylindern sichtbar
Hülsenschieber sind bewegliche Rohre, die zwischen Kolben und Zylinder eingebaut sind. Sie haben Öffnungen, die sich in einer bestimmten Position mit passenden Öffnungen im Zylinder decken und so die Ansaug- und Auspuffgase durchlassen. Die Schieber werden mit halber Kurbelwellendrehzahl angetrieben.
Bei der Knight-Steuerung sind es zwei ineinandersteckende Schieber, die eine hin- und hergehende Bewegung ausführen. Die Steueröffnungen sind gegenüberliegende Schlitze, der Auslass liegt dem Einlass gegenüber.
Die Burt-McCollum-Steuerung arbeitet mit einem Schieber, der auf einer annähernd kreisförmigen Bahn bewegt wird. Mehrere unregelmäßig geformte Aus- und Einlassöffnungen sind über den Zylinderumfang verteilt. Der Schieber gibt abwechselnd die Auspuff- und Ansaugöffnungen frei und hält sie während des Verdichtungs- und des Arbeitstaktes geschlossen.
Flugmotoren mini|Schnittmodell im Museum of Flight, East Fortune, Schottland Motoren mit Schiebersteuerung haben in der Regel ein geringeres Gewicht und eine höhere Leistung als vergleichbare zeitgenössische Motoren mit Ventilsteuerung. Die britischen Hersteller Napier & Son und Bristol Aeroplane Company bauten ab Mitte der 1930er Jahre erfolgreich Motoren mit Schiebersteuerung für Flugzeuge in Serie. Bristol baute Sternmotoren, Napier H-Motoren. Der Bristol Hercules wurde in der Nord Noratlas bis Anfang der 1970er Jahre verwendet, er hatte Schieber in der Bauart nach Burt-McCollum.
Vor- und Nachteile Der Vorteil gegenüber der konventionellen Ventilsteuerung beim Verbrennungsmotor ist die kontinuierliche Bewegung der Schieber. Dadurch entstehen geringere Maximalbeschleunigungen, die die Höchstdrehzahl begrenzen. Weiterhin werden die strömenden Gase nicht durch das strömungsungünstige Ventil behindert. Auch sind die erreichbaren Steuerquerschnitte größer als bei Tellerventilen. Durch die geradlinige Gasführung und die kurzen Strömungswege entstehen nur geringe Turbulenzen sowie nur eine geringe Erwärmung. Das kommt einer deutlich besseren Füllung und damit einer höheren Motorleistung zugute. Je nach Ausführung entstehen weitere Vorteile.
Nachteilig wirkt sich der höhere Aufwand für die Abdichtung der bewegten Teile auf die Kosten und die Haltbarkeit des Systems aus. Bei zu hohen Betriebstemperaturen besteht die Gefahr des Fressens oder Klemmens der Schieberteile.
Schiebersteuerung bei Zweitaktmotoren mini|Flachdrehschieber (erkennbar an der runden Abdeckplatte unter den Vergasern) bei einem Außenbord-Rennmotor mini|Vespa-Motorgehäusehälfte (PX-Baureihe) mit halb geöffnetem Einlass (Blick aus Sicht des Vergasers radial auf die Kurbelwelle) mini|Modellmotor im Schnitt: grün die hohle Kurbelwelle als Drehschieber mit Einlassöffnung Bei nahezu allen Zweitaktmotoren wirkt der Kolben zugleich als Steuerschieber, bei großen Zweitaktdieselmotoren wird der Einlass vom Kolben gesteuert und der Auslass von einem über Nocken betätigten Tellerventil.
Es gibt aber auch Zweitaktmotoren mit scheibenförmigem, direkt von der Kurbelwelle angetriebenen Drehschieber, der den Gemischeinlass in das Kurbelwellengehäuse steuert. Da hier der Schieber nicht mit hohen Drücken, Temperaturen und auch nicht mit den abrasiven Verbrennungsgasen in Berührung kommt, unterliegt er im Vergleich mit Schiebern bei Viertakt-Motoren praktisch keinem Verschleiß.