Alternative Antriebskonzepte im Ultraleichtflug
unter Berücksichtigung ökonomischer und ökologischer Aspekte
von Helge Berner
Kapitel 6: Übersicht der verwendeten Motoren
Zu Beginn dieses Kapitels werden zunächst die unterschiedlichen Leistungs- Angaben erläutert, die für die weitere Betrachtung, sowie den Vergleich der einzelnen Motoren, notwendig sind. Anschließend erfolgt, wie bereits in Kapitel 3.2 begonnen, ein genauer Vergleich der Motoren. Hierzu erfolgt, sofern die notwendigen Informationen von den verschiedenen Motorenherstellern zur Verfügung gestellt wurden, der direkte Vergleich in definierten Betriebszuständen.
Dazu werden zunächst die verwendeten Motoren aufgeführt und nach den wichtigsten Kriterien gegliedert.
Anschließend erfolgt mittels der Datenblätter der einzelnen Motoren, eine Analyse des spezifischen Verbrauches und der Leistungsangaben.
6.1 Leistungsangaben
Um die Leistung eines Motors in den verschiedenen Drehzahlbereichen beurteilen zu können, geben die meisten Hersteller neben der maximal möglichen Leistung, auch die Leistungskurven als Diagramm bekannt. Mit Hilfe dieser Diagramme lässt sich die vom Motor abgegeben Leistung, in Abhängigkeit von der Drehzahl ablesen.
Hierzu wird auf der X-Achse die Drehzahl angegeben und auf der Y-Achse die abgegebene Leitung in Kilowatt oder Pferdestärken dargestellt. In solch einem Leistungsdiagramm können neben der Leistungskurve auch noch weitere Daten wie der spezifische Verbrauch, oder das Drehmoment mit abgebildet werden.
Im hier dargestellten ausführlichen Beispiel des Flugmotors S2100 der Firma Sauer Flugmotorenbau GmbH (Abb.11) 20 , lässt sich für jede Drehzahl das abgegebene Motordrehmoment, sowie die daraus resultierende Leistung entnehmen. Zusätzlich kann der spezifische Verbrauch aus dem Diagramm entnommen werden, wodurch es möglich ist, den tatsächlichen Verbrauch des Motors für jede beliebige Drehzahl zu berechnen.
6.1.1 Startleistung
In den Kennblättern der Ultraleichtflugzeuge, wie auch in den Datenblättern der Motoren, werden im Regelfall mindestens zwei verschiedene Leistungsangaben gemacht. Neben der maximal möglichen Dauerleistung, wird zusätzlich noch die maximal mögliche Leistung angegeben, wie in Abbildung 1221 gekennzeichnet.
Abb. 12: Auszug DAeC Kennblatt Ikarus C42
Bei der angegebenen maximalen Leistung, auch Startleistung genannt, handelt es sich um die Leistung, die der Motor für einen Zeitraum von 5 Minuten abgeben kann, ohne dabei Schaden zu nehmen. Ein längerer Betrieb mit der maximalen Drehzahl ist nicht vorgesehen und kann zu Schäden am Triebwerk führen.
Die maximale Leistung wird im Regelfall nur beim Start benötigt, um möglichst schnell die notwendige Abfluggeschwindigkeit zu erreichen und an Höhe zu gewinnen. Dieser Anwendungsfall ist auch in der LTF- UL 901 beschrieben22, in der die Anforderungen an einen Motor in einem Ultraleichtflugzeug festgelegt sind.
Zusätzlich sind in der LTF- UL Mindestwerte zur Steigfähigkeit vorgeschrieben, die mit der maximalen Leitung erreicht werden müssen. Nach Erreichen der Mindesthöhe, oder der vorgeschriebenen Platzrundenhöhe, kann die Leistung reduziert werden. Dieses geschieht durch Reduzierung der Drehzahl.
6.1.2 Maximale Dauerleistung
Die maximale Dauerleistung, ist die Leistung, die vom Motor dauerhaft abgegeben werden kann ohne Schaden zu nehmen. Bei Betrieb des Motors mit der maximalen Dauerleistung lassen sich hohe Reisegeschwindigkeiten oder Steigleistungen erzielen. Allerdings ist der Betrieb auf diesem Drehzahlniveau auf Grund des erhöhten Kraftstoffverbrauches aus ökonomischen und ökologischen Gründen nicht sinnvoll. Hierzu geben die Motorenhersteller die Drehzahlen für die maximal mögliche Leistung, wie auch für die maximale Dauerleistung an. Diese sind Angaben im Betriebshandbuch zu finden, wie in Tabelle 5 23 dargestellt.
Tab. 5: Leistungsangaben Rotax 912 ULS
6.1.3 Reisegeschwindigkeit bei 75 % Dauerleistung
Bei der Reisegeschwindigkeit handelt es sich meistens um die Geschwindigkeit, die mit 75 % der maximalen Dauermotorleistung erreicht werden kann. Ein Betrieb des Motors in diesem Drehzahlbereich ist nicht nur aus Gründen der verminderten mechanischen Belastung für den Motor sinnvoll, sondern senkt zusätzlich den Kraftstoffverbrauch, wie auch den Lärmpegel.
Abhängig vom Flugzeugmodell, sowie den Wetterbedingungen oder persönlichen Vorlieben, kann natürlich auch langsamer geflogen werden als technisch machbar. Auch wenn eine FK14 Polaris eine Höchstgeschwindigkeit von ca. 250 km/h im Horizontalflug erreichen kann, für die sie die zulässige Dauerleistung von ca. 69kW (94PS) benötigt 24 , so kann diese Maschine bei deutlich verminderter Leistung eine Geschwindigkeit von ca. 150 km/h erreichen. Hierfür sind dann lediglich bei ca. 3.500 Umdrehungen pro Minute notwendig, bei einem angezeigten Verbrauch von ca. 8 Liter pro Stunde. Somit kann, analog zum PKW der absolute Verbrauch durch Verringerung der Fluggeschwindigkeit und Drehzahl gesenkt werden. Im Gegensatz zum absoluten Verbrauch, der bei kleinerer Drehzahl sinkt, kann der spezifische Verbrauch des Motors trotzdem steigen.
Dieses ist abhängig von der Auslegung des Motors und wird durch viele Faktoren beeinflusst.
6.1.4 Spezifischer Verbrauch
Die Angaben zum spezifischen Verbrauch bilden die Basis für den Vergleich der einzelnen Motoren untereinander. Die absoluten Verbrauchsangaben sind, ähnlich wie im PKW Bereich ungeeignet, das viele Faktoren den Verbrauch beeinflussen. Mit pauschalen Aussage ein PKW verbraucht 8 Liter auf hundert Kilometer, lässt sich keine Aussage über die Effizienz treffen, da wesentliche Angaben wie Fahrzeuggröße, Gewicht oder Art des Fahrzeuges (Kleinwagen, SUV, Sportwagen....) fehlen. Im Bereich des Ultraleichtfluges verhält es sich ähnlich.
Letztlich hängt der benötigte absolute Kraftstoffverbrauch vom Flugzeugmodell ab, denn abhängig von Luftwiderstand, Gewicht oder verwendeter Luftschraube, ergeben sich natürlich auch unterschiedlicher Kraftstoffverbrauchswerte.
Um diesen Zustand zu kompensieren und die Motoren miteinander vergleichen zu können, gibt es den Kennwert des spezifischen Verbrauches.
Wie bereits in Kapitel 6.1 erwähnt, kann mit Hilfe eines Diagrammes des spezifischen Verbrauches, der aktuelle Verbrauch bei einer bestimmten Drehzahl und damit zusammenhängenden Leistung berechnet werden. Das spezifische Verbrauchsdiagramm, das in Abbildung 1325 dargestellt ist, wird auch als "Muscheldiagramm" bezeichnet.
Abb. 13: Verbrauchsdiagramm eines PKW Dieselmotors
Sofern vom Hersteller ein komplettes Diagramm geliefert wird, ist somit nicht nur der geringste spezifische Verbrauch erkennbar, sondern ebenfalls für welche Drehzahlen dieser gilt. Des Weiteren ist daraus ersichtlich, ob dieser geringe Verbrauch über einen breites Drehzahlband zur Verfügung steht oder nur punktuell. Je größer der Bereich einer niedrigen spezifischen Verbrauches desto wirtschaftlicher bzw. verbrauchsärmer lässt sich der Motor betreiben.
Im Bereich des PKW kann beispielsweise versucht werden, durch die Gangabstufungen im Getriebe, die Motordrehzahl möglichst lange im Bereich des besten spezifischen Verbrauches zu halten.
Helge Berner
20 vgl. Sauer Flugmotorenbau GmbH
21 vgl. DAeC Luftsportgeräte Büro Gerätekennblatt 61141.1
22 vgl. DFS Deutsche Flugsicherung 2003 S.327
23 vgl. BRP- Powertrain GmbH&Co KG Kapitel 5
24 vgl. DAeC Luftsportgeräte Büro Gerätekennblatt 61177.1
25 vgl. van Basshuysen und Schäfer 2015 Kapitel 3.5