Gescheiterte Motorenkonzepte

Zima, S: Gescheiterte Motorkonzeptionen ... MTZ 11/1997, 660 ... 4Bild 3: Funktionsschema und Ansicht des Ringkolbenmotors, Bauart Esselbe: Je zwei Kolben gleich- und gegensinniglaufend. Viertakt-Ottomotor, Bohrung 65 mm, Hub 270 mm, Leistung 44 kW bei 1200/min, Baujahr 1912Fig. 3: Annular piston engine, designed by Esselbé, each two pistons move in the same and the others in a counterdirection.Four-stroke spark ignition engine, bore 65 mm, stroke 270 mm, output 44 kW (60 HP), speed 1200 r.p.m,year of construction 1912Das Prinzip der zwangsweisen Luftkühlung durch bewegte Zylinder versuchte man auch mit Standmotoren zuverwirklichen. Der französiche Weisz-Motor aus dem Jahre 1910, ein luftgekühlter Viertakt-Ottomotor, ist alshängender Reihen-Vierzylinder ausgeführt, bei dem die Kolben feststehen und die oszillierenden Zylinder überPleuelstangen auf die Kurbelwelle wirken. Die Ventile sind im Kolben angeordnet. 1913 entstand sogar noch eineSechzylinder-Sternausführung dieser Bauart, der Edelweisz-Motor.4 KURBELWELLENLOSE TRIEBWERKEZur Steigerung der Motorleistung und Leistungsdichte mußte die Zylinderanzahl erhöht werden, damit stieß man jedochrasch an die mechanischen Grenzen des Triebwerks. Einen Ausweg schien die Ringkolbenbauart zu bieten, bei dermehrere 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 oszillierendbewegen, die zwei gegenüberliegenden gleichsinnig, die benachbarten gegensinnig. Die Kolben wirken über einGestänge auf zwei Hohlwellen, welche ihrerseits über Treibstangen Zahnräder in Drehung versetzen. Diese Zahnrädertreiben über ein großes Zahnrad eine dritte Hohlwelle mit dem Ringzylinder und den Propeller an, Bild 3. DerLadungswechsel dieses Viertaktmotors wird durch Schlitze gesteuert. Auf Grund seiner Bau- und Funktionsweisebenötigt der Motor nur eine Zündkerze. Für zwei Auf- und Abbewegungen der Kolben mußte der Zylinder eineUmdrehung machen. Der große konstruktive Aufwand der Kraftübertragung von den Kolben zur Abtriebswelle hatwahrscheinlich alle Vorteile dieser Bauart aufgewogen. Trotzdem wurde dieses Konzept in den sechziger Jahren voneinem britischen Konstrukteur wieder aufgegriffen.

Zima, S: Gescheiterte Motorkonzeptionen ... MTZ 11/1997, 660 ... 5Mit dem Kurvenscheiben-Motor sollte die Abtriebsdrehzahl verringert werden, um - insbesondere bei Flugzeugmotoren- ein Reduktionsgetriebe einzusparen. Auch versprach man sich hiervon bessere mechanische Wirkungsgrade und eineraumsparende Bauweise.Die Kolben des Fairchild-Caminez-Motors (1926) arbeiten auf einer lemniskatenförmigen Kurvenbahn; die Drehzahlder Abtriebswelle entspricht der doppelten Arbeitsspielzahl, Bild 4. Da je zwei gegenüberliegende Kolben gegensinnigliefen, ergibt sich ein interner Massenausgleich. Dieser Flugzeugmotor wurde Mitte der zwanziger Jahre in den USAgebaut und erprobt, ging aber nicht in die Serienproduktion.Bild 4: Längs- und Querschnitt des Kurvenscheiben-Motors, Bauart Fairchild-Caminez, Vierzylinder-Viertakt-Ottomotor, Bohrung 115 mm, Hub 143 mm, Leistung 110 kW bei 2400/min, Baujahr 1926Fig. 4: Curve track engine, Fairchild-Caminez, four-stroke four-cylinder spark ignition engine, bore 115 mm, stroke143 mm, output 110 kW (150 hP), speed 2400 r.p.m., year of construction 1926Bei dem deutschen Michel-Motor, einem Zweitakt-Dieselmotor, sind drei Kolben sternförmig angeordnet, die einengemeinsamen 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 Bewegungsgesetze vorgegebenwerden. Die Abtriebsdrehzahl wird auf 1/6 der Arbeitsspielfrequenz reduziert. Der Michel-Motor ist Anfang derzwanziger Jahre gebaut und erprobt worden.Bei den Kurvenbahn-Motoren ergeben koaxial-konzentrisch angeordnete Zylinder kompakte leistungsstarke Antriebemit geringer Stirnfläche. In einer solchen Triebwerkskonfiguration sah man in den zwanziger und dreißiger Jahren eineaussichtsreiche Alternative zu herkömmlichen Flugzeug-Triebwerken.Der amerikanische Herrman-Motor wurde 1935 als Versuchsmotor für Flugzeuge gebaut. Zwei Zylinderblöcke mit jesechs kozentrisch-koaxial angeordneten Zylindern sind zu einer Einheit verschraubt. Je zwei sich gegenüberliegendeKolben sind miteinander verbunden und greifen mit Rollen an der sinusförmigen Kurvenscheibe an. Diese dreht sichunter den Kolbenkräften weg und treibt die Abtriebswelle an, Bild 6.Eine nicht-rotierende Taumelscheibe stützt sich bei den Taumelscheibenmotoren über Wälzlager auf einer Z-förmiggekröpften Welle ab. Die Kolben, konzentrisch-koaxial um die Welle angeordnet, greifen mit Stangen über Kugelköpfean der Taumelscheibe an. Unter dieser axialen Belastung dreht sich die Welle unter der Taumelscheibe, so daß dieseeine schwingende (taumelnde) Bewegung vollzieht. Eine Drehmomentenstütze verhindert die Drehung derTaumelscheibe. Taumelscheibenmotoren und eine Sonderform davon, die Schrägscheibenmotoren, sind in den dreißigerJahren als Antriebe für Fahrzeuge und Flugzeuge entwickelt worden. Bekannt wurde der als Omnibus-Antriebkonzipierte Bristol-Motor, ein neunzylindriger Viertakt-Ottomotor mit Ringschiebersteuerung. Der Motor ist in einigenExemplaren gebaut und erprobt worden.

Zima, S: Gescheiterte Motorkonzeptionen ... MTZ 11/1997, 660 ... 7zusammengefaßt waren, Bild 8. Für marinetechnischen Einsatz entwickelt, wurde der Deltic auch als Antrieb vonLokomotiven der englischen Eisenbahn verwendet.Bild 6: Längsschnitt und Funktionsschema des Kurvenbahnmotors, Bauart Herrman, wassergekühlter Zwölfzylinder-Viertakt-Ottomotor, Bohrung 77,6 mm, Hub 95,3 mm, Leistung 106 kW bei 1600/min, Baujahr 1937Fig. 6: Functional scheme and longitudinal section of the curved track engine, Herrman, water-cooled 12-cylinder fourstrokespark ignition engine, bore 77.6 mm, stroke 95.3 mm, output 106 kW (144 HP), speed 1600 r.p.m., year ofconstruction 1937Bild 7: Zylinderschnitt und Triebwerksschema des wassergekühlten Dreizylinder-Zweitakt-Gegenkolben-Dieselmotorsin Tandembauweise, Bauart Junkers, Bohrung 400 mm, Hub 2 × 400 mm, Leistung 588 kW bei 120/min, Baujahr 1913Fig. 7: Longitudinal section and functional scheme of the water-cooled three-cylinder two-stroke opposed-pistion dieselengine in tandem design, Junkers, bore 400 mm, stroke 2 x 400 mm, output 588 kW (800 HP), speed 120 r.p.m., year ofconstruction 1913

Zima, S: Gescheiterte Motorkonzeptionen ... MTZ 11/1997, 660 ... 8Eine Sonderform des Gegenkolbenprinzips wurde mit dem Beck-Motor aus dem Jahr 1909 verwirklicht. EinRingkolbenmotor, bei dem insgesamt acht Kolben in einem feststehenden kreisringförmigen Zylinder laufen; je zweider vier Doppelkolbenpaare sind durch eine Traverse verbunden. Die Traversen arbeiten über Gelenkhebel auf einkurze Pleuelstange, die ihrerseits an der Kurbelwelle angreift, Bild 9. Kinematisch interessant ist, daß sich bei diesemMotor die oszilliernde Bewegung des kleinen Pleuelauges als Resultierende der Bewegung der Kolben inUmfangsrichtung ergibt, wodurch gleichzeitig die Geradführung des Triebwerks erreicht wird.6 DOPPELTWIRKENDE MOTORENHohe absolute Leistungen lassen sich nur mit großen Zylinderabmessungen erreichen. Dies begrenzt jedoch dieZylinderanzahl 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 Sonderformdoppeltwirkender 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 miteinanderverbundenen Zylinderteile gleichsinnig mit dem Kolben bewegen, jedoch mit kürzerem Hub, Bild 10. Auf diese Weisewurde ein doppeltwirkender Motor mit Gleichstromspülung realisiert. Weil bei dieser Bauart keine Kolbenstange an derKolbenunterseite angreift, konnte der untere Kolben seine volle Leistung abgeben, auch entfielen die gravierendenProbleme mit der Stopfbuchsendichtung. Die MacLagan-Motoren wurden in drei Schiffe eingebaut, mußten aber späterwegen Maschinenschäden gegen konventionelle Motoren getauscht werden.Bild 8: Wassergekühlter Zweitakt-Dieselmotor in Drei-Wellen-Gegenkolben-Bauweise, Bauart Napier Deltic, 9 oder 18Zylinder, Bohrung 130 mm, Hub 2 × 184,2 mm, Zylinderleistung 103,5 kW bei 2000/min, Baujahr 1956Fig. 8: Water-cooled two-stroke diesel engine, three-shaft opposed-piston type, Napier Deltic, 9 or 18 cylinders, bore130 mm, stroke 2 x 184.2 mm, output (1 cylinder) 103.5 kW (140 HP), speed 1 800 r.p.m., year of construction 19567 ZYLINDERZAHL- UND ANORDNUNGAuf der Grundlage des damaligen Stands der Technik ließen sich hohe Leistungskonzentrationen mit Rücksicht auf dieMassenwirkungen nur durch große Zylinderzahlen darstellen. So entstanden in den dreißiger und vierziger Jahren

Zima, S: Gescheiterte Motorkonzeptionen ... MTZ 11/1997, 660 ... 9Flugzeugmotoren mit 14, 16, 18, 24 und 28 Zylindern in Stern-, Sternreihen-, W-, X- und H-Anordnung. Nachdem derleistungsstarke Kolbenmotor im Flugzeug von der Strömungsmaschine verdrängt worden ist, wurden schnelleMarinefahrzeuge zu einem Anwendungsgebiet für vielzylindrige Hochleistungs(diesel)motoren mit 24, 32, 40, 42 undsogar 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 Kurbelwellender Teilmotoren gaben ihre Leistung über einen Rädertrieb auf die Abtriebswelle ab. Im Teillastbetrieb konnte eineMotorhälfte abgeschaltet werden. Es wurde lediglich ein Versuchsmotor gebaut und erprobt.Bild 9: Ringkolbenmotor, Bauart Beck, Querschnitt und Funktionsschema, Viertakt-Ottomotor, Leistung 66 kW bei1800/min, Baujahr 1909Fig. 9: Annular piston engine, Beck (1909), cross section and functional scheme, four-stroke spark ignition engine,output 66 kW (90 HP), speed 1800 r.p.m., year of construction 1909Bild 10: Funktionsschema des doppeltwirkendenDreizylinder-Zweitakt-Dieselmotors, BauartMacLagan. Bohrung 622,3 mm, Hub 1117,6 mm,Leistung 1470 kW bei 100/min, Baujahr 1924. Deram Kolbenbolzen angelenkte Antriebsmechanismusfür den beweglichen zweiteiligen Zylinder (hiereinteilig abgebildet) ist herausgezogen dargestelltFig. 10: Functional scheme of the sliding cylinderdouble-action two-stroke diesel engine, MacLagan,bore 622.3 mm, stroke 1117.6 mm, output 1470 kW(2000 HP), speed 100 r.p.m., year of construction1924

Zima, S: Gescheiterte Motorkonzeptionen ... MTZ 11/1997, 660 ... 10Bild 11: WassergekühlterViertakt- Dieselmotor in 6×7 = 42Zylinder-Sternreihen-Bauart,Bauart 42 Tsch 16/17 (M 503 A),Bohrung 160 mm, Hub 170 mm,Leistung 2941 kW bei 2200/min.Dieser Motor wurde auch mit 8×7= 56 Zylindern gebaut, Baujahr1976Fig. 11: Water cooled four-strokediesel engine, seven-cylinderradial six-row design, type 42Tsch 16/17, bore 160 mm, stroke170 mm, output 2941 kW (4000HP), speed 2 000 r.p.m. There wasanother eight-row version of thisengine with 56 cylinders, year ofconstruction 1976Im Gegensatz dazu wurden in den sechziger und siebziger Jahren in der Sowjetunion Schnellboot-Viertakt-Dieselmotoren in Stern-Reihen-Bauweise mit sechs und acht 7-Zylinder-Sternen in größeren Stückzahlen gebaut, Bild11. Diese 42- und 56-zylindrigen Motoren, Typ Tsch. NSP 16/17, weisen eine Reihe von konstruktiven Besonderheitenauf, wie die rollengelagerte Scheibenkurbelwelle oder die Abgasturbolaufladung im Verbund-Betrieb.8 SCHIEBERSTEUERUNGDie Schiebersteuerung ermöglicht durch ihre strömungstechnischen Vorteile (große Steuerquerschnitte) eine bessereFüllung 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 undbetriebsmäßig aufwendig, Bild 12. Motoren mit Schwingschieber-Steuerung, Bauart Burt-McCollum, wurdenhauptsächlich in England entwickelt. Während des zweiten Weltkrieges wurden so mit dem wassergekühlten 24-H-Motor Napier-Sabre II und dem luftgekühlten 14-Zylinder-Doppelsternmotor Bristol Hercules II großartigeKonstruktionen geschaffen. Schiebergesteuerte Bristol-Motoren wurden noch in den sechziger Jahre in Transall-Transportflugzeuge eingebaut.9 FOLGERUNGENWarum werden Motoren wie die vorangehend beschriebenen nicht mehr gebaut, weshalb also sind dieseMotorkonzeptionen gescheitert?Dafür gibt es eine ganze Reihe von Gründen, die in den Motorkonzeptionen selbst, aber auch in der Zeit und ihrenBedingungen liegen. Damit ein Motor für den Einsatzzweck geeignet ist, muß er hinsichtlich seiner Konzeption (seinesgrundsätzlichen Aufbaus) und der konstruktiven Ausführung im Detail so gestaltet sein, daß er seine Funktion erfüllenkann, und er muß betriebssicher und wirtschaftlich arbeiten. Außerdem wird ein ausreichendes Entwicklungspotentialfür die Verbesserung dieser Eigenschaften verlangt. Darüber hinaus haben einzelne Motorenarten abhängig vomjeweiligen Stand der Technik spezielle Forderungen zu erfüllen. Motoren, welche diesen Bedingungen nicht genügenkonnten, oder aber bei denen Gründe für die Besonderheiten ihrer Konstruktion entfallen sind, waren zum Scheiternverurteilt, sie wurden nicht mehr gebaut.

Zima, S: Gescheiterte Motorkonzeptionen ... MTZ 11/1997, 660 ... 11Bild 12: Rädertrieb zum Antrieb der Schwingschieber-Steuerung des Bristol Hercules II. Luftgekühlter 14-Zylinder-Viertakt-Ottomotor in Sternbauweise. Bohrung 146 mm, Hub 165 mm, Leistung 993 kW bei 2750/min, Baujahr 1941Fig. 12: Train of wheels for the drive of the single sleeve valve gear of the Bristol Perseus XII. Air cooled two-row 14-cylinder radial four-stroke spark ignition engine, bore 146 mm, stroke 165 mm, output 909 kW (1350 HP), speed 2650r.p.m., year of construction 1941Demnach sind Motoren "ungeeignet"• wenn sich grundsätzliche Nachteile ihres Wirkungsprinzipes nicht beheben, allenfalls nur geringfügig mildernlassen: Umlauf-, Ringkolben- und Kurvenbahn-Motoren• wenn bestimmte Vorteile mit schwerwiegenden Nachteilen verbunden sind. Beispiele: Das guteströmungstechnische Verhalten von Schiebersteuerungen war mit einer problematischen Entwicklung undaufwendigen Fertigung verbunden, außerdem sind Schieber in der Dichtwirkung Tellerventilen unterlegen.Die vorteilhafte Gleichstromspülung von Gegenkolbenmotoren ist durch den konstruktiven Aufwand des doppeltenTriebwerks (zwei Kurbelwellen oder Querjoch, Schubstangen und zusätzliche Kröpfungen bei Einwellenmotoren), ganzabgesehen von dem konstruktiven und betrieblichen Aufwand beim MacLagan-Motor, zu teuer erkauft. Paradoxerweisekann sich eine an sich "geeignete" Konzeption doch als "ungeeignet" erweisen, weil sie zu einseitig auf ein Merkmalhin 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 Bedingungen nichtwirtschaftlich zu betreiben sind. So ist ein 56-Zylinder-Motor mit vier Ventilen je Zylinder und mit zumindest zweinach unten weisenden Zylinderreihen nur mit erheblichem Aufwand zu warten.Aber auch im obigen Sinne geeignete Motorkonzeptionen sind gescheitert, weil sich die Randbedingungen sogewandelt haben, daß die Gründe für ein bestimmtes Konzept gegenstandslos geworden sind.Die allgemeine Weiterentwicklung der Technik hat viele Konzeptionen durch neue Prozesse, Verfahren undMaschinengattungen unnötig gemacht. Als man die Luftkühlung auch bei Standmotoren beherrschte, wurde derUmlaufmotor unnötig. Die Gasturbine verdrängte den Kolbenmotor fast gänzlich aus der Luftfahrt, so daß es heutekeine großen Ottomotoren mehr gibt, auch keine der speziell als Flugantrieb konzipierten Triebwerks-Bauarten.

Zima, S: Gescheiterte Motorkonzeptionen ... MTZ 11/1997, 660 ... 12Fortschritte in der Getriebe- und Verzahnungstechnik machten Motoren mit interner Drehzahlreduktion überflüssig. Daman die Leistung wirkungsvoller durch Aufladung steigern kann, werden keine doppeltwirkenden Motoren mehrgebaut.Wirtschaftliche Erwägungen spielen bei allen nicht-militärischen Anwendungen eine dominierende Rolle. HoheLohnkosten etwa zwingen zu einfachen und wartungsfreundlichen Konstruktionen.Nicht-technische Bedingungen beeinflussen die Motorentwicklung; so haben hohe Energiepreise zur Entwicklungextrem langhubiger Zweitakt-Großmotoren ("super-long-stroke-engines") geführt, die eine Gleichstromspülung mitAuslaßventilen erfordern. Dadurch verschwanden querstrom- und umkehrgespülte Großmotoren.Ziel der Motorentwicklung war somit, den Motor und seine Bauteile bezüglich der Summe seiner Eigenschaften zuoptimieren und das unter den Prämissen von Zuverlässigkeit, Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer nachzuweisen.Dadurch fallen heute die meisten Motorkonstruktionen so ähnlich aus.LITERATURHINWEISE[1] Commentz, C.: Verbrennungskraftmaschinen: Kurvenscheibenmotor, Bauart Michel. In: ZVDI 70 (1926) 23[2] Denkmeier, H.: Beuteflugmotoren. In: MTZ 4 (1942), Nr. 4[3] Gabriel, M.: Ausstellungsberichte. Technisches vom zweiten Pariser aeronaut. Salon. In: ZFM 2 (1911), Nr. 1[4] Gersdorff, K. von; Grasmann, K.; Schubert, H.: Flugmotoren und Strahltriebwerke. 3. Aufl. Bonn: Bernard & Graefe, 1995[5] Gilles, J.A.: Flugmotoren 1910 - 1918. Frankfurt/M: Mittler, 1971[6] Magg, J.: Dieselmaschinen. Berlin: VDI-Verlag, 1928[7] Nägel, A.: Dieselmaschinen in Amerika. Sonderheft Dieselmaschinen II. Berlin: VDI-Verlag, 1926[8] Nationale Volksarmee der DDR: A 205/1/216 Motor M 503 A Beschreibung, 1976[9] NN: Zur Kritik der Kurvenbahn-Motoren. In: Der Motorwagen 30 (1927), Nr. 31[10] NN: Der Bristol-Neunzylinder-Taumelscheibenmotor. In: ATZ 38 (1935), Nr. 23; S. 600[11] Quittner, V.: Die Motoren auf der Pariser Internationalen Luftschiffahrt-Ausstellung. In: ZFM 4 (1913), Nr. 7[12] Schendel, G.: Umlaufmotoren. In: ZFM 1 (1910) 23 sowie 2 (1911) 1, 5, 6 und 7[13] Schwager, O.: Der Siemens-Umlaufflugmotor. In: Der Motorwagen 22 (1919), S. 542 - 577[14] Setright, L.J.K.: Some Unusual Engines. London. Mech. Eng. Publ. Ltd. 1979[15] Vorreiter, A.: 5e Exposition Internationale de Locomotion Aérienne vom 5.-23. Dez. 1913. In: ZFM V (1914), Nr. 5