8.10  Motorisierte Segelflugzeuge, Motoren und Propeller

Airframe, engines and propellers
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„Motorsegler“ sind Segelflugzeuge, die mit einem oder mehreren Triebwerken ausgerüstet sind und bei abgestellten Triebwerken die Eigenschaften eines Segelflugzeugs aufweisen. Als Triebwerke finden unterschiedliche Motoren Verwendung. Bei allen handelt es sich um mehr oder weniger komplizierte Systeme, die alle eines gemeinsam haben: 

  • sie brauchen Energiezufuhr, um Leistung abgeben zu können, 
  • sie müssen gekühlt werden, um Schäden zu vermeiden und
  • alle beweglichen Teile müssen gelagert und geschmiert werden.

Weiterhin spielt es eine Rolle, wo der Motor untergebracht wurde und wie die Energieumsetzung erfolgt. 

Diese wichtigen Voraussetzungen werden entweder bei den Motoren oder in einzelnen Abschnitten abgehandelt werden.  
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Zunächst wird unterschieden in Reisemotorsegler, eigenstartfähige Segelflugzeuge und Segelflugzeuge mit Heimkehrhilfen (Turbos). 

Reisemotorsegler (Touring Motor Glider - TMG) haben ein fest montiertes Triebwerk, das nicht einziehbar ist und der Propeller ist nicht versenkbar. Ein TMG muss gemäß dem Flughandbuch aus eigener Kraft starten und steigen können. 
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8 10 G109Reisemotorsegler G 109B  (Wikipedia) 
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Eigenstarter sind mit einem Motor ausgestattet, der ausreichend Leistung zur Verfügung stellt, um das Segelflugzeug selbstständig mit einer ausreichenden Steigrate starten zu lassen. In einer gewünschten Höhe kann der Motor abgestellt und der Propeller oder Motor eingefahren werden und der Motorsegler fliegt weiter wie ein normales Segelflugzeug. 
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8 10 DG808Eigenstartfähiges Segelflugzeug mit Hilfsmotor – DG 808B (C.Runge Wikipedia) 
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Turbos sind Motorsegler mit einem weniger starken Motor, mit dem ein Eigenstart nicht möglich ist und somit auf eine andere Startart, z.B. Windenstart, angewiesen sind. Der Motor ist einfacher und nur geeignet, um mit dem Motorsegler z.B. nach Thermikende zum Heimatflugplatz zurückzufliegen oder zu einem Thermikbart zu fliegen, der ohne Motorhilfe nicht erreichbar ist. 
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8 10 VentusVentus cT mit ausgeklapptem Hilfsmotor (Wikipedia) 
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8.10.1  Allgemeines

General

Eine grundlegende Unterscheidung ergibt sich aus der Antriebstechnik. Hier unterscheiden wir zunächst zwischen Verbrennungs- und Elektroantrieben.

Bei den Verbrennern erfolgt die kontinuierliche Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie ist nur dann möglich, wenn das gasförmige Arbeitsmedium seinen Zustand ändert, wobei eine Rückführung in den Ausgangszustand möglich sein muss. Maßgeblich für die mechanische Arbeit sind dabei Druck- und Volumenänderungen. Zur Darstellung dient das Druck-Volumen Arbeits-Diagramm, kurz p-V-Diagramm.

p-V-Diagramm des Verbrennungsmotors

Die kontinuierliche Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie ist nur dann möglich, wenn das gasförmige Arbeitsmedium seinen Zustand ändert, wobei eine Rückführung in den Ausgangszustand möglich sein muss. Maßgeblich für die mechanische Arbeit sind dabei Druck- und Volumenänderungen.

Im p-V-Diagramm werden diese Verhältnisse von Druck und Volumen von 4-Takt Verbrennungsmotoren während eines Arbeitszyklus dargestellt.

Im geschlossenen Raum steigt der Druck an, wenn das Volumen bzw. die Luft komprimiert wird. Mit steigendem Druck erhöht sich auch die Temperatur.

Die 4 Arbeitstakte bei Verbrennungsmotoren lauten:

  • 1 Ansaugen
  • 2 Verdichten
  • 3 Arbeiten
  • 4 Ausstoßen
 8 10 PV Diagramm

Die Verbrennungsprozesse werden vereinfacht, um das idealisierte Diagramme erstellen zu können. Dafür wird angenommen, dass die Verbrennung ideal und ohne Gasaustausch stattfindet. Der vereinfachte Arbeitszyklus des Ottomotors wird als Gleichraumprozess bezeichnet.

Bei dem Arbeitsprozess entstehen im Zylinder des Verbrennungsmotors extrem hohe Drücke sowie Temperaturen.

Bei der Verbrennung können Drücke von über 50 bar und Temperaturen von weit über 1000°C entstehen. Wärmezufuhr und Zustandsänderungen des gasförmigen Arbeitsmediums müssen in der Weise erfolgen, dass beim Durchlaufen des Kreisprozesses die von 1 bis 2 geleistete Arbeit größer ist als die Rückführarbeit von 2 bis 1. Die Fläche zwischen den beiden Kurven entspricht der gewinnbaren Arbeit: 𝐿 = ∮ 𝑉 𝑑p
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8.10.2  Antriebsarten

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Unter den Verbrennungsmotoren können wir zwischen dem Hub- und dem Kreiskolbenmotor unterscheiden, sowie dem Turbinentriebwerk.

Etwas moderner ist der inzwischen etablierte Elektroantrieb.
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Verbrennungsantriebe

In der Regel werden als Antriebsmaschinen immer noch Verbrennungskraftmaschinen verwendet. Sie erzeugen ihre Leistung, indem sie die im Kraftstoff gebundene chemische Energie durch Verbrennung in Wärme umwandeln, und diese Wärme in mechanische Arbeit.

Zur Umsetzung der Wärmeenergie in mechanische Arbeit wird die Wärme auf ein gasförmiges Arbeitsmedium übertragen, dessen Druck daraufhin ansteigt und bei der anschließenden Expansion Arbeit leistet. Die Umsetzung in mechanische Arbeit erfolgt meistens über Hubkolben-, selten über Drehkolben-(Wankel)-Triebwerke oder Turbinen.
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Turbinentriebwerk

In einem Turbinentriebwerk wird de einströmende Luft durch die Rotorblätter komprimiert, gelangt in die Brennkammern, wo sie zusammen mit einem Treibstoffgemisch verbrannt wird. Die ausströmenden Abgase sorgen für den Schub und treiben zugleich die Turbine an, die die Rotorblätter in Bewegung hält.

Durch diesen beschleunigten Luftmassenstrom (m) entsteht eine Kraft (F) mit einer Schubkraft F als Reaktion (F = m * a).
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8 10 Turbine SchnittAufbau eines Turbinentriebwerks, hier am Beispiel eines Turbojets (Wikipedia)
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Der Vorteil dieses Motortyps ist, die hohe Leistung und Schubkraft, bei vergleichsweise geringen Massen und Baugrößen. Dabei wird die Luft ohne den Eingriff eines Propellers beschleunigt und es dadurch weniger Energieverluste gibt. Auf der anderen Seite gibt es Energieverluste durch die Reibung der sehr hohen Ausströmgeschwindigkeit mit der Umgebungsluft (was deutlich hörbar ist).
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8 10 Turbine Bild

Turbinentriebwerk an dem Segelflugzeug "Duo Discus"  (Quelle: Coporaal)

Nachteilig ist, dass der Start des Turbinentriebwerks etwas Zeit und Aufmerksamkeit des Piloten bedarf. Nach dem Ausfahren des Triebwerks muss zunächst die Turbine durch einen Elektromotor auf Drehzahl gebracht werden, bevor das richtige Verdichtungsverhältnis in der Brennkammer erreicht ist und die Verbrennung gestartet werden kann. Dann muss die Turbine noch weiter die Drehzahl erhöhen, bevor der gewünschte Schub einsetzt. 10% Drehzahlabfall kann fast 50% Schub kosten.

Hinweis: Oft ist der Motor leicht gekippt, um zu verhindern, dass die heißen Abgase auf die Kieloberfläche treffen.
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Hubkolbentriebwerke (Otto-Motor)

Das Triebwerk des Hubkolbenmotors hat die Aufgabe, den bei der Verbrennung entstehenden Gasdruck in die Hubbewegung des Kolbens und diese über ein Schubkurbelgetriebe in das Nutzdrehmoment zu wandeln.

Neben der Aufgabe, die Gaskräfte auf die Pleuelstange zu übertragen, hat der Kolben folgende Funktionen:

  • Führung des kolbenseitigen Endes des Pleuels. Die Verbindung mit dem Pleuel stellt der Kolbenbolzen her.
  • Abstützung der Querkomponente der Pleuelstangenkraft am Zylinderrohr.
  • Abdichtung des Verbrennungsraums gegen das Kurbelgehäuse. Als Dichtelemente dienen die beiden oberen Kolbenringe. (Bei Druckumlaufschmierung sind zusätzlich Ölabstreifringe eingebaut, die den Ölhaushalt kontrollieren.) Durch ihre hohe Vorspannung sind die Kolbenringe hauptverantwortlich für die mechanische Reibung des Hubkolbenmotors.
  • Weiterleitung der auf seine Stirnfläche (Kolbenboden) übertragenen Verbrennungswärme.

Das Pleuel verbindet den Kolben mit der Kurbelwelle. Es trägt die Lager für den Kolbenbolzen und den Kurbelwellenzapfen. Die Kurbelwelle wandelt durch ihre Kröpfungen die Hubbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung. Sie wird in beiden Enden und bei Mehrzylindermotoren auch zwischen den einzelnen Kurbelzapfen gelagert.

Diese Lager nimmt das Kurbelgehäuse auf, ebenso die Zylinderrohre, die aber auch mit dem Kurbelgehäuse eine Einheit bilden können. Über das Kurbelgehäuse ist das Triebwerk an der Zelle aufgehängt, und es trägt die meisten Anbauaggregate.

Nach der anderen Seite hin sind die Zylinderrohre durch den Zylinderkopf abgeschlossen. Er bestimmt daher zusammen mit dem Kolbenboden die Form des Brennraums. Je nach Bauart des Motors nimmt er Ein- und Auslassventile, die Ventilsteuerung, Zündkerzen, Einspritzdüsen, Dekompressionsventil, Kühlkanäle und Fühler für die Zylinderkopftemperaturanzeige auf.

Durch die Beschleunigung der sich hin- und herbewegenden Triebwerksteile entstehen hohe Massenkräfte. Sie erzeugen Schwingungen, die sich über die Motoraufhängung auf die Zelle übertragen. Deswegen sind Maßnahmen erforderlich, die dem Massenausgleich dienen. Bei einem Einzylindermotor gelingt der Massenausgleich nur sehr unvollkommen, besonders wenn man ohne größere zusätzliche Ausgleichsmassen auskommen muss. Entsprechend schlecht ist die Laufruhe des Einzylindermotors.

Beim Mehrzylindermotor dagegen können sich bei entsprechender Gestaltung der Kurbelwelle die Kurbeltriebmassenkräfte gegenseitig aufheben. Besonders leicht gelingt dies bei Boxeranordnung der Zylinder. Daher findet man diese Bauform häufig bei Flugmotoren.

Gaswechsel

Da die Verbrennung im Arbeitsraum stattfindet, handelt es sich um innere Verbrennung. Das Brenngas dient gleichzeitig als Arbeitsmedium. Im Gegensatz zu einer Turbine läuft bei einem Kolbenmotor ein wiederkehrender Prozess ab (Kreisprozess):

  • Wärmeaufnahme,
  • Expansion (Arbeitsabgabe),
  • Rückführung des Arbeitsmediums auf seinen Ausgangszustand.

Ein Teil des Arbeitsmediums wird zur Verbrennung verbraucht (Sauerstoff) Der Ausgangszustand lässt sich nur dadurch wieder erreichen, dass das Arbeitsmedium ausgetauscht wird, also durch Ausschieben der Brenngasse und Zuführen von frischer Ladung. Dies bezeichnet man als eine offene Prozessführung mit Gaswechsel bei zyklischer Arbeitsweise.

Wenn der Gaswechsel bei jeder Kurbelwellenumdrehung am Ende der Gasexpansion (unterer Totpunkt UT) erfolgt, handelt es sich um das Zweitaktverfahren. Beim Viertaktverfahren findet dagegen nach jeder Verbrennung für den Gaswechsel ein separater Ausschub- und Ansaughub statt, was eine zweite Kurbelwellenumdrehung bedingt.

Viertaktmotor (Hubkolben)
Nach jedem Verdichtungs- und Verbrennungstakt ist eine zusätzliche Kurbelwellenumdrehung eingeschaltet, während der der Kolbenhub das verbrannte Gas durch das Auslassventil ausstößt und anschließend frisches durch das Einlassventil" ansaugt. Zur Steuerung der Ventile dient die Nockenwelle, die sich, angetrieben von der Kurbelwelle, mit halber Kurbelwellendrehzahl dreht.

Die Nocken betätigen entweder die Stößel oder direkt die Kipphebel, welche die Ventile gegen die Kraft der Ventilfedern öffnet.

Vorteile des Viertaktmotors:
  • gute Zylinderfüllung im gesamten Drehzahlbereich,
  • geringe Empfindlichkeit gegen schlecht angepasstes Auspuffsystem,
  • gute Steuerungsmöglichkeit des Gaswechsels
Nachteile:
  • aufwändige Ventilsteuerung,
  • hohes Leistungsgewicht
8 10 4 Stroke Engine with airflows numbers

Die Motorschmierung bei Viertaktmotoren erfolgt durch das Kurbelgehäuse-Spülsystem oder durch die Druckumlaufschmierung. Bei der Kurbelgehäuse-Spülung wird das Schmieröl in den Kurbelgehäusebereich des Motors geleitet, wo es die beweglichen Teile schmiert und abkühlt. Das Öl wird dann durch das Spülsystem zurück in den Öltank geleitet, wo es erneut verwendet werden kann. Bei der Druckumlaufschmierung wird das Schmieröl von einer Pumpe durch den Motor gepumpt und fließt durch Kanäle an die Schmierstellen. Das Öl wird dann zurück in den Öltank geleitet, wo es erneut verwendet werden kann, nachdem es durch den Ölkühler abgekühlt wurde.

Der Zweitaktmotor (Hubkolben)
Beim Zweitaktmotor erfolgt der Gaswechsel ohne eine zusätzliche Umdrehung der Kurbelwelle. Zum Ende der Expansion bzw. zu Beginn der Kompression wird das Gas getauscht. Zur Steuerung dient der Kolben, der im Bereich des unteren Totpunkts die im Zylindergehäuse angeordneten Ein- und Auslassschlitze überfährt. Dadurch kann fast ein Viertel des Kolbenhubs nicht zur Arbeitsgewinnung genutzt werden und die Kurzschlussspülung ist unbefriedigend. Als Spülpumpe dient die Unterseite des Kolbens, die die in das Kurbelgehäuse eingesaugte Frischluft verdichtet.
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Vorteile

des Zweitaktmotors:

  • einfacher Motoraufbau
  • geringes Gewicht
  • niedrige Herstellungskosten
  • günstiges Drehkraftdiagramm
8 10 Two Stroke Engine
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Nachteile

des Zweitaktmotors:

  • hoher Kraftstoffverbrauch,
  • hohe HC-Emission,
  • hohe Wärmebelastung,
  • schlechtes Leerlaufverhalten.

Zweitaktmotor (Wikipedia)

Die Motorschmierung bei Zweitaktmotoren erfolgt durch das Kurbelgehäuse-Spülsystem. Dabei wird das Schmieröl dem Kraftstoff im vorgeschriebenen Mischungsverhältnis beigegeben und gelangt an die Schmierstellen, wo es mit verbrannt wird. Dieses System wird heute noch bei vielen kleinen Zweitaktmotoren wie Rasenmähern, Motorsägen oder Mofas verwendet. Eine weitere Möglichkeit ist die Frischölschmierung, auch als Getrenntschmierung bezeichnet. Hierbei wird das Schmiermittel separat dem Motor durch eine Pumpe zugeführt und anschließend ebenfalls mit verbrannt. Vorteile sind die exaktere und bedarfsabhängige Dosierung im Vergleich zur Gemischschmierung, wodurch die Schmierungseigenschaften immer konstant gehalten werden können sowie der Ölverbrauch reduziert und die Abgasqualität verbessert wird. Ein Bild eines typischen Zweitakt-Klappmotor findest du, wenn du auf diesen Button  8 10 Luftgekühlter Zweizylinder Zweitaktmotor mit untersetztem Riemengetriebe  klickst.  

Der Wankel-Motor (Kreiskolben Viertaktmotor)
Der Kreiskolbenmotor besitzt einen dreiecksförmigen Kolben mit konvexen Seiten. Er befindet sich in einem Gehäuse mit einer ovalen, in der Mitte etwas eingeschnürten Innenkontur (Epitrochoide). Die drei Ecken des Kolbens berühren bei der Drehung immer die Innenwand des Gehäuses und bilden dadurch drei voneinander abgeschlossene Kammern. Zur Abdichtung sind in die Ecken und die Seitenflächen des Kolbens Dichtleisten eingelassen.
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Vorteile

des Kreiskolbenmotors:

  • vollkommener Massenausgleich
  • günstiger Drehkraftverlauf
  • kompakte Bauweise
  • kein Ventiltrieb
  • gutes Laufverhalten
8 10 69px Two Stroke Engine Wankelmotor (Wikipedia)
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Nachteile

des Kreiskolbenmotors:

  • ungünstige Brennraumform
  • hohe HC- Emission
  • hoher Kraftstoff- und Ölverbrauch
  • teuer in der Herstellung
  • Selbstzündung nicht möglich
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Bei der Drehung des Kolbens erweitert bzw. vermindert jede Kammer, - jeweils um 120° versetzt-, ihr Volumen, so dass in jeder Kammer pro Kolbenumdrehung ein kompletter Viertaktprozess ablaufen kann. Geführt wird der Kolben dabei durch seine Innenverzahnung (A), die sich auf einem gehäusefesten Ritzel abwälzt. Die Drehbewegung des Kolbens überträgt sich mit Hilfe eines Exzenters auf die Motorwelle (B), die sich mit der dreifachen Drehzahl des Kolbens bewegt.
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Vergaser, Einspritzung und Zündung

Carburettor or injection system, Ignition circuits

Bei Fremdzündung erfolgt die Verbrennungseinleitung durch einen elektrischen Funken (Ottomotor). Um Selbstzündung handelt es sich, wenn das Gemisch infolge Verdichtung die Zündtemperatur erreicht (Dieselmotor). Bei der Magnetzündung wird die für den Zündvorgang elektrische Energie für den Zündfunken aus einem vom Verbrennungsmotor angetriebenen elektrischen Generator gewonnen. Es bedarf keines zusätzlichen elektrischen Energiespeichers wie einer Batterie.

Merke: Der Motor kann daher trotz ausgeschalteter Zündung anspringen, wenn er noch heiß ist und das Kurzschlusskabel defekt ist.

Die Aufgabe des Kurzschlusskabels ist es, die Zündspannung der Magnetzündung von den Zündkerzen fernzuhalten. Erst beim Anlassen wird durch Drehen des Zündschlüssels und dem Ingangsetzen des Anlassers das Kurzschlusskabel vom Zündschalter unterbrochen.

Wenn die Gemischbildung außerhalb des Brennraums stattfindet, spricht man von äußerer Gemischbildung. Hierzu dient der Vergaser. Bei innerer Gemischbildung wird der Kraftstoff direkt in den Brennraum eingebracht. Dies ist beim Einspritzmotor der Fall.

Der Vergaser erzeugt durch Zerstäuben von Benzin in Luft ein verbrennungsfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch, das in den Brennraum des Motors geleitet wird. Der Vergaser besteht aus einem Lufttrichter, einem Drosselklappenventil, einer Hauptdüse und einer Leerlaufdüse. Der Lufttrichter sorgt dafür, dass die Luft gleichmäßig in den Vergaser strömt. Das Drosselklappenventil regelt die Menge der Luft, die in den Motor gelangt. Die Hauptdüse regelt die Menge des Kraftstoffs, der in den Luftstrom eingespritzt wird, während die Leerlaufdüse den Kraftstofffluss bei niedriger Drehzahl regelt. Typische Vergaser an einem Zweitakt-Klappmotor siehst du, wenn du auf diesen Button  8 10 Luftgekühlter Zweizylinder Zweitaktmotor mit untersetztem Riemengetriebe klickst.

Manchmal wird der Vergaser bewusst etwas „fetter“ eingestellt, damit mehr Benzin in den Brennraum gefördert wird, der dort der sogenannten inneren Kühlung des Motors dient. Dabei kühlt der überschüssige Kraftstoff nicht direkt, sondern verringert nur die Verbrennungstemperatur, was nebenbei zu einem erhöhtem Schadstoffausstoß führt, und die Zündkerzen verrußen kann.

Beim Einspritzmotor wird der Kraftstoff direkt in den Zylinder eingespritzt, anstatt wie bei der Saugrohreinspritzung hinter der Drosselklappe im Ansaugrohr. Schau dir die Funktionsweise genauer an:

  • Bei der Benzindirekteinspritzung wird der Kraftstoff mit einer Einspritzdüse unmittelbar in den Zylinder gespritzt.
  • Durch die Einlassventile wird ausschließlich Luft angesaugt.
  • Im Gegensatz zur äußeren Gemischbildung (Saugrohreinspritzung) erfolgt hier die innere Gemischbildung direkt im Brennraum.
  • Der hohe Einspritzdruck von etwa 200 bar sorgt für eine effiziente Vermischung von Kraftstoff und Luft.

Die Benzindirekteinspritzung wurde erstmals 1916 in einem Junkers-Flugmotor eingesetzt.

Nachteilig für Flugzeugmotoren sind die zusätzlichen Komponenten der Benzindirekteinspritzung (wie Hochdruckpumpe und Einspritzdüsen). Diese können das Gewicht erhöhen und beanspruchen mehr Platz und sind wartungsintensiver als Vergaser.

Insgesamt ist die Benzindirekteinspritzung eine vielversprechende Technologie, aber ihre Anwendung in Flugzeugmotoren erfordert sorgfältige Abwägungen zwischen Effizienz, Zuverlässigkeit und Wartungsaufwand.
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Triebwerkskühlung (Verbrennungsmotore)

Air cooling systems

Die Luftkühlung ist eine Methode zur Kühlung von Flugzeugmotoren, die auf der Verwendung von Luft basiert, die über den Motor strömt und die Wärme abführt. Luftgekühlte Motoren haben spezielle Kühlrippen, die an den Zylindern und Zylinderköpfen angebracht sind. Diese Kühlrippen erhöhen die Oberfläche des Motors und helfen dabei, die Wärme effektiver abzuführen. Typische Kühlrippen bei einem Zweitakt-Klappmotor siehst du, wenn du auf diesen Button  8 10 Luftgekühlter Zweizylinder Zweitaktmotor mit untersetztem Riemengetriebe klickst. Die Luft wird durch den Motor geleitet und nimmt dabei die Wärme auf. Wenn die heiße Luft den Motor verlässt, gibt sie ihre Wärme an die Umgebung ab und kühlt sich ab. Der Luftstrom wird durch den Propeller erzeugt, der Luft durch den Motor bläst und sie dann nach hinten ausstößt.

Eine Luftkühlung ist leichter als eine Flüssigkeitskühlung und kann nicht durch Kühlmittelverlust ausfallen, sie ist daher bei den meisten Flugmotoren üblich. Moderne Flugmotoren haben luftgekühlte Zylinder und flüssigkeitsgekühlte Zylinderköpfe.

Bei einigen Triebwerken wird auch nur das Triebwerk selbst dem Luftstrom (Fahrtwind) ausgesetzt (z.B. Turbine) bzw. über spezielle Lüftungskanäle zum Triebwerk geführt und die erwärmte Luft über Unterdrucköffnungen im Flug abgesaugt.
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8 10 Kühlrippen Kühlrippen am Zylinderkopf (Quelle: Tannenberg)
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In der Startphase läuft der Motor mit maximaler Leistung, hat aber aufgrund der geringen Fluggeschwindigkeit im Steigflug eine geringere Kühlung. Daher ist es wichtig, dass du immer mit Vollgas startest. Der Treibstoffüberschuss trägt hier etwas zur inneren Kühlung des Motors bei.

Die maximale Betriebsdauer eines Flugzeugmotors auf Startleistung hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z.B. der Art des Motors, der Umgebungstemperatur und dem Luftdruck. In der Regel wird die Startleistung nur für einen kurzen Zeitraum von etwa 5 bis 10 Minuten verwendet. Die genaue Dauer hängt jedoch von den spezifischen Anforderungen des Flugzeugs und des Motors ab. Es ist wichtig, dass die Betriebsdauer des Motors innerhalb der vom Hersteller empfohlenen Grenzen bleibt, um eine Überhitzung oder andere Schäden zu vermeiden.
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Kraftstoffanlage, Pumpen und Leitungen

Fuel system – Piston engine

Die Kraftstoffförderung erfolgt durch eine Kraftstoffpumpe, die den Kraftstoff aus dem Tank ansaugt und in den Motor fördert. Es gibt verschiedene Arten von Kraftstoffpumpen, darunter mechanische und elektrische Pumpen. Mechanische Pumpen werden von der Nocken- oder Verteilerwelle angetrieben, während elektrische Pumpen von einem Elektromotor angetrieben werden. Ältere TMG können Zusatzpumpen haben, die zum Start und zur Landung mit laufendem Triebwerk angeschaltet werden müssen.

Die Kraftstoffanlage in einem Flugzeug dient der Versorgung des verbrennungsmotorbetriebenen Flugzeugs mit Kraftstoff. Die meisten modernen Flugzeuge sind mit zwei oder mehr Kraftstofftanks in den Tragflächen ausgestattet. Die Tanks sind über ein Rohrsystem miteinander verbunden, sodass ein Volumenausgleich stattfinden kann.

Die im Tank enthaltene Kraftstoffmenge wird im Cockpit für jeden Tank durch die Tankanzeige dargestellt. Der aktuelle Kraftstoffverbrauch wird durch den Kraftstoff-Durchfluss-Messer im Cockpit angezeigt. Ein Tankwahlschalter im Cockpit erlaubt dem Piloten während des Fluges die Wahl zwischen den einzelnen Tanks.

Es gibt verschiedene Arten von Kraftstofftanks, darunter auch Zusatztanks, die zusätzlich zu den Standardtanks installiert werden können, um die Reichweite des Flugzeugs zu erhöhen.
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8 10 1 Kraftstoffanlage ZusatztankLong-Range Zusatztanks (Fotos: FG Gaggenau und Segelflugverein im DLR Oberpfaffenhofen
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Bedienung des Verbrennungsantriebs

Meist wird der Verbrennungsmotor mit einem elektrischen Anlasser gestartet. Wenn der Anlasser eingeschaltet wird, ist er über ein federbelastetes Zahnrad mit der Kurbelwelle gekoppelt, die sich ebenfalls zu drehen beginnt und alles in Bewegung setzt. Sobald der Startknopf losgelassen wird, hört der Anlasser auf, sich zu drehen und kuppelt von der Kurbelwelle ab. Diese Startmethode ist sowohl für den Boden-, als auch für den Luftstart geeignet.

Eine weitere Möglichkeit, den Motor in der Luft zu starten, ist die "Dekompression". Während des Fluges wird nach dem Abschalten des Triebwerks der Dekompressionsknopf betätigt. Dadurch wird ein Ventil geöffnet, das verhindert, dass die Zylinder unter Druck gesetzt werden. Der Propeller, der mit der Kurbelwelle verbunden ist, erfährt dann keinen Widerstand.

„Turbo“ Antrieb, Start über „Windmilling“ 

 8 10 Turbo Windmilling

Dies hat zur Folge, dass die Kurbelwelle durch das "Windmilling" schnell auf Drehzahl kommt. Bei einer bestimmten Geschwindigkeit wird der Dekompressionsknopf losgelassen und der Motor startet.

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, daher der Begriff Brandhahn.

Motoren mit Turbolader 

Ein Motor mit Turbolader hat bestimmte Bedienungsvorgaben, die unbedingt eingehalten werden müssen, da sonst die (Über)Lebensdauer des Motors stark eingeschränkt wird. Im schlimmsten Fall kannst du den Motor oder seine Zusatzausrüstungen zerstören. Daher sind die Vorgaben des Flughandbuchs streng zu berücksichtigen. 

Bei Turbomotoren ist darauf zu achten, dass beim Startlauf der Ladedruck in den Betriebsgrenzen bleibt. Falls der Turboregler den Ladedruck nicht abregelt, dann muss sofort die Leistung reduziert werden.

Nach der Landung sollte dein Augenmerk speziell auf dem Nachlauf des Motors im Leerlauf liegen. Hierbei muss der Turbo kontrolliert runtergekühlt werden. Dieses kann mehrere Minuten dauern.

Die Verfahren der Propellerverstellung im Flug und das Zusammenspiel zwischen Leistungshebel und Propellerverstellung wird dir dein Fluglehrer zeigen und erklären.
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Der Elektroantrieb

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Allgemeines

In Segelflugzeugen mit Hilfstriebwerk, aber auch in Reisemotorseglern und anderen Flugzeugen kommen Elektromotoren immer mehr zum Einsatz.

Elektrische Antriebe sind eine aufstrebende Technologie. Hier sind einige wichtige Informationen dazu:

Die AS 34 Me von Alexander Schleicher ist der erste eigenstartfähige Elektrosegler des Herstellers. Der 35 Kilowatt starke Emrax-Motor ermöglicht den Eigenstart und bietet zusätzliche 125 Kilometer Reichweite mit Motorkraft.

Die ASG 32 El ist ein weiteres elektrisches Segelflugzeug von Schleicher. Dieses Flugzeug verfügt ebenfalls über einen Elektroantrieb und hat eine Reichweite von bis zu 100 Kilometern.
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8 10 2xASLinks die ASG 32 El mit ausgeklapptem Triebwerk und rechts die AS 34 Me (Quelle: SCU)

Natürlich gibt es auch noch etliche andere Hersteller, die bereits e-Antriebe in ihren Flugzeugen verbauen. In Europa gibt es drei Hauptsysteme für Elektroantriebe, die alle von der EASA zertifiziert sind und sicher verwendet werden können. Drückst du auf diesen Button   8 10 ASG 32 E Triebwerk   erfährst du, wie ein elektrisches Klapptriebwerk mit Versorgungssystem in den Rumpf einer ASG 32 El eingebaut ist.

Elektrische Antriebe bieten Vorteile wie geringere Wartung, leiseren Betrieb und umweltfreundlichere Flüge. Die Zukunft der Segelflugzeuge wird sicherlich von diesen Technologien beeinflusst.
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Verschiedene Ausführungen

Elektroantriebe gibt es meist in zwei Ausführungen

  • Als Hilfstriebwerk für schwerere Segelflugzeuge
  • Als Eigenstartsystem für Einsitzige-Segelflugzeuge

8 10 Klapptriebwerk ASG 32 ELASG32 Elektrisches Klapptriebwerk (Quelle: Tannenberg)

Neben einem elektrischen Klapptriebwerk, das aus der Rumpfschale ausgefahren wird, gibt es auch Fronttriebwerke, FES Systeme genannt (Front Electric Self-launch/Self- sustainer system), bei dem ein Propeller an der Rumpfnase durch Zentrifugalkräfte aufklappt, sobald das Triebwerk eingeschaltet wird.
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8 10 FESFES-Antrieb einer LS8e neo (Foto: Tannenberg)

Dies hat den Vorteil, dass der Schub wesentlich schneller zur Verfügung steht als bei einem Klapptriebwerk.

Alle Triebwerkskomponenten sind luftgekühlt. Die Luftkühlung benötigt, entsprechend dem Einsatz als nicht eigenstartfähige Heimkehrhilfe, die freie Anströmung im Flug oder entsprechende Kühlluftkanäle zum ordnungsgemäßen Funktionieren.
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Aufbau des Elektromotors

Die dabei heutzutage gebräuchlichsten Motore sind bürstenlose Motore. Der bürstenlose Motor bietet den Vorteil geringerer Wartung, höherer Effizienz und längerer Standzeit im Vergleich zu Motoren mit Bürsten am Rotor.

Ein bürstenloser Motor, auch als Brushless-Motor oder BLDC-Motor (Brushless DC) bezeichnet, unterscheidet sich von einem herkömmlichen Elektromotor. Statt Kohlebürsten, die am Rotor befestigt sind, verwendet er elektrische Spulen, die am Rotor angebracht sind. Diese Spulen wechseln das Magnetfeld, wenn sie an Strom angeschlossen werden, und erzeugen so eine Drehbewegung beim Rotor.

Hier sind die wichtigsten Aspekte zur Funktionsweise eines bürstenlosen Gleichstrommotors:

Aufbau des bürstenlosen Gleichstrommotors:

  • Der Rotor ist permanenterregt, während der Stator aus Spulen besteht.
  • Die Spulen werden so angesteuert, dass ein drehendes Erregerfeld (magnetisches Drehfeld) entsteht.
  • Das Drehmoment resultiert aus der Wechselwirkung zwischen den beiden Magnetfeldern: dem permanent erregten Rotor und dem Erregerfeld im Stator.
  • Es gibt zwei Arten von Rotoren: Innenläufer (innerhalb des Stators) und Außenläufer (außerhalb des Stators).
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Kommutierung des bürstenlosen Gleichstrommotors
Obwohl der Aufbau dem einer Synchronmaschine ähnelt kann ein bürstenloser Gleichstrommotor auch mit Gleichstrom betrieben werden.
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8 10 E Mot LangeAufbau und Komponenten des E-Motors  (Quelle: DAeC, Lange Aviation)

Die Kommutierung (Bestromung und Umkehrung der Stromrichtung) erfolgt über eine Regelelektronik.

  • Drei Hall-Sensoren sind über den Umfang verteilt, um die Position des Rotors zu erkennen.
  • Eine Schaltung mit drei Halbbrücken wird verwendet, um die Spulen ein- und auszuschalten.

So werden Drehfelder werden erzeugt, um die Wellen von Drehstrommotoren und selbstständig anlaufenden Wechselstrommotoren anzutreiben. Das Drehfeld zieht den koaxial auf der Welle des Motors befestigten Rotor magnetisch mit. Mehr dazu unter Bürstenloser Gleichstrommotor Funktion & Aufbau [mit Video] (studyflix.de)

Drehstrommotor: Zeitliche Abfolge der einzelnen phasenversetzten Spannungen als Vektoren (Wikipedia: Mtodorov_69)
  8 10 3phase elektro

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Energiespeicher, Batterie

Segelflugzeuge mit Elektroantrieb verwenden Akkus, um den elektrischen Motor zu betreiben. Meistens kommen LiFePO4-Akkus (Lithium-Eisen-Phosphat) zum Einsatz.

  • Haben eine höhere Energiedichte im Vergleich zu Bleibatterien
  • Sie sind leichter und haben eine längere Lebensdauer
Bei manchen Flugzeugtypen werden die „schweren“ Batterien in den Tragflächen untergebracht, wo sie bekanntermaßen nicht die Masse der nicht-tragenden Teilen erhöhen.
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8 10 Tragflächenbatterien 1Systemgestaltung einer Antares mit Batterien in den Tragflächen (Lange Aviation)

Meistens werden die Akkus im Rumpf, in der Nähe des Schwerpunkts untergebracht. Auch im entladenen Zustand liegt im Inneren der Batterie eine lebensgefährliche Spannung von knapp 300 V an! Also Finger weg von den orangenen Kabeln! Arbeiten an der Batterie dürfen nur von entsprechend qualifiziertem Personal vorgenommen werden.
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8 10 e Antrieb Kabel

Der elektrische Antrieb verfügt meist über zwei Batterien: eine Hochvolt-Batterie für den Motor sowie eine 12 V-Batterie für die Versorgung der Elektronik. Ohne die 12 V Versorgungsspannung kann das Hochvolt-System nicht in Betrieb genommen werden.

Ein Batteriemanagementsystem (BMS) ist bei LiFePO4-Akkus (Lithium-Eisen-Phosphat) von entscheidender Bedeutung.

Lithium in LiFePO4- Akkus hat im Vergleich zu Blei in Blei-Säure-Batterien reaktivere Eigenschaften.

  • Das Elektrodenmaterial der Lithiumbatterie ist brennbar.
  • Um die Sicherheit zu gewährleisten, werden Separator, Hülle und andere Materialien der Lithium-Ionen-Akkus stärker und dicker gemacht.
  • Trotzdem sind LiFePO4-Akkus leichter und kompakter als Blei-Säure-Batterien.

Unterschiede zwischen Einzelzellen:

  • Lithiumbatterien haben Unterschiede im Innenwiderstand, in der Kapazität und in der Spannung zwischen den Einzelzellen.
  • Ungleichmäßige Wärmeableitung oder übermäßiges Laden und Entladen können die Lebensdauer der Batterie verkürzen.
  • Das BMS gleicht diese Unterschiede aus und verhindert vorzeitige Beschädigungen.

Funktionen des BMS:

  • Schätzung des SOC (Restleistung): Das BMS schätzt den Ladezustand genau ab und verhindert Überladung oder Überentladung.
  • Dynamische Überwachung der Batterie: Spannung, Temperatur und Strom werden in Echtzeit erfasst.
  • Das BMS sorgt für eine sichere Ladung und Entladung und verlängert die Batterielebensdauer.
Das BMS ist ein unverzichtbarer Bestandteil für LiFePO4-Akkus und gewährleistet Sicherheit und Effizienz. Eine LiFePO4-Akkus richtig zu laden ist genauso essentiell wie die richtige Ladespannung und das passende Ladegerät. Hier sind einige wichtige Punkte, die du beim Laden von LiFePO4-Akkus beachten solltest:
  • Der Ladestrom eines LiFePO4-Akkus variiert abhängig vom BMS (Batteriemanagementsystem) und seiner Kapazität.
  • Es gibt keine allgemeingültige Aussage zum Ladestrom von Lithiumbatterien.
  • Ein Blick ins Datenblatt des Herstellers ist unerlässlich, um den empfohlenen Ladestrom zu ermitteln.
LiFePO4-Akkus bieten viele Vorteile, darunter lange Lebensdauer, geringe Selbstentladung und hohe Entladeströme. Beachte unbedingt die Angaben der Betriebsanleitung, um deine Batterie sicher und effizient zu laden.
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Leistungselektronik

Wie du bisher gelernt hast, besteht der e-Antrieb aus:

  • dem Elektromotor
  • der Leistungselektronik
  • dem Power Switch mit dem LEM Modul (PSLM)

Verantwortlich für den sicheren und störungsfreien Betrieb des Elektromotors ist die vorgeschaltete Leistungselektronik mit dem Power Switch und dem LEM Modul (PSLM).

Die vorgeschaltete Leistungselektronik übernimmt folgende Aufgaben:

  • Ladesteuerung der Kondensatoren
  • Ansteuerung des Vakuumschalters zwischen der Antriebsbatterie und Leistungselektronik zur Inbetriebnahme und auch zur Notabschaltung
  • Messung des Eingangsstroms
  • Ausgabe der Messungen
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8 10 Antriebsmotor LangeLeistungselektronik mit Power Switch und LEM Modul - PSLM  (Quelle: DAeC, Lange Aviation)
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Bedienung des e-Antriebs

Am Beispiel Antares, aber auch bei Schleicher Flugzeugen, übernimmt der Bedienhebel z.B. außer der Leistungssteuerung noch weitere Funktionen, wie das

  • Aus- und Einfahren des Antriebs
  • Öffnen und Schließen der Motordeckel
  • Geradestellen und Halten des Propellers
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8 10 Bedienung EEinhebelbedienung im E-Flugzeug und Bildschirmanzeige Motorflug  (Quelle: Lange Aviation)

Der Bedienhebel kann vom Piloten „blind“ betätigt werden. Dabei wird er mittels einer Kulisse, die im Bedienboden über eine Blattfeder in Richtung Cockpit-Außenwand gedrückt wird, geführt. Beim Schieben des Bedienhebels von der Segelflugstellung (hinten) in die Motorflugstellung (vorne) passiert folgendes:

  • ErstexStufe: Das Triebwerk liegt stromlos im Rumpf und ist aerodynamisch durch die Rumpfdeckel verschlossen.
  • ZweitexStufe: Die Rumpfdeckel öffnen sich, das Triebwerk wird hydraulisch ausgefahren und rastet in der Endstellung ein, die Rumpfdeckel schließen sich.
  • DrittexStufe: Das Triebwerk ist jetzt bestromt und abflugbereit, der Propeller dreht sich aber noch nicht.
  • ViertexStufe: Wird der Bedienhebel jetzt weiter nach vorn geschoben, fängt der Propeller an zu drehen, die Endstellung ist die Vollgasstellung.

Im Motorflug wird die Leistungsabgabe des Triebwerkes nur über die Stromzufuhr geregelt, die mit Hilfe des linken grünen Balkens auf dem Display visualisiert wird. Der rechte grüne Balken (Bild oben rechts) zeigt die Einzelzelle mit der niedrigsten Spannung an.

Bei FES e-Antrieben kann der Motorstart und die Einstellung der Motordrehzahl auch mit einem Drehregler erfolgen.
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Kennwerte und Betriebsgrenzen

Du hast bereits in vorangegangenen Kapiteln die Kennwerte (v-n-Diagramm) und die Betriebsgrenzen des Flugzeugs kennengelernt. Diese werden meist am Fahrtmesser farbig dargestellt.

Die Kennwerte und Betriebsgrenzen des e-Antriebs entnimmst du dem Flug und Betriebshandbuch.
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Warn- und Fehlermeldungen e-Antrieb (Display / Sprachansage)

Warn- und Fehlermeldung sind Flugzeugabhängig und somit dem Flughandbuch zu entnehmen. Meistens werden sie Klarschrift angezeigt, ggf. zusätzlich mit Farbanzeigen oder -symbolen und bei manchen Flugzeugtypen erfolgt parallel eine Audioausgabe in Form einer Sprachansage.

Hierbei handelt es sich um Hinweise, Warnmeldungen und Fehlermeldungen. Dabei beginnen Warnmeldungen mit einem Gong und Fehlermeldungen mit einer Hupe. Diese Systematik wurde aus der Verkehrsfliegerei übernommen.

Bildschirmanzeige Borcomputer:
Warn- und Fehlermeldungenxx
 8 10 Fehler E

Der Pilot kann so seinen Tätigkeitsschwerpunkt z.B. auf die Luftraumbeobachtung richten und weiß trotzdem zu jeder Zeit, in welchem Zustand sich das Antriebssystem befindet. Alternativ kann er sich natürlich auch die Zeit nehmen, die schöne Landschaft unter sich zu erkunden. 

In manchen modernen Flugzeugen wird eine lange Checkliste vom Bordcomputer bereitgestellt. Du wirst dazu angehalten, dich jedem Punkt aktiv zu widmen, erst nach Bestätigung des Punktes durch Drücken des „Mode“-Tasters, erscheint der nächste Punkt. Zu bemerken ist, dass die Software dabei den Zustand von sieben der achtzehn Punkte, durch Verwendung von Sensoren und Endschaltern, selbstständig erkennt.

 8 10 Check E

Wenn der Pilot z.B. vergessen hat, den Spornkuller abzunehmen, kann das Triebwerk nicht gestartet werden. Die Struktur des Bedienkonzeptes ist so aufgebaut, dass es vom Piloten am Boden durch vier Taster bedient werden kann.

Bildschirmanzeige Checklisten

Sollte einmal ein Softwarefehler vorliegen, kann das System immer, auch im Flug "resettet" werden. Dies wird möglich, weil die verbauten Sensoren und Endschalter zu jederzeit den Zustand z.B. der Stellung des Triebwerkes und dem Fahrwerk erkennen.
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Notabschaltung

Ein Elektroflugzeug muss über einen "NOT-AUS-Schalter" verfügen. Es ist meistens nur ein Knopf, der gut sichtbar angebracht ist. Durch Drücken wird er betätigt, durch Drehen kann er wieder deaktiviert werden. Ist der Batterie NOT-AUS betätigt, trennen alle Haupt-Relais. Die Hochvolt-Batterie ist nach außen hin stromlos und eine entsprechende Meldung im Triebwerkinstrument erscheint.

8 10 Notaus Band

Brandwarnanlage

In der Hochvolt-Batterie sitzt ein Temperaturfühler, der bei einer Temperatur von etwa 140°C eine rot blinkende Leuchtdiode im Instrumentenbrett ansteuert. Die Brandwarnanlage wird dauerhaft von der 12V-Triebwerksbatterie gespeist und ist somit auch im Segelflug aktiv. Bei Hinweisen auf einen Brand der Batterie oder im Motorraum bzw. am Motor gilt das Notverfahren gemäß Flughandbuch.

Nach einer erfolgreichen Sicherheitslandung musst du folgendes berücksichtigen:

Lithium-Ionen-Batterien produzieren im Falle eines Brandes neben giftigen Gasen auch Sauerstoff, wodurch das Löschen erheblich erschwert wird! Der Versuch das Feuer zu ersticken wird wenig Erfolg in Bezug auf die Batterie haben, kann aber helfen, dass das Feuer nicht auf die angrenzende Struktur übergreift. Trotz des massiven Batteriegehäuses ist mit Verpuffungen zu rechnen. Deine eigene Sicherheit hat immer Vorrang! Im Zweifel kontrolliert abbrennen lassen.

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8.10.3  Propeller 

Propeller

Der Propeller dient dazu, die Triebwerksleistung in Vortriebsleistung umzusetzen.

Den Propeller bezeichnet man häufig auch als „Luftschraube“. Dahinter steckt die Vorstellung, dass sich der Propeller durch die Luft schraubt, wie eine Schraube durch einen festen Werkstoff. Entsprechend hat man von der Schraube den Begriff Steigung übernommen. Das ist der Weg, den die Schraube bei einer Umdrehung beschreibt.
Eine weitere Analogie zur Schraube wäre, dass die Anzahl der Propellerblätter der Gangzahl entspricht. In der Abbildung unten siehst du vier Propellerblätter, somit wäre die Gangzahl vier. So einfach wie eine Schraube funktioniert ein Propeller leider nicht, denn die Luft ist nicht fest, sondern gasförmig. Das Flugzeug legt pro Propellerumdrehung einen kleineren Weg zurück, als der Steigung seines Propellers entsprechen würde. Um dieser Tatsache gerecht zu werden, hat man den Begriff Schlupf geprägt.
 8 10 Prop Steigung
Somit ist der Schlupf der Unterschied zwischen der geometrischen Propellersteigung und dem tatsächlich pro Umdrehung zurückgelegten Weg. Diesen bezeichnet man als aerodynamische Steigung. 
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Grundlagen

Die eigentliche Wirkungsweise des Propellers basiert auf dem Rückstoßprinzip: Die Propellerblätter beschleunigen die durch die Propellerkreisfläche strömende Luft, wodurch die eigentliche Wirkungsweise des Propellers entsteht. Sie beruht auf dem Rückstoßprinzip. Da die Drehachse des Propellers horizontal verläuft, erzeugt er eine aerodynamische Kraft nach vorne.

Du erinnerst dich: actio = reactio.
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8 10 Prop StrömungBeschleunigung des Luftstroms durch den Propeller
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Aufbau des Propellers

Der Propeller besteht aus zwei oder mehr Blättern und einer zentralen Nabe, an der die Blätter befestigt sind. Die Blätter eines Propellers können, wie die des Hubschrauberrotors, als rotierende Flügel betrachtet werden. Da die Drehachse des Propellers horizontal verläuft, ist die erzeugte aerodynamische Kraft nach vorne gerichtet, um Schub zu erzeugen, und nicht nach oben, um Auftrieb zu erzeugen. Die Schubkraft hängt also vom Druckunterschied zwischen den nach vorne und den nach hinten gerichteten Oberflächen der Blätter ab.

Der Motor liefert die Leistung, die nötig ist, um die Propellerblätter mit hoher Geschwindigkeit durch die Luft zu bewegen. Die Blätter erzeugen die Kräfte, die den Schub liefern. Der Propeller wandelt also das Drehmoment des Motors in die Schubkraft um. Ein Propeller wird entweder direkt über die Kurbelwelle des Motors angetrieben, es kann aber auch ein Getriebe zwischen geschaltet sein (Rotax) oder der Antrieb erfolgt mittels Zahnriemen. Einen typischen Riemenantrieb eines Klapptriebwerkpropellers siehst du, wenn du auf diesen Button  8 10 Luftgekühlter Zweizylinder Zweitaktmotor mit untersetztem Riemengetriebe  klickst.

8 10 Prop Querschnitt 

Um einen Druckunterschied zwischen Vorder- und Hinterseiten der Blätter zu bewirken, sind diese ähnlich profiliert wie die Tragflächen des Flugzeugs. Die Vorderseite ist gewölbt, die Hinterseite häufig flach. Ein Querschnitt eines typischen Propellerblattes ist hier dargestellt. Jeder Abschnitt, jedes Propellerblattelement, besitzt ein Profil, vergleichbar mit dem Querschnitt einer Flugzeugtragfläche. Wie bei einer Tragfläche ist die Vorderkante des Blattes abgerundet, die Hinterkante läuft spitz zu. Die Profilsehne ist eine Gerade, die durch das Blatt von der Vorderkante zur Hinterkante verläuft. Ist die Hinterseite des Propellerblattes flach, legt man die Sehne üblicherweise in die durch die Hinterseite gebildete Ebene.

← Querschnitt eines typischen Propellerblattes

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Aerodynamische Größen

Aus der Zeichnung oben geht hervor, wie sich der Blattwinkel über der Blattlänge ändern muss, um einen konstanten Anstellwinkel zu erhalten, du kannst die Propellerblattschränkung gut erkennen.

Außerdem siehst du, dass im Außenbereich ein dünnes, zur Nabe hin aber ein immer dicker werdendes Profil verwendet wird. Das liegt daran, dass in Richtung Nabe immer größer werdende Flieh- und Biegekräfte auftreten, die mit dem Querschnitt eines dünnen Profils nicht mehr beherrscht werden könnten. Hier muss die Aerodynamik hinter der Strukturmechanik zurücktreten, da die enormen Fliehkräfte in die Nabe übertragen werden müssen, die dadurch am höchsten beansprucht wird.

Ein Propeller wird also durch seine aerodynamischen Größen bestimmt. Doch diese Größen ändern sich im Flugbetrieb. So ist im Stand, bzw. im Startlauf die Fluggeschwindigkeit noch gering, aber der Anstellwinkel konstruktiv vorgegeben sehr hoch. Dadurch kann es zur Strömungsablösung am Propellerblatt kommen, wodurch der Schub geringer ausfällt als vorgesehen.
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8 10 Vereisung Steigung
Kräfte, Momente, Steigung                                       Strömungsablösung am Propellerblatt
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Du siehst: Ein Festpropeller ist immer ein Kompromiss zwischen den verschiedenen Anforderungen. Bei Klapptriebwerken, die meist nur für den Start und Steigflug eingesetzt werden, gelingt er in den meisten Fällen. Trotzdem kannst du selbststartende Klappmotorsegler erleben, die sich nur schwer in Bewegung setzen, und erst mit zunehmender Fahrt richtig beschleunigen. Andererseits gibt es solche, die sehr flott anrollen. Aber wenn sie sich der Abhebegeschwindigkeit nähern, hast du den Eindruck, als würden sie „verhungern“.
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Blattzahl

Eine zunehmende Blattzahl bringt qualitativ folgende Änderungen mit sich:

  • sinkender Wirkungsgrad
  • größere, bei einem gegebenen Durchmesser, übertragbare Leistung
  • geringerer erforderlicher Durchmesser und damit geringere Blattspitzengeschwindigkeit
  • steigende Herstellungskosten

Insbesondere wenn die einzelnen Flügel über den Propellerkreis unterschiedlich angeströmt werden, wirkt sich eine höhere Blattzahl günstig auf das Vibrationsverhalten aus.

Bei Kolbenmotor-getriebenen Flugzeugen sind zweiflügelige Propeller am häufigsten. Die Turboprop- und Propfan-Antriebe größerer Flugzeuge wiederum haben 3 bis 7 oder noch mehr Blätter.

Propfan (Wikipedia)

8 10 Propfan

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Propellerarten

Welche Steigung für einen Festpropellers gewählt wird, hängt davon ab, ob mehr Wert auf eine gute Steigleistung oder eine hohe Reisegeschwindigkeit gelegt wird.

Ein Steigpropeller besitzt eine kleine Steigung. Im Steigflug erreicht der Motor bei Vollgas seine maximale Drehzahl und somit seine höchste Leistung. Im Reiseflug dagegen muss die Motorleistung durch Zurücknehmen des Gashebels gedrosselt werden, damit die zulässige Höchstdrehzahl nicht überschritten wird.

Ein Reisepropeller besitzt eine große Steigung. Daher kann im Reiseflug Vollgas gegeben werden, wobei die zulässige (Dauer-)Höchstdrehzahl erreicht wird. Im Steigflug bleibt die Drehzahl jedoch trotz Vollgas deutlich unter dem höchstzulässigen Wert, die maximale Motorleistung steht also nicht zur Verfügung.
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Druck- und Zugpropeller

Der Hauptunterschied zwischen Druck- und Zugpropellern liegt in ihrer Positionierung und Ausrichtung.

Ein Zugpropeller ist vor dem Fahrzeug (wie einem Flugzeug oder Schiff) montiert und zieht das Fahrzeug vorwärts, indem er Luft oder Wasser ansaugt und nach hinten ausstößt. Der Vorteil eines vorn angebauten Antriebs besteht darin, dass die Ruder auch im Stand (also beim Start) angeströmt werden und somit schon Ruderdruck haben.

Ein Druckpropeller hingegen ist am hinteren Ende des Fahrzeugs montiert und drückt das Fahrzeug vorwärts, indem er Luft oder Wasser von vorne ansaugt und nach hinten ausstößt. Der Druckpropeller vor der Tragfläche versetzt den Luftstrom in eine Spiralbewegung und stört so die ideale aerodynamische Umströmung der Tragflächen, während der Druckpropeller zumindest theoretisch die Umströmung der Tragflächen nicht negativ beeinflussen kann.

 8 10 DruckProp Es ist wichtig zu beachten, dass sowohl Druck- als auch Zugpropeller ihre eigenen Vor- und Nachteile haben und die Wahl zwischen den beiden oft von spezifischen Anforderungen und Umständen abhängt. 

Speed Canard mit Druckpropeller (Wikimedia, Ad Meskens)

Ein weiteres Problem bei Druckpropellern ist die erschwerte Kühlung des Motors.

Als Vorteil bietet ein Druckpropeller verbesserte Längsstabilität, d. h., wenn das Flugzeug aufnickt, erzeugt er ein abnickendes Moment und umgekehrt (sowohl in Abhängigkeit vom Nickwinkel als auch von der Nickrate). Gleiches gilt für Gierwinkel und -rate. Ein Zugpropeller hat eine entgegengesetzte Wirkung. Daher werden Druckpropeller meistens bei Flugzeugen eingesetzt, die hinsichtlich der Längsstabilität ungewöhnlich konfiguriert sind, etwa bei Canard-Konfigurationen („Entenflugzeug“).
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Verstellpropeller

Ein Verstellpropeller ermöglicht die Variation des Einstellwinkels der Propellerblätter, um sie an verschiedene Betriebssituationen anzupassen. Sie werden häufig mit einer automatischen Blattsteigungsverstellung ausgerüstet, die es gestattet, ihre Drehzahl auch bei veränderter Wellenleistung konstant zu halten.

Bei Reisemotorseglern haben sich aufgrund der beschriebenen Problematik im Flug verstellbare Propeller durchgesetzt. Weit verbreitet sind Drei-Stellungs-Propeller.

Bei ihnen kannst du umschalten zwischen einer Startstellung und einer Reisestellung. Für den Steigflug kommen beide Stellungen infrage, je nachdem, mit welcher Geschwindigkeit du den Steigflug durchführen möchtest. Die dritte Stellung ist die Segelstellung. Der zugehörige Blattwinkel entspricht im Idealfall dem Nullauftriebswinkel bei Anströmung durch die Fluggeschwindigkeit. Wenn der Propeller im Segelflug stillsteht, ist die Umfangsgeschwindigkeit schließlich Null.

Die Verstellung erfolgt in der Regel hydraulisch oder elektrisch.
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8 10 PropverstellungMechanik der Propellerverstellung
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Vorteile

Mehr Schubkraft beim Start und Steigflug, geringere Belastung der Maschine, daraus resultierend deutlich weniger Treibstoffverbrauch. Auch die Möglichkeit der Segelstellung bei defekter Maschine und des Rückwärtsschubes (zum Abbremsen bei der Landung und Rangieren am Flugfeld) machen modernen Flugbetrieb mit Propellermaschinen erst möglich.

Nachteile

Zusätzlicher Wartungs- und Kontrollaufwand erhöhen die Betriebskosten.
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Constant-Speed Propeller

Noch effizienter als der Drei-Stellungs-Propeller ist der Constant-Speed-Propeller. Bei ihm wird der Blattwinkel automatisch durch einen Regelmechanismus stufenlos so verstellt, dass bei jeder Motorleistung eine vorgewählte Drehzahl eingehalten wird. So gelingt es, dass Propeller und Motor bei jedem Flugzustand optimal aufeinander abgestimmt sind, die oben beschriebenen Probleme des Festpropellers also nicht in Erscheinung treten.

Constant-Speed-Propeller werden bei Reisemotorseglern meistens elektrisch verstellt. Eine hydraulische Verstellung, wie bei Motorflugzeugen üblich, kommt eher selten zum Einsatz.

Vorsicht ist geboten bei beginnender Vergaservereisung! Denn diese bemerkt man bei einem Constant-Speed-Propeller nicht mehr am Abfall der Drehzahl und somit am Motorgeräusch, sondern nur noch an einem Abfall des Ladedrucks. Bei entsprechender Wetterlage sollte man also immer ein Auge auf diesem Instrument haben.
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Propellerbedienung

zugehörige Bedienhebel, Funktionsstörungen, Anzeige- und Warneinrichtungen

Die Bedienung eines Verstellpropellers ist für viele Piloten rätselhaft, die auf Flugzeugen mit festem Propeller groß geworden sind. Doch wenn du einmal die Grundlagen verstanden hast, freust du dich schnell über den erheblichen Effizienzzuwachs.

Bei Rotax-Motoren gibt es zwar oft einen Verstellpropeller (der dort manchmal auch elektrisch funktioniert), aber keinen Gemischhebel. Je nach Außendruck wird die Benzinzufuhr automatisch geregelt – mehr oder weniger optimal. Dafür gibt es entsprechende Vergaser, die das Gemisch automatisch aufbereiten. Bei anderen Motoren gibt es dafür einen Hebel und entsprechende Cockpit Anzeigen, die anzeigen, wie das Gemisch einzustellen ist.

Wichtig ist die Drehzahlregelung zwischen Propeller und Drehzahl des Motors zu beachten. Weil je nach Art und Weise der Verstellung und Betätigung des Gas- und Propellerreglers der Ladedruck über einen Berg geht. Heißt ansteigen und wieder abfallen. Andersrum durchschreitet der Druck ein Tal, was schonender ist. Deswegen muss du immer darauf achten, dass du die Bedienreihenfolge einhältst, um den Antriebsstrang und Motor zu schonen.
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8.10.4 Lärmvermeidung

Noise Reduction

Gemäß LuftVO hat sich jeder Teilnehmer am Luftverkehr so zu verhalten, dass ... kein anderer ... mehr als nach den Umständen unvermeidbar ... belästigt wird. Der Lärm, der bei dem Betrieb eines Luftfahrzeugs verursacht wird, darf nicht stärker sein, als es die ordnungsgemäße Führung oder Bedienung unvermeidbar erfordert.

Die Ursachen für den Fluglärm an motorisierten Luftfahrzeugen sind Propellerlärm, Auspufflärm und der Motorenlärm selbst (operativer Lärm).

Die Vermeidung von unnötigem Lärm beginnt bereits vor dem Start. Warmlaufen des Triebwerks ist auf das erforderliche Minimum zu beschränken. Während vorgesehener "Run Up's" ("Bremsläufe" mit Vollgas) sollte der Pilot sicherstellen, dass durch den Propellerstrahl weder Personen noch Sachen gefährdet werden. Piloten, die in eine offene Halle hineinblasen oder sogar Segelflugzeuge "sandstrahlen", dürfen ruhig auf ihr Fehlverhalten hingewiesen werden. Ob der Motor genügend Leistung abgibt, lässt sich ggf. während des Rollens zum Startpunkt, oder auch während des Anrollens beim Start checken.
8 10 Seg c Start ASK VyFahrt

Es ist sinnvoll, nach dem Abheben mit der Geschwindigkeit des besten Steigens zu fliegen (Vy.=.blauer Strich auf dem Fahrtmesser), um möglichst schnell Höhe zu gewinnen, und dabei einen möglichst großen seitlichen Abstand von Wohngebieten einzuhalten.

Anker:  Allgemeines = Mot8101; Antriebsarten = Mot8102; Propeller = Mot8103; Lärm = Mot8104; Verbrenner = Motbrenn0; Turbine = Motbrenn1: Hubkolben = Motbrenn2; Vergaser = Motbrenn3; Kühlung = Motbrenn4; Kraftstoff = Motbrenn5; Bedienung = Motbrenn6; Elektro = Motele0; Allgem = Motele1; Ausführung = Motele2; Aufbau = Motele3; Kommutierung = Motele4; Energie = Motele5; Leistung = Motele6; Bedien-e = Motele7; Kennwerte = Motele8; Warnmeld = Motele9; Grundlagen = Motpro1; Proparten = Motpro2; Betriebszust = Motpro3; Propbedien = Motpro4

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