Triebwerkkunde Teil 2. Technik. Dieter Kohl - Flight Training 1. Triebwerkkunde Teil 2.ppt

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1 Triebwerkkunde Teil 2 Technik Dieter Kohl - Flight Training 1

2 Triebwerkkunde Teil 2 - Themen 1. Gemischregulierung 1. Gemischregulierung - Kenngrößen 2. Gemischregulierung mit EGT 3. Merkregeln zur Gemischregulierung 2. Der richtige Kraftstoff (Flugbenzin) 1. Kraftstoffsysteme 2. Tankwahlschalter und Kraftstoffdruckanzeige 3. Das richtige Motorenöl (Lycoming, Continental) 1. Der Ölkreislauf 2. Öldruck und Öltemperatur 4. Zylinderkopftemperatur 5. PRAXIS Warmlaufen und Bremslauf 6. Zündanlage 1. Die Magnetzündung 2. Die Magnetprobe 7. Besonderheiten bei ROTAX 912-Motoren Dieter Kohl - Flight Training 2

3 1. Gemischregulierung Die beste Motorleistung wird bei einem Kraftstoff-Luft-Gemisch von 1:12,5 erreicht. Um Veränderungen von Luftdruck und Luftdichte in der Höhe auszugleichen, ist in vielen Sport- und Reiseflugzeugen eine Gemischregulierungsanlage vorhanden. Sie wird meist über einen roten Hebel (mixture control) betätigt. Dieter Kohl - Flight Training 3

4 1. Gemischregulierung (Forts.) Betätigt man diesen Hebel in Richtung reiches Gemisch (rich mixture), so gibt im Vergaser eine Nadel die Kraftstoffleitung zur Hauptdüse vollkommen frei. Wird die Gemischregelung in Richtung armes Gemisch (lean mixture) bewegt, so wird die Kraftstoffzufuhr zur Hauptdüse begrenzt. Die Luftmenge bleibt bei beiden Vorgängen konstant. Dieter Kohl - Flight Training 4

5 1.1 Gemischregulierung - Kenngröß ößen Das Verhältnis Kraftstoff/Luft liegt in der Praxis ca. zwischen 1:10 (reich) und 1:17 (arm). Fällt das Mischungsverhältnis unter 1:10 ab, so fällt die Triebwerksleistung ab und der Kraftstoffverbrauch steigt an! Ein armes Gemisch ist bzgl. des Kraftstoffverbrauchs günstig, jedoch fällt die Leistung über dem Verhältnis 1:17 stark ab und der Motor wird zu heiß. Das Kraftstoff-Luft-Verhältnis von 1:15 ergibt in der Praxis die höchstzulässige Zylinderkopftemperatur (CHT ca. 225 C) und die höchstzulässige Abgastemperatur (EGT ca. 900 C). Unsere Flugzeugkolbentriebwerke haben bei einem Mischungsverhältnis von 1:12,5 den besten Leistungsgrad. Der Kraftstoffverbrauch ist immer noch wirtschaftlich. Dieter Kohl - Flight Training 5

6 1.2. Gemischregulierung mit EGT (Exhaust Gas Temp.) Für die Gemischregulierung von Flugzeug-Kolbenmotoren werden Abgastemperatur- Anzeigegeräte (EGT-Indicators) verwendet. Eine Bimetall-Temperatursonde misst im Auspuffrohr des heißesten Zylinders die Temperatur der aus dem Auslassventil ausströmenden Abgase. Dieter Kohl - Flight Training 6

7 1.2 Gemischregulierung mit EGT (Exhaust Gas Temp.) Das EGT-Anzeigegerät zeigt nicht die tatsächliche Abgastemperatur, sondern die Differenz zur max. möglichen Temperatur (peak EGT) an. Da diese bei verschiedenen Triebwerken und unterschiedlicher Installation der Sonde stark variieren kann, erstreckt sich der Anzeigebereich von 1200 F (650 C) bis 1700 F (925 C). Das Gemischregulierungsverfahren nach EGT-Anzeige ist von den meisten Triebwerksherstellern nur im Reiseflug (Cruise) mit Triebwerksleistungen zwischen 55% und 75% erlaubt. Verfahren: 1. Nach Übergang von Steigflug in den Reiseflug ca. 3-5 Minuten die Triebwerkstemperaturen stabilisieren lassen. 2. Dann das Gemisch LANGSAM verarmen, bis die Abgastemperatur ihren Spitzenwert erreicht hat. Wird über diesen Punkt hinaus verarmt, dann sinkt die Abgastemperatur durch den zu hohen Luftanteil und das Triebwerk beginnt rauh zu laufen oder neigt zu Fehlzündungen. 3. Nach Erreichen des Peaks das Gemisch wieder etwas anreichern, bis ein Abgastemperatur-Abfall von 50 F eintritt (meist zwei Teilstriche). Dieter Kohl - Flight Training 7

8 1.2 Gemischregulierung mit EGT (Exhaust Gas Temp.) Vorteile: - Günstiger Kraftstoffverbrauch - (Fast) optimale Reichweite - Bester Leistungsgrad des Triebwerks ACHTUNG: Die Gemischregulierung muss nach jedem Höhenwechsel und jeder Veränderung der Triebwerksleistung ERNEUT durchgeführt werden! Dieter Kohl - Flight Training 8

9 1.3 Merkregeln zur Gemischregulierung Ein armes Gemisch muß immer dann vermieden werden, wenn das Triebwerk mit hoher Leistung arbeitet (Start, Steigflug, Durchstarten). Ein zu armes Gemisch kann rauhen Lauf mit Aussetzern, Überhitzung des Triebwerks (Ventile verbrennen, Zündkerzen werden zu heiß) und hohen Leistungsverlust verursachen! Bei zu reichem Gemisch läuft der Motor ebenfalls rauh und die Leistung fällt ab. Der zu viel einfließende Kraftstoff erzeugt einen Kühleffekt, wodurch die für eine saubere Verbrennung benötigte Wärme nicht erreicht wird. Dies führt zu Kohleablagerungen und andere leitende Rückstände an der Zündkerzenelektrode. 1. Merkregel: Bei Motorleistung von 75% bis 100% stets mit vollreichem Gemisch fliegen! Ausnahme: Beim Start und Steigflug (mit mehr als 75% Leistung) von hochgelegenen Flugplätzen (geringere Luftdichte) kann vollreiches Gemisch zu fett sein. Dann den Motor soweit abmagern, bis der Motor wieder rund läuft, keinesfalls mehr! 2. Merkregel: Wann immer nach Flughandbuch und sonstigen Betriebsunterlagen zulässig, mit abgemagertem Gemisch fliegen! Dieter Kohl - Flight Training 9

10 2. Der richtige Kraftstoff (Flugbenzin) Herkömmliches Flugbenzin für Kolbenmotore unterscheidet sich in der chemischen Zusammensetzung wesentlich von Kfz-Benzinen. Es weist eine höhere Siedetemperatur (bis 170 C) und niedrigeren Dampfdruck auf. Flugbenzin enthält Zusätze wie Bleitetraäthyl zur Verhinderung des Klopfens, d.h. es dient als Wärmespeicher und verhindert so, dass die Gastemperatur bei der Zündung vor der Flamme die Selbstentzündungstemperatur des Kraftstoffes erreicht. Die Oktanzahl gibt Auskunft über die Klopffestigkeit. Seit 1973 werden Flugmotoren ausschließlich mit AVGAS 100LL (Farbe blau, LL=Low Lead) betrieben. Dieser Kraftstoff besitzt eine hohe Klopffestigkeit (ROZ 100) bei vergleichsweise geringem Bleigehalt. Neuere Motoren (auch älterer Bauweise), die einen geringeren Oktanbedarf haben, werden zunehmend für den Betrieb mit bleifreiem MOGAS (Kfz Super plus, ROZ 98) zugelassen. Die Zulassung per STC (Supplementary Type Certificate) erlaubt dem Betreiber den Betrieb mit MOGAS seitens der Luftfahrtbehörde. Die neue Gesetzesforderung zur Beimischung von Bio-Alkohol wirft Probleme auf. Die Motorenhersteller und Behörden erlauben i.d.r. Ethanol-Beimischungen von max. 1%. Bei Kraftstoffen mit höherem Anteil Gesetzesforderung 5% - erlischt die STC. Dieter Kohl - Flight Training 10

11 2.1 Kraftstoffsysteme Fall-Kraftstoffanlage Kraftstoffpumpensystem Die Fall-Kraftstoffanlage benutzt die Schwerkraft für den Transport des Kraftstoffs vom Tank zum Triebwerk. Daher kann sie nur in Flugzeugen angewendet werden, bei denen der Tankausgang in normalen Fluglagen oberhalb des Vergasers liegt, also bei Schulteroder Hochdeckern. Bei Tief- und Mitteldeckern hingegen ist ein Kraftstoffpumpensystem erforderlich. Aufgrund der tieferen Tanklage muss der Kraftstoff über eine vom Motor angetriebene Pumpe zum Vergaser befördert werden. Aus Sicherheitsgründen wird meist eine zusätzliche elektrische Kraftstoffpumpe (boost pump) installiert, die vom Piloten manuell bedient werden kann. Sie wird meist vor dem Anlassen, vor dem Start und vor der Landung (siehe Handbuch) eingeschaltet und natürlich bei Ausfall der motorgetriebenen Pumpe. Dieter Kohl - Flight Training 11

12 2.2 Tankwahlschalter und Kraftstoffdruckanzeige Tankwahlschalter Lade- u. Kraftstoffdruckanzeige Die Tankwahlschalter sind im Cockpit immer in der Nähe des Pilotensitzes gut erreichbar positioniert. Sie haben entweder eine einfache Ein/Aus -, Links/Rechts - oder Links/Rechts/Beide -Schaltung. Die vom Hersteller vorgeschriebene richtige Tankschaltung muss der Flugzeugführer erst recht in Notfällen unbedingt beachten! (Siehe Handbuch) Wenn das Flugzeug mit einer Kraftstoffpumpenanlage ausgerüstet wurde, befindet sich auch eine Kraftstoffdruckanzeige im Cockpit. Sie zeigt den Druck in der Kraftstoffleitung zwischen Pumpe und dem Vergaser bzw. Einspritzer an. Oft ist die Skala farbig markiert mit einem grünen Bereich für den Normaldruck. Die Anzeige kann in kg/cm² oder psi ausgeführt sein. Dieter Kohl - Flight Training 12

13 3. Das richtige Motorenöl (f. Lycoming, Continental) Das Motorenöl dient in erster Linie der Schmierung aller beweglichen Teile im Motorgehäuse. Der Ölfilm trennt schnell aneinander gleitende Teile. Ohne ihn würde soviel Reibung entstehen, dass die Metalle zu heiß und regelrecht miteinander verschweißt würden. Solch ein Fressen des Motors kann bei Absinken des Öldrucks oder bei Ölverlust passieren. Für alle Arten von Benzin-, Diesel und Turbinenmotoren wurden Spezial-Öle entwickelt. Es ist stets sicherzustellen, dass die richtige Ölsorte in den Motor gefüllt wird. Dazu gehört auch der rechtzeitige Wechsel von Sommer- auf Winteröl und umgekehrt. Je nach Einsatzbedingungen (Lufttemperatur) müssen Öle mit unterschiedlichen Viskositäten (Zähflüssigkeiten) verwendet werden. Die Viskosität kann an der SAE-Bezeichnung abgelesen werden. Je geringer die SAE-Zahl, je geringer die Viskosität. In den gemäßigten Breiten wird im Winter das dünnflüssigere SAE-40 (Hersteller-Bezeichnung 80, -17 bis +21 C) und im Sommer das dickere SAE-50 (Hersteller-Bezeichnung 100, +15,6 bis +32 C) eingesetzt. KFZ-Motoren Motorenöl (auch der gleichen SAE-Klasse) darf nicht eingefüllt werden! Dieter Kohl - Flight Training 13

14 3. Das richtige Motorenöl (Forts.) Neben der Schmierung hat das Öl weitere Aufgaben: Dichtung zwischen Kolben, Kolbenring und Zylinderwand. Verteilung der Wärme, die von beweglichen Teilen erzeugt wird und nicht wie die Zylinder direkt durch Luft gekühlt werden. Reinigungsmittel zur Entfernung von Kohle-, Säure- und kleinste Metallablagerungen. Bei fast allen modernen Flugzeug-Kolbentriebwerken sind legierte Öle (HD-Öle, Heavy Duty) statt unlegierte Mineralöle vorgeschrieben. Meist werden rein synthetische Hochleistungsöle verwendet. Bei legierten Ölen werden durch besondere Zusätze Verbrennungsrückstände und Schmutz in der Schwebe gehalten und verhindern so Ablagerungen im Triebwerk. Neue Triebwerke - mit Ausnahme einiger turbogeladener Motoren - werden in den ersten Stunden mit unlegiertem Öl betrieben, damit die beweglichen Teile (Kolben, Lager, etc.) sich besser anpassen können. Danach wird das Triebwerk auf legiertes Öl umgestellt. Legierte und unlegierte Öle dürfen d niemals miteinander vermischt werden! Dieter Kohl - Flight Training 14

15 3.1 Der Ölkreislauf Dieter Kohl - Flight Training 15

16 3.2 Öldruck und Öltemperatur Der Ölkreislauf im Triebwerk wird meist durch eine Ölpumpe aufrecht erhalten, die das Öl mit einem der Motor-Drehzahl entsprechendem Druck zu den kritischen Stellen im Motor befördert. Es wird aus dem Ölsumpf entnommen, durch einen Ölfilter gereinigt, im weiteren Verlauf durch Reibung und Verbrennung im Motor erhitzt und fließt über ein Ventil wieder zurück in den Ölsumpf. Wegen der hohen Wärmeentwicklung ist es meist erforderlich, die Motoren mit Ölkühlern auszurüsten, die dem Luftstrom ausgesetzt werden und während des Fluges eine ausreichende Ölkühlung gewährleisten. Die Funktion des Ölsystems wird anhand von zwei Instrumenten überprüft: 1. Die Öldruckanzeige. Sie muss sich nach dem Anlassen des Motors innerhalb von 30 Sekunden (im Winter 60 Sek.) im grünen Bereich befinden. Falls das nicht der Fall sein sollte, ist das Triebwerk sofort wieder abzustellen, um schwere Schäden zu vermeiden. 2. Die Öltemperaturanzeige. Auch hier sind die Betriebsgrenzen (grüner Bereich) unbedingt einzuhalten. Zwischen Öldruck und Öltemperatur besteht ein wichtiger Zusammenhang! Steigt die Öltemperatur, wird der Öldruck etwas abfallen, da das Öl dünner geworden ist. Merke: Öldruck- und Öltemperaturanzeige arbeiten unabhängig vom Bordnetz! Dieter Kohl - Flight Training 16

17 4. Zylinderkopftemperatur Die Öldruck- und Öltemperaturanzeige zeigen Veränderungen des Öldrucks und vor allem der Triebwerkstemperatur nur verzögert an. Daher befindet sich in vielen Flugzeugen zusätzlich eine Zylinderkopftemperaturanzeige, die Temperaturänderungen sofort wahrnimmt und anzeigt. Hierzu wird ein Thermoelement (Bimetall-Thermometer) am dem Zylinder angeschlossen, an dem sich während des Fluges die größte Hitze entwickelt. Die Temperatur der anderen Zylinder wird nicht gemessen. Die vom Thermoelement bei Temperaturänderungen erzeugte elektrische Spannung wird in C oder F kalibriert zur Anzeige gebracht. Zu hohe Zylinderkopftemperaturen können folgende Ursache haben: 1. Gemisch zu arm! Maßnahme: Gemischregler in Richtung reiches Gemisch betätigen. Durch die erhöhte Kraftstoffzufuhr wird die Verbrennungstemperatur im Zylinder verringert. 2. Zu wenig Luftkühlung aufgrund geringer Fluggeschwindigkeit (z.b. im Steigflug)! Maßnahme: Steigflug mit höherer Geschwindigkeit (kleinerer Steigwinkel) durchführen oder in den Horizontalflug übergehen (geringere Motorleistung und höhere Geschwindigkeit) Dieter Kohl - Flight Training 17

18 5. Praxis Warmlaufen und Bremslauf In Motoren werden Bauteile aus - je nach Verwendungszweck - veschiedenen Metallen und Metalllegierungen eingesetzt, z.b. Kurbelwelle aus Stahl, Kolben aus Aluminiumlegierung, etc. Neben den funktionsbedingten Vorteilen hat dies jedoch auch Nachteile zur Folge, wie z.b. das unterschiedliche Ausdehnungsverhalten unter Wärmeeinfluss. Die konstruktiv gewünschten Passungen der Bauteile zueinander werden erst bei Betriebstemperatur erreicht. Um vorzeitigen Verschleiß zu vermeiden darf der Motor nicht belastet werden auch nicht durch einen Bremslauf, bis die Mindest-Betriebstemperatur erreicht ist (siehe Handbuch). Faustregel für Warmlaufdauer: In mäßigem Klima ca. 5 Minuten, bei Außentemperaturen um den Gefrierpunkt ca. 10 Minuten. Die Zeit kann fürs Rollen zum Haltepunkt genutzt werden. Nach einem Flug den Motor nicht sofort abstellen, insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen (Gefrierpunkt). Besser im Leerlauf ca. 5 Min. abkühlen lassen. Sonst besteht die Gefahr von Rissen in den Zylinderköpfen. Dieter Kohl - Flight Training 18

19 6. Die Zündanlage Die Zündanlage in Sport- und Reiseflugzeugen besteht aus folgenden Teilen: a) Zündschalter mit den Schalterstellungen AUS oder OFF, Magnet 1 oder L Magnet 2 oder R Beide Magnete oder Both, Anlassen oder Start b) Zwei Zündmagnete am Motor. c) Zündverteiler mit hochwertig isolierten Zündkabeln, die den Zündstrom zu den Zündkerzen an den Zylindern leiten. d) Zündkerzen (2 Stück pro Zylinder), die durch einen Hochspannungszündfunken (16000 bis Volt) das Benzin-Luft-Gemisch im Zylinder zünden. Dieter Kohl - Flight Training 19

20 6.1 Die Magnetzündung ndung Aus Sicherheitsgründen hat jeder Zylinder 2 Zündkerzen, die von zwei unabhängig voneinander arbeitenden Hochspannungszündmagneten mit dem erforderlichen Strom versorgt werden. Die Magnetzündung hat gegenüber der im KFZ gebräuchlichen Batteriezündung drei wesentliche Vorteile: 1. Sie arbeitet unabhängig von der Stromversorgung des Bordnetzes! 2. Der Ausfall eines Zündmagneten verursacht noch keinen Triebwerkausfall! 3. Die Magnetzündung erzeugt verglichen mit der Batteriezündung bei hohen Motordrehzahlen einen heißeren Zündfunken. Die Magnete werden von der Kurbelwelle angetrieben und erzeugen unabhängig vom Bordnetz einen zündfähigen Strom, der über Unterbrecher, Zündverteiler und Zündkabel zu den Zündkerzen geleitet wird. Je Zylinder wird jeweils eine Kerze vom linken und die andere vom rechten Magneten versorgt. Die Zündanlage muß vor jedem Start überprüft werden (Magnetprobe). Hierzu wird der betriebswarme Motor auf die vom Hersteller vorgeschriebene Drehzahl gebracht und jeder Magnet einzeln durch Zündschalterbetätigung überprüft. Hier muss ein leichter Drehzahlabfall erfolgen, da jeder Zylinder jetzt nur mit einer Zündkerze arbeitet. Dieter Kohl - Flight Training 20

21 6.2 Die Magnetprobe Bei Flugzeugen mit Constant-Speed-Verstellpropellern ist die Magnetprobe immer mit Propellereinstellung kleine Steigung (high RPM) durchzuführen. Zu prüfen sind : a) Die Höhe des Drehzahlabfalls b) Die Drehzahl-Differenz zwischen beiden Magneten Grundsätzlich dürfen die im Handbuch vorgeschriebenen Grenzwerte nicht überschritten werden. Werden die Grenzwerte nicht eingehalten, muß vor dem Flug die Ursache festgestellt und der Fehler behoben werden. Als Richtwert können folgende Werte angenommen werden: Lycoming O-320/360 (PA 28): Rotax 912 (FK9): - Prüfdrehzahl: RPM - Prüfdrehzahl: RPM - Max. Drehzahlabfall: 125 RPM - Max. Drehzahlabfall: 300 RPM - Max. Drehzahldifferenz: 50 RPM - Max. Drehzahldifferenz: 150 RPM Sollte zwischen dem Betrieb mit beiden Magnete (Both) und einem einzelnen Magneten (L oder R) kein Drehzahlabfall festgestellt werden, so ist wahrscheinlich die Erdung (Masseanschluss) unterbrochen. In diesem Fall sind auch bei ausgeschalteter Zündung (Off/Aus) beide Magnete betriebsbereit! Die kleinste Bewegung der Luftschraube kann ein Anspringen des Motors verursachen. LEBENSGEFAHR! Dieter Kohl - Flight Training 21

22 7. Besonderheiten bei ROTAX 912-Motoren Kühlsystem Die Kühlung des ROTAX 912 erfolgt durch flüssigkeitsgekühlte Zylinderköpfe und stauluftgekühlte Zylinder. Das Kühlsystem der Zylinderköpfe ist als geschlossener Kühlkreislauf mit Ausgleichsgefäß und Überlaufgefäß ausgeführt. Als Kühlmittel sind folgende Sorten zulässig: - Konventionelles Kühlmittel auf Ethylenglykol Basis - Wasserfreies Kühlmittel auf Propylen-Glykol Basis Kraftstoff Der Betrieb mit Kraftstoffen nachfolgender Spezifikationen ist zulässig: - MOGAS nach EN 228 Normal (ROZ 90), EN 228 Super (ROZ 95), EN 228 Super plus (ROZ 98) - AVGAS 100LL (höhere Ölwechsel-Intervalle erforderlich) Schmiersystem Die Schmierung ist als Trockensumpf-Druckumlaufschmierung ausgelegt und erfolgt mittels Trochoid-Ölpumpe mit integriertem Druckregler und Öldrucksensor. Als Schmierstoff sind Marken Motorrad-Motoröle mit Getriebezusätzen - nach der API-Klassifikation mit SG oder höherwertiger - zu verwenden. NICHT erlaubt sind legierte oder unlegierte FLUG-Motoren Motorenöle!!! Dieter Kohl - Flight Training 22

23 7. Besonderheiten bei ROTAX 912-Motoren Elektriksystem Der ROTAX 912 ist mit einer kontaktlosen Kondensator-Doppelzündanlage mit integriertem Generator ausgestattet. Die Anlage ist wartungsfrei und benötigt wie eine Magnetzündanlage - keine Fremdversorgung. Es werden ebenfalls 2 Zündkreise unabhängig voneinander mit Zündstrom versorgt. Dieter Kohl - Flight Training 23