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Werner Gauer

Auf die Mischung kommt’s an: Motor richtig leanen

Richtig leanen Auf die Mischung kommt es an

Sprit sparen und gleichzeitig den Motor schonen sind valide Gründe, sich mit dem Leanen zu befassen. In einem AOPA-Seminar leistet Fluglehrer Jörg Beck Aufklärungsarbeit über ein viel diskutiertes Thema. Dabei erklärt er auch, warum viele Handbücher an einer Stelle falschliegen.

Um kaum einen anderen Bereich im Motorflug ranken sich so viele Legenden wie ums Leanen. Da die meisten konventionellen Flugmotoren das Gemisch mit zunehmender (Dichte)Höhe nicht selbstständig regulieren können, ist der Pilot gefordert. Mit dem roten Regler passt er das Kraftstoff-Luft-Gemisch an den jeweiligen Betriebszustand des Motors an. Maximale Leistung beim Start, möglichst wenig Verbrauch im Reiseflug, und das Ganze bitte so, dass der Motor keinen Schaden dabei nimmt, lautet die Devise.

AOPA-Seminar

Klingt kompliziert? Halb so wild, findet Jörg Beck. Der Inhaber der Flugschule Ochsenflug gab in einem AOPA-Seminar den Teilnehmern einiges an Know-how rund ums Leanen mit auf den Weg. Da das Corona-Virus die Pläne eines Treffens in Egelsbach im April durchkreuzt hatte, wagte sich die Pilotenvereinigung erstmals an ein Online-Seminar mit Hilfe der Konferenz-Software Zoom.

Technik und Wissenschaft

"Es gibt hier keine Meinung, sondern es geht um Technik und Wissenschaft", versichert Beck. "Manche Mythen über das Leanen stammen noch aus der Welt der Sternmotoren und sind für unsere Boxermotoren von Continental, Lycoming oder Rolls-Royce nicht mehr relevant." Der Titel des Seminars, "Avgas und Mogas 20 Prozent günstiger. Das Geheimnis des roten Knopfs", macht klar, worum es geht. Wer seinen Motor richtig leant, spart viel Geld. Der Verbrauch an Avgas sinkt und die Reichweite erhöht sich. Auch lässt sich die Lebensdauer des Antriebs verlängern, im Idealfall viele Stunden über die TBO hinaus, was bei privat betriebenen Flugzeugen bekanntlich zulässig ist. Auf mehrere Tausend Betriebsstunden gerechnet, können Halter die Betriebskosten durch den regelmäßigen Griff zum roten Knopf signifikant senken.

Holland-Moritz
Das Bild zeigt einen Lycoming IO-260-M1A einer Vulcanair V1.0. Flugmotoren wie dieser mit Einspritzung lassen sich präziser leanen als ein Vergasermotor.

Grundkurs in Motorentechnik

Zunächst streift Jörg Beck die Grundlagen der Motorentechnik, die jeder Pilot im Theorieunterricht einmal kennengelernt haben sollte. So geht es um die Funktionsweise eines Viertakters. Im Zusammenhang mit dem Constant-Speed-Propeller fällt der Begriff des Ladedrucks, der beim Saugmotor ohne Turbolader bekanntlich ein Unterdruck im Ansaugtrakt ist. Diese und weitere Punkte kommen zur Sprache, bevor es zum Thema des Tages geht: das Gemisch.

Die ideale Mischung

Während die Leistung über die Drosselklappe im Ansaugtrakt gesteuert wird, sind der Vergaser beziehungsweise die Einspritzanlage für die Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemischs zuständig. Die ideale Mischung von Luft zu Kraftstoff liegt bei 14,7:1. Für die Verbrennung von einem Kilogramm Benzin sind also 14,7 Kilogramm Luft erforderlich. Nimmt mit zunehmender Höhe oder steigender Temperatur die Luftdichte ab, benötigt die Verbrennung weniger Sprit – der Pilot sollte also die Benzinzufuhr mit dem roten Hebel reduzieren.

Dimensionen eines Flugmotors

Um das Geschehen unter der Cowling zu veranschaulichen, verweist Jörg Beck auf die beachtlichen Dimensionen eines Flugmotors. Schon ein vergleichsweise kleiner O-320 verfügt über rund 5,2 Liter Hubraum. In jedem der vier Zylinder entzündet sich binnen 20 Millisekunden das Luft-Kraftstoff-Gemisch, das für Vortrieb und jede Menge Hitze sorgt. "Das sind kontrollierte Verbrennungen und keine Explosionen", stellt Beck klar. Wirkliche Explosionen (Detonation) – die aber nicht erwünscht sind – äußern sich im so genannten Klingeln und wären beispielsweise ein Hinweis auf Fehler in der Zündanlage oder minderwertigen Treibstoff. Die hohen bewegten Massen eines Flugmotors mahnen außerdem zum bedächtigen Umgang mit dem Gashebel: Von der Leerlaufposition bis Vollgas dürfen ruhig zwei Sekunden verstreichen. Genauso umgekehrt.

Garmin
Moderne Systeme wie das Garmin TXi versorgen den Piloten mit allen erdenklichen Informationen über den Motor.

Zu hohe Temperaturen schaden dem Motor

Motoren bestehen aus verschiedenen Metallen, die sich bei Temperaturänderungen unterschiedlich ausdehnen. Dies ist mit ein Grund dafür, dass sich beim Leanen alles um Temperaturen dreht. Wird der Motor zu heiß, wird das Metall des Zylinderkopfs zu weich, und es drohen teure Materialschäden. Zwei Werte stehen beim Motormanagement im Fokus: die Abgas- und die Zylinderkopftemperatur. Während die Abgastemperatur (EGT) zeitlich unmittelbar auf Änderungen des Verbrennungsvorgangs anspricht, folgt die Temperatur der Zylinderköpfe (CHT) etwas verzögert. Anhaltspunkt beim Leanen ist für den Piloten zunächst die EGT, die er mit dem roten Knopf beeinflussen kann. Die CHT dient der Kontrolle des Betriebszustands.

CHT-Sensoren

Welche absoluten Zahlen angezeigt werden, ist vom Flugzeug und seinem Kühlsystem abhängig. Auch die Position der CHT-Sensoren beeinflusst die Werte. Bei einigen Flugzeugen wird die Temperatur der Zylinderköpfe im Gewinde der Zündkerzen gemessen, was bei gleichem Motor eine um bis zu 40 Grad Fahrenheit höhere Anzeige zur Folge hat als der Wert eines Sensors, der außen am Zylinderkopf angebracht ist. Faustregel: Ab 400 Grad Fahrenheit (204 Grad Celsius) am Zylinderkopf ist ein Flugmotor thermisch gefährdet. "Erfliegt euch für euer Flugzeug plausible Werte", rät Beck: "Ein vielleicht sonst kühler laufender Motor kann auch schon unter 400 Grad Fahrenheit Anlass zur Sorge oder zur Wartung sein."

Das Missverständnis von 50 Grad Rich of Peak

Fallen Begriffe wie Rich of Peak, Lean of Peak und Best Power, driften die Stammtisch-Diskussionen schnell ins Philosophische ab. Bloß nicht Lean of Peak fliegen, behaupten die einen. Niemals unter 5000 Fuß leanen, fordern die anderen. Und dass man bei mehr als 75 Prozent Leistung nicht leanen sollte, wird ebenfalls oft behauptet. Nicht alles davon ist richtig und nicht alles vollkommen falsch. Beck möchte aufklären.

Rich of Peak

Was im bordeigenen Kraftwerk los ist, verdeutlicht eine für alle Motoren im Grundsatz gültige Grafik mit vier Kurven für EGT, CHT, Leistung und spezifischem Kraftstoffverbrauch. Sie veranschaulichen nicht nur die Bedeutung der einzelnen Werte, sondern auch ihr Verhältnis untereinander. Zu erkennen sind die Spitzen von EGT und CHT, die Peaks. Je reicher das Gemisch, desto niedriger werden zunächst diese beiden Temperaturen und desto höher steigt (zumindest bis zu einem gewissen Punkt) die Leistung. Allerdings steigt dabei der Verbrauch auf kostspielige und wenig umweltfreundliche Höhen. Dies ist grob gesagt der Betrieb auf der reichen Seite, also Rich of Peak (EGT).

Lean of Peak

Magert der Pilot das Gemisch vom heißesten Punkt der Abgastemperatur weiter ab, bewegt sich der Verbrennungsvorgang auf die andere Seite der Grafik in den Bereich von Lean of Peak (EGT). Hier erreicht der Motor seine beste Effizienz, wenngleich die Leistung etwas sinkt. Entgegen mancher Gerüchte sinken mit der weiter abgemagerten Verbrennung auch die Temperaturen von Abgas und Zylinderköpfen. An dieser Stelle räumt Beck mit einem Gerücht auf: Benzin kühlt die Zylinder nicht, zumindest ist der Verdunstungseffekt in der rund 1600 Grad Celsius heißen Hölle des Brennraums zu vernachlässigen. Mit dieser Erkenntnis verliert auch Lean of Peak seinen Schrecken.

Schonender Motorbetrieb

Wenngleich Jörg Beck empfiehlt, sich nach den Unterlagen der Flugzeug- und besonders der Motorenhersteller zu richten, offenbart die Grafik einen schwerwiegenden Fehler in den Handbüchern vieler Flugzeughersteller. Pauschal empfehlen diese, 50 Grad Fahrenheit Rich of Peak (EGT) zu leanen. "Genau das ist der ungünstigste Betriebszustand des Motors", warnt der AOPA-Referent. Kühlt der Pilot die Abgastemperatur durch Anreichern von ihrem Peak ausgehend um jene 50 Grad ab, erfolgt die Verbrennung ausgerechnet am höchsten Punkt der Zylinderkopftemperatur. Logisch, denn die Grafik zeigt, dass die Zylinderkopf- der Abgastemperatur vorauseilt. Umgekehrt sinkt die Zylinderkopftemperatur auf der mageren Seite, was den schonenderen Motorbetrieb ermöglicht.

So funktioniert das Leanen in der Praxis

Mit diesem Wissen erscheint das Leanen in der Praxis ganz logisch. Los geht es beim Rollen. Darf man? Darf man nicht? Man darf! Leanen am Boden schadet keinem Motor. Wichtig ist nur, beim Start das Gemisch für maximale Leistung wieder anzureichern. Vollreich gilt auch für den Steigflug unter Volllast. Ausnahmen gelten auf Altiports unter extremen Hot-and-High-Bedingungen, was ein eigenes Thema wäre. Im Reiseflug darf und soll geleant werden. Continental nennt 75 Prozent Leistung, Lycoming 65 Prozent Leistung als Höchstwerte für sorgloses Abmagern. Da Hitze durch Verbrennung und somit ausschließlich durch Treibstoff entsteht, besteht bis zu diesen Powersettings keine Gefahr der Überhitzung. Bei höherer Leistung ist es essenziell, penibel auf die Temperaturen zu achten. Referenz beim Ermitteln des Peaks ist die Abgastemperatur des heißesten Zylinders. Von dort geht es auf die reiche oder arme Seite in kühlere Bereiche.

Die Technik unterstützt den Piloten beim Leanen

Beim Einstellen des Gemischs hilft ein modernes Motormanagement. Idealerweise sind an jedem einzelnen Zylinder Sensoren für Abgas- und Zylinderkopftemperaturen angebracht. Ein Engine Analyzer unterstützt den Piloten dabei, die Daten zu interpretieren und die passenden Temperaturen einzustellen. Motoren mit Einspritzung lassen sich präziser einstellen als solche mit Vergaser. Wer das Leanen perfektionieren möchte, kann spezielle Einspritzdüsen installieren lassen, die auf die Charakteristik des betreffenden Motors abgestimmt sind und eine gleichmäßige Gemischaufbereitung mit fast deckungsgleichen Temperaturkurven für jeden einzelnen Zylinder erzeugen. Exemplarisch nennt Beck den Hersteller GAMI.

EGT-Anzeige

Natürlich gibt es auch Flugzeuge, die über weniger Ausstattung verfügen. Wenig hilfreich ist zum Beispiel eine einzelne EGT-Anzeige, von der manchmal nicht einmal klar ist, auf welchen Zylinder sich der Wert bezieht. Als Faustregel gilt: Die Einzelanzeige zeigt den im Reiseflug heißesten Zylinder. Auch in einem solchen Cockpit lässt sich leanen, allerdings weniger präzise. Ein wichtiger Anhaltspunkt kann zum Beispiel eine Fuel-Flow-Anzeige sein. Für fast jedes Flugzeug gibt es Leistungstabellen mit Drehzahl, Geschwindigkeit und Verbrauch sowie (für Muster mit Verstellpropeller) auch mit Ladedruck. Hier kann direkt die erzeugte Leistung in Prozent abgelesen und beim Leanen berücksichtigt werden. Auch der Blick auf den Fahrtmesser hilft: Ist die höchstmögliche Geschwindigkeit bei einer bestimmten Gasstellung erreicht, wurde auf maximale Leistung geleant. Abschließend rät Beck, den Motor mit Augenmaß als Arbeitsgerät zu behandeln: "Don’t abuse your engine, but don’t baby it either."

Zur Person: Jörg Beck

Jörg "Yogi" Beck aus Egelsbach fliegt seit 1984 ein- und mehrmotorige Flugzeuge aller Art. Er besitzt verschiedene Lizenzen von Ultraleicht bis zur ATPL. Als Fluglehrer ist er auch bei den Sicherheitstrainings der AOPA aktiv. Er ermöglicht es Piloten, ihre Reiseträume zu verwirklichen, indem er sie an die schönsten Flugplätze dieser Welt begleitet. Jörg Beck engagiert sich ehrenamtlich als europäischer Regional Director des Grumman- Typenclubs und in der Stiftung Mayday für in Not geratene Piloten.

Jörg Beck
Zur Person: Jörg Beck

Richtig oder falsch?

Sprit kühlt den Motor "von innen".
Das ist falsch. Die Temperatur des Motors wird primär durch die Verbrennungstemperatur bestimmt. Die gewollte langsamere Verbrennung ist weicher und kühler.

"Don’t over square", das heißt, der Ladedruck in inHg sollte nicht größer als die Drehzahl geteilt durch 100 sein.
Diese Regel stammt aus der Zeit der Sternmotoren und hat heute keine Bedeutung mehr.

Leanen über 75 Prozent Leistung macht den Motor kaputt.
Stimmt, sofern die maximale CHT überschritten oder Detonationen provoziert und ignoriert werden. Also im Zweifel oder ohne Engine Analyzer nur unterhalb der vom Hersteller empfohlenen Grenzwerte leanen.

Abkürzungen rund ums Leanen

EGT: Exhaust Gas Temperature (Abgastemperatur)
CHT: Cylinder Head Temperature (Zylinderkopftemperatur)
ROP: Rich of Peak (Gemisch auf der reichen Seite der maximalen Abgastemperatur)
LOP: Lean of Peak (Gemisch auf der armen Seite der maximalen Abgastemperatur)
FADEC: Full Authorized Digital Engine Control (automatische Motorsteuerung, die auch die Gemischaufbereitung übernimmt)