8.10 Motorisierte Segelflugzeuge, Motoren und Propeller
Airframe, engines and propellers
8.10.1 Allgemeines
Heutzutage werden immer mehr Segelflugzeuge mit einem Motor ausgestattet. Diese Motoren eignen sich je nach Leistung für den selbständigen Start ("Eigen-Start") oder als Heimkehrhilfe der im Volksmund "Turbo" genannt wird, falls mal thermisch nichts mehr geht.
In der Luftfahrt nutzen wir hauptsächlich drei Motortypen, wobei heutezutage auch immer mehr eine vierte Variante, der Elektromotor, zum Einsatz kommt.
1. Otto-Motor - Ottomotor – Wikipedia
2. Diesel-Motor - Dieselmotor – Wikipedia
3. Turbine - Turbinen-Strahltriebwerk – Wikipedia
4. Elektromotor - Bürstenloser Gleichstrommotor – Wikipedia
Ein Motor ist ein Gerät, das mechanische Arbeit verrichtet indem es aus chemischer oder elektrischer Energie kinetische Energie (Rotationsenergie) erzeugt. In Segelflugzeugen kommen zwei Arten von Motoren zum Einsatz: der Verbrennungsmotor und der Elektromotor.
8.10.2 Elektromotor
Der Elektromotor wandelt elektrische Energie in rotatorische Energie, in die Drehung einer Welle um. An der Welle ist ein Propeller befestigt, der Luftmasse (m) nach hinten beschleunigt (a). Nach Newton ergibt sich daraus ein Impuls p = m*v.
Seine Bedienung ist denkbar einfach. Es gibt einen Knopf zum Aus- und Einfahren des Motors. Dies geschieht ebenfalls durch einen Elektromotor. Die Leistung wird durch die Einstellung der Motordrehzahl mit einem Drehregler geregelt. Die nötige Energie kommt aus einem schweren Akkupaket, das sich in der Nähe des Schwerpunkts befindet.
Abb. 8.10.2.1 Bedienpanel eines Elektroantriebes
Neben einem elektrischen Klappmotor (Abb.10.2.1.2) gibt es auch den so genannten "Front Electric Sustainer" (FES); (Abb.10.2.1.2), bei dem ein Propeller an der Rumpfnase durch Zentrifugalkräfte aufklappt, sobald das Triebwerk eingeschaltet wird.
Abb.8.10.2.2 Elektrisches Klapptriebwerk
Abb.8.10.2.3 FES-Antrieb
8.10.3 Verbrennungsmotor
Der Verbrennungsmotor wandelt chemische Energie (Kraftstoff) durch Verbrennung in Wärme um. Dadurch dehnt sich die Luft aus und leistet dabei Arbeit. Wir unterscheiden zwischen dem Kolbenmotor und dem Turbinenmotor.
8.10.3.1 Kolbenmotor
In einem Kolbenmotor wird der Verbrennungsdruck genutzt, um einen oder mehrere Kolben in Zylindern nach unten zu drücken und über eine Kurbelwelle in eine Drehbewegung umzusetzen. An dieser Welle kann dann ein Propeller befestigt werden. Der Prozess von der Verbrennung zur Drehbewegung geht nicht ohne Verluste. Der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors (luftgekühlt) beträgt ca. 25%. Ein Elektromotor ist mit einem Wirkungsgrad von etwa 90% sehr viel effizienter.
Abb. 8.10.3.1.1 Kolbenmotor an einem Segelflugzeug (Ventus 2cxt)
8.10.3.2 Turbinenmotor
In einem Turbinentriebwerk wird ein (kleiner) Teil des bei der Verbrennung entstehenden Gasdrucks genutzt, um ein Turbinenrad in Rotation zu versetzen. Dieses Turbinenrad wiederum treibt über eine Welle den Verdichter an, der die angesaugte Luft komprimiert. Der am Einlass der Brennkammer erzeugte Druck muss letztendlich so groß sein, dass der in der Brennkammer entstehende Druck nicht nach vorne entweichen kann. Gleichzeitig wird der Verbrennung Luftsauerstoff zugeführt. Nach der Turbine verlassen die Verbrennungsgase den Motor durch eine immer enger werdende Düse. Durch die Düse wird der Gasmassenstrom zusätzlich beschleunigt. So entsteht ein Impuls p = m * v und letztendlich eine Schubkraft. Der Vorteil dieses Motortyps ist, dass der Verbrennungsprozess kontinuierlich verläuft und nicht nur in einem kurzen Moment wie beim Kolbenmotor, der nur alle zwei oder vier Takte einmal zündet. Auch gibt es keine Vibrationen wie beim Kolbenmotor. Wegen der sehr hohen Ausströmgeschwindigkeit der Verbrennungsgase entstehen beim Zusammentreffen mit der Umgebungsluft allerdings heftige Turbulenzen (was als Lärm deutlich hörbar ist).
Hinweis: Oft ist die Turbine leicht gekippt, um zu verhindern, dass die heißen Abgase auf die Leitwerksflosse treffen.
Abb. 8.10.3.2.1 Turbinentriebwerk an einem Segelflugzeug (Duo Discus)
8.10.4 Propeller
Ein Propeller ist ein rotierendes System mit Flügeln, das die Aufgabe hat, eine Kraft zu erzeugen. Die Propellerflügel sind aerodynamisch geformt, ähnlich wie ein Tragflügel. Während ein Tragflügel von der Luftströmung angeblasen wird, muss der Propeller seine eigene Strömung erzeugen. Dies geschieht durch die Rotation des Propellers. Die daraus resultierende Luftströmung über (hier vor dem Propeller) dem Propeller erzeugt Vortrieb indem er die Luftmasse, genau wie ein Tragflügel, beschleunigt und so einen Impuls p = m*v erzeugt. (siehe Abbildung 8.10.4.1 )
Die Zugkraft eines Propellers wirkt in Flugrichtung. Die Arbeit, die der Propeller verrichtet, äußert sich in dem Widerstand, der der Drehrichtung entgegenwirkt. Wenn der Widerstand des Propellers gleich der vom Motor erzeugten Kraft ist, bleibt die Drehzahl konstant. Wenn der Motor ein höheres Drehmoment erzeugt, erhöht sich auch die Drehzahl des Propellers. Die verrichtete Arbeit nimmt zu, die abgeforderte Motorleistung nimmt zu und der Treibstoffverbrauch auch.
Abb. 8.10.4.1: Motorgetriebenes Propellerblatt im Flug
Hinweis: Beim Beschleunigen während des Anrollens beim Start wird der Propeller durch die zunehmende Vorwärtsgeschwindigkeit immer stärker angeblasen. Das macht es für den Motor einfacher und die Drehzahl wird sich erhöhen. Da oft schon beim Startlauf eine maximale Drehzahl gewählt wird, muss darauf geachtet werden, diese nicht zu überschreiten. Eine zu hohe Drehzahl schadet sowohl dem Motor als auch dem Propeller.
Getriebe oder Riemen
Die optimale Drehzahl des Propellers ist oft niedriger als die des Motors. Dies wird durch ein Untersetzungsgetriebe in Form eines Zahnradgetriebes oder eines Riemenantriebs (ebenfalls mit Untersetzung) gelöst. Das Zahn-/ Riemenrad auf der Kurbelwelle ist dann kleiner als das Zahn-/Riemenrad auf der Propellerwelle.
8.10.5 Zweitakt-Kolbenmotorbetrieb
Der Zweitakt-Kolbenmotor besteht aus einem oder mehreren Zylindern mit Kolben, die alle mit einer zentralen Kurbelwelle verbunden sind. Die Kurbelwelle ist eine Welle mit seitlichen Verschiebungen, die die Hin- und Herbewegung der Kolben in eine Drehbewegung umwandelt. Der Propeller ist direkt oder über ein Getriebe mit der Kurbelwelle verbunden. Vergleichen Sie dies mit den Pedalen eines Fahrrads, bei denen die Auf- und (vor allem) Abwärtsbewegung in die Drehung der Kurbelwelle und dann über eine Antriebskette in die Drehung des Hinterrads umgewandelt wird.
Die für den Antrieb der Kurbelwelle erforderliche Kraft entsteht durch den hohen Druck, der bei der Verbrennung eines explosionsfähigen Kraftstoff-Luft-Gemischs in einem Brennraum über dem Kolben entsteht. Dieses Gemisch wird durch den Funken einer Zündkerze gezündet, wenn der Kolben "oben" ist. Sowie sich der Kolben nach unten bewegt, erzeugt er ein Drehmoment auf die Kurbelwelle. Gleichzeitig wird durch diese Bewegung das neue Gemisch, das bereits im Raum (untere Kammer) unterhalb des Kolbens aufbereitet wurde, durch einen Seitenkanal nach oben in den Brennraum (obere Kammer) gedrückt. Wenn sich der Kolben fast am Boden befindet, werden zwei Öffnungen frei. Durch die eine Öffnung gelangt das neue, vorverdichtete Gemisch in den Brennraum, durch die andere können die Verbrennungsgase in Richtung Auspuff entweichen. Wenn sich der Kolben durch die Drehung und die Massenträgheit der Kurbelwelle wieder nach oben bewegt, werden beide Öffnungen wieder geschlossen und das neu eingebrachte Gemisch weiter verdichtet. Bei dieser Aufwärtsbewegung ist nun eine Öffnung am Boden geöffnet, wodurch im Raum unter dem Kolben ein Unterdruck entsteht, der bereits ein neues Kraftstoff-Luft-Gemisch von außen ansaugt.
Ein Arbeitszyklus umfasst also zwei Bewegungen, die auch als "Hübe" oder "Takte" des Kolbens bezeichnet werden. Bei diesen beiden Hüben dreht sich die Kurbelwelle einmal. Bei jeder weiteren Umdrehung der Kurbelwelle findet ein weiterer Arbeitszyklus statt.
Bei mehreren Zylindern auf einer Kurbelwelle geben die Kolben nacheinander ihre freiwerdende Verbrennungsenergie ab, um die Kurbelwelle in Bewegung zu setzen. Mehrere Zylinder sorgen für einen gleichmäßigeren Lauf des Motors.
Abb. 8.10.5.1 Zweitaktmotor Schema (Quelle: Wikipedia. https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Two-Stroke_Engine.gif)
Zündung
Die Zündkerze besteht aus zwei Elektroden, an die eine sehr hohe elektrische Spannung angelegt wird, wenn sich der Kolben oben im Brennraum des Zylinders befindet. Diese Spannung führt zu einem starken Funken, der das Kraftstoff-Luft-Gemisch zündet.
Die Zündkerze erhält ihre Energie von einem Zündmagneten. Dieser besteht aus einem Magneten, der sich entlang einer feststehenden Spule dreht (ähnlich wie bei einem Fahrraddynamo) und dadurch einen elektrischen Strom erzeugt. Durch den Eingriff einer Elektronik (Unterbrecher) wird dieser Strom unterbrochen und in einen kurzen Impuls mit einer sehr hohen Spannung umgewandelt, die zum richtigen Zeitpunkt an die Zündkerze(n) übertragen wird.
Vergaser
Das zündfähige Kraftstoff-Luft-Gemisch wird in einem Vergaser gebildet. Der Vergaser besteht aus einer Venturidüse mit einer Kraftstoffdüse an der engsten Stelle der Venturidüse. Der Vergaser verfügt außerdem über gesteuerte Klappe (die Vergaserklappe), welche die Luftmenge regelt, die durch den Vergaser strömt. Beim Ansaugen wird ein Luftstrom durch die Venturidüse erzeugt. In der Engstelle entsteht dadurch ein Unterdruck, der den Kraftstoff aus einem Vorratsbehälter (Schwimmergehäuse) ansaugt. Dieser Vorratsbehälter wird durch eine (meist) elektrische Kraftstoffpumpe gefüllt gehalten, die den Kraftstoff aus dem Treibstofftank über einen Filter ansaugt. Der Vergaser versucht, unter allen Umständen das richtige Verhältnis zwischen der Luft- und der Kraftstoffmenge aufrechtzuerhalten. Wenn der Luft zu viel Kraftstoff beigemischt wird, wird das Gemisch zu „fett“ und es besteht die Gefahr, dass der Motor „absäuft“ (und damit abgewürgt wird). Wird im Verhältnis zur Luft zu wenig Kraftstoff zugeführt, wird das Gemisch zu „mager“ und der Motor kann ebenfalls abgewürgt werden. Weil der Kraftstoff auch mit zur Kühlung beiträgt, können „abgemagerte“ Gemische zu Hitzeschäden am Motor führen. Moderne Vergaser verfügen über eine automatische Gemischregelung, die auch die Höhenlage berücksichtigt. Vergaser – Wikipedia
Luftfilter
Bevor die Luft in den Vergaser gelangt, passiert sie einen Luftfilter. Der Luftfilter verhindert, dass Staub- und Sandpartikel in den Motor gelangen
Abb. 8.10.5.2 Luftgekühlter Zweizylinder-Zweitaktmotor mit untersetztem Riemengetriebe (Solo 2350)
Tank
Der Tank enthält den Hauptvorrat an Kraftstoff. Am Boden des Tanks befindet sich eine Ablassvorrichtung. Der Kraftstoff für einen Zweitaktmotor besteht aus einer Mischung aus Benzin und einem speziellen Öl (kein normales Motoröl). Das Öl ist für die Schmierung der beweglichen Teile erforderlich. Deshalb spricht man auch von einer Mischschmierung. Das genaue Mischungsverhältnis ist im Motorhandbuch angegeben, liegt aber zwischen 1:25 und 1:50. Eine 1:40-Mischung bedeutet, dass zu 40 Litern Benzin ein Liter Schmieröl hinzugefügt wurde.
Starten/Stoppen
Der Motor wird gestartet, indem er zunächst durch eine Kraft von außen in Bewegung versetzt wird. Traditionell wurde dies von Hand gemacht, aber mit fortschreitender Motorentechnik wurde das immer schwieriger.
Heutzutage wird der Motor mit einem elektrischen Anlasser, einem Elektromotor, gestartet. Wenn der Anlasser betätigt wird, wird er über ein federbelastetes Zahnrad mit der Kurbelwelle gekoppelt, die sich damit ebenfalls zu drehen beginnt und die beweglichen Motorteile in Bewegung setzt. Sobald der Startknopf losgelassen wird, hört der Anlasser auf, sich zu drehen und das federbelastete Anlasser-Ritzel kuppelt von der Kurbelwelle ab. Diese Methode ist sowohl für das Anlassen am Boden als auch in der Luft geeignet.
Eine weitere Möglichkeit, den Motor in der Luft anzulassen besteht darin, ein Ventil im Zylinderkopf zu öffnen. Dadurch wird verhindert, dass der Zylinder unter Druck gesetzt wird. I.A. als „Dekompression“ bezeichnet.
Der Propeller, der mit der Kurbelwelle verbunden ist, wird dadurch nicht vom Motor gebremst. Dies hat zur Folge, dass der Propeller samt Kurbelwelle durch das "Windmilling" schnell auf Drehzahl kommt. Bei einer bestimmten Geschwindigkeit wird der Dekompressionsknopf losgelassen und der Motor durch das Massenträgheitsmoment der bewegten Teile gestartet.
Das Abstellen des Motors erfolgt durch Ausschalten der Zündung. Die Zündkerzen zünden dann nicht mehr und das Gemisch wird nicht mehr gezündet. Wenn diese Methode nicht funktioniert, kann man immer noch den Hauptbrennstoffhahn schließen. Letztere Methode wird auch bei einem Motorbrand angewendet.
Batterie
Üblicherweise verfügt der elektrische Anlasser über eine eigene Batterie und belastet dadurch die Bordelektronik (Funkgerät, Navigationsinstrumente,…) nicht.
Lässt sich der bereits ausgefahrene Motor aufgrund einer zu niedrigen Batteriespannung (oder aus anderen Gründen) weder starten noch abstellen, muss mit einer erheblich reduzierten Flugleistung (Gleitzahl) gerechnet werden. Außerdem ist es wahrscheinlich, dass bei einer Landung mit abgestelltem Triebwerk der Triebwerksträger beschädigt wird. Daher ist es sinnvoll, den Motorträger, falls noch Zeit dazu ist, vor einer Landung wieder einzufahren.
Hinweis: Im Gegensatz zu einem Zweitakt-Kolbenmotor benötigt ein Viertakt-Kolbenmotor vier Takte, um seine Arbeit zu verrichten. Dabei handelt es sich um den Ansaugtakt, bei dem das Kraftstoff-Luft-Gemisch angesaugt wird, den Verdichtungstakt, bei dem das Gemisch vor der Zündung komprimiert wird, den Arbeitstakt, und schließlich den Ausstoßtakt mit dem die Verbrennungsgase ausgestoßen werden. Ein Viertakt-Kolbenmotor verwendet keine Gemisch-Schmierung, sondern hat für die Schmierung der beweglichen Teile einen separaten Öltank (Ölwanne). Da ein Viertakt-Motor mit gleicher Leistung wie ein Zweitakt-Motor schwerer ist als dieser wird er als Hilfsantrieb in Segelflugzeugen selten verwendet.
