Flugzeugmotor oder Triebwerk - Aircraft Engine or Powerplant
Ein Flugzeugmotor oder Triebwerk erzeugt Schub, um ein Flugzeug anzutreiben. Kolbenmotoren und Turboprop-Motoren arbeiten in Kombination mit einem Propeller, um Schub zu erzeugen. Turbojet- und Turbofan-Triebwerke erzeugen Schub, indem sie die Geschwindigkeit der durch das Triebwerk strömenden Luft erhöhen. Alle diese Triebwerke treiben auch die verschiedenen Systeme an, die den Betrieb eines Flugzeugs unterstützen.
Hubkolbenmotoren
Die meisten Kleinflugzeuge sind mit Hubkolbenmotoren konstruiert. Der Name leitet sich von der hin- und hergehenden oder hin- und hergehenden Bewegung der Kolben ab, die die zum Ausführen der Arbeit erforderliche mechanische Energie erzeugt.
Angetrieben von einer Wiederbelebung der allgemeinen Luftfahrtindustrie (GA) und Fortschritten sowohl im Material- als auch im Motordesign hat sich die Hubkolbenmotortechnologie in den letzten zwei Jahrzehnten dramatisch verbessert. Die Integration computergestützter Motormanagementsysteme hat die Kraftstoffeffizienz verbessert, die Emissionen verringert und die Arbeitsbelastung des Piloten verringert.
Hubkolbenmotoren arbeiten nach dem Grundprinzip der Umwandlung chemischer Energie (Kraftstoff) in mechanische Energie. Diese Umwandlung findet in den Zylindern des Motors durch den Verbrennungsprozess statt. Die beiden primären Hubkolbenmotorkonstruktionen sind die Funkenzündung und die Kompressionszündung. Der Hubkolbenmotor mit Fremdzündung dient seit vielen Jahren als Antrieb der Wahl. Um die Betriebskosten zu senken, das Design zu vereinfachen und die Zuverlässigkeit zu verbessern, wenden sich mehrere Motorhersteller der Kompressionszündung als praktikable Alternative zu. Kompressionszündungsmotoren, die oft als Jet-Fuel-Kolbenmotoren bezeichnet werden, haben den zusätzlichen Vorteil, leicht erhältlichen und kostengünstigeren Diesel- oder Jet-Treibstoff zu verwenden.
Die wichtigsten mechanischen Komponenten des Fremdzündungs- und des Kompressionszündungsmotors sind im Wesentlichen gleich. Beide verwenden zylindrische Brennkammern und Kolben, die sich über die Länge der Zylinder bewegen, um eine lineare Bewegung in die Drehbewegung der Kurbelwelle umzuwandeln. Der Hauptunterschied zwischen Funkenzündung und Kompressionszündung ist der Prozess der Zündung des Kraftstoffs. Fremdzündungsmotoren verwenden eine Zündkerze, um ein vorgemischtes Kraftstoff-Luft-Gemisch zu zünden. (Das Kraftstoff-Luft-Gemisch ist das Verhältnis des „Gewichts“ des Kraftstoffs zum „Gewicht“ der Luft in dem zu verbrennenden Gemisch.) Ein Motor mit Selbstzündung komprimiert zuerst die Luft im Zylinder und erhöht ihre Temperatur auf das erforderliche Maß automatische Zündung, wenn Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird.
Diese beiden Motorkonstruktionen können weiter klassifiziert werden als:
1. Zylinderanordnung in Bezug auf die Kurbelwelle – radial, in Reihe, V-Typ oder entgegengesetzt
2. Betriebszyklus – zwei oder vier
3. Kühlmethode – Flüssigkeit oder Luft
Sternmotoren waren während des Zweiten Weltkriegs weit verbreitet und viele sind noch heute in Betrieb. Bei diesen Motoren sind eine Reihe oder Reihen von Zylindern kreisförmig um das Kurbelgehäuse herum angeordnet. Der Hauptvorteil eines Sternmotors ist das günstige Leistungsgewicht.
Reihenmotoren haben eine vergleichsweise kleine Frontfläche, aber ihr Leistungsgewicht ist relativ gering. Außerdem erhalten die hintersten Zylinder eines luftgekühlten Reihenmotors nur sehr wenig Kühlluft, so dass diese Motoren normalerweise auf vier oder sechs Zylinder beschränkt sind. V-Motoren bieten mehr PS als Reihenmotoren und behalten dennoch eine kleine Stirnfläche.
Kontinuierliche Verbesserungen des Triebwerksdesigns führten zur Entwicklung des horizontal gegenüberliegenden Triebwerks, das nach wie vor das beliebteste Hubkolbentriebwerk ist, das in kleineren Flugzeugen verwendet wird. Diese Motoren haben immer eine gerade Zylinderzahl, da ein Zylinder auf der einen Seite des Kurbelgehäuses einem Zylinder auf der anderen Seite „gegenübersteht“. Die meisten dieser Triebwerke sind luftgekühlt und werden normalerweise in einer horizontalen Position montiert, wenn sie in Flächenflugzeugen installiert werden. Motoren vom entgegengesetzten Typ haben ein hohes Leistungsgewicht, weil sie ein vergleichsweise kleines, leichtes Kurbelgehäuse haben. Darüber hinaus reduziert die kompakte Zylinderanordnung die Stirnfläche des Motors und ermöglicht einen stromlinienförmigen Einbau, der den Luftwiderstand minimiert.
Je nach Motorhersteller können alle diese Anordnungen so ausgelegt sein, dass sie Funken- oder Kompressionszündung verwenden und entweder in einem Zwei- oder Viertaktzyklus arbeiten.
Bei einem Zweitaktmotor erfolgt die Umwandlung von chemischer Energie in mechanische Energie über einen Zweitakt-Arbeitszyklus. Die Ansaug-, Kompressions-, Leistungs- und Auslassvorgänge erfolgen in nur zwei Kolbenhüben und nicht in den üblicheren vier Hüben. Da ein Zweitaktmotor bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle einen Arbeitstakt hat, hat er typischerweise ein höheres Leistungsgewicht als ein vergleichbarer Viertaktmotor. Aufgrund der inhärenten Ineffizienz und unverhältnismäßigen Emissionen der frühesten Konstruktionen war die Verwendung des Zweitaktmotors in der Luftfahrt begrenzt.
Jüngste Fortschritte im Material- und Motordesign haben viele der negativen Eigenschaften reduziert, die mit Zweitaktmotoren verbunden sind. Moderne Zweitaktmotoren verwenden häufig herkömmliche Ölwannen, Ölpumpen und volldruckgespeiste Schmiersysteme. Die Verwendung von direkter Kraftstoffeinspritzung und Druckluft, die für fortschrittliche Kompressionszündungsmotoren charakteristisch sind, machen Zweitakt-Kompressionszündungsmotoren zu einer praktikablen Alternative zu den üblicheren Viertakt-Funkenzündungskonstruktionen.
Viertaktmotoren mit Funkenzündung sind nach wie vor die am weitesten verbreitete Konstruktion, die heute in GA verwendet wird. Die Hauptteile eines Hubkolbenmotors mit Funkenzündung umfassen die Zylinder, das Kurbelgehäuse und das Zubehörgehäuse. Die Einlass-/Auslassventile, Zündkerzen und Kolben befinden sich in den Zylindern. Die Kurbelwelle und die Pleuel befinden sich im Kurbelgehäuse. Die Zündmagnete befinden sich normalerweise am Zubehörgehäuse des Motors.
Bei einem Viertaktmotor erfolgt die Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie über einen Viertakt-Arbeitszyklus. Die Ansaug-, Kompressions-, Leistungs- und Auslassvorgänge erfolgen in vier separaten Hüben des Kolbens in der folgenden Reihenfolge.
1. Der Ansaughub beginnt, wenn der Kolben seine Abwärtsbewegung beginnt. Dabei öffnet das Einlassventil und das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird in den Zylinder gesaugt.
2. Der Verdichtungshub beginnt, wenn das Einlassventil schließt, und der Kolben beginnt, sich zurück zur Oberseite des Zylinders zu bewegen. Diese Phase des Zyklus wird verwendet, um eine viel größere Leistungsabgabe aus dem Kraftstoff-Luft-Gemisch zu erhalten, sobald es gezündet ist.
3. Der Arbeitstakt beginnt, wenn das Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird. Dies verursacht einen enormen Druckanstieg im Zylinder und drückt den Kolben nach unten weg vom Zylinderkopf, wodurch die Kraft erzeugt wird, die die Kurbelwelle dreht.
4. Der Auspufftakt wird verwendet, um den Zylinder von verbrannten Gasen zu spülen. Es beginnt, wenn das Auslassventil öffnet und der Kolben beginnt, sich wieder in Richtung Zylinderkopf zu bewegen.
Selbst wenn der Motor mit einer ziemlich niedrigen Drehzahl betrieben wird, findet der Viertaktzyklus mehrere hundert Mal pro Minute statt. Bei einem Vierzylindermotor arbeitet jeder Zylinder mit einem anderen Takt. Die kontinuierliche Drehung einer Kurbelwelle wird durch die präzise zeitliche Abstimmung der Arbeitshübe in jedem Zylinder aufrechterhalten. Der kontinuierliche Betrieb des Motors hängt von der gleichzeitigen Funktion von Hilfssystemen ab, einschließlich der Ansaug-, Zünd-, Kraftstoff-, Öl-, Kühl- und Abgassysteme.
Der jüngste Fortschritt bei Hubkolbenmotoren für Flugzeuge wurde Mitte der 1960er Jahre von Frank Thielert entwickelt, der in der Automobilindustrie nach Antworten suchte, wie man Dieseltechnologie in einen Flugzeugmotor integrieren kann. Der Vorteil eines dieselbetriebenen Hubkolbenmotors liegt in der physikalischen Ähnlichkeit von Diesel und Kerosin. Flugzeuge, die mit einem Diesel-Kolbenmotor ausgestattet sind, werden mit Standard-Flugbenzin Kerosin betrieben, was für mehr Unabhängigkeit, höhere Zuverlässigkeit, geringeren Verbrauch und Einsparungen bei den Betriebskosten sorgt.
1999 gründete Thielert Thielert Aircraft Engines (TAE), um einen brandneuen Dieselmotor mit Jet-A-Verbrennung (auch bekannt als Jet-Fuel-Kolbenmotor) für die GA-Industrie zu entwerfen, zu entwickeln, zu zertifizieren und herzustellen. Bis März 2001 wurde der erste Prototypmotor zum ersten zertifizierten Dieselmotor seit dem Zweiten Weltkrieg. TAE entwirft und entwickelt weiterhin Dieselmotoren, und andere Motorenhersteller wie die Société de Motorisations Aéronautiques (SMA) bieten jetzt auch Kolbenmotoren mit Düsenantrieb an. TAE-Motoren finden sich im Diamond DA40 Single und im DA42 Twin Star; der erste Dieselmotor, der Teil der Musterzulassung eines neuen Flugzeugs eines Originalgeräteherstellers (OEM) ist.
Diese Motoren haben mit einem ergänzenden Musterzertifikat (STC) zur Überarbeitung der Cessna 172-Modelle und der Piper PA-28-Familie auch auf dem Nachrüstmarkt Fuß gefasst. Die Technologie der düsenbetriebenen Kolbenmotoren hat sich kontinuierlich weiterentwickelt, und eine digitale Triebwerkssteuerung mit voller Autorität (FADEC, ausführlicher später in diesem Kapitel besprochen) ist Standard bei derart ausgestatteten Flugzeugen, was die Komplikationen der Triebwerkssteuerung minimiert. Bis 2007 hatten verschiedene Kolbenflugzeuge mit Düsenantrieb weit über 600.000 Betriebsstunden absolviert.
Propeller
Der Propeller ist ein rotierendes Tragflächenprofil, das induziertem Luftwiderstand, Strömungsabriss und anderen aerodynamischen Prinzipien ausgesetzt ist, die für jedes Tragflächenprofil gelten. Es liefert den nötigen Schub, um das Flugzeug durch die Luft zu ziehen oder in einigen Fällen zu schieben. Die Motorleistung wird verwendet, um den Propeller zu drehen, der wiederum Schub erzeugt, der der Art und Weise, wie ein Flügel Auftrieb erzeugt, sehr ähnlich ist. Die erzeugte Schubkraft hängt von der Form des Tragflächenprofils, dem Anstellwinkel (AOA) des Propellerblatts und der Umdrehungen pro Minute (U/min) des Triebwerks ab. Der Propeller selbst ist verdreht, sodass sich der Blattwinkel von der Nabe zur Spitze ändert. Der größte Einfallswinkel oder die höchste Steigung befindet sich an der Nabe, während der kleinste Einfallswinkel oder die kleinste Steigung an der Spitze liegt.
Der Grund für die Verdrehung besteht darin, einen gleichmäßigen Auftrieb von der Nabe bis zur Spitze zu erzeugen. Wenn sich die Klinge dreht, gibt es einen Unterschied in der tatsächlichen Geschwindigkeit der verschiedenen Abschnitte der Klinge. Die Blattspitze bewegt sich schneller als der Teil in der Nähe der Nabe, da die Spitze in der gleichen Zeit eine größere Strecke zurücklegt als die Nabe. Die Änderung des Einfallswinkels (Steigung) von der Nabe zur Spitze, um der Geschwindigkeit zu entsprechen, erzeugt einen gleichmäßigen Auftrieb über die gesamte Länge des Blattes. Ein Propellerblatt, das über seine gesamte Länge mit dem gleichen Einfallswinkel ausgelegt ist, wäre ineffizient, da der Abschnitt in der Nähe der Nabe mit zunehmender Fluggeschwindigkeit im Flug einen negativen AOA aufweisen würde, während die Blattspitze abgewürgt würde. Kleine Flugzeuge sind mit einem von zwei Arten von Propellern ausgestattet: mit fester Steigung oder mit verstellbarer Steigung.
Festpropeller
Ein Propeller mit festen Blattwinkeln ist ein Festpropeller. Die Steigung dieses Propellers wird vom Hersteller eingestellt und kann nicht verändert werden. Da ein Festpropeller nur bei einer bestimmten Kombination aus Fluggeschwindigkeit und Drehzahl den besten Wirkungsgrad erreicht, ist die Steigungseinstellung weder für den Reiseflug noch für den Steigflug ideal. Dadurch leidet das Flugzeug in jeder Leistungsklasse etwas. Der Festpropeller wird verwendet, wenn geringes Gewicht, Einfachheit und niedrige Kosten erforderlich sind.
Es gibt zwei Arten von Festpropellern: Steig- und Reiseflug. Ob das Flugzeug einen Steig- oder Reisepropeller hat, hängt von seiner beabsichtigten Verwendung ab. Der Steigpropeller hat eine geringere Steigung, daher weniger Luftwiderstand. Weniger Luftwiderstand führt zu höheren Drehzahlen und mehr Pferdestärken, was die Leistung bei Starts und Steigflügen erhöht, aber die Leistung während des Reiseflugs verringert.
Der Reisepropeller hat eine höhere Steigung, daher mehr Luftwiderstand. Mehr Luftwiderstand führt zu niedrigeren Drehzahlen und weniger Pferdestärken, was die Leistung bei Starts und Steigflügen verringert, aber die Effizienz während des Reiseflugs erhöht.
Der Propeller ist normalerweise auf einer Welle montiert, die eine Verlängerung der Motorkurbelwelle sein kann. In diesem Fall wäre die Drehzahl des Propellers gleich der Drehzahl der Kurbelwelle. Bei einigen Motoren ist der Propeller auf einer Welle montiert, die mit der Kurbelwelle des Motors verzahnt ist. Bei diesem Typ unterscheidet sich die Drehzahl des Propellers von der des Motors.
Bei einem Festpropeller ist der Drehzahlmesser der Indikator für die Motorleistung. Ein Tachometer ist in Hunderten von U/min kalibriert und zeigt direkt die Motor- und Propellerdrehzahl an. Das Instrument ist mit einem grünen Bogen farbcodiert, der die maximale Dauerbetriebsdrehzahl anzeigt. Einige Drehzahlmesser haben zusätzliche Markierungen, um Motor- und/oder Propellerbeschränkungen widerzuspiegeln. Die Empfehlungen des Herstellers sollten als Referenz verwendet werden, um Missverständnisse in Bezug auf Tachometermarkierungen zu klären.
Die Drehzahl wird durch die Drossel geregelt, die den Kraftstoff-Luft-Strom zum Motor steuert. Je höher der Tachometerstand in einer bestimmten Höhe, desto höher die Leistungsabgabe des Motors.
Wenn die Betriebshöhe zunimmt, zeigt der Drehzahlmesser möglicherweise nicht die korrekte Leistungsabgabe des Motors an. Zum Beispiel erzeugen 2.300 U/min bei 5.000 Fuß weniger PS als 2.300 U/min auf Meereshöhe, da die Leistungsabgabe von der Luftdichte abhängt. Die Luftdichte nimmt mit zunehmender Höhe ab, und eine Abnahme der Luftdichte (Höhe mit höherer Dichte) verringert die Leistungsabgabe des Motors. Wenn sich die Höhe ändert, muss die Position des Gashebels geändert werden, um die gleiche Drehzahl beizubehalten. Mit zunehmender Höhe muss der Gashebel weiter geöffnet werden, um die gleiche Drehzahl wie in einer geringeren Höhe anzuzeigen.
Verstellbarer Propeller
Der Verstellpropeller war der Vorläufer des Gleichlaufpropellers. Es ist ein Propeller mit Blättern, deren Steigung am Boden bei stehendem Motor, aber nicht im Flug eingestellt werden kann. Er wird auch als bodenverstellbarer Propeller bezeichnet. In den 1930er Jahren legten Pioniere der Luftfahrt die Grundlagen für automatische Pitch-Change-Mechanismen, weshalb sich der Begriff manchmal auf moderne Propeller mit konstanter Geschwindigkeit bezieht, die im Flug einstellbar sind.
Die ersten Propellersysteme mit verstellbarer Steigung boten nur zwei Steigungseinstellungen: niedrig und hoch. Heutzutage sind die meisten Propellersysteme mit verstellbarer Steigung in der Lage, eine Reihe von Steigungseinstellungen vorzunehmen.
Ein Propeller mit konstanter Drehzahl ist ein Propeller mit steuerbarer Steigung, dessen Steigung im Flug automatisch durch einen Regler variiert wird, der trotz unterschiedlicher Luftlasten eine konstante Drehzahl aufrechterhält. Es ist die häufigste Art von Verstellpropellern. Der Hauptvorteil eines Propellers mit konstanter Drehzahl besteht darin, dass er einen hohen Prozentsatz der Bremsleistung (BHP) in Schubleistung (THP) über einen weiten Bereich von Drehzahl- und Fluggeschwindigkeitskombinationen umwandelt. Ein Propeller mit konstanter Drehzahl ist effizienter als andere Propeller, da er die Auswahl der effizientesten Motordrehzahl für die gegebenen Bedingungen ermöglicht.
Ein Flugzeug mit einem Propeller mit konstanter Geschwindigkeit hat zwei Steuerungen: die Drosselklappen- und die Propellersteuerung. Der Gashebel steuert die Leistungsabgabe und die Propellersteuerung regelt die Motordrehzahl. Dieser regelt die Propellerdrehzahl, die auf dem Drehzahlmesser registriert wird.
Sobald eine bestimmte Drehzahl ausgewählt ist, passt ein Regler automatisch den Propellerblattwinkel nach Bedarf an, um die ausgewählte Drehzahl beizubehalten. Beispielsweise bewirkt nach dem Einstellen der gewünschten Drehzahl während des Reiseflugs eine Erhöhung der Fluggeschwindigkeit oder eine Verringerung der Propellerlast, dass der Winkel des Propellerblatts so weit ansteigt, wie es erforderlich ist, um die ausgewählte Drehzahl beizubehalten. Eine Verringerung der Fluggeschwindigkeit oder eine Erhöhung der Propellerlast führt zu einer Verringerung des Propellerblattwinkels.
Der Bereich konstanter Geschwindigkeit des Propellers, der durch die hohen und niedrigen Anstellwinkel definiert ist, ist der Bereich möglicher Blattwinkel für einen Propeller mit konstanter Geschwindigkeit. Solange der Winkel des Propellerblatts innerhalb des Bereichs konstanter Geschwindigkeit liegt und nicht gegen einen der Pitch-Anschläge, wird eine konstante Motordrehzahl aufrechterhalten. Wenn die Propellerblätter einen Pitch-Stopp berühren, erhöht oder verringert sich die Motordrehzahl je nach Bedarf mit Änderungen der Fluggeschwindigkeit und Propellerlast. Wenn beispielsweise nach Auswahl einer bestimmten Drehzahl die Flugzeuggeschwindigkeit so weit abnimmt, dass sich die Propellerblätter drehen, bis sie den Anschlag mit niedriger Steigung berühren, führt jede weitere Verringerung der Fluggeschwindigkeit dazu, dass die Motordrehzahl auf die gleiche Weise abnimmt wie bei einem Propeller mit fester Steigung wurden installiert. Dasselbe gilt, wenn ein Flugzeug, das mit einem Propeller mit konstanter Geschwindigkeit ausgestattet ist, auf eine höhere Fluggeschwindigkeit beschleunigt. Wenn das Flugzeug beschleunigt, erhöht sich der Propellerblattwinkel, um die gewählte Drehzahl beizubehalten, bis der Anschlag mit hoher Steigung erreicht ist. Sobald dies eintritt, kann der Blattwinkel nicht weiter zunehmen und die Motordrehzahl steigt.
Bei Flugzeugen, die mit einem Propeller mit konstanter Drehzahl ausgestattet sind, wird die Leistungsabgabe durch die Drosselklappe gesteuert und durch ein Manometer am Krümmer angezeigt. Das Manometer misst den absoluten Druck des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Ansaugkrümmer und ist genauer gesagt ein Maß für den absoluten Druck im Krümmer (MAP). Bei konstanter Drehzahl und Höhe steht die erzeugte Leistung in direktem Zusammenhang mit dem Kraftstoff-Luft-Gemisch, das der Brennkammer zugeführt wird. Wenn die Drosselklappeneinstellung erhöht wird, strömt mehr Kraftstoff und Luft zum Motor und der MAP erhöht sich. Wenn der Motor nicht läuft, zeigt die Saugrohrdruckanzeige den Umgebungsluftdruck an (dh 29,92 Zoll Quecksilbersäule (29,92 "Hg)). Wenn der Motor gestartet wird, sinkt die Saugrohrdruckanzeige auf einen Wert unter dem Umgebungsdruck (dh Leerlauf). bei 12 "Hg).
Die Ladedruckanzeige ist farbkodiert, um den Betriebsbereich des Motors anzuzeigen. Die Vorderseite des Saugrohrdruckmanometers enthält einen grünen Bogen, um den normalen Betriebsbereich anzuzeigen, und eine rote radiale Linie, um die Obergrenze des Saugrohrdrucks anzuzeigen.
Für jede gegebene Drehzahl gibt es einen Krümmerdruck, der nicht überschritten werden sollte. Wenn der Krümmerdruck für eine gegebene Drehzahl zu hoch ist, könnte der Druck in den Zylindern überschritten werden, wodurch die Zylinder übermäßig belastet werden. Wenn diese Belastung zu häufig wiederholt wird, kann sie die Zylinderkomponenten schwächen und schließlich einen Motorschaden verursachen.
Ein Pilot kann Bedingungen vermeiden, die die Zylinder überlasten, indem er sich ständig der Drehzahl bewusst ist, insbesondere wenn der Ladedruck erhöht wird. Beachten Sie die Empfehlungen des Herstellers für die Leistungseinstellungen eines bestimmten Motors, um das richtige Verhältnis zwischen Saugrohrdruck und Drehzahl aufrechtzuerhalten.
Wenn sowohl der Saugrohrdruck als auch die Drehzahl geändert werden müssen, vermeiden Sie eine Überlastung des Motors, indem Sie die Leistungsanpassungen in der richtigen Reihenfolge vornehmen:
• Wenn die Leistungseinstellungen verringert werden, reduzieren Sie den Saugrohrdruck, bevor Sie die Drehzahl reduzieren. Wenn die Drehzahl vor dem Saugrohrdruck reduziert wird, erhöht sich automatisch der Saugrohrdruck und überschreitet möglicherweise die Herstellertoleranzen.
• Wenn die Leistungseinstellungen erhöht werden, kehren Sie die Reihenfolge um – erhöhen Sie zuerst die Drehzahl, dann den Saugrohrdruck.
• Um Schäden an Sternmotoren zu vermeiden, minimieren Sie die Betriebszeit bei maximaler Drehzahl und maximalem Saugrohrdruck und vermeiden Sie den Betrieb bei maximaler Drehzahl und niedrigem Saugrohrdruck.
Die Empfehlungen des Motor- und/oder Flugzeugherstellers sollten befolgt werden, um starken Verschleiß, Ermüdung und Schäden an Hochleistungs-Hubkolbenmotoren zu vermeiden.
Propellerüberdrehzahl in Flugzeugen mit Kolbenmotor
Am 17. März 2010 hat die Federal Aviation Administration (FAA) das Special Airworthiness Information Bulletin (SAIB) CE-10-21 herausgegeben. Das Thema war Propeller/Propulser; Propeller-Überdrehzahl in Flugzeugen mit Kolbenmotor, um Bediener, Piloten und Flugzeughersteller auf Bedenken hinsichtlich einer optimalen Reaktion auf eine Propeller-Überdrehzahl in Flugzeugen mit Kolbenmotor mit Propellern mit variabler Steigung aufmerksam zu machen. Obwohl eine SAIB nicht regulatorischer Natur ist, empfiehlt die FAA, dass die Informationen gelesen und für die Flugsicherheit berücksichtigt werden.
Das Dokument erklärt, dass ein einmotoriges Flugzeug während des Reiseflugs in 7.000 Fuß eine Propellerüberdrehzahl hatte. Der Pilot berichtete, dass die Anwendung von Gas zu einer Überdrehzahl des Propellers ohne nennenswerten Schub führte. Der Pilot versuchte, zu einem nahe gelegenen Flughafen zu gleiten und stellte die „beste Gleitgeschwindigkeit“ von 110 Knoten ein, wie im Pilot's Operating Handbook (POH) veröffentlicht, konnte den Flughafen jedoch nicht erreichen und musste eine Landung außerhalb des Feldes durchführen.
Es wurde weiter erklärt, dass festgestellt wurde, dass der Propeller einen Fehler hatte, der dazu führte, dass sich der Mechanismus zur Änderung der Blattsteigung in die Stoppposition für niedrige Steigung bewegte. Dies führte dazu, dass der Propeller als Festpropeller arbeitete, so dass er seine Drehzahl mit Änderungen der Leistung und Fluggeschwindigkeit änderte. Die niedrige Steigungseinstellung ermöglicht maximale Leistung während des Starts, kann jedoch bei einer höheren Fluggeschwindigkeit zu einer Überdrehzahl des Propellers führen.
Für das jeweilige Flugzeugmodell, das an diesem Vorfall beteiligt war, wurde eine Leistungsbewertung des Flugzustands durchgeführt. Diese Bewertung zeigte, dass eine niedrigere Fluggeschwindigkeit als die beste Gleitgeschwindigkeit zu einem erhöhten Schub geführt hätte, der es dem Piloten ermöglicht hätte, einen Horizontalflug beizubehalten. Es gibt zahlreiche Variablen in Flugzeugen, Triebwerken und Propellern, die die Flugzeugleistung beeinflussen. Bei einigen Flugzeugmodellen ist die veröffentlichte beste Gleitgeschwindigkeit möglicherweise nicht niedrig genug, um in dieser Situation (Propellerblätter in niedriger Anstellposition) einen ausreichenden Schub für eine bestimmte Propellerinstallation zu erzeugen.
Die Betreiber von Luftfahrzeugen mit Propellern mit variabler Steigung sollten sich darüber im Klaren sein, dass in bestimmten Fällen von Propellerüberdrehzahl die zur Aufrechterhaltung des Horizontalflugs erforderliche Fluggeschwindigkeit von der Geschwindigkeit abweichen kann, die mit der besten Gleitgeschwindigkeit bei ausgeschaltetem Motor verbunden ist. Die entsprechenden Notfallverfahren sollten befolgt werden, um die Notfallsituation im Falle einer Propellerüberdrehzahl zu entschärfen; Piloten sollten sich jedoch darüber im Klaren sein, dass eine gewisse Verringerung der Fluggeschwindigkeit dazu führen kann, dass weiterhin ein sicherer Flug und eine sichere Landung möglich sind. Die Bestimmung einer Fluggeschwindigkeit, die besser geeignet ist als die beste Gleitgeschwindigkeit bei ausgeschaltetem Motor, sollte nur in einer sicheren Höhe durchgeführt werden, wenn der Pilot Zeit hat, eine andere Vorgehensweise als die sofortige Landung zu bestimmen.
Induktionssysteme
Das Ansaugsystem saugt Luft von außen an, mischt sie mit Kraftstoff und führt das Kraftstoff-Luft-Gemisch dem Zylinder zu, wo die Verbrennung stattfindet. Außenluft tritt durch eine Einlassöffnung an der Vorderseite der Motorhaube in das Ansaugsystem ein. Dieser Anschluss enthält normalerweise einen Luftfilter, der das Eindringen von Staub und anderen Fremdkörpern verhindert. Da der Filter gelegentlich verstopfen kann, muss eine alternative Luftquelle verfügbar sein. Normalerweise kommt die alternative Luft aus dem Inneren der Motorhaube, wo sie einen verstopften Luftfilter umgeht. Einige alternative Luftquellen funktionieren automatisch, während andere manuell arbeiten.
In kleinen Flugzeugtriebwerken werden üblicherweise zwei Arten von Ansaugsystemen verwendet:
1. Das Vergasersystem mischt Kraftstoff und Luft im Vergaser, bevor dieses Gemisch in den Ansaugkrümmer gelangt.
2. Das Kraftstoffeinspritzsystem mischt den Kraftstoff und die Luft unmittelbar vor dem Eintritt in jeden Zylinder oder spritzt Kraftstoff direkt in jeden Zylinder ein.
Vergasersysteme
Flugzeugvergaser werden in zwei Kategorien eingeteilt: Schwimmervergaser und Druckvergaser. Schwimmervergaser mit Leerlauf-, Beschleunigungs-, Gemischregelungs-, Leerlaufabschaltungs- und Leistungsanreicherungssystemen sind die häufigsten der beiden Vergasertypen. Druckvergaser sind in der Regel bei Kleinflugzeugen nicht zu finden. Der grundsätzliche Unterschied zwischen einem Schwimmer- und einem Druckvergaser ist die Kraftstoffförderung. Der Druckvergaser fördert Kraftstoff unter Druck durch eine Kraftstoffpumpe.
Beim Betrieb der Schwimmervergaseranlage durchströmt die Außenluft zunächst einen Luftfilter, der sich üblicherweise an einem Lufteinlass im vorderen Teil der Motorhaube befindet. Diese gefilterte Luft strömt in den Vergaser und durch ein Venturi, eine enge Kehle im Vergaser. Wenn die Luft durch das Venturi strömt, entsteht ein Niederdruckbereich, der den Kraftstoff dazu zwingt, durch eine Hauptkraftstoffdüse zu strömen, die sich am Hals befindet. Der Kraftstoff strömt dann in den Luftstrom, wo er sich mit der strömenden Luft vermischt.
Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird dann durch den Ansaugkrümmer und in die Brennkammern gesaugt, wo es gezündet wird. Der Schwimmervergaser hat seinen Namen von einem Schwimmer, der in der Schwimmerkammer auf Kraftstoff ruht. Eine am Schwimmer befestigte Nadel öffnet und schließt eine Öffnung am Boden des Vergasergehäuses. Dieser dosiert die in den Vergaser eintretende Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von der Position des Schwimmers, die durch den Kraftstoffstand in der Schwimmerkammer gesteuert wird. Wenn der Kraftstoffstand den Schwimmer zum Ansteigen zwingt, schließt das Nadelventil die Kraftstofföffnung und unterbricht den Kraftstofffluss zum Vergaser. Das Nadelventil öffnet wieder, wenn der Motor zusätzlichen Kraftstoff benötigt. Die Strömung des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu den Brennkammern wird durch die Drosselklappe reguliert, die von der Drosselklappe im Flugdeck gesteuert wird.
Der Schwimmervergaser hat mehrere deutliche Nachteile. Erstens funktionieren sie bei abrupten Manövern nicht gut. Zweitens führt das Ablassen von Kraftstoff bei niedrigem Druck zu unvollständiger Verdampfung und Schwierigkeiten beim Abgeben von Kraftstoff in einige Arten von aufgeladenen Systemen. Der Hauptnachteil des Schwimmervergasers ist jedoch seine Vereisungsneigung. Da der Schwimmervergaser den Kraftstoff an einem Punkt mit niedrigem Druck abgeben muss, muss die Auslassdüse an der Venturi-Verengung und das Drosselventil auf der Motorseite der Auslassdüse angeordnet sein. Dies bedeutet, dass der Temperaturabfall aufgrund der Kraftstoffverdampfung innerhalb des Venturi erfolgt. Dadurch bildet sich leicht Eis im Venturi und an der Drosselklappe.
Ein Druckvergaser gibt Kraftstoff mit einem Druck weit über Atmosphärendruck in den Luftstrom ab. Dies führt zu einer besseren Verdampfung und ermöglicht die Abgabe von Kraftstoff in den Fahrtwind auf der Motorseite der Drosselklappe. Wenn sich die Auslassdüse in dieser Position befindet, findet eine Kraftstoffverdampfung statt, nachdem die Luft durch das Drosselventil geströmt ist und an einem Punkt, an dem der Temperaturabfall durch Wärme vom Motor ausgeglichen wird. Damit ist die Gefahr einer Kraftstoffverdampfungsvereisung praktisch eliminiert. Die Auswirkungen von schnellen Manövern und rauer Luft auf die Druckvergaser sind vernachlässigbar, da ihre Kraftstoffkammern unter allen Betriebsbedingungen gefüllt bleiben.
Mischungskontrolle
Vergaser werden normalerweise bei Luftdruck auf Meereshöhe kalibriert, bei dem das richtige Kraftstoff-Luft-Mischverhältnis hergestellt wird, wenn der Gemischregler auf die Position FULL RICH eingestellt ist. Mit zunehmender Höhe nimmt jedoch die Dichte der in den Vergaser eintretenden Luft ab, während die Dichte des Kraftstoffs gleich bleibt. Dadurch entsteht ein zunehmend fetteres Gemisch, das zu Motorrauhigkeiten und einem spürbaren Leistungsverlust führen kann. Die Rauheit ist normalerweise auf Zündkerzenverschmutzung durch übermäßige Kohlenstoffablagerungen an den Kerzen zurückzuführen. Kohlenstoffablagerungen treten auf, weil das fette Gemisch die Temperatur im Zylinder senkt und die vollständige Verbrennung des Kraftstoffs verhindert. Dieser Zustand kann während des Anlaufs vor dem Start auf Flughäfen in großer Höhe und während Steigflügen oder Reiseflügen in großen Höhen auftreten. Um das richtige Kraftstoff-Luft-Gemisch aufrechtzuerhalten, Das Gemisch muss mit dem Gemischregler abgemagert werden. Das Abmagern des Gemischs verringert den Kraftstofffluss, wodurch die verringerte Luftdichte in großer Höhe kompensiert wird.
Bei einem Abstieg aus großer Höhe muss das Kraftstoff-Luft-Gemisch angereichert werden, sonst kann es zu mager werden. Ein zu mageres Gemisch verursacht Klopfen, was zu unruhigem Motorlauf, Überhitzung und/oder Leistungsverlust führen kann. Der beste Weg, um das richtige Kraftstoff-Luft-Gemisch aufrechtzuerhalten, besteht darin, die Motortemperatur zu überwachen und das Gemisch nach Bedarf anzureichern. Eine ordnungsgemäße Gemischregelung und eine bessere Kraftstoffökonomie für Motoren mit Kraftstoffeinspritzung können durch Verwendung eines Abgastemperatur-(EGT-)Messgeräts erreicht werden. Da der Prozess der Einstellung des Gemischs von Flugzeug zu Flugzeug unterschiedlich sein kann, ist es wichtig, sich auf das Flugzeugflughandbuch (AFM) oder das POH zu beziehen, um die spezifischen Verfahren für ein bestimmtes Flugzeug zu bestimmen.
Vergaser Vereisung
Wie bereits erwähnt, ist ein Nachteil des Schwimmervergasers seine Vereisungsneigung. Vergasereis tritt aufgrund der Wirkung der Kraftstoffverdampfung und des Luftdruckabfalls im Venturi auf, was zu einem starken Temperaturabfall im Vergaser führt. Wenn Wasserdampf in der Luft kondensiert, wenn die Vergasertemperatur bei oder unter dem Gefrierpunkt liegt, kann sich auf den Innenflächen des Vergasers, einschließlich der Drosselklappe, Eis bilden.
Der verringerte Luftdruck sowie die Verdampfung von Kraftstoff tragen zur Temperaturabnahme im Vergaser bei. Eis bildet sich im Allgemeinen in der Nähe des Drosselventils und im Venturi-Hals. Dies schränkt die Strömung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ein und verringert die Leistung. Wenn sich genügend Eis ansammelt, kann der Motor aufhören zu arbeiten. Vergasereis tritt am wahrscheinlichsten auf, wenn die Temperaturen unter 70 Grad Fahrenheit (°F) oder 21 Grad Celsius (°C) liegen und die relative Luftfeuchtigkeit über 80 Prozent liegt. Durch die plötzliche Abkühlung des Vergasers kann es selbst bei Außentemperaturen von bis zu 38 °C und einer Luftfeuchtigkeit von nur 50 Prozent zu Vereisungen kommen. Dieser Temperaturabfall kann bis zu 60 bis 70 absolute (gegenüber relativen) Grad Fahrenheit betragen (70 x 100/180 = 38.
Das erste Anzeichen einer Vergaservereisung in einem Flugzeug mit einem Festpropeller ist eine Abnahme der Motordrehzahl, die von Motorrauhigkeit gefolgt werden kann. In einem Flugzeug mit einem Propeller mit konstanter Drehzahl wird die Vereisung des Vergasers normalerweise durch einen Abfall des Ladedrucks, aber nicht durch eine Verringerung der Drehzahl angezeigt. Die Propellersteigung wird automatisch angepasst, um Leistungsverluste auszugleichen. Somit wird eine konstante Drehzahl aufrechterhalten. Obwohl Vergasereis während jeder Flugphase auftreten kann, ist es besonders gefährlich, wenn während eines Sinkflugs reduzierte Leistung verwendet wird. Unter bestimmten Bedingungen kann sich Vergasereis unbemerkt bilden, bis Leistung hinzugefügt wird. Um die Auswirkungen von Vergasereis zu bekämpfen, verwenden Motoren mit Schwimmervergasern ein Vergaserheizsystem.
Vergaserhitze
Die Vergaserheizung ist ein Anti-Icing-System, das die Luft vorwärmt, bevor sie den Vergaser erreicht, und das Kraftstoff-Luft-Gemisch über dem Gefrierpunkt halten soll, um die Bildung von Vergasereis zu verhindern. Die Vergaserwärme kann zum Schmelzen von bereits im Vergaser gebildetem Eis verwendet werden, wenn die Ansammlung nicht zu groß ist, aber die Verwendung der Vergaserwärme als vorbeugende Maßnahme ist die bessere Option. Zusätzlich kann die Vergaserwärme als alternative Luftquelle verwendet werden, wenn der Einlassfilter verstopft, wie beispielsweise bei plötzlichen oder unerwarteten Vereisungsbedingungen der Flugzeugzelle. Die Vergaserwärme sollte während des Motorhochlaufs kontrolliert werden. Befolgen Sie bei der Verwendung von Vergaserwärme die Empfehlungen des Herstellers.
Wenn die Bedingungen während des Fluges einer Vergaservereisung förderlich sind, sollten regelmäßige Überprüfungen durchgeführt werden, um deren Vorhandensein festzustellen. Wenn dies erkannt wird, sollte der Vergaser sofort voll erhitzt und in der Position ON belassen werden, bis der Pilot sicher ist, dass das gesamte Eis entfernt wurde. Wenn Eis vorhanden ist, kann die Anwendung von teilweiser Hitze oder das Belassen der Hitze für eine unzureichende Zeit die Situation verschlimmern. In extremen Fällen von Vergaservereisung sollte auch nach dem Entfernen des Eises die volle Vergaserwärme verwendet werden, um eine weitere Eisbildung zu verhindern. Falls installiert, ist eine Vergasertemperaturanzeige nützlich, um zu bestimmen, wann die Vergaserwärme verwendet werden soll.
Wenn während des Fluges die Drosselklappe geschlossen wird, kühlt der Motor schnell ab und die Verdampfung des Kraftstoffs ist weniger vollständig, als wenn der Motor warm ist. Außerdem ist der Motor in diesem Zustand anfälliger für Vergaservereisung. Wenn eine Vereisung des Vergasers vermutet wird und ein Betrieb mit geschlossener Drosselklappe erwartet wird, stellen Sie die Vergaserheizung auf die volle EIN-Position, bevor Sie die Drosselklappe schließen, und lassen Sie sie während des Betriebs mit geschlossener Drosselklappe eingeschaltet. Die Wärme hilft beim Verdampfen des Kraftstoffs und hilft, die Bildung von Vergasereis zu verhindern. Öffnen Sie regelmäßig für einige Sekunden den Gashebel, um den Motor warm zu halten; Andernfalls liefert die Vergaserheizung möglicherweise nicht genügend Wärme, um eine Vereisung zu verhindern.
Die Nutzung der Vergaserwärme führt zu einer Abnahme der Motorleistung, manchmal bis zu 15 Prozent, da die erwärmte Luft eine geringere Dichte hat als die Außenluft, die in den Motor eingetreten ist. Dadurch wird die Mischung angereichert. Wenn Eis in einem Flugzeug mit Festpropeller vorhanden ist und Vergaserwärme verwendet wird, sinkt die Drehzahl, gefolgt von einem allmählichen Anstieg der Drehzahl, wenn das Eis schmilzt. Der Motor sollte auch ruhiger laufen, nachdem das Eis entfernt wurde. Ist kein Eis vorhanden, sinkt die Drehzahl und bleibt dann konstant. Wenn Vergaserwärme in einem Flugzeug mit einem Propeller mit konstanter Geschwindigkeit verwendet wird und Eis vorhanden ist, wird eine Abnahme des Krümmerdrucks bemerkt, gefolgt von einem allmählichen Anstieg. Wenn keine Vergaservereisung vorhanden ist, ist der allmähliche Anstieg des Ladedrucks nicht erkennbar, bis die Vergaserheizung abgeschaltet wird.
Es ist zwingend erforderlich, dass ein Pilot Vergasereis erkennt, wenn es sich während des Fluges bildet, um einen Verlust an Leistung, Höhe und/oder Fluggeschwindigkeit zu verhindern. Diese Symptome können manchmal von Vibrationen oder Motorrauhigkeit begleitet sein. Sobald ein Leistungsverlust festgestellt wird, sollten sofort Maßnahmen ergriffen werden, um bereits im Vergaser gebildetes Eis zu beseitigen und eine weitere Eisbildung zu verhindern. Dies wird erreicht, indem die volle Vergaserwärme zugeführt wird, was die Leistung weiter reduziert und Motorrauhigkeit verursachen kann, wenn geschmolzenes Eis durch den Motor fließt. Diese Symptome können je nach Schweregrad der Vereisung zwischen 30 Sekunden und mehreren Minuten anhalten. Während dieser Zeit muss der Pilot der Versuchung widerstehen, den Wärmeverbrauch des Vergasers zu verringern. Die Vergaserheizung muss in der Position „Voll heiß“ bleiben, bis die normale Leistung zurückkehrt.
Da die Verwendung von Vergaserwärme dazu neigt, die Leistung des Motors zu verringern und die Betriebstemperatur zu erhöhen, sollte Vergaserwärme nicht verwendet werden, wenn volle Leistung erforderlich ist (wie beim Start) oder während des normalen Motorbetriebs, außer um das Vorhandensein von zu prüfen , oder zu entfernen, Vergasereis.
Vergaserlufttemperaturanzeige
Einige Flugzeuge sind mit einer Vergaserlufttemperaturanzeige ausgestattet, die bei der Erkennung möglicher Vereisungsbedingungen hilfreich ist. Normalerweise ist die Vorderseite des Messgeräts in Grad Celsius kalibriert, wobei ein gelber Bogen die Lufttemperaturen des Vergasers anzeigt, bei denen Vereisung auftreten kann. Dieser gelbe Bogen liegt typischerweise zwischen –15 °C und +5 °C (5 °F und 41 °F). Wenn die Lufttemperatur und der Feuchtigkeitsgehalt der Luft so sind, dass eine Vergaservereisung unwahrscheinlich ist, kann der Motor mit der Anzeige im gelben Bereich ohne Beeinträchtigung betrieben werden. Wenn die atmosphärischen Bedingungen eine Vergaservereisung begünstigen, muss der Indikator durch Anwendung von Vergaserwärme außerhalb des gelben Bogens gehalten werden.
Bestimmte Vergaserlufttemperaturanzeigen haben einen roten Kreis, der die vom Motorhersteller empfohlene maximal zulässige Lufttemperatur am Vergasereinlass anzeigt. Falls vorhanden, zeigt ein grüner Bogen den normalen Betriebsbereich an.
Außenlufttemperaturanzeige
Die meisten Flugzeuge sind außerdem mit einem Außenlufttemperaturmesser (OAT) ausgestattet, der sowohl in Grad Celsius als auch in Fahrenheit kalibriert ist. Es liefert die Außen- oder Umgebungslufttemperatur zur Berechnung der wahren Fluggeschwindigkeit und ist nützlich, um potenzielle Vereisungsbedingungen zu erkennen.
Kraftstoffeinspritzsysteme
In einem Kraftstoffeinspritzsystem wird der Kraftstoff direkt in die Zylinder oder kurz vor dem Einlassventil eingespritzt. Der Lufteinlass für das Kraftstoffeinspritzsystem ähnelt dem eines Vergasersystems, wobei sich eine alternative Luftquelle in der Motorhaube befindet. Diese Quelle wird verwendet, wenn die externe Luftquelle blockiert ist. Die alternative Luftquelle wird normalerweise automatisch betrieben, mit einem manuellen Backup-System, das verwendet werden kann, wenn die automatische Funktion nicht funktioniert.
Ein Kraftstoffeinspritzsystem umfasst normalerweise sechs grundlegende Komponenten: eine motorbetriebene Kraftstoffpumpe, eine Kraftstoff-Luft-Steuereinheit, einen Kraftstoffverteiler (Kraftstoffverteiler), Auslassdüsen, eine Hilfskraftstoffpumpe und Kraftstoffdruck-/Durchflussanzeiger.
Die Hilfskraftstoffpumpe liefert Kraftstoff unter Druck an die Kraftstoff-Luft-Steuereinheit zum Anlassen des Motors und/oder für Notfälle. Nach dem Start fördert die motorbetriebene Kraftstoffpumpe Kraftstoff unter Druck vom Kraftstofftank zum Kraftstoff-Luft-Steuergerät.
Diese Steuereinheit, die im Wesentlichen den Vergaser ersetzt, dosiert den Kraftstoff basierend auf der Gemischsteuerungseinstellung und sendet ihn mit einer von der Drosselklappe gesteuerten Rate an das Kraftstoffverteilerventil.
Nach Erreichen des Kraftstoffverteilerventils wird der Kraftstoff auf die einzelnen Kraftstoffaustrittsdüsen verteilt. Die Auslassdüsen, die sich in jedem Zylinderkopf befinden, spritzen das Kraftstoff-Luft-Gemisch direkt in jeden Zylindereinlasskanal ein.
Ein Kraftstoffeinspritzsystem gilt als weniger anfällig für Vereisung als ein Vergasersystem, aber eine Aufprallvereisung am Lufteinlass ist bei beiden Systemen möglich. Aufprallvereisung tritt auf, wenn sich Eis an der Außenseite des Flugzeugs bildet und Öffnungen wie den Lufteinlass für das Einspritzsystem blockiert.
Die folgenden Vorteile der Verwendung der Kraftstoffeinspritzung sind:
• Reduzierung der Verdunstungsvereisung
• Besserer Kraftstofffluss
• Schnellere Gasannahme
• Präzise Kontrolle der Mischung
• Bessere Kraftstoffverteilung
• Leichterer Start bei kaltem Wetter
Die folgenden Nachteile der Verwendung der Kraftstoffeinspritzung sind:
• Schwierigkeiten beim Starten eines heißen Motors
• Dampfblasen während des Bodenbetriebs an heißen Tagen
• Probleme im Zusammenhang mit dem Neustart eines Motors, der aufgrund von Kraftstoffmangel ausgeht
