Gegenkolbenmotor

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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.

Nach DIN 1940, Ausgabe März 1958, ist der Gegenkolbenmotor als Doppelkolbenmotor definiert, dessen Kolben sich gegenläufig bewegen.

Er ist bisher immer als Zweitaktmotor realisiert worden. Die Ein- und Auslassschlitze liegen an entgegengesetzten Enden des Brennraums und werden von den Kolben in der Nähe ihrer äußeren Totpunkte freigegeben. Hierdurch erreicht man eine Gleichstromspülung und damit einen Gasaustausch, der praktisch ebenso vollständig ist wie beim Viertakter.

Der Motor kann als Diesel-, Otto- oder Gasmotor ausgelegt werden.

Inhaltsverzeichnis 1 Technik 1.1 Gasaustausch 1.2 Triebwerksausführungen 1.3 Aufbau und Funktionsweise am Beispiel 2 Vor- und Nachteile des Gegenkolbenmotors 2.1 Vorteile gegenüber dem Viertakter mit gleichen Drehzahl- und Leistungswerten und gleicher Kolbenanzahl 2.2 Vorteile gegenüber einkolbengesteuerten Zweitaktern 2.3 Nachteile 3 Geschichte und Einsatz 3.1 Junkers − Stationär-, Fahrzeug- und Flugmotoren 3.2 DKW − Aufgeladene Zweitaktmotoren in Rennmotorrädern 3.3 Napier Deltic 3.4 VEB (K) Diesel-Kraftmaschinenwerk Karl-Marx-Stadt 3.5 Weitere Typen von Gegenkolbenmotoren 4 Aktuelle Entwicklungen 4.1 Gemini 100/125 Flugdieselmotor 4.2 Golle − Motor 4.3 Laukötter GmbH / Diesel-Air GmbH / Carmag 4.4 OPOC (Opposed Piston Opposed Cylinder Engine) 4.5 Charkov Morozov 4.6 Diesel Air Limited 4.7 Astremo 5 Weblinks 6 Referenzen

[Bearbeiten] Technik

[Bearbeiten] Gasaustausch

Der Austausch des verbrannten Gases durch frisches benötigt bei jedem Zweitakter 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 U-Kolbenmotor durch Vorauseilen des Auslasskolbens um einen Wert zwischen 12° und 20° Kurbelwinkel.

[Bearbeiten] 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 vergrößert die schwingenden Massen und ist ungünstig für die maximale Drehzahl und damit für die Maximalleistung des Motors.

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

[Bearbeiten] Aufbau und Funktionsweise am Beispiel

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 hinaus. 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.

[Bearbeiten] Vor- und Nachteile des Gegenkolbenmotors

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[Bearbeiten] Vorteile gegenüber dem Viertakter mit gleichen Drehzahl- und Leistungswerten und gleicher Kolbenanzahl

• geringere thermische Verluste – Durch die doppelte Zahl der Arbeitshübe kann die gewünschte Leistung mit geringerem Hubraum gewonnen werden, wodurch sich der Energieverlust über die Zylinderwand entsprechend verringert. Dies trifft auf alle Zweitakter zu. Zusätzlich ist das Oberflächen-/Volumenverhältnis des Brennraumes günstiger, weil die Zylinderkopfoberflächen wegfallen. Zum Zeitpunkt der stärksten Kompression, das heißt der höchsten Gastemperatur, macht das fast die Hälfte der Oberfläche aus. Neben der generellen Wirkungsgradverbesserung bewirkt dies ein höheres Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen, da die thermischen Verluste dann am meisten ins Gewicht fallen.

• geringere Reibungsverluste – Motoren mit geringerem Hubraum haben geringere Reibungsverluste ^[1]. (Auch dies trifft auf alle Zweitakter zu.)

• einfachere Konstruktion – das heißt kein Zylinderdeckel oder Zylinderkopf, keine Ventilsteuerung und keine Nockenwelle. Bei zwei Kurbelwellen ist der Mehraufwand an Lagern nicht so viel größer, da auch eine einfache Kurbelwelle viele Zwischenlager braucht.

• guter Massenausgleich ohne Zusatzmaßnahmen ^[2].

[Bearbeiten] Vorteile gegenüber einkolbengesteuerten Zweitaktern

• gleichmäßigerer Drehmomentverlauf über der Drehzahl – Das Drehmoment hängt von Füllungsgrad und thermischen Verlusten ab. Beim einkolbengesteuerten Zweitakter ist der Füllungsgrad sehr stark drehzahlabhängig – beim Gegenkolbenmotor nicht. Dazu kommt der oben genannte Effekt der geringeren thermischen Verluste.

• Aufladung möglich – Einkolbengesteuerte Zweitakter können nicht aufgeladen werden, da ihr Auslass später geschlossen wird als ihr Einlass. Beim Gegenkolbenmotor ist es umgekehrt – Aufladung und die damit verbundenen Wirkungsgradverbesserungen sind möglich.

• bessere Spülung – Die Gleichstromspülung erlaubt vollständigen Gasaustausch bei geringen Spülverlusten.

• Durch die räumliche Trennung von Ein- und Auslassschlitzen können diese auf dem ganzen Kolbenumfang angeordnet werden. Hierdurch wird unsymmetrische Temperaturverteilung von Kolben und Zylinderwand vermindert, was der Passgenauigkeit zugute kommmt.

• Der einströmenden Luft kann ein Drall mitgegeben werden, was gut für den Verbrennungsablauf ist.^[3]

[Bearbeiten] Nachteile

• Hohe Partikelemission – durch Ausschleusen von Schmieröl aus den Auslassschlitzen. Ein Lösungsansatz für dieses Problem besteht in der Verwendung selbstschmierender Graphitkolben (Golle), druckloses Kurbelgehäuse und Druckumlaufschmierung.

• hoher Ölverbrauch – hat im Wesentlichen dieselbe Ursache wie die Partikelemission. Bei früheren, senkrecht stehenden Motoren lief Öl vom oberen Kolben in den Brennraum und wurde dort verbrannt.

• 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.

• stärkeres Pulsieren des Drehmoments – im Vergleich mit konventionellem Zweitakter gleicher Anzahl an Kolben und halber an Zylindern, die alle nacheinander gezündet werden.

[Bearbeiten] Geschichte und Einsatz

[Bearbeiten] Junkers − Stationär-, Fahrzeug- und Flugmotoren

Eine der ersten praktischen Anwendungen erfolgte 1892 durch Wilhelm von Oechelhäuser jun. 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. Er war zwar gemessen an seiner Leistung relativ schwer, jedoch stellten damit ausgerüstete Flugzeuge aufgrund des sehr günstigen spezifischen Verbrauchs etliche Langstreckenweltrekorde auf.

Auch Traktoren wurden mit Junkers-Einzylinder-Gegenkolbenmotoren gebaut.

[Bearbeiten] DKW − Aufgeladene Zweitaktmotoren in Rennmotorrädern

DKW experimentierte vor dem Zweiten Weltkrieg mit 250-cm³-Zweitakt-Gegenkolben-Ottomotoren, um Kompressoren in 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: In der FIM galt nämlich 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 thermische Probleme und leistete mit 65 PS aus 250 cm³ knappe 20 PS mehr, als zu DKW-Zeiten gemessen wurden.

[Bearbeiten] Napier Deltic

Eine Sonderform des Gegenkolbenmotors stellen die um 1950 entstandenen Deltic-Motoren des britischen Herstellers Napier dar; diese aus dem Junkers-Lizenzmotor Napier-Culverin entstandenen, 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.

[Bearbeiten] 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. 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 verwendet. Die Motoren wurden bis 1980 gebaut, Ersatzteile wurden bis 1989 (Wende in der DDR) vertrieben.

[Bearbeiten] 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, für Schiffe, U-Boote 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 (Zehnzylinder, senkrechte Anordnung der Zylinder, 3000 PS) in der sowjetischen Diesellokomotive der Baureihe 2TE10 der Lokomotivfabrik Luhansk.

[Bearbeiten] Aktuelle Entwicklungen

[Bearbeiten] Gemini 100/125 Flugdieselmotor

Die britischen Firma Powerplant Developments hat einen Drei-Zylinder-Gegenkolben-Flugmotor entwickelt. Seine Vorteile sind: leicht, kompakt, sparsam, wegen der Einfachheit längere Überholungsintervalle und die Möglichkeit, Jet-Kerosin zu nutzen. Die beiden Varianten leisten 100 bzw. 150 PS. ^[4][5]

[Bearbeiten] Golle − Motor

Der sogenannte Golle-Motor ^[6] ist ein Gegenkolbenmotor mit zwei über Stirnradkaskade verbundenen Kurbelwellen. Die Pleuel laufen durch Kreuzköpfe, die den Kurbelraum öldicht vom Zylinder abschließen. Der Raum zwischen Kreuzkopf und Kolben wird als Spülpumpe genutzt. Der Kolben läuft ölfrei. Dies hat mehrere Vorteile:

• weniger Abgaspartikel
• geringerer Ölverbrauch
• geringere Alterung des Öls (Lebensdauerschmierung denkbar)
• kein externer Lader nötig, außer zur weiteren Leistungssteigerung.

Die Kolben und Kolbenringe sind aus Feinkorngraphit, welches sehr leicht und selbstschmierend ist und durch seine hohe Temperaturfestigkeit das thermische Problem am Auslasskolben lösen könnte ^[7]. Seine Festigkeit nimmt bis 2500 °C zu.

Der Motor ist leicht und aufgrund seiner Symmetrie und geringen Anzahl verschiedener Teile einfach zu fertigen.

Er befindet sich noch in der Entwicklung (Juni 2009), wobei der Schwerpunkt auf der betriebssicheren Beherrschung der neuartigen Kolben liegt.

[Bearbeiten] Laukötter GmbH / Diesel-Air GmbH / Carmag

Es wurde ein 80 kg schwerer 1,2-l-2-Zylinder-Diesel-Motor mit 85 – 100 PS entwickelt, der ursprünglich für Fahrzeuge gedacht war, aber 2004 immerhin für die Motorisierung beim Erstflug des Ultraleichtflugzeugs Fläming Air "FA Smaragd" eingesetzt wurde.^[4][8]

Eine Besonderheit ist die Verwendung von Zahnriemen zur Kopplung der beiden Kurbelwellen und der Abtriebswelle.

Wie der Golle-Motor verwendet er Kohlenstoff-Kolben, die allerdings nach einem von der Firma Carmag patentierten Verfahren als Karbon-Magnesium-Verbundwerkstoff ausgeführt sind. Seine Weiterentwicklung wurde um 2004 gestoppt, wohl aus Mangel an Abnehmern. Die Kolbenentwicklung lief jedoch weiter – die Kolben werden im Motorsport mit Erfolg eingesetzt.^[9]

[Bearbeiten] OPOC (Opposed Piston Opposed Cylinder Engine)

ist der Name eines Konzeptes für einen leichten Hochleistungsmotor.

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.^[10][11] Weitere Eigenschaften sind:

• elektromotorisch angetriebener Ladelüfter, der genauer geregelt werden und bereits vor dem Anlassen Ladedruck liefern kann und
• zwei mit einer elektronisch gesteuerten Kupplung verbundene Zylinder, von denen im Teillastbetrieb nur einer läuft, was einen erheblich besseren Wirkungsgrad zur Folge hat.

Es werden drei Varianten vorgestellt: 10 kW / 6 kg, 30 kW / 18 kg (aus drei gekoppelten 10-kW-Einheiten) und 242 kW / 204 kg.

Die treibende Kraft hinter dem OPOC-Motor ist Prof. Peter Hofbauer, langjähriger Diesel-Entwicklungsleiter bei Volkswagen. Das Patent liegt bei Advanced Propulsion Technologies Inc. ^[12], die eine Lizenz zur zivilen Weiterentwicklung und Nutzung an Ecomotors International ^[13] gegeben hat ^[14]. Das Projekt wurde von der DARPA gefördert, da es militärisch für Hubschrauber, Panzer, Lastwagen oder Generatoreinheiten genutzt werden kann, soll aber auch dem Zivilbereich zugute kommen.

[Bearbeiten] Charkov Morozov

Das Unternehmen Charkov Morozov in der Ukraine baut hauptsächlich Kampfpanzer. Diese sind mit einem Gegenkolbenmotor ^[15] ausgerüstet, der 1200 PS leistet, 1,2 t wiegt und 218 g/kWh Diesel verbraucht. Er ist als Vielstoffmotor konzipiert.

[Bearbeiten] Diesel Air Limited

Das Unternehmen Diesel Air Limited ^[16] aus England hat einen 100-PS-Gegenkolben-Flugzeugdieselmotor entwickelt. Er ist wie der Junkers-Motor mit getrennten Kurbelwellen und Zahnradkopplung versehen. Mit einem Hubraum von 1,8 l wiegt er 93 kg.^[17]

[Bearbeiten] 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. Eine Zusammenarbeit mit dem Zweiliter-Auto-Entwickler Loremo ist geplant.^[18]

[Bearbeiten] Weblinks

• Weitere Informationen und Schaubilder zum Thema
• Informationen zu Junkers Gegenkolbenmotoren

[Bearbeiten] Referenzen

1. ↑ Richard von Basshuysen: Handbuch Verbrennungsmotor, ATZ/MTZ Fachbuch, 2007, p.395
2. ↑ Stefan Zima: Kurbeltriebe, Vieweg Verlagsgesellschaft 1999, p.123
3. ↑ Cornel Stan, Alternative Antriebe für Automobile, Springer-Verlag 2008, p.135
4. ↑ ^{a b} Klaus L. Schulte: Gegenkolbenflugdiesel, e-Journ Tt-08, klspublishing.de, p.7 ff
5. ↑ http://ppdgemini.com
6. ↑ http://www.gollemotor.ag
7. ↑ NET Journal Jg.14, Nr.3/4,März/April 2009, http://www.borderlands.de/net_pdf/net0309s4-8.pdf
8. ↑ http://www.youtube.com/watch?v=Eoi7VIZfopg
9. ↑ http://www.naumburger-tageblatt.de/ntb/ContentServer?pagename=ntb/XPage&atype=ksArtikel&aid=1246046509862&template=Druckfassung&sp=1022083370560
10. ↑ http://engineeringtv.com/blogs/etv/archive/2008/07/01/opposed-piston-opposed-cylinder-engine.aspx
11. ↑ http://www.greencarcongress.com/2005/05/fev_developing_.html
12. ↑ http://www.propulsiontech.com
13. ↑ http://www.ecomotors.com
14. ↑ http://news.cnet.com/greentech/?keyword=ecomotors
15. ↑ http://www.morozov.com.ua/eng/body/addmotor.php
16. ↑ http://www.dair.co.uk
17. ↑ http://boxermotor.com/index.php?id=17
18. ↑ http://www.astremo.com