Der Umlaufmotor

Der Umlaufmotor ist in der Regel ein Verbrennungsmotor, bei dem das Kurbelgehäuse und die Zylinder um die starre Kurbelwelle rotieren. Die Zylinder sind bei vielen Modellen sternförmig um die Kurbelwelle angeordnet, wobei aber auch Boxer- und Einzylinderanordnungen konstruiert wurden. Der Bewegungsablauf von Umlaufmotoren ist gegenüber herkömmlichen Hubkolbenmotoren kinematisch umgekehrt. Die meisten Modelle von Umlaufmotoren hatten eine feststehende Kurbelwelle mit daran befestigten, drehbar gelagerten Pleueln und ein umlaufendes Kurbelgehäuse mit den Zylindern. Dabei sind Zylinder und Hubzapfen exzentrisch zueinander angeordnet, wodurch der Hub der einzelnen Kolben innerhalb der Zylinder zustande kommt. Bei einigen späten Modellen rotierte die Kurbelwelle gegenläufig zum Zylinderstern, um die absolute Drehzahl des Zylindersterns zu reduzieren.


Animation eines Umlaufmotors mit feststehender Kurbelwelle. Zylinder sind sternförmig um die Kurbelwelle angeordnet.


14-Zylinder-Doppelstern-Umlaufmotor U III der Motorenfabrik Oberursel von 1914/15 (Hubraum 23,6 l; max. 115 kW/160 PS bei 1200/min)
Exponat im Deutschen Museum München

Eine weitere Variante eines Umlaufmotors ist die Elbow engine, eine Kraftmaschine, die Dampfdruck oder Pressluft in mechanische Energie umsetzt.

Übersicht und Geschichte

Umlaufmotoren wurden hauptsächlich in der Frühzeit der Fliegerei eingesetzt. Da man auf der Suche nach leistungsfähigen, aber leichten Motoren war, wollte man die aufwendige und schwere Wasserkühlung durch die einfache Luftkühlung ersetzen. Um eine genügend große Luftströmung für die Kühlung zu erhalten und das Schwungrad einzusparen, ließ man die Zylinder um die Kurbelwelle rotieren. Umlaufmotoren hatten bis zu 14 Zylinder, wobei diese Varianten mit ihrem doppelten Zylinderstern wegen der Kühlungsprobleme keine große Verbreitung fanden. Zudem traten wegen der hohen rotierenden Massen große Trägheitsmomente auf, welche die Manövrierfähigkeit der Maschinen beeinträchtigten.

Der Umlaufmotor wurde 1908 in Gennevilliers (Frankreich) von den Gebrüdern Laurent und Louis Seguin erfunden. Ihr Motor wurde unter dem Namen „Gnôme“ bekannt. Im Deutschen Reich baute ab 1913 die Motorenfabrik Oberursel die Konstruktion in Lizenz unter der Bezeichnung Oberursel-Gnôme U O (7 Zylinder; Hubraum 11,8 l; 60 kW/80 PS bei 1200/min). Dessen Weiterentwicklung, der Doppelsternmotor U III von 1914/15 mit 14 Zylindern und 115 kW/160 PS konnte im praktischen Einsatz nicht überzeugen, da er die oben erwähnten Probleme zeigte.

Nach dem Oberursel U I (9 Zylinder; Hubraum 16,3 l; 70 kW/95 PS) wurde ab Ende 1916 in der Bauart Le Rhône der UR IIa (9 Zylinder; Hubraum 15,1 l; 90 kW/120 PS) in mehreren Jagdflugzeugen (Fokker Dr.I, Pfalz Dr.I) der Fliegertruppe des Deutschen Heeres verwendet. Als letzte Oberursel-Entwicklung bestand im April 1917 der UR IIIa die Abnahmeprüfung des Heeres. Dieser Motor mit elf Zylindern und einem Hubraum von 18,4 l leistete 88 kW/120 PS.

Die Gandenberger’sche Maschinenfabrik Georg Goebel in Darmstadt konnte nach dreijähriger Entwicklungszeit Anfang 1917 die Bauabnahme für ihren Umlaufmotor Goe II erzielen. Die Konstruktion mit sieben Zylindern, 15,7 Litern Hubraum und 75 kW/100 PS Leistung wurde nur in geringen Stückzahlen gebaut und ab Mai 1918 vom Goe III ersetzt, der mit neun Zylindern und einem Hubraum von 27 Litern eine Leistung von 118 kW/160 PS hatte. Die meisten der 229 ausgelieferten Goe III verwendete Fokker in den Jagdeinsitzern.
Vorteile und Nachteile

Umlaufmotoren benötigen keine zusätzlichen Schwungmassen, da das Kurbelwellengehäuse und die daran befestigten Zylinder als Schwungrad wirken. Dadurch waren sie bei mechanisch ruhigem Lauf um etwa ein Drittel leichter als herkömmliche (Reihen-)motoren. Der Gewichtsvorteil war vor allem beim Einsatz in Jagdflugzeugen des Ersten Weltkrieges ein entscheidender Faktor.

Als Nachteile, die zum Aussterben der Motorenbauart führten, werden verschiedene Eigenschaften angeführt[1]:

Das Kreiselmoment beeinträchtigt die Manövrierfähigkeit bei Flugzeugen und da die ersten Flugzeuge relativ leicht waren, wird dies bei schnellen Flugmanövern als Umstand für Abstürze gesehen.
Sehr hoher Schmierungsbedarf, weil die Corioliskräfte im rotierenden Motor hohe Seitenkräfte (z. T. höher als die Längskraft im Kolben) auf die Zylinderlaufbahnen ausüben. Durch die Rotation wurde viel Öl in die Zylinder gedrückt und ausgestoßen, was die Ursache des hohen Schmierstoffbedarfs war. Die ersten Versuchsmotoren verbrauchten teilweise sogar mehr Öl als Benzin, bei "modernen" Umlaufmotoren lag der Verbrauch immer noch bei 250 g/kWh (entspricht dem Kraftstoffverbrauch eines aktuellen Dieselmotors).
Die Belastungen durch die Corioliskräfte führten zu einem hohen Wartungsaufwand.
Ventilationsverlust durch das rotierende Gehäuse (ca. 10 bis 15 %).
Leistungsbegrenzung durch schlechten Liefergrad, weil das Gemisch durch die Kurbelwelle geführt wird, was ungünstige Strömungsverhältnisse ergibt und es sich im Kurbelgehäuse aufheizt (im Gegenzug den Motor kühlt). Bei obenliegender Gemischzuführung führt außerdem die Fliehkraft zu Druckverlusten beim Ansaugen des Frischgases in die Zylinder.

Andererseits ergaben sich auch Vorteile, beispielsweise:

Gerade bei Jagdflugzeugen unterstützten die Kreiselmomente besonders schnelle Flugmanöver, allerdings mit einer Vorzugsrichtung
Beim Einsatz beispielsweise in Automobilen erhielten Umlaufmotoren auch ohne Fahrtwind oder Gebläse eine ausreichende Luftkühlung.
Unterstützt wird die Innenkühlung des Motors durch die Gemischzuführung.

Spätere Modelle hatten wegen der Aufheizung eine vom Kurbelgehäuse abgetrennte Gemischzuführung. Einige Muster saugten das Frischgas über Flatterventile an, was bei Drosselung zu heftigen Flammrückschlägen führt, weswegen Umlaufmotoren oft über Aus- und Einschalten der Zündung geregelt wurden. Wenn bei Flugschauen Repliken der alten Flugzeuge mit diesen Triebwerken zur Landung einschweben, ist das Aus- und Einschalten der Zündung zum Verringern der Geschwindigkeit deutlich zu hören.

Da das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch das Kurbelgehäuse geführt wurde, bestand die Gefahr der Ölverdünnung durch den Kraftstoff mit damit verbundenen Schmierproblemen, weshalb bevorzugt das benzinunlösliche Rizinusöl verwendet wurde. Durch die Rotation der Zylinder traten an den Kolben außerdem Corioliskräfte auf, die seitlich wirkten und einen hohen Wartungsaufwand zur Folge hatten.

Einige späte Muster (z. B. der Siemens & Halske Sh.III von 1917) wurden als Gegenläufer ausgelegt, bei denen sich über ein Getriebe die Kurbelwelle gegenläufig zum Zylinderstern drehte. Bei einer Übersetzung von 1:1 konnte dadurch bei gleicher Relativgeschwindigkeit zwischen Stern und Kurbelwelle und damit gleicher Leistung die Drehzahl des Zylindersterns gegenüber dem Flugzeug halbiert werden. Der Propellerwirkungsgrad wurde damit deutlich gesteigert bei gleichzeitiger Verringerung der negativen Auswirkungen der Rotation wie der Kreiseleffekte und Gaswechselverluste.

Einsatz in Fahrzeugen
Motorräder


Megola-Motorrad mit Umlaufmotor im Vorderrad.

Bereits 1892 gab es ein französisches Motorrad von Millet mit Umlaufmotor. In den 1920er Jahren gab es die Megola, ein Motorrad mit einem Fünfzylinder-Gegenumlaufsternmotor in der Vorderradnabe, dessen Gehäuse (zum Teil zwischen den Speichen herausragend) zusammen mit dem Rad und dessen Kurbelwelle in die entgegengesetzte Richtung rotiert. Die Megola hatte weder Schaltgetriebe noch Kupplung, war aber sportlich sehr erfolgreich und wurde 1924 gegen die BMW-Werksmannschaft deutscher Meister.

Es gab aber auch Umlaufsternmotoren in Motorradrahmen, am bekanntesten und kommerziell am erfolgreichsten war die Redrup Radial von 1912 mit einem Gegenumlauf-Dreizylinder und im Gegensatz zur Megola einem ansonsten konventionellen Antriebsstrang mit externem Schaltgetriebe und Riemenantrieb.

Bei einigen der 1904 in Wales von Barry gebauten Motorrädern war zwar auch ein Umlaufmotor eingebaut, jedoch kein (bei nur zwei Zylindern wie ein V-Motor schüttelnder) Sternmotor sondern ein Zweizylinder-Boxermotor, der in der Rahmenmitte rotierte.

In den 1940er Jahren konstruierte Cyril Pullin sogar einen Einzylindermotor, dessen Gehäuse in der Radnabe zusammen mit dem Rad rotierte. Als Gewichtsausgleich waren noch Kupplung und Trommelbremse in die Powerwheel genannte Radnabe eingebaut. Das Powerwheel kam allerdings nicht über das Prototypenstadium hinaus.
Automobile

Auch in Automobilen amerikanischer Automobilmarken Anfangs des 20. Jahrhunderts gab es Umlaufmotoren. Die Hersteller Adams-Farwell, Balzer, Bailey und Intrepid hatten allerdings nur regionale Verbreitung.
Flugzeuge

In Flugzeugen kamen Umlaufmotoren hauptsächlich in der Zeit vor und während des Ersten Weltkrieges zum Einsatz, wie beispielsweise in den Fokker-Modellen E1- E3 sowie Dr.I. In Großbritannien stammte der erfolgreichste Umlaufmotor von Walter Owen Bentley.

Quelle