Gegenläufermotor

Gegenläufermotor
Junkers Gegenkolbenmotor

Der Gegenkolbenmotor — auch bekannt als Gegenläufermotor, Gegenlaufmotor oder kurz Gegenläufer — ist ein Hubkolben-Verbrennungsmotor, bei dem zwei Kolben im selben Zylinder gegeneinander arbeiten und sich einen gemeinsamen Brennraum in der Mitte des Zylinders teilen. Diese Motorenart ließ sich Ferdinand Kindermann 1877 patentieren.

Er ist bisher immer als Zweitaktmotor realisiert worden. Hierbei geben die Kolben an ihren äußeren Totpunkten die Ein- und Auslassschlitze frei. Für einen Viertakter müsste man im schmalen Bereich des Brennraums in der Mitte Ventile unterbringen, was schwierig ist. Aufgrund der Lage der Ein- und Auslassschlitze an entgegengesetzten Enden des Brennraumes kann man auch so einen sehr guten Gasaustausch erzielen, so dass das Viertaktprinzip nur Nachteile bringen würde.

Inhaltsverzeichnis

Technik

Gasaustausch

Der Austausch des verbrannten durch frisches Gas bei jedem Zweitakter benötigt einen externen Überdruck. Dieser kann geliefert werden durch

  • Kompression im Kurbelraum
  • externes Spülgebläse.

Um eine Aufladung zu erreichen, muss für eine gewisse Zeit der Einlassschlitz noch offen sein, während der Auslassschlitz bereits geschlossen ist. Dies realisiert man wie beim Doppelkolbenmotor durch Vorauseilen des Auslasskolbens um ca. 12° Kurbelwinkel.

Triebwerksausführungen

Es gibt Ausführungen mit einer oder mit zwei Kurbelwellen.

Im ersten Falle muss mindestens einer der beiden Kolben über lange Pleuel mit der Kurbelwelle verbunden sein. Dies erhöht die schwingende Masse und ist ungünstig für die maximale Drehzahl und damit für die Maximalleistung des Motors.

Im zweiten Falle müssen die Kurbelwellen miteinander verbunden sein, sei es durch eine Stirnradkaskade (wie beim Junkers Jumo 205), eine Antriebskette, einen Zahnriemen oder eine Königswelle.

Aufbau und Funktionsweise am Beispiel

Beispiel eines Gegenkolbenmotors
Perspektivische Darstellung eines Gegenkolbenmotors
Animierte Darstellung eines Gegenkolbenmotors

Dargestellt ist ein Motorlayout ähnlich dem vom Konstrukteur Kurt Bang im Büro Prüssing weiterentwickelten DKW-Rennmotor. Es gab ihn in einer Version mit 250 cm³ und einer mit 350 cm³ Hubraum. Er besaß zwei Zylinder mit vier Kolben, zwei Kurbelwellen und einen mechanischer Lader. Die Kurbelwellen waren über eine Zahnradkaskade verbunden. Die Gemischaufbereitung übernahm ein Vergaser, was einen hohen Kraftstoffverbrauch nach sich zog.

  1. Ansaugkanal für das vom Vergaser aufbereitete Gemisch
  2. Mechanischer Lader. (hier: Flügelzellenlader; im Original Zentrix-Lader)
  3. Frischgaskammer zum Speichern und Verteilen an die Zylinder
  4. Überdruckventil (Waste-Ventil)
  5. Auslass-Kurbeltrieb
  6. Einlass-Kurbeltrieb (läuft circa 20° nach, zum Erreichen eines asymmetrischen Steuerdiagramms)
  7. Zylinder mit Ein- und Auslassschlitzen
  8. Auslass, Anschluss für die Auspuffanlage
  9. Wasserkühlmantel
  10. Zündkerze

Der Lader saugt das Gemisch an und drückt es in die Frischgaskammer. Ein Überdruckventil sorgt für die Druckbegrenzung. Von hier aus gelangt das Gemisch in die Kurbelräume. Auf der Auslassseite dient es zur Kühlung des thermisch hochbelasteten Kolbens. Nach der Zündung laufen beide Kolben nach außen und vollziehen den Arbeitshub. Der Auslasskolben öffnet zuerst die Auslassschlitze, so dass sich der Restdruck abbauen kann, was zu einer Beschleunigung der Gassäule im Abgassystem führt. Erst dann öffnet der andere Kolben die Einlassschlitze, und Frischgas strömt durch den Ladedruck getrieben in den Zylinder und schiebt das Altgas aus. Bei immer noch geöffnetem Einlass schließt der Auslass. Es wird weiter Frischgas in den Zylinder gedrückt, was zur Aufladung führt. Nachdem die Einlassschlitze wieder vom Kolben verdeckt wurden, beginnt die Verdichtung.

Vor- und Nachteile des Gegenkolbenmotors

Vorteile gegenüber dem Viertakter mit gleichen Drehzahl- und Leistungswerten

geringere thermische Verluste

Dieser Vorteil beruht darauf, dass die Leistung mit grob gerechnet dem halben Hubraum gewonnen werden kann. Dies bedeutet, da die Oberfläche eines Körpers mit dem Volumen2/3 geht, dass man mit ca. dem 0,63-fachen der Brennraumoberfläche auskommt, über die Verbrennungswärme durch Konvektion, Wärmeleitung und Strahlung verloren geht.

geringere Reibungsverluste

Bei halben Hubraum hat man bei gleichen Proportionen nur noch den 1/21/3 = 0,8 - fachen Kolbenweg. Jeder einzelne Kolben legt nur noch den 0,4 - fachen Weg zurück. Damit ist der dynamische Anteil der Reibungskräfte von Kolben und Pleuel nur noch das 0,32 - fache des entsprechenden Wertes beim Viertakter. Dazu kommt, dass der gesamte Ventilantrieb wegfällt. Allerdings muss Leistung in das Verbindungsgetriebe zwischen den Kurbelwellen und in den Ladelüfter gesteckt werden.

geringere Masse

Diesen Vorteil hat der G. mit allen Zweitaktern gemein - er beruht auf dem geringeren Hubraum, der für die gleiche Leistung benötigt wird.

Die Literleistung kann sehr hoch sein: um 200 PS/l Hubraum (Benzin))und 120 PS/l Hubraum (Diesel) sind für Flugmotoren erreicht worden.

einfachere Konstruktion

d.h. kein Zylinderdeckel oder Zylinderkopf, keine Ventilsteuerung, keine Nockenwelle, keine Ausgleichswellen, viele Wiederholteile). Bei mehreren Kurbelwellen ist der Mehraufwand an Lagern nicht so viel größer, da auch eine einfache Kurbelwelle viele Zwischenlager braucht.

Vorteile gegenüber herkömmlichen Zweitaktern

hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl

(bis 320 Nm/l Hubraum) - . Hat seine Ursache in dem guten Gasaustausch bei allen Drehzahlen und den geringeren thermischen Verlusten.

hoher Wirkungsgrad bei gleichzeitig hoher maximaler Drehzahl

Die thermischen Verluste eines Verbrennungsmotors durch Wärmeleitung über die Brennraumwände sind erheblich, d.h. in der Größenordnung von 30%. Also kommt es darauf an, bei gegebenem Hubraum eine möglichst geringe Brennraumoberfläche zu erreichen.

Im Allgemeinen ähnelt der Brennraum kurz nach der Zündung, also dann wenn das Gas am heißesten ist, einem flachen Zylinder, hat also eine große Oberfläche im Verhältnis zum Rauminhalt. Je kleiner die Zylinderbohrung und je länger der Hub ist, bei konstantem Hubraum und Verdichtung, desto weniger flach ist die Form des Brennraums zu diesem Zeitpunkt und desto geringer sind die Wärmeleitungsverluste. D.h. ein effizienter Motor ist ein langhubiger Motor.

Leider bedeutet ein längerer Hub auch höhere Beschleunigung von Kolben und Pleuel bei gegebener Drehzahl. Je länger der Hub eines Kolbens, desto niedriger ist wegen der begrenzten Festigkeit des Werkstoffs die maximale Drehzahl und damit die maximale Leistungsabgabe.

Durch das Gegenkolbenprinzip wird der Gesamthub auf zwei Kolben aufgeteilt. Dadurch kann man damit bei gegebenem Gesamthub eine erheblich höhere Drehzahl und damit Maximalleistung erreichen.

Laufruhe

durch sehr guten Massenausgleich ähnlich wie bei Boxermotoren. Diese Eigenschaft erlaubt, in einem Mehrzylindermotor mit zylinderweise trennbaren Kurbelwellen nicht benötigte Zylinder stillstehen zu lassen, ohne dass der Massenausgleich verloren geht. Dies bewirkt im Teillastbetrieb eine erhebliche Verbrauchsminderung.

Nachteile

Hohe Partikelemission

durch Ausschleusen von Schmieröl aus den Auslassschlitzen. Ein Ansatz, diesem Problem beizukommen, ist selbstschmierende Graphitkolben zu verwenden (Golle), aber das Problem kann noch nicht als gelöst angesehen werden.

Lebensdauerprobleme

wegen der hohen thermischen Belastung der Auslassseite, insbesondere des Auslasskolbens. Dieses Problem ist bei der Dieselversion nicht so ausgeprägt, da hier die Abgastemperatur niedriger ist.

Auch dass die Dichtringe die Ein- und Auslassschlitze überlaufen könnte sich auf deren Lebensdauer auswirken.

Spülpumpe erforderlich

Der Nachteil entfällt, wenn man den Kolbenrückraum als Pumpraum nutzt und wenn man den Motor sowieso aufgeladen verwenden möchte, da ein anderer Motor auch den Lader bräuchte.

hoher Ölverbrauch

Dieser Punkt trifft besonders auf die früheren, senkrecht stehenden Motoren zu. Bei diesen läuft Öl – auch bei Stillstand des Motors – vom oberen Kolben in den Brennraum.

lange Bauweise bei zwei Kurbelwellen

Der Motor ist länger und etwas schwerer als ein Standardzweitakter, aber leichter als ein Viertakter gleicher Leistung.

Geschichte und Einsatz

Junkers − Stationär-, Fahrzeug- und Flugmotoren

Eine der ersten praktischen Anwendungen erfolgte 1892 durch Wilhelm von Oechelhäuser in seinem Werk für Gasmotoren, der Deutschen Continental Gasgesellschaft, in Dessau. Die Entwicklung wurde von Hugo Junkers assistiert. Die Maschine wurde mit Gichtgas betrieben. Sie wurde 1896 an das Hochofenwerk Hörde (Stahlwerk Phoenix) in Dortmund geliefert und leistete 220 PS zum Antrieb eines Dynamos als Stromgenerator.

Junkers führte in Deutschland diese Art der Kraftmaschine weiter fort und entwickelte sie in seinem Werk weiter. Insbesondere die Dieselvariante erreichte ab den 1930er Jahren die Einsatzreife und wurde bei Flugzeugen von Junkers verwendet. Der Junkers-Sechszylinder-Gegenlaufmotor Jumo 205 mit 880 PS bei 2800 U/min war der einzige in größeren Stückzahlen gebaute Dieselflugmotor.

Auch Traktoren wurden mit Junkers-Einzylinder-Gegenkolbenmotoren gebaut.

DKW − Aufgeladene Zweitaktmotoren in Rennmotorrädern

DKW experimentierte vor dem Zweiten Weltkrieg mit 250-cm³-Zweitakt-Gegenläufer-Ottomotoren, um Kompressoren in Zweitakt-Rennmotorrädern einsetzen zu können. Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde die einzige den Krieg überlebende DKW-Gegenläufermaschine von verschiedenen Privatfahrern gefahren. Sie hatte aber immer mit thermischen Problemen zu kämpfen. Der Beitritt Deutschlands zum Internationalen Motorradfahrerverband (FIM) brachte dann das Ende der sportlichen Karriere des DKW-Gegenläufers: Im FIM galt ein Kompressorverbot.

Erst im Jahre 1989 machte sich ein Ingenieursteam des Fachgebiets Fahrzeugtechnik der TU Darmstadt um Restaurator Herrmann Herz und Prof. Dr.-Ing. Bert Breuer daran, aus dem legendären DKW-Gegenläufer schließlich doch noch eine thermisch stabile Maschine zu machen. Zwei Jahre und eine Diplomarbeit später lief der DKW-Gegenläufer ohne Hitzeprobleme und leistete mit 65 PS aus 250 cm³ knappe 20 PS mehr, als zu DKW-Zeiten gemessen wurden.

Sonstige historische Hersteller

Deltic

Eine Sonderform des Gegenkolbenmotors stellen die um 1950 entstandenen Deltic-Motoren des britischen Herstellers Napier dar; diese für den Einsatz in Schiffen und Lokomotiven gebauten kompakten Dieselmaschinen hatten eine Leistung um 3000 PS und bestanden aus drei im Dreieck angeordneten und durch gemeinsame Kurbelwellen verbundenen Bänken von Gegenkolbenmaschinen.

VEB (K) Diesel-Kraftmaschinenwerk Karl-Marx-Stadt

Bis 1945 wurden Gegenkolben-Dieselmotoren von der Gesellschaft für Junkers-Dieselkraftmaschinen mbH in Chemnitz hergestellt. Dieser Betrieb ging nach dem Krieg in den VEB (K) Diesel-Kraftmaschinenwerk Karl-Marx-Stadt über und baute den Typ NZD 9/12 SRW (Werksbezeichnung HK 65) als Ein-, Zwei- und Dreizylinder-Motoren bis in die 1960er Jahre. Der Leistungsbereich lag zwischen 8 und 37,5 PS bei 1000 bis 1500 U/min. Diese Motoren wurden im Schiffbau als Haupt- und Hilfsmaschinen eingesetzt. Gleichfalls wurden sie für Stromerzeugungsanlagen, als Einbaumotoren für Dieselwalzen, Bagger, Betonmischer und als Antriebe für Pumpen- und Kompressoraggregate eingesetzt.

Weitere Typen von Gegenkolbenmotoren

In der Welt haben darüber hinaus Commer, Compagnie Lilleoise des Moteurs, Doxford, Fairbanks-Morse, Gobron-Brillié, British Leyland, Krupp, Napier, Rolls-Royce und Sulzer Gegenkolbenmotoren entwickelt und gebaut, meist für den Stationärmotor, Schiffe und Flugzeuge, aber auch für LKW, PKW und Motorräder. Ferner wurden Gegenläufermotoren auch in Kampfpanzern eingesetzt. So hatte z. B. der britische Kampfpanzer Chieftain einen großen Sechszylinder-Gegenläufermotor für den Hauptantrieb (Typ Leyland L60) und einen kleinen Dreizylinder (Leyland H30) als Nebenaggregat.

Weite Verbreitung fand der Gegenkolbenmotor 10D100 (zwölfzylinder, senkrechte Anordnung der Zylinder, 3000 PS) in der sowjetischen Diesellokomotive der Baureihe 2TE10 der Lokomotivfabrik Luhansk.

Aktuelle Entwicklungen

Golle − Zweitakt-Gegenkolbenmotor mit Graphitkolben

Golle-Gegenkolbenmotor

Der sogenannte Golle-Motor [1] ist ein Gegenkolbenmotor in Kreuzkopfbauart. Der Einsatz von Kolben aus Feinkorngraphit (temperaturbeständig, geringe Dichte, selbstschmierend, geringer Ausdehnungskoeffizient) löst die Probleme der thermischen Belastung auf der Auslassseite. Die mechanische Festigkeit von Feinkorngraphit nimmt dabei bis 2500 °C zu. Die neuentwickelte Zylinder-Kolben-Baugruppe ermöglicht den absoluten Kolbentrockenlauf (der Kreuzkopf ermöglicht die Ölabschirmung der Kolbenunterseite), und gleichzeitig werden die emittierten Abgaspartikel minimiert (kein Abbrand von Öl auf der Zylinderwand, kein Auswaschen von Öl durch den Treibstoff). Die Kurbeltriebe sind von der Zylinderbaugruppe öldicht getrennt, so dass kein Ölverbrauch eintritt und kein Ölwechsel erforderlich ist (Lebensdauerschmierung). Der Kurbelkasten wird nicht mehr zur Spülung benutzt, so dass sich in der Ansaugluft auch keine Öltröpfchen sammeln können beziehungsweise das Öl nicht durch Lufteinfluss altert. Wegen der vorhandenen Spülpumpen (Nutzung der Kolbenunterseite) ist kein mechanischer Lader erforderlich; der Motor hat somit Saugmotoreigenschaften.

Motor auf dem Prüfstand

Ein Abgas-Turbolader ist nur für hohe Leistungen optional erforderlich. Eine ausgesprochene Leichtbauweise infolge des Aluminiumgehäuses und der Feinkorngraphit-Kolben führt zu einem verringerten Gewicht. Die innovativen Technologien (einfacher konstruktiver Aufbau durch waagerecht geteiltes Motorgehäuse, einfache Gussstücke, leichte Montage, Lebensdauerschmierung, kein Ölwechsel) stellen eine neue Qualität im Bau von Gegenkolbenmotoren dar.

Der ölfreie Motor eignet sich besonders für den Einsatz in gewässergefährdenden Bereichen. Derzeit (2008) sind keine Sonderzulassungen bekannt.

OPOC (Opposed Piston Opposed Cylinder Engine)

ist der Name eines DARPA Entwicklungsprojektes für einen leichten Hochleistungsmotor für Hubschrauber, Panzer oder Lastwagen. Es hat zwei Besonderheiten:

  • Zwei Gegenkolbenzylinder liegen hintereinander auf einer Achse, mit einer gemeinsamen Kurbelwelle dazwischen.
  • Die Kopplung der außenliegenden Kolben erfolgt nicht über Kurbelwellen und Zahnräder, sondern über Zugstangen an die einzige Kurbelwelle.

Durch diese symmetrische Konfiguration ist die Belastung der Kurbelwellenlager minimiert, so dass diese leichter ausgeführt werden können. Dafür ist die oszillierende Masse der Gruppe Außenkolben-Zugstangen höher. Es kann ein sehr guter Massenausgleich erreicht werden und damit eine hohe Laufruhe.[2][3]

Charkov Morozov

Das Unternehmen Charkov Morozov aus der Ukraine baut heute die Nachfolger der Panzer der Sowjetarmee. Diese haben auch einen Gegenkolbenmotor, der eine Weiterentwicklung der Junkers-Triebwerke darstellt, im Programm. Er leistet bis zu 1200 PS und ist als Vielstoffmotor konzipiert. Er ist für einen Panzermotor extrem kompakt gebaut und verbraucht im Vergleich zu den im Irakkrieg eingesetzten Panzern erstaunlich wenig. Er wäre auch gut als Stationärmotor verwendbar (Kraft-Wärme-Kopplung). Leider lässt die Politik es momentan nicht zu, dass er als solcher exportiert wird.

Diesel Air Limited

Das Unternehmen Diesel Air Limited [4] aus England hat einen 100-PS-Gegenkolben-Flugzeugdieselmotor entwickelt. Er ist wie der Junkers-Motor mit getrennten Kurbelwellen und Zahnradkopplung versehen.

Astremo

Das Schweizer Unternehmen Astremo plant die Entwicklung eines Gegenkolbenmotors namens JOE (Junkers Opposed-Piston Engine) mit klassischer zwei-Kurbelwellen-Anordnung und Plasma-Verbrennungsoptimierung, sucht aber noch (April 2009) nach Investoren. [5]

Weblinks

  1. http://www.gollemotor.ag
  2. http://engineeringtv.com/blogs/etv/archive/2008/07/01/opposed-piston-opposed-cylinder-engine.aspx
  3. http://www.greencarcongress.com/2005/05/fev_developing_.html
  4. http://www.dair.co.uk
  5. http://www.astremo.com

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