Der Weg zum Hochleistungsmotor
Jumo 211
Von Wolfang Wagner, Dessau, Zeitschrift: Flugzeugbau, 11/1941
Die Entwicklung der Junkers-Benzinflugmotoren reicht zurück bis in das Jahr 1916. Damals wurde der erste Benzin-Versuchsleichtmotor Fo 2 mit Benzineinspritzung durch offene Düsen gebaut. Der Motor war anfangs als Schwerölflugmotor konstruiert worden und stellte eine Weiterentwicklung des ersten Gegenkolben-Leichtmotors Mo 3 aus dem Jahre 1914 dar. Bei letzterem handelte es sich um einen Versuchs-Schwerölmotor für Flugzeuge, mit dem vielseitige Untersuchungen zur Sammlung von Erfahrungen unternommen wurden. Während der Fertigstellung des Fo 2 benötigte die Kriegsmarine dringend einen derartigen Motor für neue Schnellboote. Da eine einwandfreie Zerstäubung und Entzündung von Gasöl in so kurzer Entwicklungszeit beim Fo 2 aber nicht zu erreichen war, wurde er zum Benzinmotor mit Benzineinspritzung umgebaut. Er besaß bereits einen Lader zur Spülluft, einer für das Jahr 1916 grundlegend neuen Anordnung. Durch den Fo 2 war der erste Einspritzmotor geschaffen worden.
Nach Kriegsende versprachen infolge der Baubeschränkungen vorerst nur Motoren geringer PS-Stärke Absatzerfolg. Im Zuge dieser zwangsweisen Entwicklung wurde bei Junkers der L 1 entworfen, der 80 PS leistete. Es handelte sich hierbei um einen Reihenmotor mit Luftkühlung, der für den Kühlluftstrom ein Gebläse und sonst die übliche Vergaseranordnung besaß. Die Entwicklung ging weiter über den L 2, einen 6-Zylinder wassergekühlten Standmotor mit einer Leistung von 230 PS, zum L 5 ähnlicher Bauart, der 375/410 PS leistete und sich hervorragend bewährte. Mit dem Motor konnten verschiedene Weltrekorde erflogen werden.
Von seitens der Verkehrsluftfahrt wurden aber bald Wünsche nach einem wesentlich stärkeren Motor laut. Zudem dachte man an die großen Zukunftsmöglichkeiten, die sich aus dem Höhenflug für den Luftverkehr ergaben. Diese Fragen machten eine Erforschung der Verhältnisse in größeren Höhen notwendig. Es musste folglich ein Motor geschaffen werden, der für Höhenflüge geeignet war und mit den Nutzlasten über große Hindernisse, wie Hochgebirge, im Flugzeug verkehrsmäßig befördert werden konnten. Um diesem Bedarf nachzukommen, reihte man nach Lockerung der Baubestimmungen im Jahre 1926, die den Bau stärkerer Motoren in Deutschland wieder zuließen, bei Junkers zwei L 5-Motoren aneinander und entwickelte daraus den L 88, der mit einstufigem Schleuderlader und stufenlos arbeitender Regler-Kupplung ausgerüstet wurde. Bei den geringen damals zur Verfügung stehenden Mitteln, die kostspielige Versuche nicht zuließen, erschien es zweckdienlich, durch Aneinanderreihung zweier bewährter Motoren zu einer Verdopplung der Leistungsstärke zu kommen. Der L 88 diente zuerst als Triebwerk für das bekannte Junkers-Höhenflugzeug Ju 49 und wurde später in die G 38 eingebaut. Er leistete 800 PS.
Die Laderkonstruktion stellte damals erhebliche Anforderungen an die Materialforschung und die Fertigung. Es wurden bereits Laderdrehzahlen von 223000 U/min. erreicht.
Die nächste Entwicklungsstufe auf dem Wege zum 1000-PS-Motor war der 12-Zylinder-Viertakt-Zweireihenmotor Jumo 210 mit in V-Form hängenden Zylindern, der 1937 entstand und 700 PS leistete. Er genügte damals bereits allen Anforderungen, die an ein Hochleistungstriebwerk gestellt werden und war mit Höhenlader mit automatischem Schaltgetriebe, mit automatischem Ladedruckregler und einem Hochdruckkühlkreislauf mit Dampfluftabscheidern ausgerüstet.
Der Motor wurde in zahlreiche Flugzeugbaumuster der Luftwaffe, und zwar sowohl in Bomber als auch in Jagdflugzeuge, eingebaut. Das Endglied dieser Entwicklung bildet der Hochleistungsmotor Jumo 211, der nunmehr 25jährige Erfahrung im Benzin-Motorenbau bei Junkers in sich vereinigt. Zahlreiche Einrichtungen an diesem Motor sind die Ergebnisse neuester Forschung und machen das Triebwerk zu einem der leistungsfähigsten Motoren seiner Art. Der Jumo 211 ist ein wassergekühlter 12-Zylinder-Benzin-Flugmotor mit Kraftstoffeinspritzung, dessen wesentliche Merkmale hohe Startleistung, gute Gleichdruckhöhe, kleine Stirnfläche, Kraftstoffeinspritzung, hochentwickelter automatischer Laderantrieb und Abgasstrahldüsen sind. Der Motor soll folgend näher beschrieben werden.
Das Motorgehäuse des Jumo 211 ist in einem Stück gegossen und besteht aus dem eigentlichen Kurbelgehäuse sowie den beiden in hängender V-Form, angegossenen Zylinderblöcken. Der vordere Gehäuseteil dient Zur Aufnahme des Untersetzungsgetriebes, dem rückwärtigen Teil wird das Apparategehäuse angeflanscht.
Die Kurbelwelle ist sechsfach gekröpft und achtmal gelagert (Gleitlager). Der Hauptpleuel besitzt Doppel-T-Querschnitt und ist am Fuß gabelförmig ausgebildet. Der geteilte Pleuelfuß umschließt die beiden Lagerschalen, die auf dem Kurbelzapfen gleiten. In dem Pleuelauge lagert eine Buchse, die den Kolbenbolzen mit Gleitspiel umfasst. Das Nebenpleuel ist zwischen der Gabel des Hauptpleuels' angeordnet. Im Übrigen ist die Ausführung die gleiche wie die des Hauptpleuels. Der Kolben trägt zur Abdichtung fünf Kolbenringe, von denen die beiden untersten als Ölabstreifringe ausgebildet sind.
Die Zylinder (Stahllaufbüchsen) sind einzeln in die Zylinderblöcke eingesteckt und werden durch jeweils vier Zuganker fest an den Zylinderkopf angezogen. Der Kühlstoffraum wird zum Kurbelraum mit zwei Gummidichtringen abgedichtet. Der vom Motorgehäuse abnehmbare wassergekühlte Zylinderkopf trägt die gesamten Steuerungsorgane, wie die Ventile, 2 Einlass und 1 Auslassventil je Zylinder, die hängend angeordnet sind und über Schwinghebel von der Nockenwelle gesteuert werden. Die in acht Gleitlagern laufende Nockenwelle erhält ihren Antrieb vom Horizontalantrieb über Kegelräder und läuft mit halber Kurbelwellendrehzahl. Für jeden Zylinder ist auf der Auslass- und der Einlass-Seite des Zylinderkopfes je eine Zündkerze vorgesehen. Der Zylinderkopf wird mit der Zylinder-Ölwanne abgedeckt, in deren Schmierstoffsumpf zwei Rückförderpumpen eingebaut sind, die vom Zahnrad der Nockenwelle angetrieben werden. Am hinteren Ende (Apparateseite) des rechten Zylinderkopfes sitzt die Kraftstoff-Förderpumpe Jumo 2017 B1 während am linken Zylinderkopf ein elektrischer Drehzahlgeber angebaut werden kann.
Das Untersetzungsgetriebe ist als einfaches Stirnradgetriebe ausgebildet, welches die Kurbelwellendrehzahl in die günstigste Luftschraubendrehzahl untersetzt. Die Zugkraft der Luftschraube wird von einem unmittelbar hinter dem vorderen Rollenlager eingebauten Kugeldrucklager aufgenommen und über den Luftschrauben-Lagerdeckel und den Getriebedeckel auf das Motorgehäuse übertragen.
Der Apparateteil ist auf der Rückseite des Motorgehäuses angeflanscht und besitzt Abtriebe für zwei Schmierstoff-Rückförderpumpen und 1 Druckpumpe, 1 Kühlstoff pumpe, 2 Zündmagnete, 1 Drehzahlregler (Automatik für Verstell-Luftschraube), 1 Lader mit Schaltgetriebe, 2 Sondertriebe, 1 Tachometer bzw. elektrischen Drehzahlgeber, 1 Generator, 1 Presser, 2 Horizontaltriebe für Nockenwellen und 1 Einspritzpumpe.
Die Kühlstoffpumpe ist eine normale Kreiselpumpe, die durch Gummimuffen mit den Kühlwasserkrümmern der beiden Zylinderköpfe verbunden ist. Die Schmierung der Pumpenwelle erfolgt durch Schleuderöl vom Apparateteil aus.
Die Druckpumpe ist mit dem Schmierstoff-Filter zu einem Aggregat vereinigt. Der Spaltfiltereinsatz besteht aus zwei Spulen feinen Drahtes, von denen heim Durchfließen des Schmierstoffes alle Verunreinigungen zurückgehalten werden. Durch Betätigen eines Ratschenhebels werden dann mittels Drahtbürsten diese Verunreinigungen von den Drahtspulen abgebürstet.
Der Schmierstoffdruck wird durch ein Überdruckventil (Kugelventil) auf einen Druck von 4 bis 6 atü im Herstellwerk einreguliert. Der überschüssige Druckschmierstoff wird von der Saugseite der Druckpumpe wiederaufgenommen. Die Einspritzpumpe ist eine Kolbenpumpe, die den Kraftstoff jedem Motorzylinder durch ein besonderes Pumpenelement zuführt. Die Pumpe wird als 12-Zylinder-Doppelreihen-Blockpumpe mit hängenden Zylindern gebaut. Zwei gegenüberliegende Pumpenkolben arbeiten auf denselben Nocken. Die Reihenfolge der Pumpenzylinder ist die gleiche wie die der Arbeitszylinder des Motors. Pumpe 1 beliefert Motor Zylinder 1 usw. Die Veränderung der Einspritz-Fördermenge erfolgt durch Verdrehen der Pumpenkolben, das durch zwei im Pumpengehäuse geführte Zahnstangen bewirkt wird. Außerdem kann durch eine besondere Verstellungsmöglichkeit jeder einzelne Pumpenstempel der Luftaufnahme seines zugehörigen Motorzylinders angepasst werden, so dass eine völlig gleichmäßige Gemischverteilung erzielt wird. Die Abstimmung der einzelnen Pumpen auf die Arbeitszylinder des Motors, sowie die Vollgas- und Leerlaufeinstellung, wird im Herstellerwerk vorgenommen und plombiert. Die Einspritzpumpe ist in jeder Fluglage arbeitsfähig.
Zur vollautomatischen Bemessung der Kraftstoffmenge, entsprechend des dem Motor zugeführten Luftgewichtes, dient der Einspritzpumpenregler. Er besteht aus dem Geber und dem Verstärker.
Der Geber ist eine Dose, die von der Ladeluft umspült wird. Druck und Temperatur der Ladeluft verändern die Länge der Dose. Diese Längenveränderungen werden über ein Stellorgan für die Bemessung der jeweils dem Zustand der Ladeluft entsprechenden Kraftstoffmenge zu einem mit Motoröl betriebenen Verstärker geleitet, der wiederum den Reguliermechanismus der Einspritzpumpe betätigt. Von der Ladeluftleitung des Motors führen zwei kurze Rohrleitungen zum Pumpenregler.
Der Kraftstoff wird unmittelbar in die Arbeitszylinder eingespritzt. Hierzu dienen offene Nadeldüsen, die keine bewegten Teile besitzen. Die Düsen dürfen auch bei Teilüberholung des Motors nicht ausgebaut werden. Die Kraftstoffzufuhr vom Vorratsbehälter zur Einspritzpumpe besorgt eine Junkers Kraftstoff-Förderpumpe Jumo 2017 B, deren Antrieb vom Zwischentrieb des rechten Zylinderkopfes erfolgt.
Bei Schräglagen des Flugzeuges mit bereits zum Teil entleerten Kraftstoffbehältern kommt es vor, dass die eine oder andere Saugseite der Kraftstoff-Förderpumpe Luft mit ansaugt. Diese angesaugte Luft wird von der Förderpumpe, vermischt mit dem von der anderen Saugseite geförderten Kraftstoff, in die Einspritzpumpe gedrückt und kann zu unerwünschtem Aussetzen des Motors führen. Der in die Kraftstoff-Druckleitung zwischen Förderpumpe und Einspritzpumpe zwischengeschaltete, nach dem Schwimmerprinzip arbeitende Kraftstoffentlüfter beseitigt diesen Übelstand.
Der Lader ist - in Flugrichtung gesehen - auf der rechten Seite des Apparateteiles angeschraubt. Er ist als einstufiges Schleudergebläse gebaut und wird von der Kurbelwelle über einen Rädersatz und ein Zweigang-Schaltgetriebe angetrieben. Der Lader hat den Zweck, durch Aufladung die Leistung des Motors zu steigern und durch Aufrechterhaltung des Ladedruckes bis in große Flughöhen dem normalen Leistungsabfall des Motors infolge Abnahme des Luftdruckes in der Atmosphäre zu begegnen. Die Reglung des Luftdruckes vor den Ventilen erfolgt durch vollautomatische Drosselung der Luft mit Druckstutzen des Laders.
In einer bestimmten Höhe wird der Lader automatisch auf eine höhere Drehzahlstufe geschaltet, und zwar durch das Zweigangschaltgetriebe. Durch dieses Schaltgetriebe ist es möglich, den Motor in größerer Höhe mit schnell laufendem Laderrad als Höhenmotor oder am Boden mit langsam laufendem Laderrad als Bodenmotor zu fliegen. Bei Höhenladerantrieb erfolgt der Antrieb des Laders über einen Rädersatz mit großer Übersetzung, wobei der Bodenladergetriebesatz über einen Freilauf läuft. Bei Bodenladerantrieb erfolgt der Antrieb des Laderlaufrades über einen Rädersatz mit kleiner Obersetzung, wobei die Höhenladerstufe leer mitläuft. Die Lamellenkupplung ist dabei ausgeschaltet. Der Ladedruckregler hat den Zweck, in allen Höhenlagen des Flugzeuges den Luftdruck vor den Einlaßventilen des Motors möglichst unverändert zu erhalten. Dadurch wird erreicht, dass einerseits in jeder Flughöhe - bis zur Nennleistungshöhe - die volle Motorleistung erzielt wird, während andererseits der Motor in Bodennähe gegen übermäßig hohe Oberladung (unzulässige Belastung) geschützt ist, ohne die Aufmerksamkeit des Flugzeugführers dabei besonders in Anspruch zu nehmen.
Der Ladedruckregler steuert den Drehschieber in der Ladeluftleitung und setzt sich aus dem Geberteil und dem Verstärkerteil zusammen. Der Drehschieber in der Ladeluftleitung wird durch einen vom Öldruck des Motors bewegten Kolben betätigt, wobei ein Kegelrad-Ausgleichsgetriebe zwischengeschaltet ist. Das Drucköl vom Motor tritt durch eine enge Düse in den Zylinder des Verstärkerteiles ein. Die Schließkraft dieses im Geberteil liegenden Druckregelschiebers ist durch Zwischenschaltung einer luftleeren, barometrischen Dose vom Luftdruck vor den Einlaßventilen abhängig.
Ist dieser Luftdruck vor den Ventilen zu hoch, so verändert (verkürzt) sich die Länge der luftleeren Dose im Geberteil. Dadurch wird der Druckregelschieber geschlossen und der Öldruck im Verstärkerteil steigt an, wodurch der Kolben den Drehschieber weiter zumacht. Bei zu niedrigem Luftdruck wird die luftleere Dose im Geberteil länger, der Reglerschieber geöffnet, damit sinkt der Öldruck im Verstärkerteil und der Drehschieber wird weiter geöffnet.
Der Motor regelt also den höchsten zulässigen Druck vor den Ventilen und damit die Höchstleistung des Motors. Soll mit kleinerer Motorleistung geflogen werden, so wird mittels des Handhebels über eine Zahnstange die unter der luftleeren Dose im Geberteil befindliche Feder zusammengedrückt. Dadurch wird die Gleichgewichtstellung des Druckregelschiebers schon bei kleinerem Luftdruck von den Einlaßventilen erreicht und der Regler regelt, nun wieder unabhängig von der Flughöhe, auf diesen kleineren Luftdruck ein.
Um bei einem Versagen der Regelorgane den Motor auch weiter bedienen zu können, betätigt den Handhebel nicht nur die erwähnte Zahnstange, sondern über das Ausgleichsgetriebe unmittelbar auch den Drehschieber in der Ladeluftleitung. Durch diese Einrichtung lässt sich der Drehschieber von Hand zwangsläufig in seine beiden Endstellungen sowie alle Zwischenstellungen bewegen. Der Flugzeugführer hat in diesem Falle nur darauf zu achten, dass er seinen Motor nicht zu hoch überladet.
Der Jumo 211 wird durch eine Druckumlauf-Schmierung ohne Schmierstoffvorrat im Motor (Trockensumpf) mit dem nötigen Schmierstoff versorgt. Aus dem Schmierstoff-Vorratsbehälter wird der Schmierstoff von der Druckpumpe über den Filter in das Schmiersystem des Motors gedrückt und von den bereits erwähnten Rückförderpumpen wieder über den Kühler zum Vorratsbehälter geschafft.
Von der Kühlstoffpumpe wird das Kühlwasser durch die Zylinderköpfe in die Kühlräume der beiden Zylinderblöcke gedrückt. Die Verbrennungsräume und Ventilführungsbüchsen der Auslassventile sowie die Zylinder-Laufbüchsen werden dabei von dem Kühlwasser umspült. In den beiden an den Außenseiten des Motorgehäuses angeflanschten Wasserführungen sammelt sich, dass aus den einzelnen Kühlräumen austretende Kühlwasser und wird über die zwei im Ausgleichsbehälter befindlichen ,,Junkers-Dampfluftabscheider'' mittels Rohrleitung durch den Ausgleichs-Vorratsbehälter zu den im Luftstrom liegenden Kühler geführt. Vom Kühler führt der Hauptstrom weiter zum Saugstutzen der Kühlstoffpumpe, und der Kühlkreislauf beginnt von neuem. Durch eine an der tiefsten Stelle des Ausgleichsbehälters angeflanschte Rohrleitung wird der Nebenstrom direkt zur Ansaugleitung der Kühlwasserpumpe geleitet, wo er sich mit dem Hauptstrom wieder vereint. Diese Führung des Nebenstromes hat zur Folge, dass der Kühler in das Überdruckgebiet zu liegen kommt, und damit ein Aufdampfen des Kühlwassers vor der Pumpe weitgehend vermieden wird. Die dem Kühlkreislauf zwischengeschalteten Dampfluftabscheider haben den Zweck, die durch das dauernde Umpumpen und Erhitzen des Kühlwassers entstehenden Luft- und Dampfblasen aus dem Kreislauf auszuscheiden und zu kondensieren bzw. in das Freie abzuführen. Die Dampfluftabscheider teilen den Kühlwasserstrom in einen Hauptstrom aus reinem Wasser und in einen Nebenstrom, bestehend aus den ausgeschiedenen Dampf- und Luftblasen sowie mitgerissenen Wasserteilchen. Der Hauptstrom führt mittels Rohrleitung durch den Ausgleichs- und Vorratsbehälter direkt in den Kühler, während der Nebenstrom erst in den Ausgleichs- und Vorratsbehälter eintritt. Die Dampfblasen kondensieren zum Teil im Behälter, während der nicht kondensierte Dampf und die Luft in die beiden oberen Luftsammelräume des Ausgleichsbehälters 'entweicht. Beide Luftsammelräume sind durch eine Ausgleichsleitung miteinander verbunden, von der eine Rohrabzweigung über ein Doppelventil die Luft und etwaigen Wasserdampf ins Freie führt.
Die Abgasrückstoßfrage ist dahingehend gelöst, dass jeder Motorenzylinder im Auspuffrohr eine Rückstoßdüse besitzt, aus der die Gase in periodischen Stößen ausströmen. Durch diese Anordnung wird eine Auspuffdrosselung fast völlig vermieden und bereits in Bodennähe ein merklicher Düsenschub erzielt, der mit zunehmender Höhe jeweils größer wird.
