Hubkolbenmotoren in Luftfahrzeugen. Eine Ausarbeitung

Inhalt

1 Einleitung

2 Luftfahrttechnische Herausforderungen
2.1 Barometrische Verhältnisse
2.2 Anforderungsprofil
2.3 Sicherheit

3 Geschichtliche Verwendung von Hubkolbenmotoren in Luftfahrzeugen

4 Bauarten
4.1 Reihenmotor
4.2 V-Motor
4.3 Boxermotor
4.4 Sternmotor
4.5 Umlaufmotor

5 Aufladung von Kolbenflugmotoren

6 Vor- und Nachteile im Vergleich zu Turbopro- und Strahltriebwerken

7 Moderne Anwendungen
7.1 Continental IO-550
7.2 Thielert Centurion 2.0

8 Abbildungsverzeichnis

9 Literaturverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Verbrennungs- und im besonderen Hubkolbenmotoren eignen sich grundsätzlich als Antriebsmaschinen für viele Anwendungsbereiche. Sie eignen sich als stationäre Motoren im Generatorbetrieb als Stromerzeuger, zum Beispiel in Form von Notstromaggregaten in Gebäuden oder als Stromaggregate auf Baustellen oder in Schiffen, als auch als Antriebsmaschinen in Land-, Luft- und Wasserfahrzeugen. Diese universelle Einsetzbarkeit wird erlaubt durch die Skalierbarkeit in einem großen Bereich und durch die im Vergleich zu elektrischen Maschinen einfachen Energieversorgung. In Bezug auf die Größe des Volumens des Hubraums eines Hubkolbenmotors lassen sich Motoren in der Größe weniger Kubikzentimeter, als auch in der Größe von mehreren Kubikmetern realisieren. Moderne Hubkolbenmotoren werden grundsätzlich mit (überwiegend fossilen) Brennstoffen (zum Beispiel Ottokraftstoff, Dieselkraftstoff oder Erdgas) betrieben, die durch Behälter zugeführt werden, die ebenfalls beliebig skaliert werden und zügig befüllt werden können. Dadurch ergibt sich beim Einsatz in Fahrzeugen ein Vorteil gegenüber elektrischen Maschinen, da hier die Leistungsfähigkeit und die Einsatzdauer maßgeblich durch die Energieversorgung (häufig in Form von Akkumulatoren oder Brennstoffzellen) begrenzt wird. Aufgrund dessen und aufgrund weiterer Besonderheiten des folgenden Kapitels, hat der Hubkolbenmotor herausragende Bedeutung in der Form des Kolbenflugmotors. Besonderheiten des Kolbenflugmotors in Abgrenzung zu Hubkolbenmotoren in anderen Anwendungsbereichen sollen im Folgenden beleuchtet werden.

2 Luftfahrttechnische Herausforderungen

2.1 Barometrische Verhältnisse

Wie grundsätzlich bekannt ist, benötigen Hubkolbenmotoren als Verbrennungsmaschinen für ihre Arbeit Sauerstoff. Bei einem Ottomotor werden für die Verbrennung von 1 Liter Benzin ungefähr 3,5-4 kg Sauerstoff benötigt. Der benötigte Sauerstoff wird zusammen mit den restlichen Bestandteilen der Umgebungsluft angesaugt. Auf Meeresspiegelniveau bei einem Luftdruck von ca. 1013 hPa und einer Luftdichte von ungefähr 1,2 kg m-[3] bei 20°C Umgebungstemperatur und einem Sauerstoff-Masseanteil von 23,16% an der Umgebungsluft entspricht das einem Bedarf an Luftvolumen von ungefähr 14,4 m[3] ( ). Das Luftvolumen, dass die Maschine ansaugt, ist technisch begrenzt. Motoren, die nicht durch Turbolader oder Kompressoren aufgeladen werden, sind hier im Wesentlichen durch den in Relation zum Umgebungsdruck erzeugten Unterdruck des Kolbens im Zylinder im Arbeitstakt der Ansaugung beschränkt.

Bedingt durch die Erdanziehung nimmt die Luftdichte und der Umgebungsluftdruck mit zunehmender Höhe ab. Durch das Gewicht der oberliegenden Luftmassen werden die darunter liegenden Luftmassen komprimiert, also verdichtet. Für die Luftdichte ist deshalb der Luftdruck entscheident, der ein Maß für diese Kompression der Luft durch die darüberliegenden Luftmassen ist. Der Zusammenhang von Höhe und Luftdruck lässt sich mathematisch durch beschreiben und ist in der Abbildung 1 graphisch dargestellt. In der Darstellung ist die Höhe 0 als Meeresoberflächenniveau, die Erdanziehung mit 9,81m s-[2] und der Ausgangsluftdruck p0 mit 1013,25 hPa definiert. Die Luftdichte verhält sich proportional zum Luftdruck. Das führt dazu, dass der Luftvolumenbedarf für die Verbennung von 1 Liter Benzin von ungefähr 14,4m[3] auf Meeresniveau auf ungefähr 23,5 m[3] in 5000m Höhe ( ≈0,736 kg m-[3]) und 42 m-[3] in 10 000m Höhe ( ≈0,412 kg m-[3]) ansteigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1. Abnahme des Luftdrucks mit der Höhe (Keller, 2013)

Abbildung 2. Temperaturverlauf mit der Höhe

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Abnehmende Luftdichte und der dadurch zunehmende Luftbedarf für die gleiche Menge Sauerstoff und der abnehmende Luftdruck und die dadurch resultierenden Schwierigkeiten beim Ladungswechsel von Hubkolbenmotoren (durch die sinkenden Druckdifferenz zwischen Zylinder-Innendruck bei der Ansaugung und dem Umgebungsluftdruck) in Abhängigkeit der Flughöhe stellen die wesentlichen barometrischen Herausforderungen an einen Flugzeugmotor dar. Diese müssen entweder durch in Relation zur Leistung sehr große Hubräume oder durch Aufladung kompensiert werden.

Des Weiteren nimmt mit steigender Höhe bis etwa 20km über dem Meeresspiegel die Temperatur drastisch ab, was der Abbildung 2 zu entnehmen ist. Die wesentliche Herausforderung der tiefen Temperaturen ist die Gefahr des Zufrierens von Kraftstoffleitungen und/oder Vergasern. Dieses Problem ist in Abbildung 3 schematisch dargestellt. Bei Vergaser-Ottomotoren in Flugzeugen muss deshalb stetig darauf geachtet werden, dass Vergaser nicht einfrieren. Sie verfügen hierzu über Vergaserheizungen. Neben diesen Einflüssen üben die niedrigen Temperaturen in großen Höhen vermehrten mechanischem Stress auf die Maschinen aus. Die Differenz zwischen Umgebungstemperatur und Betriebstemperatur der Motoren ist dadurch grundsätzlich im Flug größer als in Bodennähe beim Betrieb von Landfahrzeugen.

Abbildung 3. Vergaservereisung (Steffen, 2020)

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