mini|Junkers-Jumo-205-Gegenkolbenmotor mini|Junkers-Jumo-205-Gegenkolbenmotor mini|Simpson-Gegenkolbenmotor Der Gegenkolbenmotor – auch bekannt als Gegenläufermotor, Gegenlaufmotor oder kurz Gegenläufer – ist ein Hubkolben-Verbrennungsmotor, bei dem zwei Kolben im selben Zylinder gegeneinander arbeiten und sich einen gemeinsamen Brennraum in der Mitte des Zylinders teilen. Diese Motorenart ließ sich Ferdinand Kindermann 1877 patentieren.
Nach DIN 1940, Ausgabe März 1958, ist der Gegenkolbenmotor als Doppelkolbenmotor definiert, dessen Kolben sich gegenläufig bewegen.
Er ist bisher fastDer Gobron-Brillié-Flugmotor 1906 war ein Viertakter. (Stefan Zima: Ungewöhnliche Motoren. Vogel Buchverlag, 2005, S. 136). immer als Zweitaktmotor realisiert worden. Die Ein- und Auslassschlitze liegen bei diesem an entgegengesetzten Enden des Brennraums und werden von den Kolben in der Nähe ihrer äußeren Totpunkte freigegeben. Hierdurch wird eine Längsspülung und damit ein Gasaustausch erreicht, der praktisch ebenso vollständig ist wie beim Viertakter.
Der Motor kann als Diesel-, Otto- oder Gasmotor ausgelegt werden.
Der Zweitakt-Diesel-Gegenkolbenmotor ist wegen seiner hohen Leistungsdichte in den 1930er- bis 1960er-Jahren in Schiffen, U-Booten, Panzern und sogar Flugzeugen verwendet worden und wird es vereinzelt immer noch. Er wurde jedoch weitgehend durch den Viertakt-Turbodiesel verdrängt.
In jüngerer Zeit (2010, 2011) ist er von drei US-Start-up-Unternehmen wieder aufgegriffen worden – Ecomotors mit dem OPOC-Motor für Lastwagen (150 kW je Modul aus zwei Zylindern mit vier Kolben), Achates und Pinnacle –, von denen eines, Pinnacle, eine Viertaktversion entwickelt.
Technik Gasaustausch (Zweitaktvariante) Der Austausch des verbrannten Gases durch frisches benötigt bei jedem Zweitakter einen extern erzeugten Überdruck. Dieser kann geliefert werden durch Vorverdichtung im Kurbelgehäuse externes Spülgebläse (z. B. Turbolader, Rootslader) Um eine Aufladung zu erreichen, muss für eine gewisse Zeit der Einlassschlitz noch offen sein, während der Auslassschlitz bereits geschlossen ist. Dies wird wie bei manchen U-Kolbenmotoren durch ein Vorauseilen des Auslasskolbens um einen Wert zwischen 12° und 20° Kurbelwinkel erreicht.
Triebwerksausführungen Es gibt Ausführungen mit einer oder mit zwei Kurbelwellen. Im Fall mit einer Kurbelwelle ist ein Kolben über ein kurzes Pleuel mit der Kurbelwelle verbunden und der andere über ein Joch und ein Paar langer Pleuel. Im zweiten Fall (mit zwei Kurbelwellen) müssen die Kurbelwellen miteinander verbunden sein, zum Beispiel durch eine Stirnradkaskade (wie beim Junkers Jumo 205), eine Antriebskette, einen Zahnriemen oder eine Königswelle.
Früher gab es noch andere Varianten: Kipphebel waren über Pleuel mit den Kolben und der Kurbelwelle verbunden, die unter den Zylindern angeordnet war.Stefan Zima: Ungewöhnliche Motoren. Vogel Buchverlag, 2005, S. 137. Parallel zu zwei Gegenkolbenzylindern läuft eine Welle, an deren Enden je eine Schräg- oder Taumelscheibe rotiert. Diese drücken über Stößel die Kolben nach innen bzw. werden durch ihren Druck in Rotation versetzt.Stefan Zima: Ungewöhnliche Motoren. Vogel Buchverlag, 2005, S. 200.
Aufbau und Funktionsweise am Beispiel gerahmt|Beispiel eines Gegenkolbenmotors mini|Perspektivische Darstellung eines Gegenkolbenmotors mini|Animierte Darstellung eines Gegenkolbenmotors
Dargestellt ist der von 1946 bis 1948 von August Prüssing mit seinem Team ehemaliger DKW-Mitarbeiter der Rennabteilung auf Befehl der Sowjetischen Militäradministration (SMAD) in Chemnitz im Sonderkonstruktionsbüro 10 konstruierte Zweitakt-Gegenkolbenmotor mit Centrix-Lader. Es gab ihn in einer Version mit 250 cm³ und einer mit 350 cm³ Hubraum. Er besaß zwei Zylinder mit vier Kolben, zwei Kurbelwellen und einen mechanischen Lader. Die Kurbelwellen waren über eine Stirnradkaskade verbunden. Die Gemischaufbereitung übernahm ein sogenannter Saugvergaser (Anordnung vor dem Lader). 1948 engagierte der Braunschweiger Privatrennfahrer Kurt Kuhnke Kurt Bang und Erich Bergauer aus August Prüssings Team und ließ sich einen wesentlich verbesserten Motor dieser Bauweise konstruieren. Ab 1950 brachte Kurt Kuhnke seine „Kuhnke Sport 1“ (KS1) mit Zweitakt-Gegenkolben-Kompressormotor an den Start, bis die FIM Kompressormotoren verbot. Der Kuhnke-Motor war die letzte Neukonstruktion eines aufgeladenen Kompressor-Zweitakters und damit der Endpunkt einer glanzvollen Karriere. Ansaugkanal für das vom Vergaser aufbereitete Gemisch Mechanischer Lader. (hier: Flügelzellenlader; im Original Zentrix-Lader) Frischgaskammer zum Speichern und Verteilen an die Zylinder Überdruckventil (Waste-Ventil) Auslass-Kurbeltrieb Einlass-Kurbeltrieb (läuft zum Erreichen eines asymmetrischen Steuerdiagramms etwa 20° nach) Zylinder mit Ein- und Auslassschlitzen Auslass, Anschluss für die Auspuffanlage Wasserkühlmantel Zündkerze Der Lader saugt das Gemisch an und drückt es in die Frischgaskammer. Ein Überdruckventil sorgt für die Druckbegrenzung. Von hier aus gelangt das Gemisch in die Kurbelgehäuse. Auf der Auslassseite dient es zur Kühlung des thermisch hochbelasteten Kolbens. Nach der Zündung laufen beide Kolben nach außen und vollziehen den Arbeitshub. Der Auslasskolben öffnet zuerst die Auslassschlitze, wodurch sich der Restdruck abbauen kann, was zu einer Beschleunigung der Gassäule im Abgassystem führt. Erst dann öffnet der andere Kolben die Einlassschlitze, womit durch den Ladedruck getriebenes Frischgas in den Zylinder einströmt, welches das Altgas hinausschiebt. Bei immer noch geöffnetem Einlass schließt der Auslass. Es wird weiter Frischgas in den Zylinder gedrückt, was zur Aufladung führt. Nachdem die Einlassschlitze wieder vom Kolben verdeckt worden sind, beginnt die Verdichtung.
Vor- und Nachteile Vorteile gegenüber einkolbengesteuerten Zweitaktern gleicher Kolbenzahl, Hubraums, Drehzahl und Verdichtung Erheblich geringere Wärmeverluste durch die Brennraumwände, weil diese eine wesentlich geringere Oberfläche haben. Besonders in der Nähe des oberen Totpunkts, wo die Verbrennungsgase besonders heiß sind, ist die freie Zylinderwand nur klein; die Brennraumoberfläche wird durch die Kolben und Zylinderköpfe dominiert. Beim Gegenkolbenmotor fallen letztere weg, und man hat näherungsweise eine Halbierung der Brennraumoberfläche. Gleichmäßigerer Drehmomentverlauf über das gesamte Drehzahlband – das Drehmoment hängt vom Füllungsgrad ab. Beim einkolbengesteuerten Zweitakter ist der Füllungsgrad sehr stark drehzahlabhängig – beim Gegenkolbenmotor nicht. Bessere Spülung – die Längsspülung erlaubt einen vollständigen Gasaustausch bei geringen Spülverlusten. Durch die räumliche Trennung von Ein- und Auslassschlitzen können diese auf dem ganzen Kolbenumfang angeordnet werden. Hierdurch wird eine unsymmetrische Temperaturverteilung von Kolben und Zylinderwand vermindert, was der Passgenauigkeit zugutekommt. Der einströmenden Luft kann ein Drall mitgegeben werden, was gut für die Durchmischung und den Verbrennungsablauf ist.Stan Cornel: Alternative Antriebe für Automobile. Springer-Verlag 2008, S. 135. Guter Massenausgleich ohne Zusatzmaßnahmen.Stefan Zima: Kurbeltriebe. Vieweg Verlagsgesellschaft 1999, S. 123.
Probleme des Konzeptes Partikel- und Kohlenwasserstoffemission durch das Ausschleusen von Schmieröl aus den Auslassschlitzen. Dies ist sehr problematisch bei nachgelagerten Katalysatoren. Neuere Entwicklungen (Achates, OPOC) haben dieses Problem nach Firmenangaben durch bessere Öle und Sicherstellen eines ausreichenden Schmierfilms so gut in den Griff bekommen, dass alle modernen Emissionsstandards ohne weitere Filter eingehalten werden können. Ein weiterer Lösungsvorschlag besteht in der Verwendung selbstschmierender Graphitkolben (siehe Golle-Motor). Ölverbrauch, er hat im Wesentlichen dieselbe Ursache und Lösung wie die Partikelemission und kann deshalb als gelöst betrachtet werden. Lebensdauerprobleme wegen der hohen thermischen Belastung der Auslassseite, insbesondere des Auslasskolbens.So litt der Leyland L 60, der im Kampfpanzer Chieftain eingebaut wurde, unter Rissen in Gehäuse und Zylinderlaufbuchsen. (Stefan Zima: Ungewöhnliche Motoren. Vogel Buchverlag, 2005, S. 295.) Dieses Problem ist bei der Dieselversion nicht so ausgeprägt, da hier die Abgastemperatur niedriger ist. Nachvollziehbarerweise sind alle Motoren mit hoher Leistungsdichte, also hoher thermisch-mechanischer Belastung, potentiell stärker von Lebensdauerproblemen betroffen.Stefan Zima: Ungewöhnliche Motoren. Vogel Buchverlag, 2005, S. 568. Eine Lösung besteht in der sorgfältigen Auslegung der Kühlung und der Verwendung geeigneter Werkstoffe. Durch halbierte Zylinderzahl etwas unruhigerer Lauf. Nur bei Motoren mit nur einer Kurbelwelle (OPOC) durch die Zugstangen etwas höhere oszillierende Masse. Seitliche Anordnung der Zündung/Einspritzung. Die damit verbundenen Probleme konnten jedoch durch eine verbesserte Gestaltung der Kolbenoberfläche gelöst werden.
Geschichte und Einsatz Junkers Eine der ersten praktischen Anwendungen erfolgte 1892 durch Wilhelm von Oechelhäuser jun. in seinem Werk für Gasmotoren, der Deutschen Continental Gasgesellschaft, in Dessau. Die Entwicklung wurde von Hugo Junkers assistiert. Die Maschine wurde mit Gichtgas betrieben.Stefan Zima: Ungewöhnliche Motoren. Vogel Buchverlag, 2005, S. 122. Sie wurde 1896 an das Hochofenwerk Hörde (Stahlwerk Phoenix) in Dortmund geliefert und leistete 220 PS zum Antrieb eines Dynamos als Stromgenerator.
Junkers entwickelte diese Art von Kraftmaschinen in seinem Werk weiter. Er baute sie zunächst als Ottomotor, später dann als stationäre und Kraftfahrzeugdiesel mit sehr niedrigem Verbrauch.
Flugmotoren Der Junkers-Sechszylinder-Gegenlaufmotor Jumo 205 mit 880 PS bei 2800/min war der einzige in größeren Stückzahlen gebaute Dieselflugmotor.http://www.deutsches-museum.de/sammlungen/maschinen/kraftmaschinen/verbrennung/dieselmotoren/fahrzeug-und-kleindiesel/flugmotor-gegenkolbenmotor-jumo-205-1932/ – Technische Daten. – aus Paul H. Wilkinson: Diesel Aviation Engines. 1940, zum Jumo 205.Siehe dazu auch: http://3d-meier.de/tut16/Jumo205/Seite1.html Jumo 205, animierte Prinzipdarstellung. Er war zwar, gemessen an seiner Leistung, relativ schwer, jedoch stellten damit ausgerüstete Flugzeuge dank des sehr günstigen spezifischen Verbrauchs etliche Langstreckenweltrekorde auf. Seine Entwicklung war langwierig, insbesondere wegen der thermischen Belastung des Auslasskolbens.Stefan Zima: Ungewöhnliche Motoren. Vogel Buchverlag, 2005, S. 286. mini|Von links nach rechts: ein 2 HK 65, ein 3 HK 65 und ein 1 HK 65
Stationär- und Fahrzeugmotoren Die zwischen 1930 und 1980 nach dem sogenannten Baukasten-Prinzip mit einem Hubraum von rund 700 cm³ pro Einheit gefertigten Diesel-Gegenläufer der Baureihe HK von Junkers finden vor allem als Stationär- und als Bootsmotoren Verwendung. Sie waren als 1-, 2- oder 3-Zylinder-Motoren, die zwischen 8 und 38 PS leisten können, erhältlich.Junkers Gegenkolben Zweitakt Dieselmotoren Bauart HK (Haubenkolben). Auf standmotor.de, abgerufen am 15. Oktober 2016Zur Beschreibung der Arbeitsweise des Motors siehe z. B.: Auf froehliche-doerte.de, abgerufen am 16. Oktober 2016 Die Fahrzeugmotoren wurden zunächst auch von Krupp in Lizenz gebaut, dort dann aber wegen Auswurfs und Verkohlung von Öl an den Auslassöffnungen von Zweitaktern mit Auslassventilen abgelöst.Stefan Zima: Ungewöhnliche Motoren. Vogel Buchverlag, 2005, S. 126.