Kraftstoff für Hubkolbenmotoren – AVGAS
Hubkolbenmotoren verbrennen Benzin, auch bekannt als AVGAS. Es ist speziell für den Einsatz in Flugzeugtriebwerken formuliert. Durch die Verbrennung wird im Kraftstoff Energie freigesetzt, die in die mechanische Bewegung des Motors umgewandelt wird. AVGAS jeglicher Art ist in erster Linie eine Kohlenwasserstoffverbindung, die durch fraktionierte Destillation aus Rohöl raffiniert wird. Flugbenzin unterscheidet sich von dem Kraftstoff, der für die Verwendung in Flugzeugen mit Turbinenantrieb raffiniert wird. AVGAS ist sehr flüchtig und hochentzündlich mit einem niedrigen Flammpunkt. Turbinenkraftstoff ist ein kerosinartiger Kraftstoff mit einem viel höheren Flammpunkt, daher ist er weniger entflammbar.
Flugzeugtriebwerke müssen unter einem breiten Spektrum anspruchsvoller Bedingungen funktionieren. Sie müssen leicht sein und in einem weiten Bereich von Atmosphären- und Motorbetriebstemperaturen eine erhebliche Leistung erbringen. Das verwendete Benzin muss eine ununterbrochene Verbrennung in diesem Bereich unterstützen und muss wirklich brennen, anstatt zu explodieren oder zu detonieren. Das sorgt für maximale Leistungsentfaltung und minimalen Motorverschleiß. Im Laufe der Jahre war AVGAS in verschiedenen Formeln erhältlich. Diese korrelieren meist damit, wie viel Energie erzeugt werden kann, ohne dass der Treibstoff explodiert. Größere Motoren mit hoher Verdichtung benötigen Kraftstoff mit einer größeren potenziellen Leistungserzeugung ohne Detonation als kleinere Motoren mit niedriger Verdichtung.
Volatilität
Eine der wichtigsten Eigenschaften eines Flugzeugtreibstoffs ist seine Flüchtigkeit. Flüchtigkeit ist ein Begriff, der verwendet wird, um zu beschreiben, wie schnell eine Substanz von einer Flüssigkeit in einen Dampf übergeht. Für Hubkolbenmotoren ist hochflüchtiger Kraftstoff erwünscht. Flüssigbenzin, das dem Vergaser des Ansaugsystems des Motors zugeführt wird, muss im Vergaser verdampfen, um im Motor zu verbrennen. Kraftstoff mit geringer Flüchtigkeit verdampft langsam. Dies kann zu hartem Motorstart, langsamem Aufwärmen und schlechter Beschleunigung führen. Es kann auch zu einer ungleichmäßigen Verteilung des Kraftstoffs auf die Zylinder und zu einer übermäßigen Verdünnung des Öls im Kurbelgehäuse bei Motoren führen, die mit Ölverdünnungssystemen ausgestattet sind. Kraftstoff kann jedoch auch zu flüchtig sein, was zu Detonation und Dampfblasenbildung führt.
AVGAS ist eine Mischung aus zahlreichen Kohlenwasserstoffverbindungen mit jeweils unterschiedlichen Siedepunkten und Flüchtigkeiten. Eine gerade Kette flüchtiger Verbindungen erzeugt einen Kraftstoff, der beim Starten leicht verdampft, aber auch Kraft durch die Beschleunigungs- und Leistungsbereiche des Motors liefert.
Dampfsperre
Dampfblasenbildung ist ein Zustand, in dem AVGAS in der Kraftstoffleitung oder anderen Komponenten zwischen dem Kraftstofftank und dem Vergaser verdampft. Dies tritt typischerweise an warmen Tagen in Flugzeugen mit motorbetriebenen Kraftstoffpumpen auf, die Kraftstoff aus dem/den Tank(s) ansaugen. Dampfblasenbildung kann durch übermäßig heißen Kraftstoff, niedrigen Druck oder übermäßige Turbulenzen des durch das Kraftstoffsystem fließenden Kraftstoffs verursacht werden. In jedem Fall verdampft flüssiger Kraftstoff vorzeitig und blockiert den Fluss von flüssigem Kraftstoff zum Vergaser.
Flugzeugbenzin wird raffiniert, um einen Dampfdruck zwischen 5,5 Pfund pro Quadratzoll (psi) und 7,0 psi bei 100 °F zu haben. Bei diesem Druck ist ein Flugzeugkraftstoffsystem so ausgelegt, dass es flüssigen Kraftstoff an den Vergaser liefert, wenn es von einer motorbetriebenen Kraftstoffpumpe aus dem Tank gezogen wird. Aber die Temperaturen im Kraftstoffsystem können an einem heißen Tag unter der Motorhaube 100 °F überschreiten. Kraftstoff kann verdampfen, bevor er den Vergaser erreicht, insbesondere wenn er unter niedrigem Druck durch eine Leitung gezogen wird oder wenn er beim Navigieren durch eine scharfe Biegung im Schlauch wirbelt. Erschwerend kommt hinzu, dass bei einem schnellen Steigflug eines Flugzeugs der Druck auf den Treibstoff im Tank sinkt, während der Treibstoff noch warm ist. Dies führt zu einer erhöhten Kraftstoffverdampfung, die auch zu einer Dampfsperre führen kann.
Es können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden, um eine Dampfsperre zu verhindern. Am gebräuchlichsten ist die Verwendung von Druckerhöhungspumpen, die sich im Kraftstofftank befinden und flüssigen Kraftstoff unter Druck zum Motor treiben.
Vergaser Vereisung
Wenn Kraftstoff verdampft, entzieht er seiner Umgebung Energie, um seinen Zustand von einer Flüssigkeit in einen Dampf zu ändern. Dies kann ein Problem sein, wenn Wasser vorhanden ist. Wenn Kraftstoff im Vergaser verdampft, kann Wasser im Kraftstoff-Luft-Gemisch gefrieren und sich im Vergaser und Kraftstoffansaugsystem ablagern. Die Kraftstoffauslassdüse, das Drosselventil, das Venturi oder einfach die Wände des Ansaugsystems können alle Eis entwickeln. Wenn sich Eis bildet, schränkt es den Kraftstoff-Luft-Strom ein und führt zu einem Verlust der Motorleistung. In schweren Fällen hört der Motor auf zu laufen.
Vergaservereisung tritt am häufigsten bei Umgebungstemperaturen von 30–40 °F auf, kann aber bei viel höheren Temperaturen auftreten, insbesondere unter feuchten Bedingungen. Die meisten Flugzeuge sind mit einer Vergaserheizung ausgestattet, um diese Bedrohung durch die hohe Flüchtigkeit des Treibstoffs und das Vorhandensein von Feuchtigkeit zu beseitigen.
Aromatische Brennstoffe
Der Flugbenzinmarkt ist ein relativ kleiner Teil des gesamten Benzinmarktes. AVGAS-Hersteller sind wenige. In früheren Jahren, als dies weniger der Fall war, wurden teilweise beträchtliche Mengen an aromatischen Kohlenwasserstoffen hinzugefügt, um die fette Mischungsleistung von AVGAS zu erhöhen. Es wurde hauptsächlich in Hubkolbenmotoren mit hoher Leistung wie Militär- und Transportflugzeugen verwendet. Für den Einsatz aromatischer Brennstoffe waren spezielle Schläuche und Dichtungen erforderlich. Diese Zusätze sind nicht mehr erhältlich.
Detonation
Detonation ist die schnelle, unkontrollierte Explosion von Kraftstoff aufgrund von hohem Druck und hoher Temperatur in der Brennkammer. Die Kraftstoff-Luft-Ladung zündet und explodiert, bevor der Funke des Zündsystems sie entzündet. Gelegentlich kommt es zu einer Detonation, wenn der Kraftstoff über die Zündkerze gezündet wird, aber explodiert, bevor er fertig gebrannt ist.
Der Motor ist nicht dafür ausgelegt, den durch eine Detonation verursachten Kräften standzuhalten. Es wird dafür gesorgt, dass es sich reibungslos dreht, indem das Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Brennkammer verbrennt und sich gerichtet über die Oberseite des Kolbens ausbreitet. Wenn dies geschieht, drückt eine reibungslose Übertragung der vom brennenden Kraftstoff entwickelten Kraft den Kolben nach unten. Die Detonation des Kraftstoffs sendet stattdessen eine Stoßkraftwelle gegen die Oberseite des Kolbens, die wiederum durch den Kolben auf den Kolbenbolzen, die Pleuelstange und die Kurbelwelle übertragen wird. Auch der Ventilbetrieb wird durch diese Stoßwelle beeinträchtigt. Kurz gesagt, die Explosion des Kraftstoffs, der in der Brennkammer explodiert, überträgt die im Kraftstoff enthaltene Energie hart auf den gesamten Motor und verursacht Schäden.
Flugkraftstoffe werden raffiniert und gemischt, um eine Detonation zu vermeiden. Jeder hat einen Zündpunkt und eine Verbrennungsgeschwindigkeit bei bestimmten Kraftstoff-Luft-Mischungsverhältnissen, auf die sich die Hersteller verlassen, um Motoren zu konstruieren, die ohne Detonation arbeiten können. Ein Motor, der im Feld eine Detonation erfährt, sollte untersucht werden. Ein Klingeln oder Klopfen ist ein Zeichen für eine Detonation. Dies ist in einem Flugzeug aufgrund des Propellerspitzengeräuschs oft schwieriger zu erkennen als in einem Auto. Klopfen verursacht einen Anstieg der Zylinderkopftemperatur.
Wenn sie ignoriert oder fortgesetzt wird, kann eine Detonation schließlich zu einem Motorschaden führen. Ursachen für die Detonation sind unter anderem falscher Kraftstoff, bereits hohe Motortemperatur bei hohen Leistungseinstellungen, wie z. B. beim Start, Vorzündung des Kraftstoffs, längerer Betrieb mit extrem magerem Gemisch und Betrieb bei hohen Umdrehungen pro Minute (U / min) mit niedriger Fluggeschwindigkeit.
Oberflächenzündung und Vorzündung
Eine scharfe Ablagerung oder ein glühender Punkt in der Verbrennungskammer kann dazu führen, dass sich Kraftstoff entzündet, bevor die Zündkerze ihn entzündet. Eine Detonation kann dazu führen, dass sich ein solcher Bereich bildet, ebenso wie ein gerissener Zündkerzenisolator oder eine scharfe Ventilkante. Das Ergebnis könnte eine Zündung des Kraftstoffs sein, bevor sich der Kolben während seiner Bewegung zum oberen Totpunkt des Verdichtungshubs an der richtigen Stelle befindet. Die verlängerte Brenndauer des Kraftstoffs kann Temperaturen und Druck in der Verbrennungskammer bis zu dem Punkt erhöhen, an dem der Kraftstoff explodiert. Die wiederholte falsche Flammenausbreitung und Detonation kann schwere Motorschäden und schließlich einen Motorausfall verursachen.
Das Wartungspersonal muss sicherstellen, dass der richtige Kraftstoff verwendet und der Motor ordnungsgemäß betrieben wird. Zündkerzen und Ventile sollten auf Verschleiß geprüft werden. Auch Anzeichen von Ablagerungen und Detonationen müssen untersucht und behoben werden.
Bewertung von Oktanzahl und Leistungszahl
Oktanzahlen und Leistungszahlen werden Kraftstoffen gegeben, um ihre Detonationsbeständigkeit zu beschreiben. Kraftstoffe mit hohem kritischen Druck und hohen Oktanzahlen bzw. Leistungszahlen haben den größten Widerstand. Zur Bewertung des Kraftstoffs wird ein Referenzierungssystem verwendet. Es wird ein Gemisch aus zwei Kohlenwasserstoffen, Isooctan (C8H18) und Heptan (C7H16), verwendet. Verschiedene Verhältnisse der beiden Kohlenwasserstoffe in einer Mischung führen zu proportionalen Antidetonationseigenschaften. Je mehr Isooktan in der Mischung enthalten ist, desto höher ist die Detonationsbeständigkeit.
Wenn ein Kraftstoff den gleichen kritischen Druck wie eine Referenzmischung dieser beiden Kohlenwasserstoffe hat, wird gesagt, dass er eine Oktanzahl hat, die gleich ist wie der Prozentsatz des Isooktans in dieser Referenzmischung. Ein Kraftstoff mit 80 Oktan hat die gleiche Detonationsbeständigkeit wie eine Mischung aus 80 Prozent Isooktan und 20 Prozent Heptan; ein Kraftstoff mit 90 Oktan hat die gleiche Detonationsbeständigkeit wie eine Mischung aus 90 Prozent Isooktan und 10 Prozent Heptan; und ein 100-Oktan-Kraftstoff hat die gleiche Detonationsbeständigkeit wie 100 Prozent reines Isooktan. Durch den Vergleich der Detonationsneigung eines Kraftstoffs mit Referenzmischungen aus Isooktan und Heptan können Oktanzahlen von 80 bis 100 ermittelt werden. Der Kraftstoff mit der höchsten Oktanzahl, der mit diesem Messsystem möglich ist, ist 100-Oktan-Kraftstoff.
Um die Antidetonationseigenschaften des Kraftstoffs zu erhöhen, können Substanzen zugesetzt werden. Tetraethylblei (TEL) ist das häufigste Additiv, das den kritischen Druck und die kritische Temperatur eines Kraftstoffs erhöht. Damit das TEL keine festen Ablagerungen im Brennraum hinterlässt, müssen aber noch weitere Zusätze wie Ethylendibromid und Trikresylphosphat zugesetzt werden.
Die einem Kraftstoff zugesetzte TEL-Menge kann erhöht werden, um die Antidetonationseigenschaften von 80 auf das Niveau von 100 Oktan und höher anzuheben. Bezugnahmen auf Oktaneigenschaften über 100 Prozent Isooktan werden gemacht, indem die Antidetonationseigenschaften des Kraftstoffs auf eine Mischung aus reinem Isooktan und bestimmten Mengen an TEL bezogen werden. Den speziellen Mischungen aus Iso-Oktan und TEL werden willkürliche Oktanzahlen über 100 zugeordnet. Neben der Verbesserung der Anti-Klopf-Eigenschaften eines Kraftstoffs schmiert TEL auch die Motorventile.
Leistungszahlen werden auch verwendet, um die Antidetonationseigenschaften von Kraftstoff zu charakterisieren. Eine Leistungszahl besteht aus zwei Zahlen (z. B. 80/87, 100/130, 115/145), wobei höhere Zahlen einen höheren Detonationswiderstand anzeigen. Die erste Zahl gibt die Oktanzahl des Kraftstoffs in einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch an, und die zweite Zahl gibt die Oktanzahl des Kraftstoffs in einem fetten Gemisch an.
Aufgrund der geringen Größe des weltweiten Flugbenzinmarktes ist ein einziger bleiarmer Kraftstoff mit 100 Oktan (100LL) als einziges AVGAS für alle Flugzeuge mit Hubkolbenmotoren erwünscht. Dies führt zu Problemen bei Motoren, die ursprünglich für den Betrieb mit 80/87-Kraftstoff ausgelegt waren. Der bleiarme Kraftstoff mit 100 Oktan enthält immer noch mehr Blei als der Kraftstoff mit 80 Oktan. Zündkerzenverschmutzung war üblich und es traten kürzere Zeiten zwischen den Überholungen auf. Andere Motoren, die für 91/96-Kraftstoff oder 100/130-Kraftstoff ausgelegt sind, arbeiten zufriedenstellend mit 100 LL, die 2 Milliliter TEL pro Gallone enthalten (ausreichend, um die Ventile zu schmieren und die Detonation zu kontrollieren). Aus Umweltgründen wird AVGAS ohne TEL für die Luftfahrtflotte der Zukunft gesucht.
Kraftstoffidentifikation
Flugzeug- und Triebwerkshersteller benennen zugelassene Kraftstoffe für jedes Flugzeug und jeden Triebwerk. Konsultieren Sie die Herstellerangaben und verwenden Sie nur die darin angegebenen Kraftstoffe.
Das Vorhandensein von mehr als einem Kraftstoff macht es zwingend erforderlich, dass Kraftstoff eindeutig identifiziert und niemals in ein Kraftstoffsystem eingeführt wird, das nicht dafür ausgelegt ist. Die Verwendung von Farbstoffen im Kraftstoff hilft Fliegern bei der Überwachung des Kraftstofftyps. 100LL AVGAS ist das AVGAS, das in den Vereinigten Staaten am leichtesten erhältlich ist und verwendet wird. Es ist blau gefärbt. Etwa 100 Oktan oder 100/130 Kraftstoff sind möglicherweise noch verfügbar, aber er ist grün gefärbt.
80/87 AVGAS ist nicht mehr verfügbar. Es war rot gefärbt. Viele ergänzende Musterzulassungen wurden für Triebwerke und Triebwerk/Flugzeugkombinationen ausgestellt, die die Verwendung von Autobenzin in Triebwerken zulassen, die ursprünglich für rotes AVGAS ausgelegt waren. Ein relativ neuer AVGAS-Kraftstoff, 82UL (bleifrei), wurde für diese Gruppe von Motoren mit relativ niedriger Verdichtung eingeführt. Es ist lila gefärbt.
115/145 AVGAS ist ein Kraftstoff, der für große, leistungsstarke Hubkolbenmotoren aus der Zeit des Zweiten Weltkriegs entwickelt wurde. Es ist nur auf Sonderbestellung von Raffinerien erhältlich und ist auch violett gefärbt.
Auf die Farbe des Kraftstoffs kann in älteren Wartungshandbüchern verwiesen werden. Alle Sorten von Kerosin sind farblos oder strohfarben. Dies unterscheidet sie von AVGAS jeglicher Art, die Farbstoffe irgendeiner Farbe enthalten. Sollte AVGAS-Kraftstoff keine erkennbare Farbe haben, sollte die Ursache untersucht werden. Einige Farbveränderungen wirken sich möglicherweise nicht auf den Kraftstoff aus. In anderen Fällen kann eine Farbänderung ein Signal dafür sein, dass Kraftstoffe gemischt oder auf irgendeine Weise verunreinigt wurden. Geben Sie kein Flugzeug mit unbekanntem Treibstoff an Bord für den Flug frei.
Die Identifizierung von Kraftstoff und die Sicherstellung, dass der richtige Kraftstoff in Lagertanks, Tankwagen und Flugzeugkraftstofftanks geliefert wird, ist ein Prozess, der durch Etikettierung unterstützt wird. Es werden Abziehbilder und Markierungen in den gleichen Farben wie die AVGAS-Farben verwendet. Lieferwagen und Schläuche sind ebenso gekennzeichnet wie Tankdeckel und Einfüllbereiche von Flugzeugtanks. Jet-Fuel-Einfüllstutzen sind zu groß dimensioniert, um in eine AVGAS-Tankeinfüllöffnung zu passen.
Reinheit
Die Verwendung von Filtern in den verschiedenen Phasen des Transports und der Lagerung von AVGAS entfernt die meisten Fremdstoffe aus dem Kraftstoff. Einmal in den Kraftstofftanks des Flugzeugs angekommen, sollten sich Ablagerungen in den Abflusswannen der Kraftstofftanks absetzen, um vor dem Flug entfernt zu werden. Filter und Siebe im Flugzeugkraftstoffsystem können verbleibende Sedimente erfolgreich auffangen.
Die Reinheit von Flugbenzin wird am häufigsten durch Wasser beeinträchtigt. Mit genügend Zeit setzt sich auch Wasser in den Sümpfen ab. Wasser wird jedoch von den Filtern und Sieben des Flugzeugs nicht so leicht entfernt wie feste Partikel. Es kann auch dann in den Treibstoff gelangen, wenn das Flugzeug mit aufgesetzten Tankdeckeln auf der Rampe geparkt ist. Luft im Dampfraum des Tanks über dem flüssigen Kraftstoff enthält Wasserdampf. Durch Temperaturschwankungen kondensiert der Wasserdampf an der Innenfläche der Tanks und setzt sich im flüssigen Kraftstoff ab. Letztendlich setzt sich dies im Sumpf ab, aber etwas kann im Treibstoff verbleiben, wenn das Flugzeug geflogen werden soll.
Das richtige Verfahren zur Minimierung des Eindringens von Wasser in Flugzeugtreibstoff besteht darin, die Treibstofftanks des Flugzeugs unmittelbar nach jedem Flug zu füllen. Dies minimiert die Größe des Dampfraums über dem flüssigen Kraftstoff und die im Tank vorhandene Menge an Luft und damit verbundenem Wasserdampf. Wenn übermäßig viel Wasser in das Kraftstoffsystem gesaugt wird, gelangt es durch die Vergaserdüsen, wo es den reibungslosen Betrieb des/der Motors/Motoren unterbrechen kann.
Wenn Wasser mitgerissen oder im Kraftstoff gelöst ist, kann es nicht durch Entleeren der Ölwanne(n) und Filterschalen vor dem Flug entfernt werden. Es kann jedoch genug Wasser vorhanden sein, damit Vereisung ein Problem darstellt. Wenn das Flugzeug steigt und Kraftstoff aus den Tanks gezogen wird, kühlt die Kraftstoffversorgung ab. Mitgerissenes und gelöstes Wasser im Kraftstoff wird aus der Lösung gezwungen und wird zu freiem Wasser. Wenn es kühl genug ist, bilden sich eher Eiskristalle als flüssiges Wasser. Diese können Filter verstopfen und den Kraftstofffluss zu den Motoren stören. Sowohl AVGAS als auch Flugzeugtreibstoff haben diese Art von Wasserverunreinigungsproblemen, die zu einer Vereisung führen, die überwacht und behandelt werden muss.
Kraftstoff-Anti-Eis-Additive können dem Massenkraftstoff und auch direkt in den Flugzeugkraftstofftank gegeben werden, normalerweise während des Auftankens. Dies sind im Grunde Diethylenglykollösungen, die als Frostschutzmittel wirken. Sie lösen sich in freiem Wasser auf, wenn es aus dem Kraftstoff austritt, und senken dessen Gefrierpunkt.
