Sternmotor

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Animation eines Sternmotors
Eine weitere Animation eines Sternmotors
Neunzylinder-Sternmotor einer Boeing Stearman PT-13D
Pratt & Whitney R-985 AN14B Sternmotor mit Townend-Ring
Aufgeschnittener Doppelsternmotor
Umlauf-Doppelsternmotor von 1914 im Deutschen Museum
Wassergekühlter russischer 42-Zylinder-Reihensternmotor Swesda M503 für den Marineeinsatz
Haupt- und Nebenpleuel des 9-Zylinder-Sternmotors BMW 132

Der Sternmotor ist eine Bauform des Verbrennungsmotors, bei der die Zylinder und Kolben sternförmig um die Kurbelwelle herum angeordnet sind.

Technik[Bearbeiten]

Beim Sternmotor sind alle Zylinder einer Zylinderreihe in einer Ebene angeordnet. Während bei herkömmlichen Kolbenmotoren jeder Kolben über ein Pleuel mit der Kurbelwelle verbunden ist, findet sich eine direkte Verbindung beim Sternmotor nur beim Hauptpleuel (auch Mutterpleuel genannt). Am wellenseitigen Ende des Hauptpleuels befinden sich ringförmig um die Wellenkröpfung angeordnete Gelenklager; die verbleibenden Pleuel (Nebenpleuel genannt) werden über diese Gelenklager mit dem Hauptpleuel verbunden.

Die Ventile werden im einfachsten Fall durch eine untersetzte Nockentrommel gesteuert. Es sind jedoch auch Konstruktionen mit einer Nockenwelle pro Zylinder möglich. Im Zweiten Weltkrieg kamen auf britischer Seite auch große Stückzahlen von Schiebermotoren zum Einsatz.

Zylinderzahl[Bearbeiten]

Die Zylinderzahl eines Zylindersterns ist bei Viertaktmotoren immer ungerade. Der Grund dafür ist, dass beim Viertaktmotor jeder Zylinder nur in jeder zweiten Umdrehung gezündet wird, so dass eine durchgängige Zündfolge, die für den ruhigen, vibrationsfreien Lauf des Motors erforderlich ist, nur mit ungeraden Zylinderzahlen erzielt werden kann.

Ein weiterer Vorteil ungerader Zylinderzahlen ist die bessere Stabilität des Kurbelgehäuses, die sich daraus ergibt, dass sich bei einer ungeraden Zahl von Zylindern gegenüber jeder Zylinderbohrung eine Gehäusewandung findet. Die so entstehende Überlappung bietet strukturelle Vorteile. Das Gehäuse wird ohne zusätzliche Maßnahmen deutlich steifer als bei gerader Zylinderzahl.

2-Takt-Sternmotoren wurden auch mit geraden Zylinderzahlen hergestellt, so wurde zum Beispiel 1940 von Adolf Schnürle ein 8-Zylinder-2-Takt-Diesel-Sternmotor gebaut und ca. 10 Jahre später von Ludwig Elsbett ein 4-Zylinder-2-Takt-Dieselmotor in seinem PKW-Prototyp verwendet.

Bauformen[Bearbeiten]

Ursprünglich wurden Sternmotoren nur einreihig ausgeführt. Als mehr Leistung gefordert wurde, für die man nicht genug Zylinder nebeneinander anordnen konnte, wurden zweireihige Sternmotoren (auch Doppelsternmotoren genannt) entwickelt: Zwei Zylindersterne wurden hintereinander angeordnet. Mit weiter steigenden Leistungsanforderungen wurden auch vierreihige Sternmotoren produziert, wie zum Beispiel der Pratt & Whitney Wasp Major mit 28 Zylindern in vier Reihen.

Zwei oder mehr Zylindersterne werden bei luftgekühlten Motoren versetzt angeordnet, so dass die Zylinder des hinteren Sterns jeweils hinter den Zwischenräumen im vorderen Stern zu stehen kommen. Vorteil dieser Anordnung ist bessere Kühlluftstrom über alle Zylinder. Außerdem ist der Zündabstand etwas gleichmäßiger. Bei wassergekühlten Motoren wurden die Sterne nicht versetzt, dies nennt man Reihensternmotor.

Wassergekühlte Sternmotoren sind relativ selten gebaut worden. Anwendungen waren zum Beispiel der Bau von Motoren für tropisches Klima, die sich mit Wasser zuverlässiger kühlen ließen, oder später der Bau kompakter Mehrreihen-Sternmotoren wie des Jumo 222, eines Vierfach-Sternmotors ohne Zylinderversatz, der eine Mischform zum Reihensternmotor ist.

Sternmotoren können auch als Umlaufmotoren realisiert werden. Bei Flugmotoren des Ersten Weltkrieges war die Kurbelwelle fixiert, während die Zylinder sich mit dem daran befestigten Propeller drehten. Der Vergaser saß auf dem (hohlen) Lagerzapfen der Kurbelwelle. Erst nach dem Krieg wurden stehende Sternmotoren in größerer Stückzahl eingesetzt. Auch das Motorrad Megola (1921) hatte einen Umlaufmotor im Vorderrad. Das Gehäuse lief mit Raddrehzahl um, die Kurbelwelle drehte sich mit fünffacher Raddrehzahl rückwärts. Fest mit der Vorderradgabel verbunden war das Gehäuse des dazwischenliegenden Planetengetriebes.

Vorteile und Nachteile[Bearbeiten]

Die Notwendigkeit für die Entwicklung von Sternmotoren zeigte sich im Einsatz von konventionellen Motoren in Flugzeugen. Sternmotoren sind leichter als Reihenmotoren und haben einen guten Massenausgleich, deshalb bewirken sie geringere Schwingungen auf den Flugzeugrumpf.

Einreihige Sternmotoren haben eine große Stirnfläche und damit einen großen Luftwiderstand. Die Entwicklung der widerstandsarmen NACA-Haube verbesserte die Situation gegenüber den vorher gebräuchlichen freistehenden Zylindern, dem Townend-Ring oder engangepassten Verkleidungen, konnte den Nachteil gegenüber Reihen- und V-Motoren jedoch nicht vollständig wettmachen. Bei Doppel- und Mehrfachsternmotoren ist der Widerstandsnachteil durch die Anordnung mehrerer Zylindersterne mit der gleichen Stirnfläche weniger ausgeprägt.

Die übliche Luftkühlung ist ebenfalls ungünstig in Bezug auf den Luftwiderstand und führt unvermeidlich dazu, dass nicht alle Zylinder bei der gleichen Temperatur arbeiten und einzelne Zylinder Gefahr laufen, zu überhitzen oder zu unterkühlen.

Die verteilte Zylinderanordnung macht die Führung von Abgasrohren und Gemischzuführungen auf alle Zylinder sehr aufwändig im Vergleich zu Reihen- oder V-Motoren, bei denen jeweils eine oder zwei Leitungen sämtliche Zylinder versorgen können.

Luftgekühlte Sternmotoren haben einen geringeren Wartungsaufwand, welcher die US Navy dazu veranlasste, für ihre auf Flugzeugträgern eingesetzten Flugzeuge (bis zur Einführung von Strahlflugzeugen) ausschließlich Sternmotoren zu verwenden.

Im militärischen Bereich stellt die geringere Empfindlichkeit von luftgekühlten Sternmotoren gegen Beschuss einen weiteren Vorteil dar. Eine Beschädigung des Flüssigkeitskühlkreislaufes hat stets einen Ausfall des Motors innerhalb sehr kurzer Zeit zur Folge.

Geschichte[Bearbeiten]

Der erste Umlaufmotor wurde 1899 von Stephen Balzer gebaut. Die ersten Sternmotoren mit stehendem Kurbelgehäuse folgten Anfang des 20. Jahrhunderts und wurden von Luftfahrtpionieren wie Louis Bleriot als Flugmotoren eingesetzt. Bis zum Ende des Ersten Weltkrieges waren Umlaufmotoren die vorherrschende Bauform von Sternmotoren. Standmotoren in Sternbauweise setzten sich erst nach dem Ersten Weltkrieg durch, verdrängten die unwirtschaftlichen Umlaufmotoren dann aber vollkommen.

Obwohl Sternmotoren vor allem in der Luftfahrt verwendet wurden, gab es auch andere Anwendungen in Booten und Landfahrzeugen. Das Megola-Motorrad mit 5-Zylinder-Umlaufmotor im Vorderrad wurde aufgrund seiner Fahrleistungen und der ungewöhnlichen Bauform sehr bekannt. Die M4A1-Variante des im Zweiten Weltkrieg eingesetzten amerikanischen Sherman-Panzers wurde von einem umgebauten Wright J-5-Whirlwind-Flugmotor in Sternbauweise angetrieben. Der von Porsche für Zündapp entwickelte „Volkswagen“-Prototyp wurde ebenfalls von einem 5-Zylinder-Sternmotor angetrieben.

Wegen seiner großen Stirnfläche bei gegebener Zylinderzahl war der einreihige Sternmotor für den Hochgeschwindigkeitsflug ungeeignet; und mit der Einführung strömungsgünstiger Eindecker in der militärischen Luftfahrt, die in den 1930er Jahren stattfand, erwiesen sich wassergekühlte V-Motoren als den luftgekühlten Sternmotoren überlegen. Erst mit der Einführung von Doppelsternmotoren mit doppelter Zylinderzahl bei gleicher Stirnfläche wurden Sternmotoren wieder konkurrenzfähig.

Bei größeren Flugzeugen wie den amerikanischen Langstreckenbombern im Zweiten Weltkrieg, die durchweg mit Sternmotoren ausgerüstet waren, fiel die größere Stirnfläche des Motors gegenüber der Gesamtgröße des Flugzeuges kaum ins Gewicht. Durch den massenhaften Einsatz von Sternmotoren in der USAAF wurden die amerikanischen Sternmotoren auf einen sehr hohen Entwicklungsstand gebracht, und da der Einsatz von Turboladern außerdem einen geringen Treibstoffverbrauch ermöglicht hatte, wurden luftgekühlte Sternmotoren nach dem Zweiten Weltkrieg der in der Zivilluftfahrt vorherrschende Motortyp.

Der Fortschritt in der Entwicklung von Abgasturbinen mündete in der Entwicklung von Turbo-Compound-Motoren, die zum Beispiel in der Lockheed Super Constellation eingesetzt wurden. Bei den Compound-Motoren wurde die Abgasenergie über eine Turbine und eine hydraulische Kupplung als zusätzlicher Antrieb der Propellerwelle verwendet.

Als Propellerturbinen im gleichen Leistungsbereich wie die damals eingesetzten Sternmotoren zur Verfügung standen, verdrängten sie aufgrund ihrer einfachen Bauweise, großen Zuverlässigkeit und verbesserter Wirtschaftlichkeit die Sternmotoren vom Markt. Da der Sternmotor im niedrigen Leistungsbereich mit den günstigeren und kompakteren luftgekühlten Boxermotoren konkurriert und Propellerturbinen heute alle anderen Leistungsbereiche wirtschaftlich abdecken, werden Sternmotoren heute kaum noch eingesetzt.

Literatur[Bearbeiten]

  •  Ernst Götsch: Luftfahrzeugtechnik. Motorbuchverlag, Stuttgart 2003, ISBN 3-613-02006-8.

Weblinks[Bearbeiten]