Motoren für Luftfahrzeuge

Motoren für Luftfahrzeuge (Flug-, Luftschiffmotoren). Vor 1914 hatten die Flugmotoren selten mehr als 100–120 PS. In Deutschland verwendete man fast nur wassergekühlte einreihige 6-Zylinder-Standmotoren, in England und Frankreich hauptsächlich Umlauf- und luftgekühlte Motoren. Die gesteigerten Anforderungen an die Tragfähigkeit, Flughöhe und Geschwindigkeit verlangten bald eine Erhöhung der Lenkung. Man ging daher sprungweise auf 160, 220, 260 und 300 PS., in allerneuester Zeit bis auf 500 PS. hinaus. In Deutschland hielt man lange an der bewährten einreihigen Zylinderanordnung fest, und auch das Ausland ging mehr zu dieser Anordnung über, doch blieb der Umlaufmotor für einsitzige Flugzeuge wegen seiner kurzen Baulänge und des leichten Gewichtes nach wie vor beliebt und wurde bis zum Kriegsende auch in Deutschland gerne für derartige Flugzeuge angewandt.

Ein Hauptnachteil des einreihigen Motors liegt in seiner großen Baulänge. Um diese zu verkleinern, lag es nahe, auch für wassergekühlte Motoren zu der V-förmigen Zylinderanordnung überzugehen. Einen Luftschiffmotor mit dieser Anordnung brachte die Firma Körting bereits 1907; Benz baute 1914/1915 einen 12-Zylinder-V-Motor. Leider bestand damals an maßgebender Stelle eine Antipathie gegen eine derartige Vermehrung der Zylinder und eine Verbreiterung des Motors. Daher kam es, daß zuerst ein ausländischer V-Motor berechtigtes Aufsehen erregte; es war dies der Hispano-Suiza-Motor. Als nächster deutscher V-Motor kam wieder ein Benz-Motor heraus. Auch viele andere deutsche Firmen haben im Bau derartiger Motoren Hervorragendes geleistet. Genannt seien: der Motor der Motorenfabrik Oberursel, der bei einer Normalleistung von 240 PS. das bemerkenswert geringe Gewicht von rund 1,0 kg/PS, hat, ferner die V-Motoren der Firmen Argus, Rapp, Körting, Austro-Daimler. Eine besondere Zylinderanordnung hat der neue Adler-Motor; die beiden Zylinderreihen stehen senkrecht nebeneinander, jede arbeitet auf eine besondere Kurbelwelle. Diesem Motor wird besonders ruhiger Lauf nachgerühmt. Es nimmt nicht wunder, daß man auf dem beschrittenen Wege weiterging und den V-Motor durch Einfügen einer dritten Zylinderreihe weiter zu verkürzen suchte. Einen derartigen Motor baute die Firma Opel, doch sind praktische Erfahrungen hierüber noch nicht bekannt geworden.

Da die modernen V-Motoren ausgesprochene Schnelläufer sind (1600–2800 Touren in der Minute), ist die Anwendung eines Untersetzungsgetriebes erforderlich, wenn die Vorteile dieser Motoren durch einen schlechten Wirkungsgrad der Luftschraube nicht hinfällig werden sollen. Der Bau der Getriebe machte zuerst außerordentliche Schwierigkeiten, doch ist es gelungen, diese zu überwinden. – Der Bau von Umlaufmotoren machte besonders durch den Siemens-Motor einen großen Schritt vorwärts. Die Forderung einer geringen Luftschraubendrehzahl bei einer hohen Motordrehzahl (leichter Motor) ist hier außerordentlich glücklich gelöst, indem die Zylinder und die Kurbelwelle entgegengesetzt umlaufen.

Beim Luftschiffmotor ist die Verkürzung der Baulänge nicht so wichtig wie beim Flugmotor; auch die Gewichtsfrage spielt keine so ausschlaggebende Rolle. Bei dem durch die Nutzlast gegebenen großen Aktionsradius sind vor allem Betriebssicherheit im Dauerbetriebe und sparsamer Betriebsstoffverbrauch zu erstreben. Diese Forderungen erfüllten in hohem Maße die Maybach-Motoren, die in den letzten Jahren in allen deutschen Luftschiffen eingebaut waren.

Da die Luftmenge im Zylinder naturgemäß bei geringerem Luftdruck kleiner wird, nimmt die Motorleistung beim Fliegen in großen Höhen sehr rasch ab (Fig. 1). Man versuchte, diesen[464] Nachteil dadurch zu verkleinern, daß man den thermischen Wirkungsgrad durch Steigerung des Verdichtungsgrades verbesserte (überverdichtete Motoren). Man muß, um Fehlzündungen zu vermeiden, derartige Motoren in Erdhöhe stark drosseln. Ein zweites, jetzt viel angewendetes Mittel ist, die Zylinder dem Triebwerk gegenüber übergroß zu machen (überbemessene Motoren). Um das Triebwerk nicht zu gefährden, muß man auch diese Motoren in dichterer Luft auf die Leistung abdrosseln, für welche das Triebwerk dimensioniert ist. Beispielsweise verlangt ein Motor mit gleichbleibender Leistung bis zu einer Flughöhe von etwa 5000 m eine Vergrößerung des Zylinderinhaltes um 70%. Der deutsche Höhenrekord von 9260 m wurde mit einem überbemessenen Motor der Bayrischen Motorenwerke aufgestellt. Auch Umlaufmotoren werden überbemessen gebaut (Goebel und Siemens). Die ersten Motoren mit Ueberverdichtung bezw. überbemessenen Zylindern brachte Maybach in Friedrichshafen heraus.

Ein dritter Weg, einen Abfall der Motorleistung zu verhüten, besteht darin, die Luft dem Vergaser unter gleichbleibendem Druck zuzuführen (Motoren mit Vorverdichtung). Man benutzt hierzu Turbokompressoren (Fig. 2, Brown, Boveri & Co., Mannheim; Schwade & Co., Erfurt; Allgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft, Berlin). Der Kraftbedarf für die Vorverdichtung ist verhältnismäßig gering und beträgt beispielsweise bei 5000 m Höhe etwas mehr als 7%; da aber der Motor bei geringerem Gegendruck arbeitet, steigt sogar seine Leistung, wodurch ein nicht unwesentlicher Teil der für die Vorverdichtung notwendigen Kraft gewonnen wird.

Da bei gleichbleibender Motorleistung die Fluggeschwindigkeit mit der Höhe wesentlich zunimmt, dürften derartige Vorrichtungen auch für Verkehrsflugzeuge von Wichtigkeit werden. Nach den jetzt vorliegenden Erfahrungen ist der überbemessene Motor für geringere Flughöhen in bezug auf das Gewicht dem Motor mit Vorverdichtung überlegen. – Beschreibung der Einzelteile:

Das Motorgehäuse ist bei Standmotoren zweiteilig ausgeführt. Es wird durch Querwände, welche die Kurbelwellenlager tragen, versteift. Mitunter lagert man die Kurbelwelle lediglich im oberen Gehäuseteil und kann in diesem Falle den unteren Teil, welcher dann nur als Oelwanne dient, besonders leicht ausbilden, und nach Abnahme desselben das Triebwerk bequem kontrollieren. Um das Oel zu kühlen, versteht man das Gehäuse mit Kühlrippen oder Kühlrohren, durch welche Frischluft streicht. An der Schraubenseite ist ein Kugeldrucklager, welches den Schraubenzug aufnimmt, eingebaut. Als Material werden Aluminiumlegierungen verwandt. Bei den Rotationsmotoren ist das Gehäuse ringförmig aus Stahl oder Stahlguß hergestellt, da es durch die Zentrifugalkräfte stark beansprucht wird.

Die Kurbelwelle der Standmotoren weicht in ihrer Ausführung nicht von der bei Automobilmotoren üblichen ab. Das eine Ende ist meist konisch ausgebildet und trägt die Schraube, sofern kein Untersetzungsgetriebe zwischengeschaltet ist. Chromnickelstahl von ca. 90 kg/qmm Zerreißfestigkeit und hoher Dehnung dient als Material.

Wie bei allen schwingenden Motorteilen, legt man bei den [465] Pleuelstangen ganz besonderen Wert auf geringes Gewicht. Man verwendet daher hochwertigen Stahl und gibt ihr - oder röhrenförmigen Querschnitt. Die Pleuelstange überträgt die Explosionskraft vermittels Gleitlagern auf die Kurbelwelle. Bei den Umlauf- und Sternmotoren greift nur eine, die sogenannte Hauptpleuelstange, an der Kurbelwelle an. Die anderen Pleuelstangen sind an den Kopf dieser Hauptpleuelstange angelenkt. Bei V-Motoren mit gegenüberliegenden Zylindern ist der Pleuelstangenkopf der einen Stange gabelförmig ausgebildet, die Pleuelstange des gegenüberliegenden Zylinders greift in diesen hinein.

Die Kolben sind aus Stahl, Gußeisen, in neuerer Zeit auch häufig aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Sie besitzen zwei bis drei Kolbenringe am oberen Teil und oft noch einen Oelabstreifring in der Nähe des unteren Randes. Der Boden kann nach außen oder innen gewölbt oder auch gerade sein. Der Kolbenbolzen besteht aus Stahl und ist an der Oberfläche gehärtet. Das Gewicht des Kolbens hat auf den ruhigen Lauf des Motors größten Einfluß. Beim Gnôme-Motor liegt das Einlaßventil im Kolbenboden.

Die Zylinder bestehen aus der Laufbüchse und dem Zylinderkopf, bei wassergekühlten Motoren tritt hierzu noch der Kühlmantel. Die Laufbüchse ist entweder aus Stahl oder Grauguß hergestellt. Der Kühlmantel besteht aus Kupfer- oder Stahlblech. Beim Maybach-Motor ist Aluminiumguß verwendet, das Material der Laufbüchse ist Stahl. Aehnlich ist beim Hispano-Suiza-Motor eine Stahllaufbüchse in einen Graugußmantel eingeschraubt. Zur Erzielung eines für eine schnelle Verbrennung günstigen halbkugeligen Kompressionsraumes werden die Ventile hängend im Zylinderkopf angebracht. Man ordnet die Zylinder bei schwächeren Motoren oft paarweise, bei stärkeren Motoren der besseren Kühlung wegen meist einzeln an.

Die Steuerung setzt sich aus der Steuerwelle, dem Gestänge und den Ventilen zusammen. Die Steuerwelle liegt entweder oberhalb der Zylinder oder im Motorengehäuse. Erstere Anordnung vermeidet die langen Stoßstangen, die im Gehäuse liegende Steuerwelle ermöglicht einen einfacheren Antrieb. Man verwendet für die Steuerwelle hochwertigen Stahl. Die Nocken werden glashart gehärtet. Die Steuerwelle ist hohl gebohrt, die Bohrung dient zur Oelführung. Von den Nocken aus werden Kipphebel entweder direkt oder durch Stoßstangen betätigt. – Das Gestänge betätigt die Kipphebel vermittels der von den Nocken bewegten Stößel. Die Stoßstange fällt ebenso wie die Stößel, wie schon bemerkt, bei auf den Zylindern liegender Steuerwelle fort. – Die Ventile bestehen aus dem [466] Ventilteller und dem Schaft. Sie werden durch Sendern auf ihren Sitz gepreßt. Der Schaft wird in einer Bronze- oder Gußeisenbüchse geführt. Als Material wird Nickel oder Wolframstahl verwandt. Da sich Ventile von großem Durchmesser leicht werfen, ordnet man an großen Zylindern mehrere Auslaß- und Einlaßventile an, um bei kleinen Ventildurchmessern genügende Ventilöffnungen zu erhalten.

Als Zündung kommt jetzt fast nur die magnetelektrische Zündung zur Verwendung. Die Zündapparate (von Bosch, Eisemann) entsprechen den bei Automobilen üblichen. Zur Erhöhung der Betriebssicherheit hat jeder Motor zwei Zündapparate und jeder Zylinder zwei Zündkerzen. Zum Anlassen dient ein besonderer kleiner Magnetapparat, welcher von Hand gedreht wird, nachdem man die Zylinder entweder durch Drehen der Luftschraube oder durch eine besondere Gemischpumpe (Maybach) mit Gemisch gefüllt hat. Letztere Anordnung verwendet man besonders bei großen Motoren.

Brennstoffanlage. Wird das Benzin dem Vergaser nicht mit natürlichem Gefälle zugeführt, so geschieht dies entweder durch eine Benzinpumpe, welche vom Motor angetrieben wird, oder dadurch, daß man das Benzin vermittels Druckluft aus dem Behälter zum Vergaser drückt. Die Druckluft wird in diesem Falle vom Motor durch eine kleine Luftpumpe erzeugt. Als Vergaser werden meist Spritzvergaser, wie sie bei Automobilmotoren gebräuchlich sind, verwandt. Da sich bei der Vergasung das Gemisch stark abkühlt, ist für gute Erwärmung des Vergasers und der Ansaugluft Sorge zu tragen. Ost wird die Luft durch Röhren, welche quer durch das Motorgehäuse gehen, angesaugt; man erreicht so eine gute Lufterwärmung und zugleich Oelkühlung. Da der Schwimmer oft zu Störungen durch Undichtwerden oder Klemmen bei Schräglagen Anlaß gibt, benutzt man in neuerer Zeit Vergaser ohne Schwimmer. Beim Gnôme-Motor besteht der Vergaser nur aus einer Düse. Durch einen Schieber wird die Luft, durch einen Hahn die Benzinmenge reguliert.

Die modernen Standmotoren haben Umlaufschmierung. Der Umlauf wird normalerweise durch eine Zahnradpumpe erzeugt. Wie schon bemerkt, dient der untere Teil des Motorgehäuses als Oelbehälter. Die neuesten Motoren haben meist Ueberdruckölung. Bei dieser drückt die Oelpumpe das Oel in die Kurbelwellenlager, von dort gelangt es durch die hohlgebohrte Kurbelwelle zu den Pleuelstangen und durch diese zu den Kolbenbolzen. Das aus den Lagern abfließende Oel sammelt sich im Gehäuse, wird durch Filter gereinigt und beginnt den Kreislauf von neuem. Das Ventilgestänge wird von Hand geschmiert. Den Oeldruck kontrolliert man durch Manometer. Bei den Rotationsmotoren, Sternmotoren und Motoren mit hängenden Zylindern muß dauernd mit Frischöl geschmiert werden, wodurch ein großer Oelverbrauch entsteht. Man verwendet bei diesen Motoren an Stelle der Zahnradpumpen Kolbenpumpen, um die Oelmenge genau regeln zu können.

Die Kühlanlage entspricht im Prinzip vollkommen der bei Automobilmotoren üblichen. Wie bei diesen unterscheidet man Luft- und Wasserkühlung. In Deutschland verwendet man zurzeit die Luftkühlung nur für Umlaufmotoren, während man in Frankreich und England auch Standmotoren mit Luftkühlung baut (Renault, englische Daimler). Die Wärmemenge, welche man durch die Kühlung notgedrungen vernichten muß, ist recht erheblich. Bei den Benzmotoren werden etwa 430 Kalorien pro 1 PS./Stde. in das Kühlwasser abgeführt. Dies sind etwa 18% des im verbrauchten Benzin enthaltenen Heizwertes. Auch der wassergekühlte Motor gibt naturgemäß viel Wärme (etwa 14%) direkt an die Luft ab. Die Temperaturabnahme des Kühlwassers im Kühler beträgt normal etwa 5° C. Das Kühlwasser umspielt die Zylinderlaufbüchse, den Explosionsraum und die Ventilführungen. Es wird auch oft zum Erwärmen des Vergasers benutzt. Eine Schleuderpumpe sorgt für den schnellen Umlauf des Wassers. Sie hat einen Widerstand von maximal 5 m Wassersäule zu überwinden. Die Rohrleitungen, welche den Kühler mit dem Motor verbinden, werden so verlegt, daß sich keine Luftsäcke bilden können und keine scharfen Krümmungen vorhanden sind. Der Kühler selbst wird als Lamellen- oder Röhrenkühler gebaut. Als Material verwendet man vorwiegend gute Wärmeleiter, Messing oder Aluminium. Für Flugzeuge sind Tragflächenkühler gebräuchlich, da sie in einen Querschnitt der oberen Tragflächen eingebaut, den geringsten Luftwiderstand bieten. Ein schnelles Durchströmen der Luft findet[467] durch die Druckdifferenz der Unter- und Oberseite der Tragflächen statt. Da der Tragflächenkühler aber den Auftrieb der Fläche erheblich verringert, ging man in letzter Zeit wieder mehr zu dem vorn im oder seitlich am Rumpf eingebauten Stirnkühler über.

Der Hauptzweck der Anspuffsammler (Auspufftöpfe) ist die Ableitung der heißen Gase, um eine Gefährdung des Fahrzeugs und Beteiligung der Insassen zu vermeiden. Ferner sollen sie das Motorgeräusch vermindern (Schalldämpfer) und die glühenden Gase soweit abkühlen, daß sie bei Nacht nicht mehr sichtbar sind. Letztere beiden Aufgaben waren besonders bei [469] Kriegsfahrzeugen von Wichtigkeit. Bei der Konstruktion ist besonders auf geringen Austrittswiderstand der Gase zu achten, da dieser die Leistung des Motors beeinträchtigt.

Der Wirkungsgrad der Luftschrauben steigt bei Verminderung der Drehzahl. Man schaltet daher bei Motoren mit hohen Drehzahlen (mehr als 1400 in der Minute) zwischen Motor und Luftschraube mein ein Untersetzungsgetriebe ein. Zur Verwendung gelangen Stirnrad- und Planetengetriebe mit 2 und 3 Achsen. Das Untersetzungsverhältnis ist etwa 1 : 1,7 – 1 : 2.

Wie schon eingangs erwähnt, hat man den Leistungsabfall bei Höhenflügen unter anderem dadurch zu vermeiden versucht, daß man die Luft dem Vergaser unter gleichbleibendem Druck zuführt. Zu diesem Zwecke werden Turbokompressoren verwendet. Die wichtigsten Daten der Brown-Boveri-Gebläse (Fig. 3) sind:

Instrumente und Apparate. Zur Kontrolle der Drehzahl des Motors dienen Drehzahlmesser (Tachometer). Diese beruhen auf dem Drehpendel- oder Wirbelstromprinzip und werden von der Steuerwelle aus durch biegsame Wellen angetrieben. Der Vorteil der auf dem Drehpendelprinzip beruhenden Drehzahlmesser (Morell, Leipzig) ist ihre große Einfachheit und Unempfindlichkeit gegen Temperaturänderungen. Durch eine federnde Bewegungsübertragung werden die Stöße gedämpft, so daß der Zeiger nicht vibriert. Bei den nach dem Wirbelstromprinzip und zwar nach den Gesetzen der Drehstrommotoren arbeitenden Drehzahlmessern (Deuta-Werke, Berlin) wird die Zeigerdämpfung auf elektrischem Wege erzielt. Eine Kompensationseinrichtung macht auch diese Instrumente gegen die Schwankungen der Temperatur unempfindlich. Der nach dem Grundsatz der Zwangläufigkeit gebaute Drehzahlmesser (Tachometer von Bruhn, Berlin) zeigt die Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors durch periodisch aufeinanderfolgende Messungen (Meßzeit ¹/₂ Sek.) an. Der Apparat kann mit einem die Betriebsdauer des Motors anzeigenden Zeitzähler versehen werden. Ist der Motor vom Führerstande weiter entfernt, so werden Umdrehungsfernzeiger benutzt. Diese bestehen aus einem vom Motor angetriebenen Stromerzeuger und einem geeigneten Meßinstrument (Drehspulgalvanometer), dessen Skala nach Umdrehungen geeicht ist. Die Temperatur des Kühlwassers und zuweilen auch des Oeles in den Getrieben wird durch gewöhnliche Thermometer oder elektrische Fernthermometer überwacht. Bei Druckbenzinförderung und Druckölschmierung sind in die Leitungen Manometer eingebaut. Die Inhaltsmessung der Benzin- bezw. Oelbehälter erfolgt mittels eines Schwimmers, welcher innerhalb eines Rohres im Behälter geführt ist, und dessen Bewegungen durch eine Schnur auf einen Zeiger übertragen werden (Benzinstanduhr).

[470] Die Fig. 4–7 bringen typische Vertreter der einzelnen Motorgattungen. In der Tabelle S. 468 sind einige der heute gebräuchlichen Motortypen des In- und Auslandes zusammengestellt. Bei der großen Ausdehnung der Motorindustrie und der raschen Entwicklung der verschiedenen Typen ist es nur möglich, eine beschränkte Auswahl zu geben. Die Gewichte verstehen sich ohne Wasser und Oel im Motor, sowie ohne Kühler und Auspuffsammler. Das Gewicht der Kühlanlage mit Wasser beträgt etwa 0,3 kg/PS., das des Auspuffsammlers etwa 0,03 kg/PS. Die Werte für ausländische Motoren sind den technischen Berichten der Flugzeugmeisterei entnommen.

Literatur: Huth, Motoren s. Flugzeuge u. Luftschiffe, Berlin 1916. – Schwager, Motorenkunde f. Flugzeugführer, ebend. 1917. – Vogelsang, Der Flugmotor, ebend. 1917. – Anacker, Der Flugzeugmotor, ebend. 1918. – Dorner-Isendahl, Flugmotoren, ebend. 1918. – K, Müller, Flugmotoren, Berlin u. München 1918. – Techn. Berichte der Flugzeugmeisterei, Berlin 1917/19. – Zeitschr. f. Flugtechnik u. Motorluftschiffahrt – Flugsport – Motorwagen.

Bartels (Helffrich).

Fig. 1.

Fig. 2.

Fig. 3.

Fig. 4 und 5.

Fig. 6.

Fig. 7.