„Die drehschiebergestützte Gaswechselsteuerung
des Viertakt-Ottomotors:
Herausforderungen der Konstruktion am Beispiel des
Flachschieberkonzepts der Deutschen Versuchsanstalt für Luftfahrt“

Seminararbeit

 für das EGTWA-Seminar
„Maschinenbauliche Grundlagen an Beispielen der Motorentechnik“

vorgelegt von

Karsten Rohr

WT 2004

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung  3

2. Vor- und Nachteile gebräuchlicher Gaswechselsteuerung  4

3. Klassifizierung der Schiebersteuerung  6
3.1 Niederdruckschieber  6
3.2 Hochdruckschieber  6

4. Die Herausforderung der Abdichtung und Schmierung  7

5. Verschiedene Modelle gleichförmig bewegter Schiebersteuerung  10
5.1 Walzenschieber  10
5.2 Baer- Walzenschieber  11
5.4 Bristol- Planschieber  13

6. DVL- Flachschieber  14
6.1 Allgemeine Konstruktionsmerkmale  14
6.2 Berechnung der Steueröffnungen  15
6.3 Die Gestaltung der Dichtelemente  17
6.4 Beurteilung des DVL-Flachschiebers  18
6.5 Weiterentwicklungsmöglichkeiten des DVL- Flachschiebers  19
6.6 Motorkonstruktionen unter Verwendung des DVL- Flachschieberkonzepts  20
6.6.1 V4- Motor  20
6.6.2 Junkers- Kreismotor  

7. Resümee  21

8. Abbildungsverzeichnis   23

9. Literaturverzeichnis  24

1. Einleitung

„Die bisherigen Ergebnisse zeigen, daß die bei Drehschiebersteuerung auftretenden Schwierigkeiten zu beheben sind. Der Schiebermotor wird daher in absehbarer Zeit zu verwirklichen sein, seine großen Vorteile werden mit Sicherheit den Ventilmotor verdrängen können.“¹

„Nach dem heutigen Stand der Technik ist es durchaus möglich, die Gase durch Drehschieber zu steuern, das Hauptproblem – die Abdichtung – ist gelöst.“²

In Anbetracht dieser Aussagen verwundert die geringe Verbreitung der Schiebermotoren im heutigen Maschinenbau. Einzig der schlitzgesteuerte Zweitaktmotor ist – zumindest in der Zweiradindustrie – durch ständige Weiterentwicklung ein populärer Vertreter dieser Gattung. Einige wenige Konstruktionen gelangten zu Betriebsreife und Verwendung im Luftfahrtbereich, welcher auch deren Hauptforschungsgebiet darstellte.

Die ständige Nachfrage nach höherer Leistungsfähigkeit der Flugmotoren bei gleichzeitiger Verringerung von Gewicht und Ausmaßen lieferte die Initialzündung der Entwicklung von Schiebermotoren. Auf der Suche nach Mehrleistung durch größere Steuerquerschnitte und beschleunigten Eröffnungsverlauf stießen die Ingenieure auf die Grenzen der Belastbarkeit damaliger Ventilsteuerungen. Zur Einhaltung der genannten Kriterien verpflichtet, konnten sie nicht auf eine bloße Vergrößerung des Hubraums des Triebwerks zurückgreifen. Neue Wege der Leistungssteigerung mussten erforscht werden.

Einige Ergebnisse dieses Prozesses sollen Thema dieser Arbeit sein. Eine bloße Auflistung aller Konstruktionsvorschläge kann keinen Einblick in die Herausforderung der Entwicklung von Schiebermotoren bieten. Um ein Verständnis für die Hinwendung der Ingenieure zu selbigen zu schaffen, wird zuerst auf die Problematik ventilgestützter Gaswechselsteuerung nach damaligem Kenntnisstand eingegangen, um anschließend eine vorgeschlagene Klassifizierung aufgrund ihres Hauptunterscheidungsmerkmals zu beleuchten. Eine darauf folgende Auseinandersetzung mit der größten Herausforderung in der Entwicklung von Drehschiebermotoren, der Abdichtung der Steuerorgane gegen den Verbrennungsdruck und deren mögliche Lösung ist für die spätere Beurteilung einiger weniger, ausgeführter Modelle notwendig. Besondere Beachtung kommt hierbei der Flachschiebersteuerung der DVL³ zu, deren ausgereifte und betriebssichere Konstruktion sich schlussendlich nicht in der Zahl der ausgeführten Motoren widerspiegelt.

Ein Betrachtungspunkt dieser Arbeit soll somit die Klärung der Frage sein, welches die Probleme der Steuerung des Gaswechsels durch Drehschieber sind, die ihre weitere Verbreitung und praktische Umsetzung verhinderte.

2. Vor- und Nachteile gebräuchlicher Gaswechselsteuerung

Einer der größeren Nachteile der konventionellen Steuerung des Gaswechsels des Viertakt- Verbrennungsmotors ist die oszillierende Bewegung der Steuerorgane und deren damit verbundene hohe mechanische Belastung. Idealerweise sollte die Öffnung der Steuerorgane in kürzester Zeit erfolgen, um so schnell größtmögliche Steuerquerschnittsflächen für den Gaswechsel freizugeben. Zur Vermeidung übermäßiger mechanischer Beanspruchung an Ventil und Ventilsitzen muss die Abschlussgeschwindigkeit stark verzögert werden. Dadurch ergeben sich in der Phase der Ventilöffnung nur gering ansteigende Öffnungsquerschnitte, die verantwortlich für die vergleichsweise hohen Durchflussgeschwindigkeiten am Ventilspalt sind, die sich besonders bei höheren Drehzahlen störend auf die Füllung des Zylinders auswirken, und sogar eine Verminderung der maximal erreichbaren Drehzahlen verursachen. 

Durch die hohen Beschleunigungskräfte, die bei den Öffnungs- und Schließbewegungen der Ventile gerade bei höheren Drehzahlen auftreten, kommt es zu einer Verstärkung der, je nach Ausführungsart der Ventilsteuerung, hohen oder niedrigen Elastizität- und Resonanzanfälligkeit des Ventiltriebs, die sich letzten Endes begrenzend auf die erreichbare Maximaldrehzahl auswirken. Die fehlende Zwangsläufigkeit der Masse der Ventilsteuerungen⁴ verlangt nach – entsprechend der zu erwartenden Höchstdrehzahl dimensionierten – Ventilfedern, deren Widerstand bei jeder Öffnungsphase des Ventils überwunden werden muss.

Die Ventilsteuerung bietet im Vergleich zum Oberflächenbedarf im Brennraum nur geringe Öffnungsquerschnitte, die durch die bereits oben erwähnten Eröffnungs- und Schließbewegungen entgegen der Richtung der Gasströme noch weiter verkleinert werden. Es kommt zu einer erheblichen Ablenkung des Frischgasstroms und ihre Durchflussbeiwerte verursachen eine hohe Ladungswechselarbeit.

Ein weiterer wesentlicher Nachteil der Ventilsteuerung ist die hohe thermische Belastung der Steuerorgane, insbesondere des Auslassventils durch vorbeiströmende heiße Gase. Da sie einen großen Teil ihrer aufgenommenen Wärme nur über ihre, im Verhältnis zur Ventiltelleroberfläche kleinen Sitzflächen abgeben können, erwärmen sie sich stark. Dies hat zwei wesentliche negative Einflüsse auf den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors.

[....]

1 Bensinger, 1937 S.16

2 Bensinger, 1968 S.100

3 Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt

4 einige wenige Vertreter ausgeschlossen, z.B. Desmodromik