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Kolbenmotor Flugzeugtechnik

Kolbenmotor

Nehmen Sie einen Motor aus einem Ford, Toyota oder Chevy der 1970er Jahre und stellen Sie ihn neben einem heute gebauten, und die Unterschiede sind leicht zu erkennen. Sehen Sie sich die Leistungs- und Wirtschaftlichkeitsdaten an, und es gibt keinen Vergleich zwischen der über 30-jährigen Technologie und der heutigen Technologie - die neueren Motoren sind in fast jeder Hinsicht besser denkbar, da jetzt alle 100.000 Meilen ein Tuneup erforderlich ist 15.000 Meilen und Kraftstoffverbrauch für viele neue, kleine Limousinen mit mindestens 40 mpg. Wenn Sie jedoch die Motorhaube eines Flugzeugs der 70er Jahre anheben und vergleichen, was Sie mit einem brandneuen Kolbenmotor sehen, werden die beiden bemerkenswert ähnlich aussehen. Was zu einer unvermeidlichen Frage führt: Warum scheint die Flugzeugmotorentechnik mit Kolbenmotoren in Flugzeugen so weit hinter den Fortschritten in der Automobilwelt zurückgeblieben zu sein?

Bevor wir diese Frage beantworten, fragen wir noch ein paar mehr: Wussten Sie, dass die Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsysteme der neuesten Lycoming-Flugzeugtriebwerke der Kraftstoffeinspritztechnologie von Fahrzeugen weit voraus sind und nur etwas weniger ausgereift sind als in der Formel 1 Autos? Oder dass fast alle erdenklichen Parameter der neuesten Motoren von Continental Motors von einer vollwertigen digitalen Motorsteuerung überwacht und gesteuert werden, die in mancher Hinsicht weiter fortgeschritten ist als die Fadec-Systeme von Turbofan-Motoren?

Tatsache ist, dass sich die Hubkolben-Triebwerkstechnologie in der Luftfahrt in den letzten rund zehn Jahren enorm weiterentwickelt hat, auch wenn diese neuesten Flugzeugtriebwerke äußerlich wenig verändert erscheinen. Es gibt ein Missverständnis unter vielen, denn die Motoren werden von gebaut Kontinental, Lycoming, Rotax und andere sehen ähnlich aus wie diejenigen, die seit Jahren in GA-Flugzeugen fliegen - und basieren auf denselben Grundzertifizierungen - sie sind in den letzten 30 oder 40 Jahren nicht sehr weit gekommen. Das ist total falsch.

Eine der größten Verbesserungen für Kolbenmotorflugzeuge ist die Gesamtqualität. Die Hersteller von Flugzeugtriebwerken haben viele Millionen Dollar ausgegeben, um ihre Fertigungsprozesse zu verbessern und zu automatisieren, um die Bautoleranzen enger zu gestalten, und dies hat zu einer verbesserten Haltbarkeit geführt. Sie haben außerdem ihre Treibstoffzufuhrsysteme für Kolbenmotorflugzeuge perfektioniert, viele Komponenten mit fortschrittlichen Beschichtungen versehen und, wahrscheinlich der größte Durchbruch, die Triebwerke mit fortschrittlichen Flugzeugcomputern verbunden, die in der Lage sind, nahezu alle denkbaren Triebwerksparameter zu überwachen - Millionen Mal in wenigen Minuten. Auch in der Turboladertechnologie wurden Fortschritte erzielt. Mehrere Hersteller arbeiten jetzt an alternativen Kraftstofftechnologien, ganz zu schweigen von äußerst sparsamen Dieselmotoren, die für die Verbrennung von Jet-A ausgelegt sind.

Wie weit wir gekommen sind
Bevor wir in eine technische Diskussion über den aktuellen Stand der Technik in der Flugzeugtriebwerkstechnologie eintauchen, ist hier eine kurze Frage, um uns den Einstieg zu erleichtern: Wer hat den ersten erfolgreichen Kolbenflugzeugmotor gebaut? Die Antwort ist offensichtlich der Typ, der den Motor gebaut hat, der das erste Flugzeug, den Wright Flyer, angetrieben hat. Wir feiern es nicht, aber der Donnerstag, der 12. Februar 1903, zählt zu den wichtigsten Tagen in der Luftfahrtgeschichte in Bezug auf Kolbenmotorflugzeuge. Für die Wright-Brüder war das alles. An diesem Tag hatten die Fahrradbauer aus Dayton, Ohio, endlich die Bestätigung, dass ihre fantasievollen Träume, der erste bemannte, motorisierte Flug zu sein, fast in Erfüllung gehen würden - schließlich hatten sie einen Motor.

Die Wrights standen nebeneinander in ihrem Fahrradladen und sahen zu, wie Charlie Taylor, ihr einziger Angestellter, ein paar letzte Anpassungen an dem Vierzylinder-Benzinmotor vornahm, den er gerade mit dem Custom-Building abgeschlossen hatte, als Kraftquelle für das ungewöhnliche Handwerk der Brüder fabrizierten. Es war ein angespannter Moment. Zwei Monate zuvor hatte Orville Wright nicht weniger als zehn Hersteller auf der Suche nach einem Motor kontaktiert, dessen Kraft-Gewichts-Verhältnis ausreichte, um zwei große gegenläufige Holzpropeller zu drehen und ihre fragilen Flugzeuge auf einer Bahnlinie in den Himmel zu locken. Aber keiner der Motorenhersteller, von denen Orville erfuhr, produzierte einen Motor, der den Spezifikationen von Wrights entsprach - was noch schlimmer war, keiner war bereit, einen zu bauen.

Orville und Wilbur gaben das Projekt in die Hände von Taylor, der ursprünglich für die Reparatur von Fahrrädern eingestellt wurde, aber bald den täglichen Betrieb im Laden übernahm, während die Brüder sich fast ausschließlich der Perfektionierung ihrer Flugzeugkonstruktionen widmeten . Die Wrights wiesen Taylor an, einen Motor zu bauen, der nicht mehr als 180 Pfund wog und mindestens 8 PS leistete. Taylor, dessen einzige Erfahrung mit Benzinmotoren ein verpatzter Versuch war, einen Motor einmal zu reparieren, lieferte einen Motor, der mehr als 12 PS leistete - und das in nur sechs Wochen.

Es sollte darauf hingewiesen werden, dass Charlie Taylors Motor selbst nach heutigen Maßstäben roh war - schließlich wurde er als Fahrradmeister eingestellt. Aber der Motor lief und war in vielerlei Hinsicht auch ein technisches Kunstwerk. Um Gewicht zu sparen, ließ Taylor das Kurbelgehäuse aus einer lokalen Gießerei aus Aluminium herstellen. Der Motor war notwendigerweise wassergekühlt und der Kraftstoff wurde aus einer Dose, die an einer inneren Flügelstrebe angebracht war, durch Schwerkraft zugeführt. Der Motor hatte keine Kraftstoffpumpe, Vergaser, Zündkerzen oder gar Gas. Die Zündung wurde durch Öffnen und Schließen der Unterbrecher erreicht. Zum Starten wurden vier Trockenzellenbatterien verwendet (die aufgrund ihrer Schwere auf dem Boden blieben), woraufhin ein von einem 20-Pfund-Fliehgewicht angetriebener Magnet mit niedriger Spannung den elektrischen Funken lieferte, um den Motor am Laufen zu halten.

Als Taylor den Motor im Februar 1903 zum ersten Mal startete, knallte und sprudelte er zum Leben und lief überraschend gut - aber er glühte schnell um die Auslassventile. Taylor fing an, mit verschiedenen Kraftstoff-Luft-Gemischen zu basteln, aber er hat es übertrieben - der Motor wurde festgefressen und das Kurbelgehäuse zerbrach in seinen Halterungen. Taylor musste den Motor komplett neu aufbauen, aber der erste Test wurde als Erfolg gewertet. Die Wrights wussten, dass der Motor funktionieren konnte. Im Mai dieses Jahres hatte Taylor das richtige Verhältnis von Treibstoff zu Luft entdeckt, durch das seine Entwicklung reibungslos verlief. Und am Morgen des 17. Dezember 1903 wurde Charlie Taylors wundervoller kleiner Motor am mächtigsten und drehte den Wright Flyer und seine Erfinder in die Geschichtsbücher.

Es ist erstaunlich, dass noch über 100 Jahre später leichte Flugzeuge immer noch durch Hubkolbenmotoren mit Aluminium-Kurbelgehäuse, durch Schwerkraft betriebenen Kraftstoffsystemen, Inline-Zylindern, Magnetos und sogar Wasserkühlung in einigen Ausführungen angetrieben werden. Ein moderner Kolbenmotor, der heute produziert wird, hat jedoch nicht mehr Ähnlichkeit mit frühen Flugzeugmotoren als ein brandneuer Motor Cirrus SR22 tut mit den ersten Drückern der Wrights. Und obwohl sich die Zertifizierungsbasis eines Kolbenmotoren der 1970er Jahre und eines, der heute gebaut wird, wenig unterscheidet, hat sich, wie wir angedeutet haben, vieles geändert - und alles zum Besseren.

Das Tempo der Innovation
Verbesserungen in der modernen Kolbenmotorenproduktion beginnen alle mit der Umstellung auf eine modernere Bearbeitung, bei der Metall mit unglaublich engen Toleranzen bearbeitet werden kann. Dies bedeutet, dass ein heute gebauter Continental-, Lycoming- oder Rotax-Motor ein physisch besseres Flugzeugtriebwerk ist als jemals in Massenproduktion. Sie erinnern sich vielleicht, dass Continental einmal einen Motor der Platinum-Serie angeboten hat, der mehr kostet, aber engere Toleranzen und somit eine längere Garantie hatte. Mit Verbesserungen bei der Zerspanung - einschließlich eines Wechsels zu automatisierten Fertigungsprozessen - erfüllen oder übertreffen alle Motoren, die Continental heute baut, die Platinum-Spezifikationen. Daher wurde die Sonderlinie eingestellt.

Ein weiterer wesentlicher Unterschied zwischen früheren Flugzeugtriebwerken und dem gegenwärtigen Stand der Technik ist die Einführung von digitalen Motorsteuerungen mit vollständiger Autorität oder was als Fadec bezeichnet wird. Digitale Triebwerkssteuerungen für Kolbenmotoren in der Produktion gibt es seit mehr als einem Jahrzehnt, doch sie haben in dieser Zeit enorme Fortschritte gemacht. Die neuesten integrierten Fadec-Technologien von Continental und Lycoming bieten beispielsweise eine vollständig elektronische Zündung des Motors, die Steuerung der Kraftstoffeinspritzsysteme mit sequenziellen Kanälen und Motormanagementfunktionen, die alle Parameter überwachen und den Kraftstoffstrom digital steuern, ohne dass der Pilot eingreifen muss.

Neben einer besseren Motoroptimierung bedeutet dies auch, dass sich der Pilot nicht mehr um das Anheben oder Anreichern des Kraftstoff-Luft-Gemisches des Motors kümmern muss, wenn die Höhe zunimmt oder abnimmt. Die Computer erledigen die Arbeit automatisch und optimieren das Anlehnen in jedem Zylinder, um maximale Leistung und Effizienz unter allen Bedingungen zu erreichen, auch beim Start von einem Flughafen mit hoher Dichte. Ein stets perfekt abgestimmter Motor ist ein enormer Vorteil für Effizienz und Langlebigkeit des Motors.

"Unsere Motoren verfügen über eine Einhebelsteuerung mit vollständigem Thermo- und Propellermanagement", sagte Mike Craft, Senior Vice President und General Manager von Lycoming. „Es ist viel näher an einem modernen Turbinentriebwerk, bei dem der Pilot sich nur darum kümmern muss, wie viel Prozent Strom erzeugt wird. Alles andere wird von den Computern gesteuert. “

Lycoming hat seine iE2-Fadec-Technologie sowohl im TO-540-Motor des Lancair Evolution als auch im Northrop Grumman Firebird eingesetzt
"Optional pilotiertes" Spionageflugzeug (und eines von Burt Rutans letzten Entwürfen bei Scaled Composites).

Fadec-Systeme in den neuesten Kolbenflugmotoren steuern elektronisch den Funken und die Kraftstoffeinspritzung für optimale Leistung. Diese Motoren verfügen immer noch über manuelle mechanische Drosseln, aber die Bordcomputer erhalten einen stetigen Datenstrom, der sich auf Parameter für Krümmerdruck, Drehzahl, EGT und CHT bezieht, und dann die Mischung kontinuierlich auf Spitzenleistung einstellen. Der Fadec erledigt auch automatisch das Anlassen, Starten und Leerlauf des Motors. Durch Drücken einer einzigen Taste auf dem Bedienfeld werden die Einstellungen von der besten Leistung zur besten Wirtschaftlichkeit umgeschaltet.

Das Kraftstoffzufuhrsystem in modernen Kolbenflugmotoren hat auch von den technologischen Fortschritten profitiert. Dass die iE2-Motorentechnologie von Lycoming im TO-540-Motor über ein Kraftstoffeinspritzsystem verfügt, das der in F1 verwendeten Technologie ähnelt, sollte nicht überraschen: Lycoming entwickelte die Technologie auf der Flugzeugrennstrecke mit Jon Sharp in seinem Lycoming TIO-540- NXT-powered Nemesis Reno-Gewinner. Dieser Motor war Vorreiter bei der Lycoming iE2 Fadec-Technologie, die die Kraftstoffzufuhr mit höherem, konstantem Druck steuert. "Damit können Sie Dinge tun, die zuvor nicht möglich waren, wie beispielsweise die Kraftstoffzufuhr für jeden Zylinder", sagte Craft.

Ära des Diesel?
Der nächste bedeutende Durchbruch in der Flugzeugtriebwerkstechnologie ist wahrscheinlich eine Flut von Konstruktionen, die mit alternativen Kraftstoffen und Jet-A betrieben werden können. Die am leichtesten verfügbare Kraftstoffquelle ist Düsentreibstoff, der billiger als Avgas ist und in Dieselmotoren der Luftfahrt betrieben werden kann. Continental Motors arbeitet intensiv an der Entwicklung des turbogeladenen TD300 mit Direkteinspritzung, einem 230-PS-Vierzylinder-Dieselmotor mit einer kritischen Höhe von 10.000 Fuß und einer Drehzahl von 2.200 Umdrehungen pro Minute. Das Design ist ein Direktantrieb ohne Getriebe, wodurch das Gewicht reduziert und die Zuverlässigkeit verbessert wird. TBO wird 2.000 Stunden betragen, genau wie bei den Benzinmotoren.

Dieselmotoren weisen jedoch einige Nachteile auf. Neben dem Wiegen sind sie auch teurer zu bauen. Das Kraftstoffzufuhrsystem allein ist um eine Größenordnung teurer als Kraftstoffeinspritzsysteme für Benzin-Kolbenmotoren, da Dieselkraftstoffsysteme mit einem viel höheren Druck laufen müssen, um eine Zerstäubung des Kraftstoffs für eine saubere Verbrennung zu bewirken.

„Wir wünschen uns, dass es weniger kostspielig sein könnte, aber leider sind Dieselmotoren anspruchsvoller und das treibt den Preis in die Höhe“, sagte Keith Chatten, Leiter der Entwicklungsabteilung bei Continental. "Die gute Nachricht ist, dass der Kraftstoffverbrauch des Dieselmotors mit rund 9 Gallonen pro Stunde fast die Hälfte eines vergleichbaren Kolbenmotors ist."

In Europa, so Chatten, kostet Avgas etwa 15 US-Dollar pro Gallone, Jet-A dagegen etwa 6 US-Dollar pro Gallone. Das hilft, die Finanzgleichung wieder in Richtung Diesel zu schwenken.

Der TD300 wird voraussichtlich Ende dieses Jahres oder Anfang nächsten Jahres in Betrieb gehen, sagte Mike Gifford, Leiter des Werksdienstes bei Continental. Es wurden keine OEM-Kunden angekündigt, aber Gifford sagte, Kundengespräche seien im Vorfeld. Neben dem Vierzylinder-Diesel stellte er fest, dass Continental auch an zwei Sechszylinder-Versionen arbeitet, von denen die erste TD450 ist, deren Nennleistung voraussichtlich im 300-PS-Bereich liegt.

Gifford wies auch darauf hin, dass der TD300 ein Direktantriebssystem ohne Untersetzungsgetriebe sein wird, was das Gewicht reduziert und die Leistung verbessert. Diese technologische Notwendigkeit brachte viele Diamond DA42-Besitzer in Bedrängnis, als sie erfuhren, dass sie die Getriebe in ihren Thielert-Dieselmotoren alle 300 Stunden prüfen (und möglicherweise ersetzen) müssten. Nachdem Thielert in Konkurs gegangen war, gründete Diamond die Austro Engine, um einen neuen Aerodiesel-Motor zu bauen, der die unruhige Centurion-Linie von Thielert ersetzte. Da der Austro AE300 mit der gleichen Drehzahl wie der Thielert-Motor läuft, verfügt er über ein Untersetzungsgetriebe. Der Getriebesatz ist jedoch ein verbessertes Design und verfügt über eine 1.800-Stunden-TBO. Die Treibstoffspezifikationen für den Austro-Motor sollen um 20 Prozent besser sein als die der Centurion-Baureihe. Diese Aussage stimmt mit der Leistung des Motors im A-Klasse-PKW von Mercedes überein, das auf der Autobahn bis zu 56 mpg liefert.

Dies bedeutet nicht, dass Benzin-Kolbenmotoren verschwinden werden. Es ist klar, dass die Tage des 100LL-Flugbenzins immer kürzer werden und Alternativen erforderlich sein werden, um den Bedarf der allgemeinen Luftfahrt zu decken, zu der allein in den Vereinigten Staaten rund 225.000 kolbengetriebene Flugzeuge gehören. In Anbetracht der Innovationen, die Motorenhersteller in den vergangenen Jahrzehnten seit dem Sieg von Charlie Taylor erreicht haben, gibt es keinen Grund anzweifeln, dass die Zukunft der Entwicklung von Kolbenflugzeugen genauso glänzend sein wird wie ihre geschichtsträchtige Vergangenheit.

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