Alternative Antriebskonzepte im Ultraleichtflug
unter Berücksichtigung ökonomischer und ökologischer Aspekte
von Helge Berner
Kapitel 4: Gemischbildung
Um überhaupt den Kolben im Zylinder nach unten drücken zu können, ist eine kontrollierte Verbrennung notwendig. Damit diese stattfinden kann ist neben Sauerstoff noch eine Zündquelle (bei Fremdzündung) und Kraftstoff notwendig. Der Kraftstoff muss im richtigen Verhältnis zur angesaugten Luft ein zündfähiges Gemisch im Zylinder bilden, das dann zum richtigen Zeitpunkt gezündet werden muss. Beim Bilden des Kraftstoff- Luft Gemisches sind zwei Methoden zu unterscheiden.
Die Verfahren lassen sich in innere und äußere Gemischbildung gliedern. Bei der inneren Gemischbildung, die heute im PKW Bereich immer größere Anwendung findet, wird der Kraftstoff zum richtigen Zeitpunkt direkt in den Zylinder eingespritzt.
Bei der äußeren Gemischbildung findet das Vermischen vor dem Brennraum statt. Dieses wird bei denen im Ultraleichtflug verwendeten Motoren noch häufig durch einen Vergaser realisiert.
Vereinzelt kommen auch schon Einspritzsysteme zum Einsatz, durch die die typischen Nachteile einer Gemischbildung mittels Vergasern behoben wurden.
4.1 Vergaser
Das Grundprinzip des Vergasers besteht darin, dass die angesaugte Luft durch einen Kanal mit einer Querschnittsverjüngung geführt wird und dabei mit Kraftstoff angereichert wird. Durch die Verkleinerung des Rohrquerschnitts im Vergaser, kommt es zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit. Nach dem Prinzip der Venturi Düse steigt dabei der Staudruck, während der statische Druck sinkt. Dieser Differenzdruck wird dann genutzt um Kraftstoff durch entsprechende Kanäle oder Düsen anzusaugen und mit der durchströmenden Luft zu vermischen. Der Kraftstoff wechselt beim Vergasen seinen Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig und strömt als brennbares Gas durch in den Zylinder. Der Grundaufbau eines Vergasers ist in Abbildung 6 dargestellt14.
Abb. 6: Aufbau eines Vergasers
Nachteilig kann sich dabei der Umstand auswirken, dass für den Vorgang des Verdampfens Energie notwendig ist. Diese wird der Umgebungsluft entzogen, wodurch es zu einer Abkühlung des Gases kommt. Herrschen Temperaturen zwischen -5°C- +20°C und hohe Luftfeuchtigkeit, kann es passieren, dass der in der Luft enthaltene Wasseranteil so stark abgekühlt wird, dass es zu einer Vereisung des Vergasers kommt15.
Dadurch kann die Leistung des Motors vermindert, oder der Betrieb sogar bis zum Ausfall des Motors beeinträchtigt werden.
Ein weiterer Nachteil ergibt sich bei großen Höhenänderungen, da beim Steigen die Luftdichte abnimmt, wodurch es zu einem Gemisch mit höherem Kraftstoffanteil kommt, was als „fetteres“ Gemisch bezeichnet wird. Deshalb kann immer nur ein Kompromiss bei der Gemischbildung zwischen zu fetten und zu mageren Gemisch für den Motor, mittels geeigneter Düsen im Vergaser eingestellt werden. Wird ein Gemisch zu mager, sinkt zwar der Verbrauch, aber die Verbrennungstemperaturen steigen. Bei einer zu starken Abmagerung ist das Gemisch nicht mehr zündfähig, wodurch die Verbrennung stoppt und der Motor abstirbt. Als positiver Aspekt kann der Umstand gewertet werden, dass ein Vergaser ohne aufwändige Elektronik als mechanisches System funktioniert und je nach Vergasertyp, verhältnismäßig einfach im Aufbau ist.
Auf Grund dieser Tatsache und der nicht notwendigen Regelelektronik sind Vergaser relativ günstig. Kleinere Defekte und Wartungsarbeiten können zudem ohne großen technischen Aufwand und Spezialwerkzeuge durchgeführt werden.
4.2 Einspritzanlagen
Einspritzanlagen sind heute im Automobilbereich Standard, da es mit ihrer Hilfe möglich ist den Kraftstoffverbrauch zu senken, höhere Leistungen zu erzielen und in Verbindung mit Katalysatoren, die Umwelt weniger stark zu belasten.
Bei Einspritzanlagen muss, wie bereits einleitend erwähnt, zwischen innerer und äußerer Gemischbildung unterschieden werden. Bei der äußeren Gemischbildung wird der Kraftstoff vor dem Zylinder zugeführt, während bei der inneren Gemischbildung, auch Direkteinspritzung genannt, der Kraftstoff direkt in den Brennraum eingespritzt wird.
Anfangs wurden mechanische Einspritzsysteme verwendet, die später der heutzutage verwendeten elektronischen Einspritzung wichen.
Bei modernen Einspritzsystemen wird die genau einzuspritzende Kraftstoffmenge von einem Steuergerät berechnet und dann zum richtigen Zeitpunkt, in der richtigen Menge durch die Kraftstoffdüsen eingespritzt. Das Steuergerät errechnet die Kraftstoffmenge dabei anhand vieler Sensoren wie z.B. Drehzahlsensoren, Temperatursensoren, Luftmassenmessern sowie der Messung von Abgaswerten mittels Lambdasonde.
Durch den Einsatz von Einspritzanlagen und den dazu notwendigen Sensoren, ist es auch möglich das Problem des suboptimalen Luft- Kraftstoffgemisches zu beheben, dass durch die wechselnde Höhe auftritt. Somit wird kann die Leistung gesteigert und der Verbrauch gesenkt werden, weil immer das für die vorherrschenden Bedingungen richtige Mischungsverhältnis eingestellt wird.
Der schematische Aufbau einer elektronisch geregelten Einspritzanlage wird in Abbildung 7 dargestellt16.
Abb. 7: Aufbau einer Einspritzanlage
Ein weiterer Vorteil, neben dem immer optimalen Gemisch, sowie der Verbrauchsreduzierung, ist das entfallen der im Luftsport gefürchteten Vergaservereisung. Des Weiteren entfällt die sonst in regelmäßigen Abständen notwendige Vergasersynchronisierung. Diese ist notwendig für den gleichmäßigen Motorlauf bei Mehrzylindermotoren mit mehreren Vergasern. Auch bei der Handhabung der Motoren bieten sich Komfortvorteile, da auf die Bedienung eines Chokes für den Kaltstart verzichtet werden kann. Dadurch ist es dem Piloten möglich seine Aufmerksamkeit auf andere wichtige Aufgaben zu legen, da er sich nicht mit der Einstellung des Motors befassen muss.
4.3 Motorbauarten
Ein weiteres Kriterium der Unterscheidung von Motoren im Bereich des Ultraleichtfluges ist die Motorbauart, bzw. die Zylinderanordnung. Auf Grund der sehr beschränkten Platzverhältnisse unter der Cowling, die den Motor umgibt, müssen die eingesetzten Motoren sehr kompakte Abmessungen haben. Während im PKW Bereich häufig Reihenmotoren eingesetzt werden, bei denen im Regelfall vier Zylinder in Reihe, in Ausnahmefällen auch bis zu sechs Zylinder, verbaut werden, ist dieses aus Platzgründen im UL Bereich nicht möglich.
Theoretisch mögliche Zylinderanordnungen lassen sich wie folgt darstellen17:
Abb. 8: Zylinderanordnungen
Bevorzugt werden allerdings die Zylinderanordnungen „Reihe“ für Zweizylindermotoren und der Boxermotor für Vierzylinder verwendet. Bei den späteren Untersuchungen, ob es alternative Antriebskonzepte gibt, muss der begrenzte Bauraum ebenso Beachtung finden, wie ein möglichst geringes Motorgewicht.
4.4 Zusammenfassung
Nach Betrachtung der momentan hauptsächlich verwendeten Antriebe, kann zusammenfassend festgestellt werden, dass es verschiedene Anbieter von Motoren gibt, hauptsächlich Viertaktmotoren und Zweitaktmotoren verwendet werden und diese in unterschiedlichen Bauformen, wie Reihen- oder Boxerstellung in den Ultraleichtflugzeugen eingesetzt werden. Bei allen hier betrachteten Motoren handelt es sich um Hubkolbenmotoren, mit Ausnahme des Wankel 814, die als Treibstoff Normal-, oder Superbenzin verwenden. Zur Gemisch Aufbereitung werden häufig die verschiedenen Arten von Vergasern verwendet, wodurch es gelegentlich zu den bekannten Problemen, wie Vergaservereisung, kommen kann. Verglichen mit der nächst größeren Flugzeugklasse, der Echo- Klasse, mit bis zu 2t maximalen Abfluggewicht, sind die Ultraleichtflugzeuge relativ sparsam. Größere Entwicklungsschritte in der Motorentechnik, wurden in den letzten 20 Jahren allerdings kaum durchgeführt. Dieses belegen vor allem die Datenblätter der zehn am häufigsten in Deutschland zugelassenen Ultraleichtflugzeuge.
Helge Berner
14 van Basshuysen und Schäfer 2015 Kapitel 12.3.1
15 vgl. Lührs 2012 Kapitel 1.3.7
16 van Basshuysen und Schäfer 2015 Kapitel 12.3.8
17 van Basshuysen und Schäfer 2015 Kapitel 8.1.2