Alternative Antriebskonzepte im Ultraleichtflug
unter Berücksichtigung ökonomischer und ökologischer Aspekte
von Helge Berner
Kapitel 3: Grundlagen Motorentechnik
Um eine Beurteilung der verschiedenen verbauten Motoren in den Ultraleichtflugzeugen vornehmen zu können, müssen diese zunächst in verschiedene Klassen eingeteilt werden.
Bei den bisher eingesetzten Motoren handelt es sich meist um Hubkolben Verbrennungsmotoren, die sich teilweise deutlich in ihren Konzepten unterscheiden.
Hierbei können diese unter anderem nach dem Arbeitsverfahren eingeteilt werden. Es werden sowohl 4-Takt, als auch noch 2-Takt Motoren verwendet, welche im Automobilbereich weitestgehend nicht mehr zur Anwendung kommen.
Des Weiteren können im Bereich der Ultraleichtflugzeuge die Motoren nach der Zahl der Zylinder, Art der Kühlung (Luft- Wasser), der Bauform (Reihe- Boxer), Gemischbildungsverfahren (Vergaser- Einspritzung) oder Art der Zündung unterscheiden.11
Jedes Konzept bietet dabei bestimmte Vor- und Nachteile, die in Bezug auf den vorliegenden Anwendungsfall genau betrachtet werden müssen. Zusätzlich zu den technischen Auswahlkriterien, stellen finanzielle Aspekte ein weiteres Kriterium dar.
Des Weiteren müssen, wie bereits in Kapitel 1.2 erläutert, noch weitere Einschränkungen in Bezug auf die Auswahl eines Antriebskonzeptes beachtet werden, wobei der am meisten limitierende Faktor sicherlich das Gewicht darstellt. Um im späteren Verlauf eine Anforderungsliste an das zu definierende Antriebssystem erstellen zu können, werden zunächst die aktuellen Konzepte erläutert.
3.1 Arbeitsverfahren
Eine Möglichkeit der Unterscheidung zwischen verschiedenen Motoren ist das Arbeitsverfahren. Hierbei wird in der heutigen Motorentechnik zwischen 2-Takt und 4-Takt Motoren unterschieden, die zwar beide in die Kategorie der Hubkolbenmotoren einzuordnen sind, sich aber im Verfahren unterscheiden.
3.2 2-Takt Motor
Der heute eingesetzte 2-Takt Motor ist im Vergleich zum 4-Takt Motor relativ simpel aufgebaut.
Neben dem Kolben und der Kurbelwelle ist nur noch das Pleuel als bewegliches Teil des Motors ausgeführt. Der Name 2-Takt Motor ergibt sich aus der Arbeitsverfahren, das aus lediglich zwei Takten besteht.
Dabei werden die Arbeitsschritte Verdichten und Ansaugen in einem Takt erledigt, sowie der Arbeitsvorgang und Vorverdichten im zweiten Takt durchgeführt wie in Abbildung 412 dargestellt wird.
Nachdem der Kolben seinen unteren Totpunkt erreicht hat, wird eine Verdichtung des Gemisches im Brennraum durch die Aufwärtsbewegung durchgeführt. Gleichzeitig werden dabei noch die Abgase über den ebenfalls geöffneten Schlitz des Auslasses, in den Abgastrakt gedrückt. Kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunktes erfolgt die Zündung.
Durch den steigenden Druck bei der Verbrennung wird der Kolben wieder nach unten gedrückt, wobei neues Gemisch angesaugt und in den Brennraum befördert wird. Nach Erreichen des unteren Totpunktes startet der Vorgang erneut. Im Gegensatz zu 4-Takt Motoren muss bei einem 2-Takt Motor das System aus Ansaugtrakt und Abgastrakt genau auf einander abgestimmt sein.
Abb. 4: Arbeitsprinzip 2-Takt Motor
Der Auspuff ist zu einem großen Anteil mit an der Füllung des Zylinders beteiligt, da während der Kolben nach unten fährt Einlass und Auslass gleichzeitig für einen relativ langen Zeitraum geöffnet sind. Das einströmende frische Gemisch füllt somit nicht nur den Zylinder, sondern strömt teilweise auch direkt in den Abgastrakt. Das in den Auspuff einströmende frische Gemisch wird dann durch im Auspuff entstehende Resonanzwellen gestoppt und in den Zylinder zurückgedrückt, weshalb die Auspufflänge einen maßgeblichen Einfluss auf das Füllverhalten hat.
Der Vorteil dieses Systems liegt in der einfachen Konstruktion mit wenigen beweglichen Teilen, wodurch der Motor ein sehr niedriges Gewicht hat. Die Motoren sind zudem im Vergleich zu 4-Takt Motoren relativ günstig.
Durch doppelte Arbeitstaktzahl, können mit relativ kleinen Hubräumen, verhältnismäßig hohe Leitungen erzielt werden, die bedingt durch die Spülungsverluste aber nicht doppelt so hoch sind wie beim 4-Takt Motor.
Nachteilig wirkt sich allerdings der enge Drehzahlbereich aus, auf den ein solches System abgestimmt ist. Dadurch ist es nicht immer möglich einen 2-Takt Motor im Bereich des geringsten spezifischen Verbrauches zu bewegen, der später noch näher erläutert wird.
Als Kraftstoff wird ein Gemisch aus Benzin und Öl eingesetzt, das auch für die Schmierung des Motors zuständig ist. Dadurch kann auf einen aufwändigen Ölkreislauf verzichtet werden.
3.3 4-Takt Motor
Der Hauptunterschied zu dem beschriebenen 2-Takt Verfahren liegt in der Anzahl der Arbeitsgänge pro Kurbelwellenumdrehung. Während beim Zweitaktmotor bei jeder Kurbelwellenumdrehung gezündet wird, erfolgt beim Viertaktmotor nur bei jeder zweiten Kurbelwellenumdrehung ein Arbeitstakt, bei dem das zugeführte Gemisch verbrannt und dadurch der Kolben im Zylinder nach unten gedrückt wird. Dabei wird die Hubbewegung der Kolben in eine Rotationsbewegung der Kurbelwelle umgewandelt.
Die vier Takte werden wie in Abbildung 513 dargestellt eingeteilt:
Abb. 5: Arbeitsprinzip 4-Takt Motor
Im Gegensatz zum Zweitaktprinzip, bei dem die Füllung des Zylinders durch Überströmschlitze des Kolbens gesteuert wird, kommen beim Viertaktmotor Ventile zu Einsatz. Diese Ventile werden durch die meist obenliegende Nockenwelle betätigt und öffnen bzw. schließen sich entsprechend des Arbeitstaktes.
Das Gemisch kann hierbei, wie auch beim Zweitaktmotor außerhalb des Zylinders mittels Saugrohreinspritzung oder Vergaser aufbereitet werden, oder als Direkteinspritzung in den Brennraum erfolgen.
Der große Vorteil der heute verwendeten Viertaktmotoren ist das breite nutzbare Drehzahlband, sowie die umweltfreundlichere Verbrennung im Vergleich zum Zweitaktmotor. Auch sind die Viertaktmotoren in Bezug auf die Kühlung und Schmierung nicht so anfällig. Bedingt durch die Druckumlaufschmierung, die alle beweglichen Teile im Motor schmiert, ist die Betriebsdauer bis zur Wartung (TBO) bei 4-Takt Flugmotoren deutlich höher.
Nachteilig wirkt sich der deutlich kompliziertere Aufbau der Motoren aus, der teilweise auch durch die vergleichsweise recht aufwändige Ventilsteuerung zu Stande kommt. Es gibt mehr bewegliche Teile, die im Zusammenspiel mit geringen Toleranzen funktionieren müssen. Dadurch bedingt ist neben dem Gewicht auch der Preis deutlich höher als bei Zweitaktmotoren.
Helge Berner
11 vgl. van Basshuysen und Schäfer 2015 Kapitel 8.1
12 vgl. Weber 2015
13 Lührs 2012