Focke-Wulf Fw 190 - Mit dem legendären Sternmotor BMW 801 zum Erfolg

Zwei Jahre nach dem Erstflug der Messerschmitt Bf 109 wurde die bei der damaligen Ausschreibung nicht zum Zug gekommene Firma Focke-Wulf beauftragt, als Ergänzung zur 109 ein möglichst vielseitig einsetzbares, einmotoriges Jagdflugzeug zu entwickeln. Im Lastenheft legte man unter anderem großen Wert auf die Kriterien Wartungsaufwand und Robustheit gegenüber Beschuss – diese lassen sich mit einem luftgekühlten Motor am besten erfüllen. Grundsätzlich kann das Prinzip der Luftkühlung auch bei Reihenmotoren angewendet werden (sofern nicht zu großvolumig, siehe Argus-As-410/411-Zwölfzylinder), aber wenn kräftig Leistung zur Debatte steht, ist die ideal im Luftstrom stehende, ringförmige Zylinderanordnung geeigneter.

Neuentwicklung 801

Die ersten Prototypen der Fw 190 waren noch mit dem ebenfalls 14-zylindrigen Vorläufertyp BMW 139 bestückt und litten wegen des quasi völlig verschalten Triebwerks mit nur einem kleinen Lufteintrittspilz vorne am Spinner unter Kühlproblemen. Deshalb und wegen der geforderten höheren Leistungsausbeute kam es rasch zur Neuentwicklung namens 801 –nach wie vor ein Doppelsternmotor mit 14 Zylindern und Einstufenlader, jedoch mit geänderter Luftführung unter einer offener gestalteten, NACA-ähnlichen Motorhaube und mit einem Hubraum von 41,8 Litern in der Leistungsklasse von rund 1600 PS angesiedelt. Von Beginn an standen die BMW-Ingenieure unter enormem Druck, den Motor schnellstmöglich in die Serienfertigung zu bringen. Erste Prüfstandsläufe starteten im April 1939, schon ein Jahr später begann die Auslieferung – verständlich, dass nicht alle Kinderkrankheiten ausgemerzt werden konnten. Ein Beispiel, das auch im Motoren-Handbuch dokumentiert ist: Der verbesserte Typ 801 D-2 mit seiner höheren Verdichtung und schnelleren Laderübersetzung durfte wegen zu hoher Zylindertemperaturen bis September 1942 nur mit gedrosseltem Setting von maximal 1,35 ata und 2450 U/min betrieben werden, was die Start-/Notleistung auf unter 1600 PS begrenzte. Genereller Pferdefuß von Flugmotoren mit nur einer Ladestufe ist der mehr oder weniger deutliche Leistungsabfall in größeren Höhen, und aus thermischen sowie füllungsbedingten Gründen gilt dies für luftgekühlte Triebwerke mit viel Hubraum verteilt auf vergleichsweise wenige Zylinder umso mehr. Mehrere Laderstufen, sprich ein zweites oder gar drittes nachgeschaltetes Gebläse oder alternativ ein Abgasturbolader steigern die Volldruckhöhe und damit die Leistungsfähigkeit der Motoren spürbar. Natürlich wussten die Techniker um diese Fakten, und vor allem die Amerikaner trugen dem konsequent Rechnung. F6F Hellcat, P-38 Lightning, fast alle F4U Corsair, P-51 Mustang ab Baureihe B, P-47 Thunderbolt: alle hatten Triebwerke mit einer zweiten Laderstufe.

Entscheidung für Einstufenlader

Hierzulande setzte das Reichsluftfahrtministerium andere Richtlinien. Dass sich Luftkämpfe allenfalls bis in zirka sechs Kilometer Höhe abspielen würden, war in den ersten Kriegsjahren eine krasse Fehleinschätzung seitens der Entscheider im RLM. Aussichtsreiche Höhenmotorprojekte, die aber noch Entwicklungszeit beansprucht hätten, mussten eingefroren werden. Später, besser gesagt zu spät, wurde dann händeringend mehr Leistung in der Höhe verlangt, und man holte die zweite Laderstufe wieder aus der Schublade. Einige Konstruktionen gelangten noch in kleiner Anzahl in den Serienbau, andere blieben unbefriedigend und kamen nicht über das Versuchsstadium hinaus, aber generell machten sich Kriegslage und Auswirkungen des Materialmangels schon fatal bemerkbar. Dennoch haben Einstufenlader auch Vorteile bei bestimmten Anforderungsprofilen: etwa die Leistungsentfaltung in unteren bis mittleren Höhen, weniger Gewicht sowie eine geringere Baulänge, wodurch sich die jeweilige Flugzeugzelle kompakter und leichter gestalten lässt. Im Vergleich zu Reihentriebwerken ähnlicher Hubraumgröße sind Sternmotoren konstruktiv bedingt recht schwere Brocken. Der 801 D-2 bringt trocken mit Anlasser 1012 Kilogramm auf die Waage, das Gewicht seines US-Pendants Wright R-2600 Cyclone 14 mit 42,6 Litern Hubraum beträgt 930 Kilogramm. Der Daimler-Benz DB 605 dagegen wiegt mit Anlasser geradezu federleichte 736 Kilogramm. Das Motorengehäuse des 801 ist ein tonnenförmiges Bauteil aus mehreren verschraubten Segmenten. Vorn befindet sich das Getriebegehäuse aus Leichtmetallguss, mit Planeten-Untersetzungsgetriebe 1 zu 0,541 zur Luftschraubenwelle. Herzstück des Triebwerks ist das stählerne, dreiteilige Kurbelgehäuse mit der in drei mächtigen Rollenlagern fixierten Kurbelwelle; im Bereich zwischen den Zylinderreihen sind die trennbaren Wellenstümpfe per Hirth-Verzahnung formschlüssig verbunden. Die 14 Zylinder verteilen sich auf zwei Reihen à sieben Zylinder und werden mit je 16 Stiftschrauben auf dem Kurbelgehäuse befestigt. Pro Zylinderreihe nimmt das auf dem Hubzapfen gelagerte Hauptpleuel sechs Nebenpleuel auf; alle Pleuel sind an beiden Enden bronze-gleitgelagert.

Kommandogerät: Eine technische Revolution

Der Zylinder besteht aus einer verrippten Laufbuchse aus vergütetem Stahl, welche mit dem aus einer Hydronalium-Legierung gegossenen Leichtmetall-Zylinderkopf per Aufschrumpfen unlösbar verbunden ist. Im halbkugelförmigen Zylinderkopf – typisch für den klassischen Zweiventiler-Brennraum – sind Bronze-Ventilführungen eingesetzt; der Ventilsitzring am Einlass besteht aus Aluminiumbronze, am Auslass wird warmfester Stahl verwendet. Jede Zylinderreihe verfügt über einen separaten Ventiltriebmechanismus. Eine von der Kurbelwelle zahnradgetriebene Nockentrommel gibt die Bewegung über verschleißarme Rollenstößel, Stoßstangen und Kipphebel an je zwei im Zylinderkopf hängende Ventile weiter, die über dreifache Schraubenfedern geschlossen werden. Zur besseren Wärmeableitung erhielt das hoch belastete Auslassventil eine Natriumfüllung, Hartmetallauflagen an Sitz und Schaftende bürgen für Verschleißfestigkeit. Abnehmbare Ventildeckel ermöglichen Kontrolle und Einstellung des Ventilspiels. Die geschmiedeten Leichtmetall-Vollschaftkolben tragen je drei Kompressions- und zwei Ölabstreifringe. Mit dem D-2 wurde die Verdichtung von 6,5 auf 7,2 angehoben, dazu ist der vormals flache Kolbenboden leicht gewölbt ausgeführt. Den hinteren Abschluss des Motors bilden das zweiteilige, aus Leichtmetall gegossene Lader- und Einströmgehäuse sowie der Geräteträger mit angeflanschtem Kommandogerät und den weiteren Aggregaten. Das Kommandogerät ist die von BMW entwickelte Einhebelbedienung zur Entlastung des Piloten – ein genialer, sozusagen mechanischer Computer mit eigener interner Ölpumpen-Umlaufschmierung, der folgende Abläufe steuert:

• Ladedruckregler und die beiden Drosselklappen

• Ladergetriebe (Umschaltung Boden-/Höhengang)

• Motordrehzahl (via Verstellung der Propellerblatt-Steigung)

• Dosierung Einspritzpumpe (Gemisch)

• Zündzeitpunkt (in Abhängigkeit vom Gemisch)

• Anlass-Drosselklappe (Luftzufuhr für Startvorgang)

• Sturzflugbremse (für gewünschte erhöhte Propellerdrehzahl im Leerlauf)

Der Lader ist als einstufiges Schleudergebläse ausgebildet, gekoppelt mit einem Getriebe für die zwei Gänge Bodenlader und Höhenlader. Vom Ladergehäuse führen 14 kreisförmig angeordnete Luftleitungen zu den Zylinderköpfen beziehungsweise Einlassventilen. Die automatische Umschaltung auf den Höhengang erfolgt – wie im Leistungsdiagramm zu sehen – in Höhen zwischen 2600 bis 2800Metern. Für eine gesteigerte Luftfördermenge wies der D-Motor modifizierte Übersetzungen zum Laderlaufrad auf (Bodenlader: 5,31-fache Kurbelwellendrehzahl, Höhenlader: 8,31-fache).

Effiziente Kühlung

Auch beim 801 findet sich eine Direkteinspritzung des Kraftstoffs mit je einer Bosch-Einspritzdüse pro Brennraum. Die von der Firma Friedrich Deckel aus München gefertigte Einspritzpumpe in Trommelbauweise arbeitet mit ausreichenden, aber relativ niedrigen Einspritzdrücken zwischen 40 bis 49 bar. Zum Vergleich der DB 605: Bei diesem sind es 90 bar. Bosch lieferte ebenso eine angepasste Ausführung seines bewährten Zwillingszündmagneten. Die Schmierung ist nach üblichem Standard als Trockensumpfsystem konzipiert und offeriert ein ganzes Arsenal an Ölpumpen. Die Hauptschmierpumpe besteht aus einer in den Ölkühler leitenden Vorlaufpumpe, einer Druckpumpe für die gesamten zu versorgenden Schmierstellen und den zwei Rückförderpumpen; dazu gibt es im Getriebegehäuse eine obere und eine untere Absaugpumpe. Die deutschen Entwickler waren angehalten, ihre Motoren als sogenannte Einheits- und Schnellwechseltriebwerke zu gestalten. Will heißen, ein notwendiger Austausch sollte möglichst wenig Zeit in Anspruch nehmen. Deswegen sind Öltank und -kühler, sofern möglich, in Nähe des Triebwerks platziert und beim luftgekühlten Motor daher idealerweise nur noch Treibstoffleitungen und Kabel sowie Bedienelemente zu trennen. Dank des Lüfterrades ließen sich am 801 gleich zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen: Im Verein mit Luftleitblechen an den in puncto Wärmeabfuhr nicht ganz optimalen Stahlzylindern ist der nötige Kühlluftbedarf auch bei Bedingungen wie im Standlauf oder beim Steigflug sichergestellt. Das mit Übersetzung zum Propeller laufende Lüfterrad erzeugt zudem eine Druckbelüftung im gesamten Triebwerksraum, was sowohl den ringförmig ganz vorne in die Verkleidung integrierten Ölkühler als auch die beiden Ansaugschächte des Motors bedient.

Maßnahmen zur Leistungssteigerung

Im Laufe der Zeit gab es natürlich verschiedene Bemühungen um mehr Power. Einige Originaldokumente sind im Internet für jedermann zugänglich, so etwa auf der informativen Website www.aircraftperformance.org. Bereits 1942 erfolgten Testflüge mit einer speziellen Höhenjäger-Variante der Fw 190. Dies war eine stark erleichterte Versuchsmaschine mit je einer links und rechts außen auf der Motorhaube angebrachten Ansaughutze, welche eine bessere Ausnutzung des leistungsfördernden Ansaug-Staudrucks boten. Von den mageren 22 Prozent der innenliegenden Ausführung stieg diese auf 60 Prozent, was einen kräftigen Zuwachs in Sachen Volldruckhöhe und damit weniger ausgeprägten Leistungsabfall bedeutet hätte. Allerdings war, wie schon erläutert, zu jener Phase Höhenleistung nicht gefragt. Und da die aerodynamisch ungünstigeren Außenhutzen in Bodennähe Einbußen an Top Speed generierten, unterblieb deren Einführung. Ins gleiche Horn stießen auch Ergebnisse von Tests mit MW-50-Zusatzeinspritzung: Der Gewinn an Geschwindigkeit in Bodennähe wurde als eher gering erachtet in Relation zum Einbauaufwand speziell am 801, zudem waren Motorschäden vorgekommen. Ein Focke-Wulf-Bericht vom März 1944 umreißt "in Kürze greifbare Möglichkeiten zur Leistungssteigerung durch motorseitige Maßnahmen am 801 D", unterschiedlich konfiguriert für die Einsatzfälle Jabo-Rei/Schlachtflugzeug und Jäger. Bei Letzterem wurde eine auf zehn Minuten Entnahmezeit beschränkte Heraufsetzung des maximalen Ladedrucks auf 1,58 ata im Boden- und 1,65 ata im Höhenladergang abgesegnet, was einem Leistungsplus von gut über 200 PS entsprach. Der Einbau von GM-1-Zusatzeinspritzung für große Höhen wäre werksseitig ab der Fw 190 A-8 vorgesehen gewesen, aber das Schreiben schließt mit "Lieferungen der Anlage noch unbestimmt". Messungen belegten, dass die standardmäßig verwendete F66-Abgasanlage mit ihrer teils hosenartigen Zusammenführung (Doppeldüse) etwa bei der zuletzt gebauten Serienversion 801 S einen Verlust von 90 PS bescherte.Eine modifizierte Endrohrführung rein mit Einzeldüsen wurde schon früher probiert, aber nicht in Serie umgesetzt.

Problemzone: Vibrationen

Präsentes Thema in der Literatur ist der raue, bisweilen von Motorschütteln gekennzeichnete Lauf des 801. Richard Faltermair, ehemaliger BMW-Archivar im Ruhestand, befasste sich seinerzeit intensivst mit den erhalten gebliebenen Unterlagen und hatte auch Gelegenheit zu persönlichen Gesprächen mit Werner Staege, dem letzten Chef der BMW-Flugabteilung. "Da man in München aus verschiedenen Gründen keine Abhilfe erreichte, wurde Herr Staege im September 1943 von Argus zu BMW abkommandiert und initiierte dort mit großem Aufwand das sogenannte Schüttelprogramm. Nach langwierigen Untersuchungen mit unter anderem Messflügen in einer Ju 88 T-1 konnte eine Kavitationsbildung, also winzige Bläschen in der Einspritzpumpe, als ursächlich für schlechte Verbrennung und daraus resultierendem rauhen Lauf lokalisiert werden. Die von [der Firma] Deckel überarbeitete Version der Pumpe kam kriegsbedingt nicht mehr zur Verwendung", resümiert Faltermair. Wie allgemein bekannt, führte die suboptimale Höhenleistung des 801 zumindest bei der Fw 190 in der Rolle als Abfangjäger zu seiner Absetzung zugunsten des wassergekühlten V12-Reihenmotors Jumo 213. Detail am Rande: Mit dem Typ 802 ist seitens BMW bereits im Jahre 1939 ein 60 Liter großer, luftgekühlter 18-Zylinder mit Potenzial über 2500 PS entworfen und in wenigen Versuchsmustern gebaut worden, der jedoch wegen seines komplizierten Aufbaus mit heftigen 1780 Kilogramm für einen Jäger definitiv zu massig ausfiel. Mit einem nach US-Strickmuster möglichst einfach und leicht gebauten 18-Zylinder von knapp 50 Litern Hubraum, eventuell Zweistufenlader, mindestens jedoch MW-50-Einspritzung wäre die Fw 190 womöglich das überlegene Allround-Jagdflugzeug ihrer Zeit geworden. In den USA hat Rudy Frasca seine FlugWerk FW 190 mit einem Pratt & Whitney R-2800-54 ausgestattet. Ein Vergleich mit der "Weißen A" der Flying Heritage Collection – der weltweit einzigen fliegenden Fw 190 mit Originalmotor – wäre höchst interessant. Warbird-Pabst Steve Hinton ist beide schon geflogen, aber einen verschärften Test bis zur Leistungsgrenze wird es verständlicherweise wohl kaum geben.

Technische Daten

BMW 801 D-2 (Stand: Oktober 1942)

Bauart: Doppelstern, 2 x 7 Zylinder

Kühlung: luftgekühlt

Hubraum: 41,8 l (Bohrung x Hub: 156 x 156 mm)

Verdichtung: 7,2 : 1

Ventiltrieb: Nockentrommel und Stoßstangen, 2 Ventile pro Zylinder

Start-/Notleistung: 1750 PS (1286 kW) bei 2700/min und 1,42 ata Ladedruck

Lader: Einstufen-Schleudergebläse, 2 Gänge

Zündung: Bosch-Zwillingszündmagnet ZM 14 DR 13, kontaktgesteuert

Einspritzpumpe: Deckel PSC 3/14, mechanisch angetrieben

Kraftstoff: C3 (95 Oktan)

Verbrauch: 255 bis 550 l/h

Schmierstoff: Rotring D (entspricht Einbereichsöl SAE 70)

Verbrauch: 3 bis 12 l/h

Schwungkraftanlasser: Bosch AL SGC 24 DL 2

Trockengewicht (mit Anlasser und Lüfterrad): 1012 kg