Gegenkolbenmotor

Gegenkolbenmotor
Junkers-Jumo-205-Gegenkolbenmotor
Junkers-Jumo-205-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 fast[1] immer als Zweitaktmotor realisiert worden. Die Ein- und Auslassschlitze liegen 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 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[2] [3]. Er wurde jedoch weitgehend durch Viertakt-Turbodiesel verdrängt. In jüngster Zeit (2010, 2011) ist er in der OPOC-Variante von zwei großen Motorenherstellern wieder aufgegriffen worden mit dem Ziel der Entwicklung und Massenproduktion verbrauchsarmer LKW- und PKW-Motoren.

Inhaltsverzeichnis

Technik

Gasaustausch

Der Austausch des verbrannten Gases durch frisches benötigt bei jedem Zweitakter einen extern erzeugten Überdruck. Dieser kann geliefert werden durch

Um eine Aufladung zu erreichen, muss für eine gewisse Zeit der Einlassschlitz noch offen sein, während der Auslassschlitz bereits geschlossen ist. Dies wird wie beim U-Kolbenmotor 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 ersten Falle steht die Kurbelwelle mit einem Kolben über ein kurzes Druckpleuel in Verbindung und mit dem anderen über ein Paar von langen Zugpleueln.

Im zweiten Falle 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 an beiden Kolben waren über Pleuel mit der Kurbelwelle verbunden, die zentral neben dem Zylinder angeordnet war.[4]

Jeder Kolben stützte sich an einer Schräg- oder Taumelscheibe ab, deren Achse zwischen mindestens zwei Zylindern hindurchlief.[5]

Aufbau und Funktionsweise am Beispiel

Beispiel eines Gegenkolbenmotors
Perspektivische Darstellung eines Gegenkolbenmotors
Animierte Darstellung eines Gegenkolbenmotors

Dargestellt ist ein Motorlayout ähnlich dem des vom Konstrukteur Kurt Bang im Büro Prüssing weiterentwickelten DKW-Rennmotors. 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 Zahnradkaskade verbunden. Die Gemischaufbereitung übernahm ein Vergaser, was einen hohen Kraftstoffverbrauch nach sich zog.

  1. Ansaugkanal für das vom Vergaser aufbereitete Gemisch
  2. Mechanischer Lader. (hier: Flügelzellenlader; im Original Zentrix-Lader)
  3. Frischgaskammer zum Speichern und Verteilen an die Zylinder
  4. Überdruckventil (Waste-Ventil)
  5. Auslass-Kurbeltrieb
  6. Einlass-Kurbeltrieb (läuft zum Erreichen eines asymmetrischen Steuerdiagramms) etwa 20° nach
  7. Zylinder mit Ein- und Auslassschlitzen
  8. Auslass, Anschluss für die Auspuffanlage
  9. Wasserkühlmantel
  10. 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 Kurbelräume. 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, so dass sich der Restdruck abbauen kann, was zu einer Beschleunigung der Gassäule im Abgassystem führt. Erst dann öffnet der andere Kolben die Einlassschlitze, und Frischgas strömt durch den Ladedruck getrieben in den Zylinder und schiebt das Altgas hinaus. 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 wurden, beginnt die Verdichtung.

Vor- und Nachteile des Gegenkolbenmotors

Vorteile gegenüber einkolbengesteuerten Zweitaktern

  • Gleichmäßigerer Drehmomentverlauf über der Drehzahl – das Drehmoment hängt von Füllungsgrad ab. Beim einkolbengesteuerten Zweitakter ist der Füllungsgrad sehr stark drehzahlabhängig – beim Gegenkolbenmotor nicht.
  • Aufladung möglich – einkolbengesteuerte Zweitakter können nicht aufgeladen werden, da ihr Auslass später geschlossen wird als ihr Einlass. Beim Gegenkolbenmotor ist es umgekehrt – Aufladung und die damit verbundenen Wirkungsgradverbesserungen sind möglich.
  • 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 zugute kommt.
  • Der einströmenden Luft kann ein Drall mitgegeben werden, was gut für den Verbrennungsablauf ist.[6]
  • guter Massenausgleich ohne Zusatzmaßnahmen.[7]

Probleme des Konzeptes

  • Partikelemission durch das Ausschleusen von Schmieröl aus den Auslassschlitzen. Ein Lösungsansatz für dieses Problem besteht in der Verwendung selbstschmierender Graphitkolben (siehe Golle-Motor).
  • Ölverbrauch, er hat im Wesentlichen dieselbe Ursache wie die Partikelemission. Bei früheren senkrecht stehenden Motoren lief Öl vom oberen Kolben in den Brennraum und wurde dort verbrannt.
  • Lebensdauerprobleme wegen der hohen thermischen Belastung der Auslassseite, insbesondere des Auslasskolbens.[8] Dieses Problem ist bei der Dieselversion nicht so ausgeprägt, da hier die Abgastemperatur niedriger ist. Generell sind alle Motoren mit hoher Leistungsdichte, also hoher thermisch-mechanischer Belastung, von Lebensdauerproblemen betroffen.[9]
  • Stärkeres Pulsieren des Drehmoments im Vergleich mit einem konventionellen Zweitakter gleicher Anzahl an Kolben.

Geschichte und Einsatz

Junkers − Stationär-, Fahrzeug- und Flugmotoren

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.[10] 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. Der Junkers-Sechszylinder-Gegenlaufmotor Jumo 205 mit 880 PS bei 2800 U/min war der einzige in größeren Stückzahlen gebaute Dieselflugmotor[11][12][13]. Er war zwar gemessen an seiner Leistung relativ schwer, jedoch stellten damit ausgerüstete Flugzeuge aufgrund des sehr günstigen spezifischen Verbrauchs etliche Langstreckenweltrekorde auf. Seine Entwicklung war langwierig, insbesondere wegen der thermischen Belastung des Auslasskolbens.[14]

Die Fahrzeugmotoren wurden von Krupp in Lizenz gebaut, dann aber wegen Auswurfs und Verkohlung von Öl an den Auslassöffnungen zugunsten von Zweitaktern mit Auslassventilen aufgegeben.[15]

Auch Traktoren wurden mit Junkers-Einzylinder-Gegenkolbenmotoren gebaut.

DKW – Aufgeladene Zweitaktmotoren in Rennmotorrädern

DKW experimentierte vor dem Zweiten Weltkrieg mit 250-cm³-Zweitakt-Gegenkolben-Ottomotoren, um Kompressoren in Rennmotorrädern einsetzen zu können. Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde die einzige den Krieg überlebende DKW-Gegenläufermaschine von verschiedenen Privatfahrern gefahren. Sie hatte aber immer mit thermischen Problemen zu kämpfen. Der Beitritt Deutschlands zum Internationalen Motorradfahrerverband (FIM) brachte dann das Ende der sportlichen Karriere des DKW-Gegenläufers: In der FIM galt nämlich ein Kompressorverbot.

Erst im Jahre 1989 machte sich ein Ingenieursteam des Fachgebiets Fahrzeugtechnik der TU Darmstadt um Restaurator Herrmann Herz und Prof. Dr.-Ing. Bert Breuer daran, aus dem legendären DKW-Gegenläufer schließlich doch noch eine thermisch stabile Maschine zu machen. Zwei Jahre und eine Diplomarbeit später lief der DKW-Gegenläufer ohne thermische Probleme und leistete mit 65 PS aus 250 cm³ knappe 20 PS mehr, als zu DKW-Zeiten gemessen wurden.

Napier Deltic

Eine Sonderform des Gegenkolbenmotors stellen die um 1950 entstandenen Deltic-Motoren des britischen Herstellers Napier dar; diese aus dem Junkers-Lizenzmotor Napier-Culverin entstandenen, für den Einsatz in Schiffen und Lokomotiven gebauten kompakten Dieselmaschinen erreichten Leistungen um 3000 PS und bestanden aus drei im Dreieck angeordnete und durch gemeinsame Kurbelwellen verbundene Bänke von Gegenkolbenmaschinen.

VEB (K) Diesel-Kraftmaschinenwerk Karl-Marx-Stadt

Bis 1945 wurden Gegenkolben-Dieselmotoren von der Gesellschaft für Junkers-Dieselkraftmaschinen mbH in Chemnitz hergestellt. Dieser Betrieb ging nach dem Krieg in den VEB (K) Diesel-Kraftmaschinenwerk Karl-Marx-Stadt über und baute den Typ NZD 9/12 SRW (Werksbezeichnung HK 65) als Ein-, Zwei- und Dreizylinder-Motoren. Der Leistungsbereich lag zwischen 8 und 37,5 PS bei 1000 bis 1500 U/min. Diese Motoren wurden im Schiffbau als Haupt- und Hilfsmaschinen eingesetzt. Gleichfalls wurden sie für Stromerzeugungsanlagen, als Einbaumotoren für Dieselwalzen, Bagger, Betonmischer und als Antriebe für Pumpen- und Kompressoraggregate verwendet. Gegenkolbenmotoren hatte die DDR -Industrie ausschließlich auf Wunsch der Sowjetunion produziert. Im Inland wurde diese Bauart kaum eingesetzt. Diese Motoren wurden bis 1980 gebaut, Ersatzteile wurden bis 1989 für die UdSSR produziert.

Weitere Typen von Gegenkolbenmotoren

In der Welt haben darüber hinaus Commer, Compagnie Lilleoise des Moteurs, Doxford, Fairbanks-Morse, Gobron-Brillié, British Leyland, Krupp, Napier, Rolls-Royce und Sulzer Gegenkolbenmotoren entwickelt und gebaut, meist für den Stationärbetrieb, für Schiffe, U-Boote und Flugzeuge, aber auch für Lkws, Pkws und Motorräder. Ferner wurden Gegenläufermotoren auch in Panzern eingesetzt. So war beispielsweise der britische Chieftain mit einem großen Sechszylinder-Gegenläufermotor für den Hauptantrieb (Typ Leyland L60) und einem kleinen Dreizylinder (Leyland H30) als Nebenaggregat ausgestattet. Der sowjetische T-64 wurde ebenfalls von einem Gegenkolbenmotor mit fünf Zylindern angetrieben.

Weite Verbreitung fand der Gegenkolbenmotor 10D100 (Zehnzylinder, senkrechte Anordnung der Zylinder, 3000 PS) in der sowjetischen Diesellokomotive der Baureihe 2TE10 der Lokomotivfabrik Luhansk.

Aktuelle Entwicklungen

OPOC (Opposed Piston Opposed Cylinder Engine)

Schema des OPOC-Gegenkolbenmotors

Das OPOC-Konzept hat zwei Besonderheiten:

  • Zwei Gegenkolbeneinheiten liegen in Flucht, mit der gemeinsamen Kurbelwelle zwischen ihnen (opposed cylinder).
  • Die Kraftübertragung der außenliegenden Kolben erfolgt über Zugpleuel.

Die Kurbelwelle ist gleichzeitig mit Zug und Druck belastet. Dies hält die Kräfte auf die Lager gering, so dass sie leichter ausgeführt werden können. Die opposed-cylinder-Anordnung hat den Vorteil einer kurzen Kurbelwelle und eines sehr guten Massenausgleichs.[16] [17] Weitere Eigenschaften sind:

  • Abgasturbolader mit zusätzlichem elektronisch gesteuertem Elektroantrieb, mit dem der Ladedruck bei jeder Drehzahl optimiert werden kann und
  • eine elektronisch gesteuerte Kupplung erlaubt, einen Motor aus zwei (oder mehr) Modulen an den Kurbelwellen zusammenzusetzen. Im Teillastbetrieb ist nur eines davon aktiv, was einen erheblichen Wirkungsgradgewinn bringt. Dieser beruht darauf, dass die Wärme-, Strömungs- und Reibungsverluste des stillgelegten Moduls wegfallen und der Ladedruck und damit der thermodynamische Wirkungsgrad im aktiven Modul höher ist. Diese Aufteilung in Module ist mit einem konventionellen Vierzylindermotor nicht ohne weiteres möglich, da dieser dann keinen Massenausgleich mehr hätte und zu stark vibrierte.[18]
  • Das Problem der Kolbenkühlung wird durch Ölstrahlen gegen die Kolbenrückseite gelöst.[18]

Die Entwicklung wurde ursprünglich von Advanced Propulsion Technologies Inc. [19] betrieben, die auch das Patent hält. Das Projekt wurde von der DARPA gefördert, da es militärisch für Hubschrauber, Panzer, Lastwagen oder Generatoreinheiten genutzt werden kann. Es wurden drei Varianten vorgestellt: 10 kW / 6 kg, 30 kW / 18 kg (aus drei gekoppelten 10-kW-Einheiten) und 242 kW / 204 kg.

Gemini-100/125-Flugdieselmotor

Die britischen Firma Powerplant Developments hat einen Drei-Zylinder-Gegenkolben-Flugmotor entwickelt. Seine Vorteile sind: leicht, kompakt, sparsam, wegen der Einfachheit längere Überholungsintervalle und die Möglichkeit, Jet-Kerosin zu nutzen. Die beiden Varianten leisten 100 bzw. 150 PS.[20] [21]

Golle-Motor

Golle-Gegenkolbenmotor

Der sogenannte Golle-Motor[22] ist ein Gegenkolbenmotor mit zwei über eine Stirnradkaskade verbundenen Kurbelwellen. Die Pleuel laufen durch Kreuzköpfe, die den Kurbelraum öldicht vom Zylinder abschließen. Der Raum zwischen Kreuzkopf und Kolben wird als Spülpumpe genutzt. Der Kolben läuft ölfrei. Dies hat mehrere Vorteile:

  • weniger Abgaspartikel
  • geringerer Ölverbrauch
  • geringere Alterung des Öls (Lebensdauerschmierung denkbar)
  • kein externer Lader nötig, außer zur weiteren Leistungssteigerung.
Motor auf dem Prüfstand

Die Kolben und Kolbenringe bestehen aus Feinkorngraphit, das sehr leicht und selbstschmierend ist und durch seine hohe Temperaturfestigkeit das thermische Problem am Auslasskolben lösen könnte.[23] Seine Festigkeit nimmt bis 2500 °C zu.

Der Motor ist leicht und aufgrund seiner Symmetrie und der geringen Anzahl verschiedener Teile einfach zu fertigen. Er befindet sich noch in der Entwicklung,[24] wobei der Schwerpunkt auf der betriebssicheren Beherrschung der neuartigen Kolben liegt.

Laukötter GmbH / Diesel-Air GmbH / Carmag

Es wurde ein 80 kg schwerer 1,2-l-2-Zylinder-Diesel-Motor mit 85–100 PS entwickelt, der ursprünglich für Fahrzeuge vorgesehen war, aber 2004 immerhin für die Motorisierung beim Erstflug des Ultraleichtflugzeugs Fläming Air „FA Smaragd“ eingesetzt wurde.[20][25] Zu diesem Erstflug kam es nie, da der Motor nicht dauerlauffähig war.

Eine Besonderheit ist die Verwendung von Zahnriemen zur Kopplung der beiden Kurbelwellen und der Abtriebswelle.

Wie der Golle-Motor verwendet er Kohlenstoff-Kolben, die allerdings nach einem von der Firma Carmag patentierten Verfahren als Karbon-Magnesium-Verbundwerkstoff ausgeführt sind. Seine Weiterentwicklung wurde um 2004 gestoppt, wohl aus Mangel an Abnehmern. Die Kolbenentwicklung lief jedoch weiter – die Kolben werden im Motorsport mit Erfolg eingesetzt.[26]

Charkov Morozov

Das Unternehmen Charkov Morozov in der Ukraine baut hauptsächlich Panzer. Diese sind mit einem Gegenkolbenmotor[3] ausgerüstet, der 1200 PS leistet, 1,2 t wiegt und 218 g/kWh Diesel verbraucht. Er ist als Vielstoffmotor konzipiert.

Diesel Air Limited

Das Unternehmen Diesel Air Limited[27] aus Großbritannien hat einen 100-PS-Gegenkolben-Flugzeugdieselmotor entwickelt. Er ist wie der Junkers-Motor mit getrennten Kurbelwellen und Zahnradkopplung versehen. Mit einem Hubraum von 1,8 l wiegt er 93 kg.[28]

Astremo

Das Schweizer Unternehmen Astremo plant die Entwicklung eines Gegenkolbenmotors namens JOE (Junkers Opposed-Piston Engine) mit klassischer zwei-Kurbelwellen-Anordnung und Plasma-Verbrennungsoptimierung, sucht aber noch (April 2009) nach Investoren. Eine Zusammenarbeit mit dem Zweiliter-Auto-Entwickler Loremo ist geplant.[29]

Ecomotors

Seit einigen Jahren erfolgt die zivile Weiterentwicklung durch Ecomotors International[30] [31]. Die treibende Kraft hinter dem OPOC-Motor ist Prof. Peter Hofbauer, langjähriger Diesel-Entwicklungsleiter bei Volkswagen.

Bill Gates investierte frühzeitig 23,5 Mio US-Dollar in die Arbeit von Ecomotors International. [32][33].

Im Februar 2011 gründete der LKW- und Motorenhersteller Navistar International mit Ecomotors ein Joint-Venture zur Entwicklung eines Turbodiesels für LKWs. [34] [35] [36]

Im April 2011 gab der chinesische Autozulieferer Zhongding seine Zusammenarbeit mit Ecomotors bekannt und kündigte eine zukünftige Serienproduktion von Opoc-Lkw-Motoren an. [37]

Weblinks

Referenzen und Anmerkungen

  1. Der Gobron-Brillié-Flugmotor 1906 war ein Viertakter. (Stefan Zima: Ungewöhnliche Motoren, Vogel Buchverlag, 2005, S. 136)
  2. Napier Deltic
  3. a b morozov.com.ua
  4. Stefan Zima: Ungewöhnliche Motoren, Vogel Buchverlag, 2005, S. 137
  5. Stefan Zima: Ungewöhnliche Motoren, Vogel Buchverlag, 2005, S. 200
  6. Cornel Stan: Alternative Antriebe für Automobile, Springer-Verlag 2008, S. 135
  7. Stefan Zima: Kurbeltriebe, Vieweg Verlagsgesellschaft 1999, S. 123
  8. 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)
  9. Stefan Zima: Ungewöhnliche Motoren, Vogel Buchverlag, 2005, S. 568
  10. Stefan Zima: Ungewöhnliche Motoren, Vogel Buchverlag, 2005, S. 122
  11. http://3d-meier.de/tut16/Jumo205/Seite1.html – Jumo 205, animierte Prinzipdarstellung
  12. http://www.deutsches-museum.de/sammlungen/maschinen/kraftmaschinen/verbrennung/dieselmotoren/fahrzeug-und-kleindiesel/flugmotor-gegenkolbenmotor-jumo-205-1932/ – technische Daten
  13. http://enginehistory.org/Diesels/CH4.pdf – aus Paul H. Wilkinson: Diesel Aviation Engines, 1940, zum Jumo 205.
  14. Stefan Zima: Ungewöhnliche Motoren, Vogel Buchverlag, 2005, S. 286
  15. Stefan Zima: Ungewöhnliche Motoren, Vogel Buchverlag, 2005, S. 126
  16. engineeringtv.com
  17. greencarcongress.com
  18. a b [1]Interview mit Prof. Hofbauer
  19. propulsiontech.com
  20. a b Klaus L. Schulte: Gegenkolbenflugdiesel, e-Journ Tt-08, klspublishing.de, S. 7 ff
  21. ppdgemini.com
  22. www.gollemotor.de
  23. NET Journal Jg.14, Nr.3/4,März/April 2009, borderlands.de
  24. Juni 2009
  25. youtube.com
  26. naumburger-tageblatt.de
  27. dair.co.uk
  28. boxermotor.com
  29. astremo.com
  30. ecomotors.com
  31. news.cnet.com
  32. greencarreports.com: bill-gates-backs-ecomotors-new-opoc-engine
  33. Wirtschaftswoche: Bill Gates engagiert sich im Motorenbau
  34. US-Konzern macht revolutionären Zweitakt-Motor serienreif. Abgerufen am 2. 22 2011.
  35. </ Navistar Reaches Development Agreement with Ecomotors International on Groundbreaking Engine Design. Abgerufen am 2. 22 2011.
  36. ecomotors.com: OPOC promises to revolutionize commercial vehicle design
  37. Zhongding and EcoMotors Announces Contract to Commercialize Revolutionary opoc® Engine. Abgerufen am 2. 22 2011.

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