Titel: VORREITER: Konstruktionsprinzipien der Motoren für Luftfahrzeuge.
Autor: Anonymus
Fundstelle: 1912, Band 327 (S. 753–756)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj327/ar327225

KONSTRUKTIONSPRINZIPIEN DER MOTOREN FÜR LUFTFAHRZEUGE.

Von Ing. Ansbert Vorreiter in Berlin.

Inhaltsübersicht.

Entwicklung der Motoren für Luftfahrzeuge aus dem Automobilmotor. Anforderungen für Luftfahrzeugmotoren. Einfluß der wechselnden Höhe und Lage. Luft- oder Wasserkühlung. Mittel, um Gewicht zu sparen. Vorteile vieler Zylinder. Ventilanordnung. Schieberventile. Vorteil des langen Hubes. Arten der Kühlung. Materialfrage. Einteilung der Motoren.

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Der große Fortschritt im Bau sowohl der Luftschiffe als der Flugzeuge ist erst durch die Verwendung leichter und betriebssicherer Motoren möglich geworden. Der leichte Luftschiff- und Flugzeugmotor ist aus dem Automobilmotor entstanden. Wir verdanken also eigentlich der Automobiltechnik die in der Motorluftschiffahrt und Flugtechnik erreichten Leistungen. Es kommt für die Motorluftschiffahrt ebenso wie für das moderne Automobil nur der Explosionsmotor in Betracht. Unter der Voraussetzung, daß die Konstruktionsprinzipien der normalen Zwei- und Viertaktmotoren wie auch der verschiedenen Hilfsapparate, wie Vergaser, Zündapparate und Kühler hinreichend bekannt sind, soll im folgenden nur das herausgegriffen werden, was die Motoren für Luftschiffe und Flugzeuge von den üblichen Automobilmotoren unterscheidet; eine Folge der Verschiedenheit der Anforderungen und Bedingungen, unter welchen Motoren in Luftschiffen und Flugzeugen gegenüber Automobilmotoren zu arbeiten haben.

Die hauptsächlichsten Anforderungen, welche an Luftschiffmotoren gestellt werden, sind:

  • 1. Geringes Gewicht im Verhältnis zur Leistung.
  • 2. Geringer Verbrauch an Betriebsstoffen, um mit der gegebenen Brennstoff menge einen möglichst großen Aktionsradius zu erreichen; aus demselben Grunde ist auch ein möglichst geringer Oelverbrauch anzustreben und Kühlwasserverlust zu vermeiden.
  • 3. Absolute Betriebssicherheit, da beim Luftschiffmotor kaum, beim Flugzeugmotor überhaupt nicht während der Fahrt Reparaturen vorgenommen werden können.

In dem Erfordernis eines geringen Gewichts im Verhältnis zur Leistung ist gleichzeitig die Anforderung eines geringen Brennstoff- und Oelverbrauchs für die Pferdekraftstunde enthalten; denn da es heute meist nicht mehr darauf ankommt, eine Maschine überhaupt zum Fliegen zu bringen, wenn auch nur für kurze Zeit, sondern Luftfahrzeuge für praktische Zwecke zu konstruieren, ist mit einem Betrieb von mehreren Stunden zu rechnen. Hierbei würde, wie sich rechnerisch leicht nachweisen läßt, ein im Verhältnis zur Leistung sehr leichter Motor mit hohem Brennstoff- und Oelverbrauch inkl. des Gewichtes des verbrauchten Brennstoffes und Oeles auf die Pferdekraftstunde mehr wiegen als ein schwerer Motor mit geringem Brennstoff- und Oelverbrauch. Der Oelverbrauch kommt hierbei allerdings weniger in Betracht, weil die Oelmenge im Verhältnis zur Brennstoffmenge geringer ist und bei einem guten Motor höchstens den zehnten Teil beträgt. Als günstigsten Wert bezüglich Brennstoffverbrauchs für einen Flugmotor kann man 240 g für die PS/Std. annehmen, welcher Wert bei Flugmotoren mehrfach erreicht ist. Bei Luftschiffmotoren ist man schon bis 230 g gekommen.

Beim Vergaser ist für Luftfahrzeugmotoren zu berücksichtigen, daß er unter verschiedenem Luftdruck arbeiten muß, da mit den verschiedenen Höhen, welche das Luftschiff oder das Flugzeug erreicht, auch der Luftdruck ein wechselnder ist. Ebenso variiert die Temperatur, und zwar ist sie in höheren Luftschichten meist niedriger als auf der Erde; es muß daher darauf gesehen werden, die von den Vergasern angesogene Luft stets auf einem annähernd gleichen Temperaturgrad zu halten. Vorteilhaft für das Arbeiten der Luftschiffmotoren ist der Umstand, daß die Motoren im Fluge stets in reiner, staubfreier Luft zu arbeiten haben, Vergaser, Zylinder, Steuerungsorgane usw. also im Fluge durch Staub und Schmutz nicht beeinflußt werden können.

Beim Start mehrerer Flugzeuge auf einem Flugplatz, wie dies namentlich bei Flugwettbewerben vorkommt, ist es jedoch möglich, daß die von dem Propeller eines Flugzeuges aufgewirbelte Staubwolke ein anderes Flugzeug trifft und von dessen Motor aufgesaugt wird, also in den Vergaser und das Getriebe gelangt. Aus diesem |754| Grunde empfiehlt es sich, Motoren für Luftfahrzeuge ebenso wie Automobilmotoren einzukapseln.

Eine weitere Vorbedingung, welche man an Motoren für Luftschiffe und Flugzeuge zu stellen hat, ist die, daß dieselben in den verschiedensten Lagen dennoch mit größtmöglichster Gleichmäßigkeit und Betriebssicherheit funktionieren, Neigungen des Luftschiffes oder Flugzeuges in der Wagerechten also weder auf die Funktionen des Vergasers noch der Oelung Einfluß ausüben dürfen. Bei Motoren mit einer größeren Anzahl von Zylindern in einer Reihe müssen daher die einzelnen Kurbelkammern durch Zwischenwände getrennt sein, weil sich andernfalls bei einer Neigung des Luftschiffes das gesamte Oel im Kurbelgehäuse ansammeln und dem dem Tiefpunkte zunächst liegenden Zylinder ein für die Zündung wieder nachteiliger Ueberschuß an Oel zugeführt würde, während die auf der entgegengesetzten Seite angeordneten Zylinder und Kurbelwellenlager trocken und heiß liefen.

Es lassen sich gegen diese Gefahr auch andere Vorkehrungen treffen, auf die noch später eingegangen werden soll.

Mit der Betriebssicherheit Hand in Hand geht die Forderung der Dauerhaftigkeit. Hiergegen zeigen die älteren Konstruktionen von Flugmotoren zum Teil recht erhebliche Verstöße. Nur die Dauerleistung, die der Motor herzugeben imstande ist, kommt beim Flugmotor ernstlich in Betracht, im Gegensatz zum Automobilmotor. Während dieser mit seiner Höchstleistung nur selten und dann bloß auf kurze Zeit beansprucht wird, läuft der Motor im Flugzeuge fast stets unter voller Belastung. Ein Motor, dessen Lagerschalen schon nach einem Betrieb von einigen Stunden erneuerungsbedürftig sind, ist demnach für Luftschiffe und Flugzeuge nicht geeignet.

Der Einfluß, den die wechselnde Höhe mit sich bringt, die Verringerung des Luftdruckes mit der Erhebung über die Erdoberfläche ist bei einem Motor für Luftfahrzeuge ganz bedeutend. Bei Automobilen sind die Höhen, in denen man fährt, nicht bedeutend, selten über 1000 m, es kommt hinzu, daß man die geringere Leistung des Motors hier durch eine kleinere Uebersetzung ausgleichen kann. Nicht so beim Luftschiff. Bei ihm verlangt man nicht nur fast stets die höchste Motorleistung, sondern man fliegt auch in weit größeren Höhen, in denen die Luft dünner ist. Daß die Luftverdünnung die Leistung des Motors ganz bedeutend herabsetzen muß, geht daraus hervor, daß das eingesaugte Luftgewicht ungefähr im Verhältnis des äußeren Druckes der Luft abnimmt. Die Leistung des Motors geht also entsprechend herunter, da infolge des geringeren Kompressionsgrades sein Wirkungsgrad sinkt. Die Wirkung der Höhe ähnelt also einer Drosselung des Motors. Der Umstand, daß der Gegendruck gegen den Auspuff auch geringer wird, kommt nur wenig in Betracht, da die Ausschubwiderstände doch nur einen kleinen Teil der Motorleistung verzehren; ihre Verringerung ist unwesentlich, dagegen die Verringerung der Kompression und damit der Leistung erheblich. Wenn auf der Erde der Luftdruck 760 mm beträgt, so ist er in 1000 m Höhe nur noch 670 mm, also um 90 mm geringer. Die Motorleistung ist dann um etwa 14 v. H. geringer.

Textabbildung Bd. 327, S. 754

Bisher sind noch keine Einrichtungen getroffen worden, die schnelle Abnahme der Motorleistung mit zunehmender Höhe zu verhindern. Als einfachstes Mittel empfiehlt es sich, die Luft von der Stelle des Luftfahrzeuges anzusaugen, wo sie verdichtet ist, nämlich hinter der Schraube, oder bei Prall-(unstarren) Luftschiffen, die die pralle Form dadurch bewahren, daß sie einen im Innern des Ballons befindlichen Luftsack (Ballonet) mittels eines Ventilators aufblasen. Durch diese Art der Luftentnahme könnte man auch in den unteren Luftschichten für kurze Zeit die Leistungen steigern, z.B. bei starkem Gegenwind. Bei Motoren für Luftfahrzeuge, die dem Höhenfluge dienen sollen, läßt sich diesem Nachteil in gewisser Hinsicht begegnen; einmal, indem die Oeffnungen für den Lufteintritt in den Vergaser trichterförmig erweitert und nach vorn gerichtet werden, wodurch also die Luft infolge der Fluggeschwindigkeit mit einem höheren Druck, als dem Barometerstand entspricht, in den Vergaser und den Zylinder strömt (Fig. 1), und weiter, indem der Kompressionsraum auf das geringste verkleinert, also die denkbar höchste Kompression angewendet wird, d.h., indem man bis zu der Grenze geht, die durch die Selbstentzündung des Gasgemisches durch die Kompressionswärme gegeben ist. Damit diese Selbstentzündung beim Fliegen in geringer Höhe, also beim normalen äußeren Luftdruck, nicht stattfindet, wird der Motor etwas gedrosselt. Die Zylinder des Motors müssen also so dimensioniert sein, daß er etwas gedrosselt die notwendige Leistung hergibt. Beim Höhenflug wird dann die Drosselung aufgehoben, so daß trotz des geringeren äußeren Luftdruckes die gleich hohe Kompression und demnach gleiche Leistung erreicht wird, wie beim Flug in geringerer Höhe mit gedrosseltem Motor.

Hierbei muß auch der Einfluß der geringeren Luftdichte auf das Flugzeug selbst beachtet werden; um das gleiche Gewicht zu tragen, muß bei geringerem Luftdruck entweder die Geschwindigkeit des Drachenfliegers vermehrt oder der Anstellwinkel bzw. die Krümmung der Tragflächen vergrößert werden, weil die dünnere Luft schlechter trägt. Der Widerstand, den die Schraube in der dünneren Luft findet, ist natürlich auch geringer; die Tourenzahl nimmt daher von selbst zu. Der schädliche Widerstand des Flugzeuges wird ebenfalls geringer. Wenn auch alle diese Umstände noch nicht eingehend untersucht sind, so darf man doch folgern, daß zum Fluge in größerer Höhe (geringem Luftdruck) etwa dieselbe Kraftleistung |755| erforderlich ist, als zum Fluge dicht über der Erde (hohem Luftdruck).

Im Widerspruch zu der ersten Hauptbedingung, welche an Luftschiff- und noch mehr an Flugzeugmotoren zu stellen ist – dem leichten Gewicht – steht der vorerwähnte Umstand, daß diese Motoren fast stets mit ihrer vollen Leistung beansprucht werden. Es dürfen daher bei dem Bestreben, das Gewicht nach Möglichkeit zu beschränken, doch die Lager nicht zu schwach dimensioniert sein, und vor allem darf nicht an den der Schmierung dienenden Organen gespart werden. Andererseits aber ist wieder der Umstand vorteilhaft, daß die Luftschiff- und Flugzeugmotoren hinsichtlich Tourenzahl und Leistung nicht so variabel sein müssen als die Automobilmotoren, und von diesem Gesichtspunkte aus läßt sich die Konstruktion der Flugmotoren vereinfachen. Ob es dabei ratsam ist, soweit zu gehen, besondere Vergaser überhaupt fortzulassen und das Benzin direkt in die Kammern der Saugventile zu spritzen, wie beim Antoinette- und Wright-Motor, ist allerdings sehr fraglich. Andere Konstrukteure vereinfachen die Vergaser durch Weglassen des Schwimmers. Die Betriebssicherheit dürfte jedoch hierunter leiden, und diese ist für einen Flugzeugmotor weit wichtiger und notwendiger, als z.B. für einen Automobil- oder Bootsmotor, selbst noch wichtiger als für einen Luftschiffmotor, weil beim Flugmotor während des Betriebes außer der Schmierung nichts für die Inbetrieberhaltung desselben vorgenommen werden kann und ein Stillstehen des Motors oder auch nur die verringerte Leistung zu einer Katastrophe führen kann, unbedingt aber zum Landen zwingt. Als Beispiel seien die beiden ersten von Latham versuchten Kanalflüge erwähnt. Beide Male fiel Latham mit seinem Eindecker in das Meer infolge von Störungen am Motor bzw. infolge von schlechter Vergasung (Antoinette-Motor ohne Vergaser).

In dem Bestreben, an Gewicht zu sparen, verzichten die meisten Konstrukteure auf ein Schwungrad. Um nun beim Viertaktmotor ein genügend gleichmäßiges Drehmoment zu erhalten, mußte die Zahl der Zylinder vermehrt werden. Wir finden daher bei den Luftschiffmotoren meistens sechs und acht Zylinder, und um der Gewichtsersparnis wegen deshalb keine zu großen Baulängen in Kauf nehmen zu müssen, sehr häufig eine V-förmige Anordnung der Zylinder. Aus dem gleichen Grunde ist man noch weiter gegangen, und wählten Anzani, Farcot und die Rheinischen Aero-Werke und andere Firmen, stern- oder fächerförmige Zylinderanordnung (Esnault-Pelterie). Diese Konstruktionen ergeben als weiteren Vorteil, daß auf einfachste Weise ein Ausgleich der bewegten Massen im Motor zu erzielen ist, denn noch mehr als beim Automobilmotor ist ein möglichst erschütterungsfreier Gang für den Luftschiff- und Flugzeugmotor erforderlich. Hierbei ist zu beachten, daß der Phasenunterschied zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Zündungen stets derselbe ist.

Wie groß der Unterschied in der Gleichmäßigkeit des Drehmomentes zwischen einem Vierzylinder-Automobilmotor und einem Achtzylinder-Luftschiffmotor ist, zeigen die obenstehenden Diagramme (Fig. 2 und 2a). Beim Vierzylinder steigt die Leistung während zweimal einer Umdrehung von Null bis zu einem Maximum. Beim Achtzylinder variiert die Leistung nur um nicht ganz den halben Betrag der gleichen Maximalleistung, und zwar tritt diese erheblich geringere Schwankung viermal während einer Umdrehung auf. Aus diesem Grunde findet der vielzylindrige Motor, namentlich der Achtzylinder, in der V-förmigen Anordnung der Fig. 3 bis 5 (siehe später) viele Anhänger in der Luftschiffahrt; für Flugzeuge auch noch die Sternanordnung mit sieben Zylindern (namentlich als Umlaufmotor).

Textabbildung Bd. 327, S. 755

Hierbei sei besonders auf den größten Vorteil der vielzylindrigen Motoren hingewiesen, nämlich den guten Massenausgleich. Beim Vierzylinder lassen sich wohl die freien Momente ausgleichen, es treten aber noch freie Kräfte auf. Beim Sechszylinder, der in letzter Zeit ebenfalls für Luftschiffe und Flugzeuge vielfach ausgeführt wird, ist ein vollständiger Massenausgleich gegeben. Da nur durch Massenausgleich und gleichen Zündabstand ein erschütterungsfreier Lauf zu erzielen ist und Erschütterungen beim Luftschiff und Flugzeug noch störender sind als beim Automobil, ist der vielzylindrige Motor (sechs bis sieben Zylinder) für Luftfahrzeuge vorzuziehen.

Hierbei sei gleich der Behauptung entgegengetreten, daß der Motor mit vielen Zylindern schwerer ist als ein gleichstarker Motor mit einem oder zwei Zylindern. Das Gegenteil ist bis zu etwa acht Zylindern der Fall. Wenn auch natürlich sieben oder acht kleine Zylinder mit Kolben und allem sonstigen Zubehör schwerer sind, als ein bis vier Zylinder für die gleiche Leistung, so fällt dafür das Schwungrad beim Sieben- und Achtzylindermotor weg, wodurch das Mehrgewicht der Zylinder usw. mehr als ausgeglichen ist. Dabei ist selbst mit einem verhältnismäßig schweren Schwungrad niemals das gleichmäßige Drehmoment zu erreichen wie beim Achtzylindermotor, weil man im Durchmesser des Schwungrades zu sehr beschränkt |756| ist. Bei direktem Antrieb der Schraube, wie dies bei Flugzeugen die übliche Anordnung ist, kann ja diese als Schwungrad dienen; dabei ist aber zu berücksichtigen, daß die Schäfte der Schraubenflügel durch das wechselnde Drehmoment sehr stark beansprucht werden, ein Bruch also leichter vorkommen kann, wenn die Schraube nicht weit stärker und damit schwerer hergestellt wird, als für Motoren mit gleichmäßigem Drehmoment.

(Fortsetzung folgt.)

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