Gescheiterte Motorkonzeptionen - Ungeeignete Konstruktionen oder Wandel der Randbedingungen?

 Autor:  Stefan Zima

Im Verlauf der Motorenentwicklung sind viele Bauarten entstanden. Diese konstruktive Vielfalt ist das Ergebnis komplexer Zusammenhänge von Ziel- vorgaben, Randbedingungen und anderen Einflüssen. Da heute nur noch einfachwirkende Motoren mit Kurbeltrieb und Ventilsteuerung - nach dem Vier- oder Zweitaktprinzip arbeitend - gebaut werden, stellt sich die Frage nach den Gründen für das Scheitern früherer Motorkonzepte. Ein Rückblick auf solche Motoren zeigt nicht nur nicht ihre kinematischen, konstruktiven und betriebsmäßigen Besonderheiten, sondern vermittelt auch Einblicke in Entstehen und Verschwinden, Erfolg und Mißerfolg von technischen Lösungen.

1 Einleitung

Im Laufe der über hundertjährigen Geschichte des Verbrennungsmotors ist eine Vielzahl von Motoren entworfen und gebaut worden, die sich zum Teil wesentlich durch Aufbau und Kinematik des Triebwerks, Zahl und Anordnung der Zylinder, Steuerung sowie Wirkungsweise von den heutigen Bauarten unterscheiden.

Die Motorenentwicklung ist vom Grundsatz her durch die Erfüllung der wesentlichen Eigenschaften und durch die physikalisch-technischen Möglichkeiten bestimmt. Die Vielfalt an Konzeptionen und Ausführungen von Motoren erklärt sich aber auch aus den Randbedingungen zur Zeit ihres Entstehens, die sich aus speziellen Forderungen, Zwängen und Einschränkungen - insbesondere durch den Stand der Technik - ergeben haben. Da sich technische und nicht-technische Rand- und Nebenbedingungen ständig ändern, erhält die Entwicklung Impulse aus verschiedenen Richtungen; sie wird beschleunigt, verzögert oder gar unterbrochen. Ihr Weg wird dadurch erschwert, daß es mehrere Ziele von unterschiedlicher und wechselnder Priorität gibt. Angesichts der vielen unterschiedlichen Konstruktionen stellt sich die Frage, welches die Gründe für ihre Konzeption waren, und warum sie sich nicht durchsetzen oder behaupten konnten.

Es lassen sich zwei hauptsächliche Gründe für den Mißerfolg einer Motor- konstruktion anführen:

  • die Konstruktionen haben sich als nicht geeignet erwiesen
  • die Voraussetzungen, Rand- und Nebenbedingungen haben sich ent- scheidend geändert.

Das soll im folgenden an Hand einiger Motorbauarten und -ausführungen auf- gezeigt werden.

2 Physikalisch-technische Grundlagen

Von Anfang an waren Entwicklung und Bau von Motoren durch die Forderung nach höherer absoluter und spezifischer Leistung (P/mMotor; P/VH) bestimmt. Die Erhöhung der spezifischen Leistung stand gerade bei Fahrzeug- und Flug- motoren im Vordergrund. Zu Anfang einer technischen Entwicklung herrscht noch weitgehend Unklarheit, welcher Weg einzuschlagen ist, um das ange- strebte Ziel zu erreichen. Dabei bietet sich von den physikalischen Größen der Leistungsgleichung vor allem die Erhöhung der Arbeitsspielfrequenz (Häufigkeit der Arbeitstakte je Zeiteinheit) an: durch Wahl des Arbeitsverfahrens (Viertakt/Zweitakt), der Wirkungsweise (einfach-/doppeltwirkend) und der Drehzahl. Weil hohe Drehzahlen eine Aufteilung des Arbeitsraumes auf kleine Einheiten verlangen, haben hochdrehende Motoren mehrere Zylinder. Viele Zyl- inder wiederum müssen mit Rücksicht sowohl auf das triebwerksmechanische Verhalten des Motors als auch auf ein geringes Bauvolumen angeordnet werden.

Da der Kurbeltrieb des Motors in Aufbau und Kinematik von der vergleichsweise langsamlaufenden Dampfmaschine übernommen worden war, war es verlockend, über andere Triebwerks-Konfigurationen und Zylinder-Anordnungen nachzu- denken. Weitere Möglichkeiten, das Leistungsverhalten zu beeinflussen, bieten die Art und die Kinematik der Steuerung. Hiervon ausgehend wurden die nach- folgend beschriebenen Bauarten entwickelt.

3 Umkehrung des kinematischen Wirkungsprinzips

Im ersten Jahrzehnt dieses Jahrhunderts benötigte die noch junge Luftfahrt einen leichten Motor von ausreichender Leistung. Leistungsstarke Kraftfahr- zeugmotoren, wassergekühlte Vier- und Sechszylinder, waren schwer, zudem liefen sie wegen ihres noch unzulänglichen Massenausgleiches unruhig. Leichter konnte man die Motoren bauen, wenn man sie mit Luft statt mit Wasser kühlte, denn dann entfielen Wassermantel, Wasserfüllung und Wärmeübertrager. Ordnete man die Zylinder sternförmig an, so kam man mit einer, allenfalls zwei Kurbelkröpfungen aus: Der Motor war wesentlich kürzer, somit also leichter. Das Problem bestand darin, daß man die Wärmeabfuhr aus luftgekühlten Zylindern von hoher Leistungsdichte, wie für Flugmotoren erforderlich, noch nicht be- herrschte. So erwies sich der Umlaufmotor als ideale Lösung: In Umkehrung des kinematischen Wirkungsprinzips der üblichen Motoren dreht sich das Kurbel- gehäuse um die Kurbelwellenachse, während die Kolben mit den Pleuelstangen auf einem Kreis um den Hubzapfen rotieren. Die Kurbelwelle selbst steht fest und nimmt die Reaktionen auf, Bild 1. Durch die Rotation des Gehäuses verschafft sich der Motor selbst die nötige Kühlluft.

Umlaufmotoren galten deshalb vor und im Ersten Weltkrieg als aussichtsreichste Motorenart für die Luftfahrt. Ihre Leistungsmasse betrug nur zwei Drittel der herkömmlicher Motoren (Standmotoren), sie hatten praktisch keine freien Massenwirkungen, liefen also außerordentlich ruhig, was für die leichten Flug- zeuge vor dem Ersten Weltkrieg von erheblicher Bedeutung war. Hinzu kam noch eine sehr gleichmäßige Drehmomentabgabe durch den "Schwungrad-Effekt" des umlaufenden Kurbelgehäuses. Insbesondere die 1907 von den Gebrüdern Séguin in Frankreich entwickelten Gnôme-Motoren erwiesen sich vor dem Ersten Welt- krieg als so erfolgreich, daß sie von mehreren Firmen in Frankreich, England, Schweden und Deutschland (Motorenfabrik Oberursel AG) in Lizenz gebaut wurden.

Luftgekühlter Neunzylinder-Stern-Viertakt-Otto-Umlaufmotor, Ansicht 640 X 397

Bild 1: Luftgekühlter Neunzylinder-Stern-Viertakt-Otto- Umlaufmotor  
Fig. 1: Air-cooled 9-cylinder four-stroke rotary engine

 

Prinzipielle Nachteile der Umlaufmotoren sind das Kreiselmoment durch die Ge- häuserotation, welches das Flugverhalten beeinträchtigte, die hohen Seiten- kräfte der Kolben durch die Coriolis-Beschleunigung, die Ventilationsverluste durch das rotierende Gehäuse, die Störanfälligkeit (im Ersten Weltkrieg: 15 bis 20 Betriebsstunden bis zur Überholung) und der hohe Kraftstoff- und Schmier- stoffverbrauch. Besonders der Ölverbrauch war ein Problem, den mit etwa 255 g/kWh entsprach er dem Kraftstoffverbrauch heutiger Dieselmotoren. Zudem mußte Rizinusöl verwendet werden, das sich nicht in Benzin auflöst und rußfrei verbrennt, da das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch die hohle Kurbelwelle und durch die Ventile im Kolben in den Brennraum gelangte. Außerdem hat Rizinusöl sehr gute Schmiereigenschaften, auf welche die Umlaufmotoren mehr noch als Standmotoren angewiesen waren. Die Nachteile des Umlaufmotors wollte man mit verschiedenen Maßnahmen beseitigen:

  • Mit dem "Gegenumlaufmotor", bei dem Kurbelgehäuse und Kurbelwelle gegensinnig rotieren. Dadurch dreht sich unter Beibehaltung der für die Leistungsentwicklung nötigen hohen mittleren Kolbengeschwindigkeit das Gehäuse langsamer, wodurch sich die Ventilationsverluste spürbar verringern. Außerdem heben sich die Kreiselmomente auf. Gegenumlaufmotoren wurden vor und im Ersten Weltkrieg von Siemens gebaut (Typ Sh 1 bis Sh 3). Anfang der zwanziger Jahre gab es sogar ein Motorrad mit Gegenumlaufmotor, bei dem die Kurbelwelle mit fünffacher Drehzahl gegensinnig zum mit dem Vorderrad verbundenen Kurbelgehäuse drehte (Megola).
  • Die Kolben in Umlaufmotoren bewegen sich vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt radial und werden durch die Rotation des Gehäuses in Umfangsrichtung mitgenommen. Dadurch kommen zur Normalkraft infolge der Pleuelauslenkung große Corioliskräfte hinzu. Eine Beschädigung der Kolben durch diese Kräfte mußte durch eine gute Schmierung verhindert werden. Die Normalkraft wollte der Konstrukteur Bucherer durch eine Hypozycloiden-Geradführung des Triebwerkes vermeiden. Dabei drehen Kurbelwelle und Kurbelgehäuse gleichsinnig, das Kurbelgehäuse jedoch mit halber Kurbelwellendrehzahl, mit dem Nebeneffekt, daß die Luftschraubendrehzahl herabgesetzt wird. Das Funktionsprinzip dieser Geradführung beruht darauf, daß jeder Punkt eines Kreises, der auf der Innenseite eines Kreises vom doppelten Durchmesser abrollt, eine Gerade beschreibt. Läßt man am Umfang des kleinen Kreis die Kolbenstange angreifen (in der Praxis: am Eingriffspunkt der Verzahnung), dann bewegt sich diese oszillierend, es findet keine Schwingbewegung statt, Bild 2. Die Kolben laufen dadurch seitenkraftfrei. Der Bucherer-Motor ist als Vier- und Achtzylinder-Motor gebaut worden, praktische Bedeutung erlangte er nicht. In Frankreich baute Burlat einen solchen Motor mit acht Zylindern.

Bucherer-Umlaufmotor, Ansicht 406 X600   
Funktionsschema und Ansicht des Ringkolbenmotors, Ansicht 250 X 360
Bild 2: Bucherer-Umlaufmotor mit Hypo- zykloiden- Geradführung des Triebwerks (Funktionsschema).  
Fig. 2: Bucherer rotary engine with hypo- cycloidal linkage for linear motion of the drive mechanism. 
  Bild 3: Funktionsschema und Ansicht des Ringkolbenmotors, Bauart Esselbé 
Fig. 3: Annular piston engine, designed by Esselbé

 

Das Prinzip der zwangsweisen Luftkühlung durch bewegte Zylinder versuchte man auch mit Standmotoren zu verwirklichen. Der französische Weiß-Motor aus dem Jahre 1910, ein luftgekühlter Viertakt-Ottomotor, ist als hängender Reihen- Vierzylinder ausgeführt, bei dem die Kolben feststehen und die oszillierenden Zylinder über Pleuelstangen auf die Kurbelwelle wirken. Die Ventile sind im Kolben angeordnet. 1913 entstand sogar noch eine Sechzylinder-Sternausführung dieser Bauart, der Edelweiß-Motor.

4 Kurbelwellenlose Triebwerke

Zur Steigerung der Motorleistung und Leistungsdichte mußte die Zylinderanzahl erhöht werden, damit stieß man jedoch rasch an die mechanischen Grenzen des Triebwerks. Einen Ausweg schien die Ringkolbenbauart zu bieten, bei der mehrere Ringkolben-Elemente hintereinander anordnet werden konnten. Obwohl auf Luftfahrtausstellungen gezeigt, sind diese Motoren allenfalls im Versuch gelaufen.

Der Esselbé-Motor hat einen Zylinder in Form eines geschlossenen Kreisringes, in dem sich vier Kolben oszillierend bewegen, die zwei gegenüberliegenden gleichsinnig, die benachbarten gegensinnig. Die Kolben wirken über ein Gestänge auf zwei Hohlwellen, welche ihrerseits über Treibstangen Zahnräder in Drehung versetzen. Diese Zahnräder treiben über ein großes Zahnrad eine dritte Hohl- welle mit dem Ringzylinder und den Propeller an, Bild 3. Der Ladungswechsel dieses Viertaktmotors wird durch Schlitze gesteuert. Auf Grund seiner Bau- und Funktionsweise benötigt der Motor nur eine Zündkerze. Für zwei Auf- und Abbe- wegungen der Kolben mußte der Zylinder eine Umdrehung machen. Der große konstruktive Aufwand der Kraftübertragung von den Kolben zur Abtriebswelle hat wahrscheinlich alle Vorteile dieser Bauart aufgewogen. Trotzdem wurde dieses Konzept in den sechziger Jahren von einem britischen Konstrukteur wieder auf- gegriffen.

Mit dem Kurvenscheiben-Motor sollte die Abtriebsdrehzahl verringert werden, um - insbesondere bei Flugzeugmotoren - ein Reduktionsgetriebe einzusparen. Auch versprach man sich hiervon bessere mechanische Wirkungsgrade und eine raum- sparende Bauweise.

Die Kolben des Fairchild-Caminez-Motors (1926) arbeiten auf einer lemnis- katenförmigen Kurvenbahn; die Drehzahl der Abtriebswelle entspricht der dop- pelten Arbeitsspielzahl, Bild 4. Da je zwei gegenüberliegende Kolben gegensinnig liefen, ergibt sich ein interner Massenausgleich. Dieser Flugzeugmotor wurde Mitte der zwanziger Jahre in den USA gebaut und erprobt, ging aber nicht in die Serienproduktion.

Längs- und Querschnitt des Kurvenscheiben-Motors, Ansicht 640 X 344
Bild 4: Längs- und Querschnitt des Kurvenscheiben-Motors, Bauart Fairchild-Caminez  
Fig. 4: Curve track engine, Fairchild-Caminez, four-stroke four-cylinder spark ignition engine

 

Bei dem deutschen Michel-Motor, einem Zweitakt-Dieselmotor, sind drei Kolben sternförmig angeordnet, die einen gemeinsamen Brennraum haben. Die Kolben wirken über Pleuelstangen und Rollen auf eine Kurvenscheibe, Bild 5. Durch die Form der Kurvenbahnen können für die einzelnen Hübe unterschiedliche Beweg- ungsgesetze vorgegeben werden. Die Abtriebsdrehzahl wird auf 1/6 der Arbeitsspielfrequenz reduziert. Der Michel-Motor ist Anfang der zwanziger Jahre gebaut und erprobt worden.

Bei den Kurvenbahn-Motoren ergeben koaxial-konzentrisch angeordnete Zylinder kompakte leistungsstarke Antriebe mit geringer Stirnfläche. In einer solchen Triebwerkskonfiguration sah man in den zwanziger und dreißiger Jahren eine aus- sichtsreiche Alternative zu herkömmlichen Flugzeug-Triebwerken.

Der amerikanische Herrman-Motor wurde 1935 als Versuchsmotor für Flugzeuge gebaut. Zwei Zylinderblöcke mit je sechs kozentrisch-koaxial angeordneten Zy- lindern sind zu einer Einheit verschraubt. Je zwei sich gegenüberliegende Kolben sind miteinander verbunden und greifen mit Rollen an der sinusförmigen Kurven- scheibe an. Diese dreht sich unter den Kolbenkräften weg und treibt die Ab- triebswelle an, Bild 6.

Eine nicht-rotierende Taumelscheibe stützt sich bei den Taumelscheibenmotoren über Wälzlager auf einer Z-förmig gekröpften Welle ab. Die Kolben, konzentrisch-koaxial um die Welle angeordnet, greifen mit Stangen über Kugelköpfe an der Taumelscheibe an. Unter dieser axialen Belastung dreht sich die Welle unter der Taumelscheibe, so daß diese eine schwingende (taumelnde) Bewegung vollzieht. Eine Drehmomentenstütze verhindert die Drehung der Taumelscheibe. Taumelscheibenmotoren und eine Sonderform davon, die Schrägscheibenmotoren, sind in den dreißiger Jahren als Antriebe für Fahrzeuge und Flugzeuge entwickelt worden. Bekannt wurde der als Omnibus-Antrieb konzipierte Bristol-Motor, ein neunzylindriger Viertakt-Ottomotor mit Ring- schiebersteuerung. Der Motor ist in einigen Exemplaren gebaut und erprobt worden.

5 Gegenkolbenmotoren

Vorteile der Zweitakt-Diesel-Gegenkolbenmotoren sind die hohe Leistungsdichte durch das Zusammenfassen mehrerer Triebwerkseinheiten in Reihen- und Paral- lelschaltung, die einfach zu verwirklichende Gleichstromspülung mit Vorauslaß des Abgases und der gegenseitige Ausgleich der Triebwerksmassen. Der untere Kolben wirkt direkt über eine Pleuelstange auf die Kurbelwelle, der obere greift über ein Querjoch und zwei lange Schubstangen an den beiden benachbarten Kröpfungen an. Der Kröpfungsabstand der mittleren zu den beiden benachbarten Kröpfungen beträgt weniger als 180°, so daß der den Auslaß steuernde Kolben dem Einlaß-Kolben um 15 bis 20° voreilt. Zum Ausgleich der unterschiedlichen Triebwerksmassen ist bei einigen Bauarten der Hub des oberen Kolbens kleiner als der des unteren. Das Gegenkolbenprinzip wurde vor allem von Hugo Junkers befürwortet und in verschiedenen Ausführungen für Schiffe, Stationärbetrieb, Fahrzeuge und Flugzeuge angewendet. Die Firmen Gobron-Brillié, Doxford, Napier, Fairbanks-Morse, Compagnie Lilleoise des Moteurs, Sulzer, Commer, RollsRoyce und Leyland haben Gegenkolbenmotoren als Ein- und Zweiwellen- sowie als Schwinghebelmotoren hergestellt.

In dem als Schiffsmotor entwickelten Junkers-Gegenkolben-Zweitakt-Diesel- motor in Tandem-Bauweise sind zwei Zylinder (mit je zwei gegenläufigen Kolben) in Zylinderachsrichtung in Reihe geschaltet. Diese Tandem-Bauweise wurde früher viel im Dampfmaschinenbau und auch bei Groß-Gasmotoren angewendet. Die hier dargestellte dreizylindrige Maschine mit 12 Kolben, Bild 7, wurde 1913 von der Weser AG für ein Frachtschiff der Hamburg-Amerika-Linie gebaut, bewährte sich aber nicht, so daß diese Maschine ausgetauscht wurde.

Querschnitt und Funktionsschema des Kurvenscheiben-Motors Bauart Michel, Ansicht 640 X 322  
Längsschnitt und Funktionsschema des Kurvenbahnmotors Bauart Herrman, Ansicht 447 X 555
Bild 5: Querschnitt und Funktionsschema des Kurvenscheiben-Motors, Bauart Michelmotoren- gesellschaft. 
Fig. 5: Cross section and functional scheme of the curved track engine, Michel-Motorengesellschaft
  Bild 6: Längsschnitt und Funktionsschema des Kurvenbahnmotors, Bauart Herrman  
Fig. 6: Functional scheme and longitudinal section of the curved track engine, Herrman

 

Die Kombination des leistungsstarken Zweitakt-Prinzips mit dem Dieselverfahren und der Gegenkolbenbauweise versprach in den dreißiger Jahren größere Reich- weiten im Luftverkehr als die Ottomotoren. Da Flugzeugmotoren leicht sein und schnell drehen müssen, wurden diese gleichstromgespülten Zweitakt- Gegenkolben-Dieselmotoren in Zweiwellenbauart ausgeführt, bei denen je sechs der gegenläufigen Kolben auf eine eigene Kurbelwelle wirken, deren Leistung über ein Vorgelege zusammengefaßt auf die Propellerdrehzahl reduziert wird. Diese Junkers-Zweiwellenmotoren (Jumo 205) dienten unter anderem als Antrieb von Langstrecken-Flugbooten des Typs Dornier-Wal (Do 18), mit denen vor dem Zweiten Weltkrieg ein planmäßiger Nord-/Südatlantik-Postverkehr aufgenommen worden war. Der Jumo 205 war der einzige wirklich erfolgreiche Flugzeug- Dieselmotor der Welt. In dem Höhenaufklärer Ju 86 ermöglichte die abgasturbo- aufgeladene Version, Jumo 207, ab etwa 1939 Flughöhen von über 10.000 m.

Einen Höhepunkt der Gegenkolbenmotor-Entwicklung stellte der nach dem Zweiten Weltkrieg in England entwickelte Napier-Deltic-Dreiwellen-Motor ("Drei- eckmotor") dar, bei dem drei Gegenkolbenmotoren baulich zu einer Einheit zu- sammengefaßt waren, Bild 8. Für marinetechnischen Einsatz entwickelt, wurde der Deltic auch als Antrieb von Lokomotiven der englischen Eisenbahn ver- wendet.

Zylinderschnitt und Triebwerksschema des wassergekühlten Dreizylinder-Zweitakt-Gegenkolben-Dieselmotors, Ansicht 600 X 480
Bild 7: Zylinderschnitt und Triebwerksschema des wassergekühlten Dreizylinder-Zweitakt-Gegen- kolben-Dieselmotors in Tandembauweise, Bauart Junkers 
Fig. 7: Longitudinal section and functional scheme of the water-cooled three-cylinder two-stroke opposed-pistion diesel engine in tandem design, Junkers 
 

Eine Sonderform des Gegenkolbenprinzips wurde mit dem Beck-Motor aus dem Jahr 1909 verwirklicht. Ein Ringkolbenmotor, bei dem insgesamt acht Kolben in einem feststehenden kreisringförmigen Zylinder laufen; je zwei der vier Doppel- kolbenpaare sind durch eine Traverse verbunden. Die Traversen arbeiten über Gelenkhebel auf ein kurze Pleuelstange, die ihrerseits an der Kurbelwelle angreift, Bild 9. Kinematisch interessant ist, daß sich bei diesem Motor die oszillierende Bewegung des kleinen Pleuelauges als Resultierende der Bewegung der Kolben in Umfangsrichtung ergibt, wodurch gleichzeitig die Geradführung des Triebwerks erreicht wird.

6 Doppeltwirkende Motoren

Hohe absolute Leistungen lassen sich nur mit großen Zylinderabmessungen erreichen. Dies begrenzt jedoch die Zylinderanzahl und die Drehzahl. Deshalb versuchte man, die Leistungsdichte großer Motoren durch das Zweitakt- Verfahren und Doppeltwirkung zu erhöhen. Jeder Takt ist somit ein Arbeitstakt. Eine bemerkenswerte Sonderform doppeltwirkender Zweitakter ist die ab 1924 von der North British Diesel Engine Works Ltd. gebaute MacLagan-Maschine, bei der sich über ein Gestänge vom Kolbenbolzen angetrieben die beiden durch Stangen starr miteinander verbundenen Zylinderteile gleichsinnig mit dem Kolben bewegen, jedoch mit kürzerem Hub, Bild 10. Auf diese Weise wurde ein doppel- twirkender Motor mit Gleichstromspülung realisiert. Weil bei dieser Bauart keine Kolbenstange an der Kolbenunterseite angreift, konnte der untere Kolben seine volle Leistung abgeben, auch entfielen die gravierenden Probleme mit der Stopf- buchsendichtung. Die MacLagan-Motoren wurden in drei Schiffe eingebaut, mußten aber später wegen Maschinenschäden gegen konventionelle Motoren getauscht werden.

7 Zylinderzahl- und Anordnung

Auf der Grundlage des damaligen Stands der Technik ließen sich hohe Leistungs- konzentrationen mit Rücksicht auf die Massenwirkungen nur durch große Zy- linderzahlen darstellen. So entstanden in den dreißiger und vierziger Jahren Flugzeugmotoren mit 14, 16, 18, 24 und 28 Zylindern in Stern-, Sternreihen-, W-, X- und H-Anordnung. Nachdem der leistungsstarke Kolbenmotor im Flugzeug von der Strömungsmaschine verdrängt worden ist, wurden schnelle Marine- fahrzeuge zu einem Anwendungsgebiet für vielzylindrige Hochleistungs(die- sel)motoren mit 24, 32, 40, 42 und sogar 56 Zylindern.

Anfang der siebziger Jahre wurde in deutsch-französischer Gemeinschaftsarbeit ein 40-Zylinder-H-Motor (40 H 672) für marinetechnische Spezialanwendungen entwickelt, in dem der V-Winkel eines serienmäßigen 20-Zylinder-Viertakt- Dieselmotors auf 180° vergrößert und zwei solcher Einheiten zu einem Motor zusammenfaßt wurden. Die Kurbelwellen der Teilmotoren gaben ihre Leistung über einen Rädertrieb auf die Abtriebswelle ab. Im Teillastbetrieb konnte eine Motorhälfte abgeschaltet werden. Es wurde lediglich ein Versuchsmotor gebaut und erprobt.

Drei-Wellen-Gegenkolben-Dieselmotor, Ansicht 330 X 400  
 
Querschnitt und Funktionsschema des Ringkolbenmotors, Ansicht 600 X 307
Bild 8: Wassergekühlter Zweitakt-Dieselmotor in Drei-Wellen-Gegenkolben-Bauweise, Bauart Napier Deltic 
Fig. 8: Water-cooled two-stroke diesel engine, three-shaft opposed-piston type, Napier Deltic
  Bild 9: Ringkolbenmotor, Bauart Beck, Querschnitt und Funktionsschema,  
Fig. 9: Annular piston engine, Beck (1909), cross section and functional scheme
 

 
Funktionsschema des doppeltwirkenden Dreizylinder-Zweitakt-Dieselmotors, Ansicht 503 X 700
Bild 10: Funktionsschema des doppeltwirkenden Dreizylinder-Zweitakt-Dieselmotors, Bauart MacLagan  
Fig. 10: Functional scheme of the sliding cylinder double-action two-stroke diesel engine, MacLagan 

 

42 Zylinder-Sternreihenmotor, Ansicht 476 X 480
Bild 11: Wassergekühlter Viertakt- Dieselmotor in 6 x 7 = 42 Zylinder-Sternreihen-Bauart, Baujahr 1976  
Fig. 11: Water cooled four-stroke diesel engine, seven-cylinder radial six-row design, year of construction 1976 
 

Im Gegensatz dazu wurden in den sechziger und siebziger Jahren in der Sowjet- union Schnellboot-Viertakt-Dieselmotoren in Stern-Reihen-Bauweise mit sechs und acht 7-Zylinder-Sternen in größeren Stückzahlen gebaut, Bild 11. Diese 42- und 56-zylindrigen Motoren, Typ Tsch. NSP 16/17, weisen eine Reihe von konstruktiven Besonderheiten auf, wie die rollengelagerte Scheibenkurbelwelle oder die Abgasturbolaufladung im Verbund-Betrieb.

8 Schiebersteuerung

Die Schiebersteuerung ermöglicht durch ihre strömungstechnischen Vorteile (große Steuerquerschnitte) eine bessere Füllung der Zylinder. Der geringere Raumbedarf in Zylinderachsrichtung ergibt eine niedrigere Stirnhöhe des Motors. Dies war gerade für Flugzeugmotoren wichtig. Allerdings ist der Antrieb von Schiebersteuerungen konstruktiv und betriebsmäßig aufwendig, Bild 12. Motoren mit Schwingschieber-Steuerung, Bauart Burt-McCollum, wurden hauptsächlich in England entwickelt. Während des zweiten Weltkrieges wurden so mit dem wassergekühlten 24-H-Motor Napier-Sabre II und dem luftgekühlten 14-Zylin- der-Doppelsternmotor Bristol Hercules II großartige Konstruktionen geschaffen. Schiebergesteuerte Bristol-Motoren wurden noch in den sechziger Jahre in Transall-Transportflugzeuge eingebaut.

9 Folgerungen

Warum werden Motoren wie die vorangehend beschriebenen nicht mehr gebaut, weshalb also sind diese Motorkonzeptionen gescheitert?

Dafür gibt es eine ganze Reihe von Gründen, die in den Motorkonzeptionen selbst, aber auch in der Zeit und ihren Bedingungen liegen. Damit ein Motor für den Einsatzzweck geeignet ist, muß er hinsichtlich seiner Konzeption (seines grundsätzlichen Aufbaus) und der konstruktiven Ausführung im Detail so ge- staltet sein, daß er seine Funktion erfüllen kann, und er muß betriebssicher und wirtschaftlich arbeiten. Außerdem wird ein ausreichendes Entwicklungspotential für die Verbesserung dieser Eigenschaften verlangt. Darüber hinaus haben einzelne Motorenarten abhängig vom jeweiligen Stand der Technik spezielle Forderungen zu erfüllen. Motoren, welche diesen Bedingungen nicht genügen konnten, oder aber bei denen Gründe für die Besonderheiten ihrer Konstruktion entfallen sind, waren zum Scheitern verurteilt, sie wurden nicht mehr gebaut.

Schwingschieber-Steuerung des Bristol Hercules II, Ansicht 285 X 400
Bild 12: Rädertrieb zum Antrieb der Schwingschieber-Steuerung des Bristol Hercules II, Baujahr 1941  
Fig. 12: Train of wheels for the drive of the single sleeve valve gear of the Bristol Perseus XII, year of construction 1941 

 

Demnach sind Motoren "ungeeignet"
  • wenn sich grundsätzliche Nachteile ihres Wirkungsprinzipes nicht beheben, allenfalls nur geringfügig mildern lassen: Umlauf-, Ringkolben- und Kurvenbahn-Motoren
  • wenn bestimmte Vorteile mit schwerwiegenden Nachteilen verbunden sind. Beispiele: Das gute strömungstechnische Verhalten von Schiebersteuerungen war mit einer problematischen Entwicklung und aufwendigen Fertigung verbunden, außerdem sind Schieber in der Dichtwirkung Tellerventilen unterlegen.

Die vorteilhafte Gleichstromspülung von Gegenkolbenmotoren ist durch den konstruktiven Aufwand des doppelten Triebwerks (zwei Kurbelwellen oder Querjoch, Schubstangen und zusätzliche Kröpfungen bei Einwellenmotoren), ganz abgesehen von dem konstruktiven und betrieblichen Aufwand beim MacLagan-Motor, zu teuer erkauft. Paradoxerweise kann sich eine an sich "geeignete" Konzeption doch als "ungeeignet" erweisen, weil sie zu einseitig auf ein Merkmal hin optimiert wurde, was dann zu Lasten anderer Eigenschaften ging. Beispiel: Die vielzylindrigen Sternreihen-, X- oder H-Motoren waren ausschließlich auf Hochleistung konzipiert, so daß sie unter normalen Be- dingungen nicht wirtschaftlich zu betreiben sind. So ist ein 56-Zylinder-Motor mit vier Ventilen je Zylinder und mit zumindest zwei nach unten weisenden Zy- linderreihen nur mit erheblichem Aufwand zu warten.

Aber auch im obigen Sinne geeignete Motorkonzeptionen sind gescheitert, weil sich die Randbedingungen so gewandelt haben, daß die Gründe für ein be- stimmtes Konzept gegenstandslos geworden sind.

Die allgemeine Weiterentwicklung der Technik hat viele Konzeptionen durch neue Prozesse, Verfahren und Maschinengattungen unnötig gemacht. Als man die Luftkühlung auch bei Standmotoren beherrschte, wurde der Umlaufmotor un- nötig. Die Gasturbine verdrängte den Kolbenmotor fast gänzlich aus der Luft- fahrt, so daß es heute keine großen Ottomotoren mehr gibt, auch keine der speziell als Flugantrieb konzipierten Triebwerks-Bauarten. Fortschritte in der Getriebe- und Verzahnungstechnik machten Motoren mit interner Drehzahl- reduktion überflüssig. Da man die Leistung wirkungsvoller durch Aufladung steigern kann, werden keine doppeltwirkenden Motoren mehr gebaut.

Wirtschaftliche Erwägungen spielen bei allen nicht-militärischen Anwendungen eine dominierende Rolle. Hohe Lohnkosten etwa zwingen zu einfachen und wartungsfreundlichen Konstruktionen.

Nicht-technische Bedingungen beeinflussen die Motorentwicklung; so haben hohe Energiepreise zur Entwicklung extrem langhubiger Zweitakt-Großmotoren ("super-long-stroke-engines") geführt, die eine Gleichstromspülung mit Auslaß- ventilen erfordern. Dadurch verschwanden querstrom- und umkehrgespülte Großmotoren.

Ziel der Motorentwicklung war somit, den Motor und seine Bauteile bezüglich der Summe seiner Eigenschaften zu optimieren und das unter den Prämissen von Zuverlässigkeit, Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer nachzuweisen. Dadurch fallen heute die meisten Motorkonstruktionen so ähnlich aus.

Literaturhinweise

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Der Verfasser:

Prof. Dr.-Ing. Stefan Zima Prof. Dr.-Ing. Stefan Zima gehört dem Fachbereich Maschinenbau, Mechatronik, Materialtechnologie der FH Gießen-Friedberg an. 

 


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