Die drehschiebergestützte Gaswechselsteuerung des Viertakt Ottomotors am Beispiel des Flachschieberkonzepts der Deutschen Versuchsanstalt für Luftfahrt

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Vor- und Nachteile gebräuchlicher Gaswechselsteuerung

3. Klassifizierung der Schiebersteuerung
3.1 Niederdruckschieber
3.2 Hochdruckschieber

4. Die Herausforderung der Abdichtung und Schmierung

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

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

7. Resümee

8. Abbildungsverzeichnis

9. Literaturverzeichnis

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 DVL^[3] 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 Ventilsteuerungen^[4] 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.

Zuerst ist hierbei die hohe Erwärmung der Frischgase zu nennen, die durch das Vorbeiführen an den heißen Ventilspaltflächen während der Öffnungsphase des Einlassventils zustande kommt. Dieses verursacht eine wärmebedingte Expansion der Frischgase und die daraus folgende verminderte Füllung des Zylinders.

Weiterhin wird durch das sehr heiße Auslassventil, dessen Temperatur je nach Last bis zu 500°C erreicht, eine wesentliche Rolle in der Ausbildung eines ‚hot-spots’ an der Oberfläche des Brennraums. Dieser verursacht eine höhere Klopfneigung des im Zylinder befindlichen Frischgases, und führt damit zu einer notwendigen Verringerung des nutzbaren Verdichtungsverhältnisses, will man eine entsprechende Betriebssicherheit des Motors erreichen. Ein letzter, nicht zu verachtender Nachteil liegt in der Geräuschentwicklung des Ventiltriebs.

Durch die wegfallenden oszillierenden Massen der gleichförmig bewegten Schieber gelten hinsichtlich der zu erwartenden Beschleunigungskräfte^[5] und erreichbarer Maximaldrehzahl weitaus günstigere Bedingungen als bei bekannten Ventilsteuerungen. Eine Elastizität in der Steuerung ist hinsichtlich des genannten Verlustes der zu beschleunigenden Massen ebenfalls ausgeschlossen, die Genauigkeit des Gaswechsels ist unabhängig von der Drehzahl gegeben.

Die gegen Ende der Öffnungsphase freigegebenen Steuerquerschnitte der Drehschieber sind aufgrund des Wegfalls störender, den Gasstrom ablenkender Objekte größer, die Strömungsgeschwindigkeiten und die notwendige Ladungswechselarbeit geringer als bei ähnlicher Nutzung der Oberfläche des Brennraums durch Ventile.

Da nur Randzonen des Frischgasstroms mit den Schieberflächen in Berührung kommen, ist mit einer, dem Ventiltrieb ähnlich hohen Erwärmung des Gemisches beim Eintritt in den Zylinder nicht zu rechnen. Eine Verringerung des nutzbaren Verdichtungsverhältnisses aufgrund der Bildung von heißen Flächen im Brennraum, die ein Frühzünden des Gemisches verursachen, ist bei Drehschiebersteuerungen nicht erforderlich, da große wärmeableitende Flächen vorhanden sind, die zudem nicht in ständigem Kontakt mit dem Verbrennungsraum stehen.

Die je nach Ausführungsart geringere Bauhöhe des Motors, der Wegfall eines Großteils an Bauteilen, die dadurch geringere Komplexität und nicht zuletzt die geringe Geräuschentwicklung sind weitere Vorteile der Drehschiebersteuerung.

Die Durchsetzung des Ventils zur Steuerung des Gaswechsels mag angesichts dieser hohen Anzahl an Nachteilen gegenüber der Schiebersteuerung verwundern. Es besitzt jedoch einen wesentlichen Vorzug, dessen es seine heutige fast ausschließliche Verwendung verdankt. Die Abdichtung der Gaskanäle gegen die zylinderinternen Druckverhältnisse gestaltet sich durch das Ventil sehr leicht, wird es doch mit den, durch die Kompression der Frischgase und Verbrennung entstehenden Drücke beaufschlagt und zusätzlich zur Kraft der Ventilfeder an seinen Sitz gepresst.

Dieses ist gleichzeitig die größte Schwäche einiger Schiebermotoren, deren Klassifikation und näherer Problembeschreibung im Folgenden thematisiert wird.^[6]

3. Klassifizierung der Schiebersteuerung

Trotz der Menge der vorgeschlagenen Schiebermotoren werden sie grundsätzlich in die Kategorien ungleichförmig und gleichförmig bewegt unterschieden, jedoch bietet sich eine weitere Kategorisierung in Hoch- und Niederdruckschieber an. Hierbei ist die Ausführung der Hochdruckabdichtung, d.h. die Abdichtung gegen Kompressions- und Verbrennungsdrücke, hauptsächliches Unterscheidungsmerkmal. Die Gemeinsamkeiten beider Kategorien erstrecken sich auf die Öffnungsphase, die bei niedrigem Zylinderinnendruck stattfindet und die Verkleinerung des Dichtungsspiels durch eine, dem Zylinderdruck abhängige Anpresskraft.

Die Art, in der diese Verringerung des Dichtungsspiels ausgeführt wird, unterscheidet beide Klassen.

3.1 Niederdruckschieber

Die Steuerung der Abgas- oder Einlasskanäle findet ohne Kontakt zum eigentlichen Verbrennungsraum statt, der Schieber verfügt über ein gleichbleibendes Laufspiel und dichtet nur gegen Niederdruck ab. Der Zylinder verfügt über zusätzliche Dichtorgane, die den Schieber von der Verbrennung trennen und damit die geforderte Verkleinerung des Dichtungsspiels erreicht. Hier sei als Beispiel der Burt-Mc-Collum-Schieber genannt, in dem die Abdichtung der Schieberöffnungen durch den Kolben und dessen Ringe verwirklicht wird. Hierbei ist eine Abdichtung der Niederdruckphase durch reine Passung bei ausreichendem Laufspiel gegeben.

3.2 Hochdruckschieber

Die Kategorie der Hochdruckschieber wird durch die Abdichtung des Brennraums mittels des Schiebers selbst definiert. Dies erweist sich als problematischer, da geringste Undichtigkeiten zur Aufrechterhaltung der Betriebssicherheit vermieden werden müssen. Zur Umgehung zu großer Flächendrücke kann die Abdichtung durch eingesetzte Dichtelemente erleichtert werden. Das Schieberspiel wird durch den zylinderinternen Druck gesteuert, d.h. die Dichtkörperkanten werden mit dem vorhandenen Zylinderdruck gegen den Steuerschieber gepresst. Beispiele für ausgeführte Hochdruckschieber sind Walzenschieber^[7] und verschiedene Baumuster von Flachschiebern^[8].

Als nachteilig erweisen sich der Verzug der Dichtkörper durch unterschiedliche Wärmedehnung, die örtliche Überhitzung durch mangelhafte Kühlung der Dichtelemente und der rasche Verschleiß bei nicht ausreichender Schmierung.

Trotz aller beschriebenen Vorteile erfolgte nur eine geringe Umsetzung der Schiebermotoren aufgrund der einfachen Abdichtbarkeit des Ventils. Praktische Bedeutung erhielten nur Niederdruckschieber, im Speziellen Hülsenschieber wie der Burt-Mc-Collum-Schieber und der Knight-Schieber, da nur sie eine ausreichende Lösung dieses Problems lieferten. Da diese jedoch den Beschränkungen der oszillierenden Bewegung unterliegen, stellen sie keine befriedigende Umsetzung der Steuerung des Gaswechsels dar. Da sich die komplizierte Abdichtung von Hochduckschiebern als ein wesentlicher Grund der geringen Weiterentwicklung derselben darstellt, verdient sie eine nähere Betrachtung.^[9]

4. Die Herausforderung der Abdichtung und Schmierung

Die größten Schwierigkeiten in der Konstruktion von Schiebersteuerungen bereitet die Abdichtung der sich bewegenden Steuerorgane gegen den zylinderinternen Druck, daher ist als grundsätzlich für das Gelingen der Schiebersteuerung eine gute Abdichtung bei geringer Reibung zwischen Drehschieber und Dichtkörpern anzusehen, da sich auch geringe Verluste durch Leckbildung stark auf Liefer- und Wirkungsgrad auswirken.

Die Art der Abdichtung^[10] ist entscheidend für die Lagerungsart und den Schmierbedarf. Eine Abdichtung des Schiebers im Verbrennungsraum durch reine Passung scheidet aus Gründen der Betriebssicherheit aus. Während sich bei zu hohem Flächendruck die Neigung zum Klemmen als störend erweist, treten bei zu geringer Anpressung des Schiebers an den Dichtflächen des Zylinder Undichtigkeiten auf.

Eine nähere Untersuchung der Gestaltung und Schmierung von Brennraumabdichtung erfolgte durch Versuche Felix Wankels in Zusammenarbeit mit der DVL, bei denen ein Verschluss des Verbrennungsraums eines seitengesteuerten Viertakt- Ottomotors durch eingepasste Kolben (K1 und K2) erzielt wurde. Die genauen Versuchsanordnungen werden in Abbildung 1 gezeigt. Die Schließorgane waren spielfrei, K1 fest, K2 drehbar gelagert.

Es wurde die Abdichtbarkeit der aneinander liegenden Stirnflächen f1 und f2 unter verschiedenen Bedingungen hinsichtlich zu erbringender Anpresskraft und gleichzeitiger Drehbarkeit von K2 getestet.

[...]

^[1] Bensinger, 1937 S.16

^[2] Bensinger, 1968 S.100

^[3] Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt

^[4] einige wenige Vertreter ausgeschlossen, z.B. Desmodromik

^[5] bei gleich bleibender Kurbelwellendrehzahl

^[6] vgl. Bensinger, 1937 S. 3; Bensinger, 1968 S. 6f; List, 1952 S. 54f; Pischinger, 1948 S. 179; Riedel, 1942 S. 1008 - 1013

^[7] z.B. Baer- Schiebersteuerung

^[8] z.B. Bristol- Plandrehschieber, DVL- Flachschieber

^[9] Bensinger, 1968 S. 77; Bensinger, 1937 S. 3; Pischinger, 1948 S. 184f

^[10] Hoch- oder Niederdruckschieber, siehe 1.2. Klassifizierung