07.06.2016
Erschienen in: 05/ 2016 aerokurier

Motoren im KopfstandAntriebe für den Kunstflug

Beim Kunstflug muss das ganze Flugzeug hohen positiven und negativen Lastvielfachen standhalten. Diese Belastungen machen nicht nur dem Piloten zu schaffen, dessen Blutkreislauf nicht dafür ausgelegt ist. Auch dem Motor geht es beim Kunstflug ähnlich, da die üblichen Öl- und Kraftstoffsysteme dafür nicht ausgelegt sind. Spezielle Techniken müssen her.

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Bei reinrassigen Kunstflugzeugen wie denen von Extra sind die Aggregate fürs Turnen optimiert. Foto und Copyright: Frank Martini  

 

Es gibt zwei essenzielle Flüssigkeiten, die für den Betrieb eines luftgekühlten Kolbentriebwerkes erforderlich sind: Kraftstoff und Öl. Gelangt kein Kraftstoff mehr in den Vergaser oder die Einspritzung, kann der Motor keine Leistung mehr abgeben. Fehlt das Öl oder bricht der Öldruck ein, wird der Motor sogar beschädigt. Die häufigsten Schäden aufgrund mangelnder Ölversorgung sind Lagerschäden. Genaugenommen dürfte in diesem Artikel nicht der Begriff Kunstflug verwendet werden, sondern „Fluglagen, bei denen Öl- und Kraftstoffversorgung nicht mehr gewährleistet sind“.

Ein normaler Looping ist für einen Flugmotor eigentlich überhaupt kein Problem, da Öl- und Kraftstoff durch die Fliehkraft in gleicher Weise nach unten gezogen werden wie im Normalflug durch die Schwerkraft. Fliegt das Flugzeug jedoch in Rückenlage, dann können weder Öl aus dem Ölsumpf noch Kraftstoff aus dem Kraftstofftank gefördert werden, da sich die Flüssigkeiten nicht mehr dort befinden, wo sie aus dem Tank beziehungsweise der Ölwanne abgepumpt werden. Im Rückenflug sind die Entnahmestellen für Öl und Kraftstoff plötzlich oben, während sich die Flüssigkeiten auf der gegenüberliegenden Seite befinden. Um die durchgängige Versorgung des Motors mit Betriebsstoffen zu gewährleisten, müssen daher Öl- und Kraftstoffsystem entsprechend ertüchtigt werden.

Das Öl muss immer fließen

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Im Rückenflug steht das gesamte Ölsystem auf dem Kopf: Die beiden Kugelventile sorgen dafür, dass das Öl nun von der eigentlichen Oberseite des Motors gefördert wird. Grafik und Copyright: aerokurier  

 

Der Trick bei der Konstruktion des Ölsystems besteht darin, dass es oben und unten Ölentnahmestellen am Motor gibt, damit die Ölpumpe immer Öl und keinesfalls Luft fördert. Die amerikanische Firma Christen Industries (heute Teil von Aviat Aircraft) entwickelte ein Kit für die Umrüstung von Lycoming-Motoren mit Nasssumpfschmierung. Später übernahm die Firma Lycoming das Christen Inverted Oil System für die Produktion ihrer Kunstflugmotoren (Lycoming-AEIO-Motorserie). Bei dem Rückenflug-Ölsystem von Christen wird eine zusätzliche Ölentnahmestelle an der Oberseite des Motorgehäuses angebracht, damit das Öl möglichst in jeder Fluglage von der Ölpumpe angesaugt werden kann. Normalerweise dient dieser obere Anschluss am Motor als Kurbelgehäuseentlüftung.

Ein schwerkraftgesteuertes Ventil lässt in Normalfluglage das Öl von der unteren Ölentnahmestelle an der Ölwanne zur Ölpumpe fließen und verschließt die Leitung zur oberen Ölentnahmestelle. Im Rückenflug ist das Ventil dann genau umgekehrt geschaltet. Weiterhin ist die obere Ölentnahmestelle mit einem sogenannten Öl/Luft-Separator verbunden. Dieser sorgt für die Entlüftung des Kurbelgehäuses, ohne dass Motoröl über die Entlüftungsleitung verloren geht. Das separierte Öl wird im Normalflug durch eine weitere neue Ölleitung in den Ölsumpf des Motors zurückgeleitet. Einige wenige Flugzustände kann das System jedoch nicht beherrschen, zum Beispiel den Messerflug oder den Parabelflug (null g). Jedoch sind diese Flugzustände üblicherweise zeitlich nur sehr kurz, sodass es nicht zum Einbruch des Öldrucks kommt.

Neben den Kunstflugmotoren von Lycoming mit Nasssumpfschmierung gibt es auch Varianten mit Trockensumpfschmierung. In diesem Fall wird das Motoröl in einem externen Öltank gesammelt. Dieser ähnelt einem liegenden Zylinder, in dem sich ein drehbar gelagertes Ansaugrohr für das Motoröl befindet. Dieses Ansaugrohr wird über ein Gewicht immer nach unten gedreht, wo sich je nach Fluglage auch das Öl befindet. So ist sichergestellt, dass die Ölpumpe praktisch in jeder Lage Schmierstoff ansaugen kann. Am Motor gibt es ebenfalls mehrere Ölentnahmestellen, die über Ölschläuche mit Rückschlagventilen mit dem Öltank verbunden sind. Dadurch ist gewährleistet, dass in erster Linie Öl in den Tank zurückfließt und keine Luft. Solche kunstflugfähigen Ölsysteme finden sich häufig auch an Sternmotoren, da diese grundsätzlich über eine Trockensumpfschmierung verfügen.

Ähnliche Probleme beim Sprit

Im Prinzip gilt es, bei der Treibstoffversorgung die gleichen Probleme zu lösenwie bei der Ölversorgung des Motors. Zusätzlich muss jedoch noch die Erzeugung des Kraftstoff-Luft-Gemisches für Kunstflug geeignet sein. Viele Flugmotoren sind mit sogenannten Schwimmerkammern ausgerüstet, aus denen der Kraftstoff mittels des Venturi-Prinzips angesaugt wird. Diese Vergaser funktionieren jedoch nicht bei negativen Lastvielfachen, da das Schwimmersystem dafür nicht ausgelegt ist. Daher kommen bei Kunstflugmotoren entweder Einspritzanlagen oder Druckvergaser zum Einsatz. In beiden Fällen wird der Treibstoff mit einem definierten Druck in den Ansaugtrakt eingespritzt. Beim Druckvergaser erfolgt die Einspritzung kurz hinter der Drosselklappe und bei der Einspritzanlage direkt vor dem Einlassventil am Zylinderkopf.

Nun bleibt noch die fluglagenunabhängige Kraftstoffversorgung von Vergaser und Einspritzanlage zu bewerkstelligen. Bei reinen Kunstflugzeugen kommt hierzu ein zentraler Kraftstofftank zum Einsatz. Dieser ist in möglichst der gleichen Höhe wie der Vergaser beziehungsweisedie Einspritzanlage montiert, damit der Förderdruck der Kraftstoffpumpe auch bei hohen Lastvielfachen ausreicht. Damit die Kraftstoffpumpe auch bei jeder Fluglage Kraftstoff aus dem Tank ansaugen kann, befindet sich darin ein Ansaugpendel. Dieses Pendel wird durch die Schwerkraft oder die Zentrifugalkräfte immer in den Teil des Tanks gerichtet, in dem sich der Treibstoff befindet.

Sind die Tanks in den Tragflächen untergebracht, wird ein kleinerer Sammelbehälter in Motornähe montiert (engl. header tank oder acro tank). Auch dieser Tank hat ein Ansaugpendel, damit die Kraftstoffzufuhr in jeder Fluglage gewährleistet ist. Die Rückenflugzeit wird durch das Fassungsvermögen des Acro-Tanks begrenzt. Bei der Auslegung des Kraftstoffsystems muss weiterhin darauf geachtet werden, dass im Rückenflug kein Benzin über die Belüftungsleitungen der Kraftstofftanks auslaufen kann.

Beispiel Extra 300L

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In der Extra 300 wird der Lycoming O-540 durch das Christen- Rückenflug-Ölsystem kunstflugtauglich und damit zum AEIO-540. Foto und Copyright: Mark Juhrig  

 

Das Kraftstoffsystem der Extra 300L besteht in Summe aus vier Tanks: zwei Flächentanks mit je 60 Litern Fassungsvermögen, ein Zentraltank und ein Acro-Tank mit Kraftstoffpendel. Zentral- und Acro-Tank haben zusammen ein Fassungsvermögen von 51 Litern, wovon 45,5 Liter im Kunstflug ausgeflogen werden können. Das Fassungsvermögen des Acro-Tanks erlaubt eine maximale Rückenflugzeit von vier Minuten. Für den Kunstflug müssen die Flächentanks bei der Extra 300L übrigens leer bleiben. Da die Extra 300L einen Lycoming AEIO-540 mit Nasssumpfschmierung hat, kommt das Christen-Rückenflug-Ölsystem zum Einsatz. Die Hauptkomponenten dieses Systems (Öl/Luft-Separator und das schwerkraftgesteuerte Ölventil) sind am Brandschott rechts hinter dem Motor montiert.

Simple Lösung beim Zweitakter

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Ein zentraler Tank mit einem schwerkraftabhängigen Ansaugpendel stellt die Benzinversorgung des Motors auch im Rückenflug sicher. Sein Fassungsvermögen bestimmt die maximale Zeit, die dafür zur Verfügung steht. Grafik und Copyright: aerokurier  

 

Natürlich verursachen die aufwendigeren Öl- und Kraftstoffsysteme auch zusätzlichen Wartungsaufwand. So muss zum Beispiel das schwerkraftgesteuerte Ölventil regelmäßig überprüft und gereinigt werden, damit es sich nicht verklemmt und die Ölversorgung dadurch versagt. Will man es einfacher und preiswerter haben, dann bietet sich ein Zweitaktmotor an. Zwar sind Zweitaktmotoren eher im Bereich der leichten Luftsportgeräte und im Modellflug zu finden, dennoch sollen sie hier erwähnt werden.

Zweitakter werden meist durch dem Treibstoff zugemischtes Öl geschmiert (Gemischschmierung) und verfügen daher nicht über eine Druckölschmierung. Dies ist möglich, da das ölhaltige Treibstoff-Luft-Gemisch beim Zweitakter immer auch durch das Kurbelgehäuse strömt und somit die Pleuel- und Kurbelwellenlager schmieren kann. Daher sind Zweitakter mit Gemischschmierung grundsätzlich für den Kunstflug geeignet, wenn entsprechend geeignete Vergaser verwendet werden. Zwar sind in den üblichen Zweitaktmotoren für Luftsportgeräte häufig Schwimmervergaser verbaut, jedoch können diese durch Membranvergaser ersetzt werden. Der Membranvergaser wurde ursprünglich für den Einsatz in Motorsägen entwickelt, da diese in praktisch jeder Lage funktionieren müssen. Ein Membranvergaser ist ein Druckvergaser mit integrierter Membrantreibstoffpumpe und Druckregler. Daher ist es nicht verwunderlich, dass beim günstigsten Kunstflugzeug auf dem Markt,der Rans S-9 Chaos, ein Zweitaktmotor eingebaut ist.

aerokurier Ausgabe 05/2016



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