Technik

Der Gemisch-Zauber

von JOHN DEACIN

Übersetzung Philipp Tiemann

Anmerkungen des Übersetzers: Beim vorliegenden Text handelt es sich um eine Übersetzung der Kolumne „Mixture Magic aus der Serie Pelican’s Perch (#18) von John Deakin. Diese wurde am 14.06.1999 auf www.avweb.com publiziert und es handelt sich dabei heute um einen Klassiker der Luftfahrtliteratur im Bereich der Allgemeinen Luftfahrt.

Der Einfachheit halber wurden die zahlreichen Grafiken nicht mit übersetzt. Die meisten sind jedoch selbsterklärend bzw. werden im Fließtext eingehend erläutert. Ferner wurden einige Fachbegriffe und Abkürzungen im Amerikanischen belassen, da sie mittlerweile auch im Luftfahrtdeutsch sehr geläufig sind.

Es wird darauf hingewiesen, dass es sich in dem vorliegenden Text nicht um die Meinung und Überzeugung des Übersetzers sondern nur um eine reine Übersetzung handelt. Ferner ist zu bedenken, dass das Original zum Zeitpunkt der Übersetzung bereits 7 Jahre alt war, so dass möglicherweise einige Aussagen bereits durch neue Erkenntnisse und Entwicklungen überholt sind.

Viel Spaß beim Lesen wünscht

Philipp Tiemann

Nürnberg, im März 2006

Der Gemisch-Zauber

Wenn Sie mit Kolbenmotoren fliegen, welche Verfahren der Gemischverarmung wenden Sie an? Mit großer Wahrscheinlichkeit ist fast alles, was Ihnen ihr Fluglehrer über die Benutzung des roten Hebels erzählt hat – und vieles von dem, was Sie seitdem darüber gelesen haben – grober Unfug! Wir schlagen vor, Sie vergessen alles, was Sie dachten über das Thema zu wissen, und lassen AVweb’s John Deakin Ihnen zeigen, wie man die durch verbesserte Gemischaufbereitung die Motoreffizienz und die Lebenszeit ihres Motors optimiert.

Es gibt nur wenige Dinge rund um Flugzeuge, die so sehr missverstanden und missbraucht werden wie der Gemischhebel. Es gibt hierzu haufenweise Legenden und Märchen, verbreitet auch in Flughandbüchern, von der FAA und sogar den Motorherstellern selbst. Nicht viel dessen, was Sie bisher über das Thema Gemischaufbereitung gehört haben, macht Sinn - vieles davon ist aus dem Kontext gerissen, und der Großteil der stichhaltigen Veröffentlichungen ist so trocken und langweilig, dass es schwer ist, nicht beim Lesen einzuschlafen.

Ich habe mit vielen Piloten geflogen, die sagen "Oh, ich leane überhaupt nicht, es ist zu kompliziert, und schließlich ist Treibstoff billiger als eine Grundüberholung des Motors". Das Schlimme daran ist, dass einige dieser Leute es tatsächlich bis zur TBO schaffen! Worüber Sie nicht nachdenken, ist, wie viele technische Probleme sie bis dorthin hatten – verrußte Zündkerzen, verbrannte Ventile, gerissene Zylinderköpfe, etc. – und wie viel Geld sie für Treibstoff verschwendet haben. Schlimmer noch, sie bedenken nicht, wie viel Zeit sie für unnötige Tankstopps verschwenden. Ja ja, ich weiß, die Reichweite ihrer Blase ist geringer als die ihrer Tanks. Das habe ich schon öfter gehört, aber für mich hört sich das nach einer klaren Ausrede an.

Machen Sie gelegentlich schon mal einen Extra-Stopp wegen besonders günstigen Treibstoffs? Fühlen Sie sich gut, wenn Sie für 5 Cent pro Liter weniger als sonst tanken konnten? Wenn dem so ist, warum schaffen es Piloten nicht, ein klein bisschen mehr über ihre Motoren zu lernen und so 20% oder mehr an Treibstoffverbrauch zu sparen? Das ist wie ein Rabatt von fast 40 Cent pro Liter dieser Tage! Was habe ich verpasst?

Andere erzählen mir, "Ich leane auf 50° F auf der reichen Seite von Peak-EGT, genau so, wie es das Flughandbuch sagt", ohne zu realisieren dass dies die schlimmstmögliche Gemischeinstellung sein kann - und oft ist – die man überhaupt wählen könnte!

Andere wiederum fliegen ohne besondere Logik mit einer willkürlich gewählten Leistungseinstellung. 65% ist eine weit verbreitete Einstellung. Sie regeln vorsichtig genauestens den Ladedruck und die Drehzahl entsprechend der Vorgaben des Flughandbuchs für 65% ein und denken, das sei alles, was sie tun müssen, um diese Leistung zu erreichen. Falsch, es bedarf hierfür auch einer sehr sorgfältigen Gemischeinstellung!

Haben Sie keine Angst vor dem roten Knopf. Lernen Sie, ihn zu benutzen. Mit ein paar eindeutigen Ausnahmen gibt es nichts, was man mit dem Gemischhebel tun kann, was dem Motor kurzfristig schaden kann. Bei richtiger Benutzung werden Sie viel Treibstoff sparen, ihr Motor wird kühler, sauberer, runder und länger laufen, bei geringerem Wartungsaufwand und geringeren Standzeiten auf dem Weg zur TBO.

So! Jetzt, wo ich all dies von meiner Seele losbekommen habe, schauen wir, ob wir hieraus ein klein bisschen Sinn machen können. Wenn Sie meine bisherigen Kolumnen über Ladedruck und Propeller noch nicht gelesen haben, so wäre dies ein guter Zeitpunkt dafür, da dies der dritte Teil in dieser Serie ist und auf den vorhergehenden Erkenntnissen aufbaut.

Ich würde zunächst gern einige Dinge diskutieren über den Treibstoff, den wir benutzen, um dann recht detailliert in die Bedienung des perfekten Motors einzugehen. Danach gehe ich auf die Geschichte ein, warum unsere Motoren nicht perfekt sind, und was wir dagegen tun können.

Pyromanisches Geschwätz

Wenn Sie öfters im Kino waren, oder in den letzten 30 Jahren ferngesehen haben, haben Sie zweifelsohne die Szene gesehen, wo jemand Benzin in einer langen Spur verschüttet, dann ein Streichholz anzündet und das Benzin damit entzündet. Wenn Sie genau hinschauen, so ist die Flamme eine rechte sanfte, und die Flammenfront bewegt sich recht langsam bis sie erreicht, was immer explodieren soll und dann fliegt alles in die Luft – mit Gewalt. Eine beliebte Szene ist der Treibstofftank. Während Hollywood gelegentlich mit Tricks spielt, so bedarf diese bestimmte Szene keiner großen Zauberei: sie ist ziemlich realistisch.

Aber warum verbrennt der Treibstoff so langsam während die Flamme am Boden entlang kriecht, und warum fliegt alles so gewaltsam in die Luft, wenn sie ihr Ziel erreicht? Die kurze Antwort lautet: Gemisch.

Benzin alleine brennt nicht einmal. Versuchen Sie einmal, ein angezündetes Streichholz auf den Boden zu legen und etwas flüssiges Benzin darauf zu schütten. Sie werden das Feuer löschen. Dies ist der 'zu-reich-zum-Brennen'-Fall.

Zurück zu der Filmszene: Die Benzinspur auf dem Boden brennt nur, weil das Benzin verdunstet, sich also in einen Dunst verwandelt und an einem bestimmten Punkt über dem Boden das entstehende Gemisch die Verbrennung ermöglicht. Diese kleine Menge Dunst verbrennt, was die nächsten Moleküle entzündet, was wiederum die nächsten Moleküle entzündet, und so weiter.

Wenn wir genau untersuchen könnten, was passiert, würden wir sehen, dass die Oberfläche des flüssigen Treibstoffs überhaupt nicht brennt und eine direkt darüber liegende Dunstschicht ebenfalls nicht brennt, da sie zu reich zum Brennen ist. An dem Punkt über der Oberfläche, wo Verbrennung stattfindet, brennt das Feuer und das gesamte brennbare Gemisch oberhalb dieses Punktes ebenfalls. Pusten Sie eine sanfte Brise über die Flamme und bringen damit mehr Luft in den Verbrennungsprozess (abmagern), werden Sie eine viel lebendigere Flamme sehen, sowie eine viel schnellere Flammenfront. Pusten Sie noch mehr Luft zu, so wird schließlich zu viel Luft vorhanden sein (zu arm), und das Feuer wird wieder langsamer brennen und letztlich ausgehen.

Nun, was passiert, wenn die brennende Benzinspur ihr Ziel erreicht? Wenn das Feuer einen vollen Benzintank erreicht, wird das Feuer schlicht ausgehen. Die Flüssigkeit ist wiederum zu reich um zum Brennen. Aber wenn der Tank teilweise leer ist, gibt es dort eine schöne Menge an brennbarem Benzindunst mit genau dem richtigen Gemisch im oberen Bereich des Tanks. Der kleinste Funke reicht aus, dies zu entzünden und die Flammenfront wird sich sehr schnell in alle Richtungen ausbreiten. Die sich schnell ausbreitenden Gase werden den Tank zerreißen, den flüssigen Treibstoff verteilen, ihn somit schön mit Luft vermischen und so ein noch größeres Volumen hoch entzündbaren Treibstoff/Luftgemisch schaffen. Technisch gesehen ist dies keine Explosion, es verbrennt nur. Aber es geschieht so schnell, dass es zu explodieren scheint.

Ein anderes Beispiel: Propangas (oder Acetylen, oder irgendein anderes entflammbares Gas) frisch aus dem Tank, macht eine eher lahme, gelbe Flamme die auch nicht wirklich heiß ist, nur wenige hundert Grad. Fügen Sie diesem Gemisch Luft hinzu, forcieren es dann unter Druck aus einer Leitung und es wird zu einer fauchenden blauen Flamme mit mehreren tausend Grad. Ihr Gasofen ist schlauerweise so konstruiert, dass die ansteigende Hitze Luft in den Gasstrom saugt und so ein Gemisch mit einer schön heißen blauen Flamme schafft. Vermischen Sie aber zu viel Luft mit diesem Gas und die Flamme wird schwächer und schwächer und geht schließlich aus – das Feuer brennt so langsam, dass es einfach nicht von Molekül zu Molekül springen kann. Nun, das ist zumindest die Art und Weise, wie ich mir das vorstelle!

All dies ist eine sehr gute Sache, denn wenn irgendeine dieser Substanzen von alleine brennen könnten, würde das Feuer schnurstracks durch die Versorgungsleitung zurück zum Tank laufen und alles verbrennen – schleunigst!

Es liegt alles am Gemisch

Wie lässt sich das alles auf den benzinbetriebenen, fremdgezündeten Verbrennungsmotor in unseren Flugzeugen (auch in Traktoren, Rasenmähern und Autos) übertragen? Zum Zweck dieses Artikels werde ich mich hier auf Saugmotoren beschränken und mir das Thema turbogeladene Motoren für eine zukünftige Kolumne aufsparen.

Wenn ich bei dem Motor in meiner Bonanza (ein TCM IO-550) bei reicher Gemischeinstellung die Boosterpumpe auf 'High' schalte, kann ich den Motor im Sinne des Wortes überfluten und abwürgen, sogar bei Start- oder Steigleistung. Jede Fehlfunktion, durch die 'zu viel' Treibstoff in den Verbrennungsraum gelangt (im Verhältnis zur vorhandenen Luft) wird dasselbe bewirken. Der Treibstoff fließt, die Zündkerze zündet, und die Geschwindigkeit des Flugzeugs dreht nach wie vor den Propeller, aber es gibt einfach zu viel Treibstoff und zu wenig Luft. Schalten Sie die Boosterpumpe auf 'Low' oder 'Off' oder verarmen Sie das Gemisch mit dem Gemischhebel und der Motor wird wieder laufen. Bei korrektem Treibstoffdurchfluss, Luftfluss und Zündfunken muss der Motor starten und laufen.

An diesem Punkt eine Nebenbemerkung. Zwei Leute berichteten, nachdem sie einen Tank leer geflogen haben (wie in einer anderen Kolumne beschrieben), dass sie geringfügige Probleme hatten, den Motor wieder zu starten. Dies könnte dafür eine mögliche Erklärung sein, nämlich wenn sie hastig den Gemischhebel reingeschoben haben und gleichzeitig in großer Höhe die Boosterpumpe zugeschaltet haben. Der Motor geht auf einen Schlag von 'kein Treibstoff' zu 'zu reich zum brennen' und kann nicht starten. Wenn sie dieses Problem bekommen, ändern sie nichts außer dem Tankschalter und schalten sie vielleicht kurzzeitig die Boosterpumpe hinzu, einfach um den Treibstoff wieder zum Fliessen und die motorgetriebene Treibstoffpumpe wieder zum Laufen zu bringen, dann schalten Sie sie wieder ab. Der Motor wird starten. Schließlich ist er dafür FAA-zertifiziert, dies zu tun!

Am anderen Ende des Spektrums schaltet das vollständige Herausziehen des großen roten Knopfes sämtlichen Treibstoffzufluss zum Motor ab und das Gemisch wird zu arm, was ebenfalls den Motor zum Quitieren des Dienstes veranlasst. Wir machen dies bei den meisten Flugzeugen so beim Abstellen des Motors, somit ist dies für die meisten bekanntes Terrain.

Feuer im Loch!

Irgendwo zwischen diesen beiden Extremen von 'zu reich zum laufen' und 'zu arm zum laufen' gibt es ein schmales Band von Gemischeinstellungen, dies es dem Motor erlauben, zu laufen. An beiden Enden dieses Spektrums läuft der Motor nicht besonders gut, aber Richtung Mitte wird es stets besser. Dies ist das Spektrum 'brennbaren' Gemischs, das wir verstehen müssen. Also, lesen Sie weiter.

(Diese Abbildung und einige andere in dieser Kolumne kommen aus dem vorzüglichen Buch 'The Engine and its Operation' von Pratt & Whitney, Ausgabe Februar 1955. Ich habe arrangiert, dieses Publikation vervielfältigen zu können und Exemplare sind erhältlich für 60$. 150 S/W-Seiten, 38 in Farbe. Wenn Sie ein Exemplar wünschen, schreiben Sie bitte eine e-mail an jdeakin@advancedpilot.com)

Die obige Abbildung zeigt lediglich das untere Ende des Gemischbereichs, von 'kein Treibstoff' bis 20% Treibstoff, nach Gewicht. Klarerweise ist jedes Gemisch mit mehr als 20% Treibstoff ebenfalls 'zu reich zum Brennen'.

Man beachte auch, dass nur ein sehr schmaler Bereich hiervon tatsächlich Verbrennung erlaubt, von ca. 5% bis ca. 12,5%. Zur Erinnerung, wir reden hier vom Gewicht von sowohl Treibstoff und Luft. Bei einem Gewichtsverhältnis von 20:1 besteht das Gemisch aus 20 Pfund Luft und 1 Pfund Treibstoff. Nach Volumen sind dies ca. 2000 Liter Luft pro Liter Treibstoff.

Lassen Sie uns an dieser Stelle ein kleines Gedankenexperiment machen. Nehmen Sie an, Sie sind im Reiseflug in 10000 Fuß, mit voll geöffnetem Gas und dem Propellerverstellhebel gesetzt für 2300 RPM. Nun ziehen Sie den Gemischhebel komplett heraus, d.h. sie schalten den Motor ab. Der Propellerregler wird versuchen diese 2300 RPM zu halten, und, für dieses Experiment, lassen Sie uns annehmen, er kann dies und tut dies. Somit läuft der Motor trotz unterbrochener Treibstoffversorgung noch, die Kolben pumpen noch immer Luft, und Sie werden noch immer denselben Ladedruck haben (ca. 20 Inch). Alle Motorinstrumente verbleiben normal, außer der CHT und der EGT, die zügig abfallen werden. Sie bringen nun das Flugzeug in einen Gleitsinkflug mit genug Geschwindigkeit, um wie ein Windrad den Propeller durch den Fahrtwind innerhalb des Regelbereichs antreiben zu lassen. (Dies ist ein Lernexperiment und keine Motorausfallübung, wo man auf beste Gleitgeschwindigkeit reduzieren würde.)

Sobald man eine Höhe von ca. 8000 oder 9000 Fuß MSL erreicht, sind bei den meisten Saugmotoren der resultierende Ladedruck und die Drehzahl ungefähr korrekt für die klassische 65%-Leistungseinstellung. Wie viel Leistung bekommen wir? Keine natürlich, oder 0%. Mein Punkt ist, dass Ladedruck und Drehzahl allein die Leistungsabgabe nicht bestimmen. Offensichtlich spielt das Gemisch auch eine wesentliche Rolle in der Leistungsgleichung!

Wenn wir unser Gedankenexperiment fortführen, sind wir auf der äußersten linken Seite dieser Abbildung, d.h. alles ist Luft und es gibt keinen Treibstoff (zu arm zum Brennen). Nun, beginnen Sie den Gemischhebel reinzuschieben (d.h. sich auf der Abbildung nach rechts zu bewegen). An einem gewissen wird der Luft Treibstoff beigemischt, aber noch immer passiert nichts, bis dieses Gemisch zu dem 5%-Punkt gelangt. In ungefähr diesem Moment wird der Motor ziemlich plötzlich starten. Wenn Sie die Abbildung genau betrachten, so steigt die Leistungskurve ('Percent Power') nahezu senkrecht bis ca. 30% Leistung und nur ein klein bisschen mehr Treibstoff lässt die Leistung auf 50% ansteigen. Danach bedarf es allerdings größerer und größerer Zunahmen an Treibstoff um 100% Leistung zu erreichen. Beachten Sie, dass es auf der Spitze der Kurve eine ziemlich große 'flache' Stelle gibt, wo die Leistung konstant bleibt. Beachten Sie auch, dass die Leistung, wenn sie weiter anreichern, wieder abfällt – letztlich bis auf 0 ('ausgeflutet').

Indem das Gemischniveau (nach Gewicht) auf ca. 8% Treibstoff eingestellt wird, wird das absolute Leistungsmaximum für die gegebenen Treibstoff- und Luftmengen erreicht, also nennen wir dies das 'Gemisch für beste Leistung'. Egal wie viel sie mit dem Gemisch spielen, dies ist das Beste, was Sie für schiere, rohe Leistung tun können. Diese Einstellung ist nützlich für maximale Geschwindigkeit, maximale Steiggeschwindigkeit und um Benzin in Lärm zu verwandeln. Dies ist 'maximale Leistung für gegebenen Treibstoff und gegebene Luft'.

Die meisten Reisefluggeschwindigkeitstabellen in den Flughandbüchern von Flugzeugen der allgemeinen Luftfahrt erwähnen es entweder überhaupt nicht oder es gibt eine kleine Bemerkung, dass die Angaben nur bei einer Gemischeinstellung für 'beste Leistung' (an der Spitze unserer Leistungs-/Gemischkurve) gelten. Dies ist oft eine Marketingmaßnahme, da schnelle Flugzeuge sich besser verkaufen lassen.

Nun gibt es hier für viele (nun, zumindest ich hatte Ärger damit) ein schwieriges Konzept: Wenn wir erneut etwas leanen, sagen wir 10% (d.h. uns auf der Abbildung zurück nach links bewegen), dann sinkt die Leistung nur ein wenig, vielleicht um ca. 5%. Hmmm, denken Sie darüber nach. 10% weniger Treibstoff, 5% weniger Leistung. Dies scheint effizienter – und es ist so. Wir bekommen nicht die maximale Leistung, wir bekommen geringfügig weniger, allerdings für deutlich weniger Treibstoff. (Es gibt eine Menge Dinge in der Luftfahrt, die so funktionieren. Gib hier ein bisschen her, bekomme dort eine Menge.) Untersuchungen haben bewiesen, dass wir bei ca. 6,25% Treibstoff (nach Gewicht) nicht ganz so viel Leistung bekommen (es werden ca. 80% sein), aber wir erhalten die maximale Leistung pro Liter Treibstoff und wir nennen dies das 'Gemisch für beste Wirtschaftlichkeit'.

Um dies von einer anderen Seite zu betrachten: Beim Bemisch für 'beste Leistung' verschwenden wir etwas Treibstoff, um die Leistung zu erhöhen.

Wenn wir in diesem Zusammenhang von 'Leistung' sprechen, dann sprechen wir von der verfügbaren Leistung mit einer bestimmten Menge Treibstoff und Luft und nicht irgendeinem Prozentsatz der Nennleistung eines Motors. Mit anderen Worten, dieses Gemischdiagramm gilt unabhängig, ob wir Halbgas und 1500 RPM oder eine andere Einstellung haben. Für jede gegebene Einstellung von Gas und Ladedruck gilt diese Darstellung brennbarer Gemische.

In der Tat, am Boden, bei 1000 Umdrehungen, kann man dies beobachten. Der Propeller ist weit außerhalb seines Regelbereichs und bei seiner geringsten Steigung. Die Drehzahl ist somit eine direkte Anzeige der abgegebenen Leistung. Schalten Sie bei voll reichem Gemisch die Boosterpumpe ein, so könnten Sie den Motor komplett ausfluten. Aber nun ziehen Sie den Gemischhebel schnell zurück, so dass der Motor weiterläuft. Bei dieser Einstellung können Sie das Gemisch verändern und das Resultat am Drehzahlmesser beobachten. Zu reich und die Drehzahl wird gering sein, und die Abgase rußig. Magern Sie ab, so wird die Drehzahl ihren Spitzenwert erreichen. Magern Sie weiter ab, so wird die Drehzahl wieder abfallen, schließlich auf Null. Der Motor reagiert sehr sensibel bei den Extremen und das aufgrund der großen Steigung der Kurve auf der obigen Verbrennungsdarstellung.

Der Gemischhebel ist somit der wichtigste Leistungshebel, den wir haben! Allein durch Benutzung des Gemischhebels können wir die Leistung von Null (mager) bis 'Voll' und zurück auf Null variieren. Wir können das nicht mit dem Gashebel (da selbst im Leerlauf immer etwas Leistung abgegeben wird) oder mit der Drehzahl (es sei denn, wir bringen die Propeller in Segelstellung). Aus praktischen Gründen liegt die realistische Bandbreite der Leistungsregelung durch Gemischveränderung natürlich zwischen ca. 30% auf der armen Seite, bis 100% und zurück auf 30% auf der reichen Seite.

Das Interpretieren der Instrumente

Für viel zu lange Zeit wurden diese Motoren ohne Hilfe jeglicher Wissenschaft betrieben. Wir hatten schlicht und einfach keine brauchbare Instrumentierung, um zu messen, was im Verbrennungsraum geschah. Wenn Sie meine vorigen Kolumnen über Ladedruck und Propeller gelesen haben, wissen Sie, dass weder Ladedruck noch Drehzahl gute Indikatoren für die abgegebene Leistung oder was überhaupt innerhalb des Motors geschieht, sind. Die Geschichte, die sie erzählen ist unvollständig, weil sie die profunden Auswirkungen des Gemischs ignorieren.

Wenn ihr Flugzeug ein Zylinderkopftemperatur (CHT)-instrument alter Art besitzt, so hat es wahrscheinlich einen grünen Bogen (oder eine grüne Linie), um den normalen Betriebsbereich zu markieren, mit einer roten Linie am oberen Ende und vielleicht sogar ohne jegliche numerische Temperaturmarkierungen. Die Messsonde für die CHT ist oft gar nicht mal am heißesten Zylinder installiert oder in irgendeiner anderen Position, die sinnvolle Information liefert. Die früheren Abgastemperatur (EGT)-systeme mit einfacher Temperatursonde waren wenig mehr als eine gute Idee, da einige nur die EGT in einem einzigen Zylinder oder den Durchschnitt der Hälfte oder aller Zylinder maßen (abhängig vom Ort der Messsonde. Was nur wenige erkannten ist, dass die Motoren aufgrund von extrem schlechter Gemischverteilung nichts mehr als eine Sammlung von vier oder sechs separaten Einzylindermotoren waren, die in loser Formation flogen. Eine einzige EGT-Anzeige von einem dieser - oder ein Durchschnitt aller -, ist praktisch aussagelos, da die mit Sicherheit etwas anderes machen als das, was Sie beobachten.

Bei den großen alten Sternmotoren, bei denen wir oft den Auspuff bei Nacht beobachten können, können wir direkt sehen, was passiert. Bei voll reichem Gemisch (Start und Steigflug) ist der Auspuff hellgelb, mit sichtbaren Flammen, die (relativ) langsam entlang der Cowling aufflackern. Magern Sie ab, und die Flamme wird blau, wird kürzer und brennt intensiver (schneller). Magern Sie weiter ab, so wird sie weiß bei einem spürbaren Leistungsverlust. Wenn Sie weit genug abmagern, geht das Feuer aus und der Motor geht aus. In den frühen Tagen der großen Sternmotoren war es sehr einfach, zu lernen, das Triebwerk bei Nacht durch Sicht abzumagern und so ein Gefühl zu gewinnen und dies dann hinreichend genau am Tag zu replizieren. Die Konstruktion der großen Sternmotoren erlaubte auch eine direkte Messung der an den Propeller abgegebenen Leistung, und dies führte in der Tat zu sehr wissenschaftlichen Abmagerungsmethoden, basierend auf der aktuellen Leistung. Diese 'Kunst' wurde gegen Ende der Sternmotorenära zu einer wahren Wissenschaft – auf DC-7s, Connies und anderen – sowohl bei den Airlines als auch beim Militär. In jedem Fall gab es damals viele hundert Millionen Stunden kumulierter Erfahrung mit großen Flotten, unter genau überwachten Bedingungen, von professionellen Besatzungen, die in sehr konstanter und standardisierter Weise fliegen mussten, mit Hilfe von für damalige Zeiten sehr fortgeschrittenen Hilfsmitteln.

Ein weiteres großartiges Merkmal des Sternmotors ist, dass die Ansaugrohre alle dieselbe Größe und Form haben und von einem einzigen zentralen Punkt abgehen. Dies erlaubt eine fantastisch gleichmäßige Luftverteilung über alle Zylinder. Viele Sternmotoren haben auch einen kurbelwellengetriebenen Kompressor an einem zentralen Punkt, der wie ein Zentrifugalgebläse wirkt. Der Treibstoff wird in den Luftstrom gesprüht kurz bevor dieses den Verteiler erreicht, was ein schön gleichmäßiges Gemisch ergibt. Dadurch ist nicht nur die Luftverteilung sondern auch die Treibstoffverteilung so gut.

Diese Eigenschaften gingen durch die Vier- und Sechszylinder Boxermotoren in den heutigen Flugzeugen der allgemeinen Luftfahrt verloren. Es gibt keinen praktikablen Weg, die Leistung direkt zu messen, der Auspuff kann nicht direkt vom Cockpit aus beobachtet werden und die Gemischverteilung ist bei den Motoren wie sie vom Werk kommen, oft grausam. Die Ansaugrohre für die einzelnen Zylinder haben dramatisch unterschiedliche Längen. Trotz alldem ist die tatsächliche Luftverteilung in den großvolumigen TCM-Motoren ziemlich gut. Die meisten Lycoming-Motoren jedoch haben ein Ansaugsystem, welches eine recht unausgewogene Luftverteilung hat, welche außerdem bei Drehzahländerungen schwankt.

Viele dieser Motoren haben eine katastrophale Treibstoffverteilung. Die Vergasermotoren sind am schlimmsten, allerdings sind viele Einspritzer auch nicht viel besser. (Trotzdem bringt Einspritzung andere Vorteile). Wiederum haben wir also eigentlich vier (bzw. sechs) Zylinder, die in loser Formation fliegen, die jeder in Bezug auf Gemisch ihr eigenes Ding machen, während der Pilot aber nur einen Gemischhebel hat, einen Hauptgemischhebel wenn man so will, welcher den Gesamttreibstofffluss zu allen Zylindern regelt.

Folgendermaßen sieht das ganze bei einem typischen TCM IO-520 oder 550 mit Originaleinspritzdüsen und Instrumentierung für alle Zylinder aus. Manche Motoren sind 'besser', andere 'schlechter'.

Zur Vereinfachung zeigt diese Darstellung nur die sechs EGTs, abgebildet gegen den Treibstoffdurchfluss. In dieser Darstellung ist (im Gegensatz zur vorigen) 'reicher' links und 'ärmer' rechts. Wenn Sie mit 'voll reich' auf der linken Seite beginnen, und dann langsam abmagern, werden Sie alle EGTs zunächst ansteigen sehen. Bei ca. 14,5 Gallonen pro Stunde (GPH) erreicht Zylinder 1 seinen Spitzenwert (Peak) und beginnt dann auf der armen Seite des Peaks wieder abzufallen. Sehr kurz danach passiert dasselbe mit Zylinder 2. (Nr. 1 und 2 sind die bei den großen TCM-Motoren die hintersten Zylinder). Wir magern weiter ab, und bald werden Nr. 3 und 4 (die mittleren Zylinder) ihren Peak erreichen und wieder abfallen, währen Nr. 5 und 6 noch weiter ansteigen. Schließlich, erreicht bei ca. 13.3 Gallonen der letzte Zylinder seinen Peak. Aber was ist mit Zylinder 1 passiert, der als erstes gepeakt hatte? Er ist nun schon 40°F auf der armen Seite des Peaks (=LOP, lean of peak)!

Die Zusammenhänge verstehen

Der Zusammenhang zwischen 'bester Leistung' und 'bester Wirtschaftlichkeit' ist aber nur ein Aspekt dieses Themas. Was passiert mit der EGT während wir leanen? Was passiert mit der CHT? Was passiert mit dem Treibstoffverbrauch, und was mit der Leistung? Vielmehr noch: was ist ihr Verhältnis untereinander?

TCM publiziert, genau wie vor ihnen Pratt & Whitney, eine tolle kleine Abbildung, die dies verdeutlicht. Manche sind verwundert, dass die Abbildungen aller Triebwerkhersteller alle genau gleich aussehen! Wann man darüber nachdenkt, ist das gar nicht so unlogisch, denn die Prinzipien denen sie unterliegen, sind dieselben, die Metallurgie ist dieselbe, der Zündfunken entsteht ungefähr am selben Zeitpunkt und die Geometrie der Kolben, Pleuel und Kurbelwellen sind identisch, egal ob es sich um den Motor einer DC-7, einer Bonanza oder eines John Deere Traktors handelt. Hier kommt eine solche 'Verhältnisabbildung' von TCM:

Nun, einen kleinen Moment bitte. Überspringen Sie diese Abbildung bitte nicht, sie ist wichtig. Es sieht etwas kompliziert aus, da sich vier Parameter auf einer Abbildung befinden, und jede einzelne muss verstanden sein. Wenn Sie nicht in der Lage sind, diese Abbildung zu verstehen, glaube ich nicht, dass Sie in der Lage sind, ihren Motor richtig zu bedienen, geschweige denn den Rest dieser Kolumne zu verstehen. Bitte, nehmen Sie sich die Zeit, jetzt, und folgen mir durch diese Abbildung!

Die gesamte Abbildung zeigt Daten bei 25.0 Inch Ladedruck und 2500 Umdrehungen. Diese werden nicht verändert, nur das Gemisch ändert sich.

Bitte lesen Sie den vorausgegangenen Paragraph noch einmal, das ist sehr wichtig.

Die einzige Variable ist der Treibstoffdurchfluss, abgetragen auf der waagerechten Achse dieser Abbildung, und alle vier Parameter sind abgetragen gegen den Treibstoffdurchfluss von 75 bis 120 Pfund pro Stunde. (PPH). Dies ergibt eine herrliche Zusammenhangsdarstellung. Beachten Sie, dass 'reicher' wiederum auf der rechten Seite ist (ich hätte einige dieser Darstellungen spiegeln können, habe dann aber authentische Abbildungen vorgezogen).

Die rechte Seite dieser Abbildung bedeutet nicht unbedingt 'voll reich'. Aus welchen Gründen aus immer zeigt TCM hier nur den Bereich des Treibstoffdurchflusses von 75 bis 120 PPH bei diesem IO-550, während 'voll reich' auf Meersspiegel ca. 162 PPH entspricht.

Die oberste Kurve zeigt die EGT, mit den entsprechenden Temperaturangaben auf der rechten Seite mit einem Tiefstwert von 1350°F bei 75PPH (arm), einem Peak von ca. 1520°F bei 95 PPH und abfallend bis auf 1380°F bei 120PPH (reich). Dies ist eine klassische EGT-Kurve, und vielen von Ihnen wird dies bekannt vorkommen. Nun, ist doch alles nicht so schlimm, oder? Und Sie dachten, diese Abbildung wäre zu kompliziert!

Unterhalb dessen liegt die CHT-Kurve, mit ihrer Skala auf der linken Seite. Sie liegt bei 310°F bei 75PPH (arm), peakt bei ca. 425°F und 105PPH, und fällt wieder auf auf ca. 405°F bei 120PPH (reich). Beachten Sie, dass die CHT bei einem erheblich reicheren Gemisch als die EGT peakt. (In der Tat, Sie werden sehen, dass die heißeste CHT an dem Punkt auftritt, wo die EGT ca. 50°F auf der reich Seite des Peaks (=ROP, rich of peak) ist. Hmm, haben wir das nicht schon einmal gehört?)

Die dritte Kurve von oben ist die 'Bremsleistung' (BHP), welche wir auch einfach als 'Leistung', die an die Kurbelwelle abgegeben wird, bezeichnen können. Die Zahlen für diese Kurve sind auf der rechten Seite und sie zeigt 180 PS bei 75PPH (arm), peakt bei ca. 250PS in einem ziemlich breiten Band an Treibstoffflüssen, und fällt nur leicht ab auf ca. 245PS bei 120PPH (reich). Beachten Sie, dass ein voll reiches Gemisch einen viel größeren Treibstoffdurchfluss und eine ganze Menge weniger Leistung bringen würde.

Schließlich zeigt die unterste Kurve den 'bremsspezifischen Treibstoffverbrauch' (BSFC). Dieser sich so ausgefallen anhörende Ingenieursausdruck ist nichts mehr als der Treibstoff, der benötigt wird, um für eine Stunde eine bestimmte PS-Leistung zu erbringen.

Ein hilfreicher Trick, um Ihnen zu helfen diese Abbildung zu verstehen, ist ein durchsichtiges Plastiklineal darauf zu legen. Halten Sie dies senkrecht und bewegen es nach links und rechts. Während ein Ende des Lineals über die Treibstoffdurchflusssklala am unteren Ende der Abbildung läuft, werden die anderen Kurven steigen bzw. fallen, genauso so wie sie in der Realität steigen bzw. fallen.

Erinnern Sie sich, wie ich vorhin sagte, man könne kräftig leanen und nur ein klein wenig Leistung verlieren? Nun, diese Abbildung gibt uns einen optischen Eindruck wie das funktioniert. Bei 75PPH (arm), erfordert es ca. 0,425 Pfund um ein PS für eine Stunde zu produzieren. Im Bereich von 85 bis 95 PPH wird weniger Treibstoff gebraucht, ca. 0,385 Pfund Treibstoff. Reichern Sie weiter an bis 120PPH und Sie werden ca. 0,480 Pfund Treibstoff verbrauchen, um ein PS eine Stunde lang zu produzieren. In diesem Fall ist weniger mehr, wenn wir die Wirtschaftlichkeit im Auge haben. BSFC ist ein sehr hilfreicher Wert, da er ein direkter Indikator der Wirtschaftlichkeit eines Motors ist. Moderne Automotoren sind im Gegensatz zur allgemeinen Meinung mit BSFCs von über 0,42 nicht sonderlich effizient. Mit einigen Modifikationen werden wir das besser können. Gar nicht mal so schlecht für 'Zweiter-Weltkriegs-Technologie', wie so viele es nennen!

Nun, jetzt kommt ein entscheidendes Konzept hinter dieser Abbildung: Alle vier Kurven sind sorgfältig in Hinblick auf die Treibstoffdurchflussskala unten abgetragen, und dies gibt uns eine großartige Möglichkeit, die Verhältnisse zwischen ihnen zu betrachten! Wenn es Sie interessiert, was mit der CHT passiert, während Sie mit der EGT spielen, nun, die Antwort ist hier.

Nehmen wir zum Beispiel an, wir sind im Reiseflug, haben die Werte stabilisieren lassen und es ist Zeit, das Gemisch abzumagern, bei von Ihnen gewähltem Ladedruck und Drehzahl. Beginnend mit voll reichem Gemisch (möglicherweise weit außerhalb des rechten Randes dieser Abbildung aufgrund der Anreicherungsfunktion des Motors bei Vollgas) leanen wir nun. Gemäß der Abbildung werden CHT und EGT steigen, und wir wissen ja aus der Erfahrung, dass dies zutrifft. Die Leistung nimmt nur geringfügig zu. Wenn Sie auf die absolut maximal mögliche Flughöhe oder Geschwindigkeit aus sind, ist diese sehr flache 'Spitze' dieser Kurve, welche bei einem Treibstoffdurchfluss von ca. 105-110 PPH auftritt, hilfreich, und wenn sie einen Start von einem hochgelegenen Flugplatz machen, ist diese sehr hilfreich. Die BSFC fällt natürlich, während sie leanen, Sie werden 'effizienter'.

Also, während das Gemisch abgemagert wird, peakt die Leistung zuerst, während die CHT sehr nahe an demselben Punkt peakt. Mit einfachen Worten: wenn wir bis zur maximalen CHT leanen, haben wir die maximale Leistung für die gegebene Ladedruck-/Drehzahleinstellung. Macht das nicht auch intuitiv Sinn? Maximale Leistung, maximale Zylinderkopftemperatur? Genau genommen ist das nicht 100%ig richtig, aber es kommt der Sache sehr nahe.

O.K, also die Leistung peakt zuerst, bleibt dann ziemlich konstant und dann peakt die CHT kurz danach. Bei fortgeführtem Leanen werden sowohl Leistung als auch CHT dann zusammen abfallen – zunächst sehr graduell, dann zunehmend steiler – während die BSFC immer besser wird und die EGT weiter ansteigt.

Leanen Sie noch weiter, so peakt auch die EGT und beginnt dann zu fallen, während sich die BSFC weiter verbessert. Klar, wir verlieren nun Leistung, aber der Treibstoffverbrauch nimmt noch schneller ab, also wird unsere Wirtschaftlichkeit (gemessen durch BSFC) immer noch besser.

Schließlich, flacht auch die BSFC-Kurve ab (beim Gemisch für 'beste Wirtschaftlichkeit') und verbleibt im Bereich von 85-90PPH ziemlich flach. Wenn wir die geringe Differenz zwischen 0,385 und 0,400 vernachlässigen, könnten wir das sogar etwas dehnen und sagen: die BSFC ist 'mehr oder weniger' flach im gesamten Bereich von 85-100PPH. Schauen Sie schnell hoch auf die Leistungskurve und beachten Sie, dass man für einen geringen Verlust an Treibstoffeffizienz 25-30PS gewinnen kann? Ist das nicht interessant? Wir werden später sehen, inwiefern dies die Leistung des Flugzeugs und dessen Effizienz verändert, dies ist nämlich ein ganz anderes Thema. Um es kurz zu machen: Wenn die Leistungseinstellung, die von einer Optimierung der Motoreffizienz dazu führt, dass das Flugzeug unterhalb jenes Geschwindigkeitsbereichs fliegt, welcher optimale aerodynamische Effizienz ergibt, dann gewinnen Sie damit nichts! Das ist ein ganz anderes Paar Schuhe. (Ich spüre da schon eine neue Kolumne kommen).

Aber was, wenn wir Ladedruck oder Drehzahl verändern?

Nehmen wir an, wir haben mit Hilfe des Ladedruck und der Drehzahl sorgfältig tatsächliche 65% der Nennleistung eingeregelt, bei einem Gemisch für 'beste Leistung'.

Was würde nun passieren, wenn wir den Ladedruck und/oder die Drehzahl erhöhten, während wir das Gemisch bei bester Leistung belassen? Mehr Kraft an die Kurbelwelle, richtig? Denken Sie mal darüber nach, was dies an der Abbildung ändern würde. Da die Leistung zunimmt, müssen sich alle Kurven nach oben verschieben. Da die Spitzen-EGT nun bei einem höheren Treibstoffdurchfluss auftritt, muss sie sich nach rechts bewegen, und alle anderen Kurven werden sie auch nach rechts bewegen, um die Verhältnisse beizubehalten.

Das sieht dann folgendermaßen aus:

Beachten Sie, dass sich das Links-Rechts-Verhältnis auf dieser Abbildung nicht verändert, da wir die Treibstoffdurchflussskala unten verändert haben, um sie in einer Linie zu halten.

Aufgepasst, jetzt kommt ein entscheidendes Konzept! Nehmen Sie an, wir erhöhen den Ladedruck, um die Leistungsabgabe auf einen Wert deutlich höher als 65% zu erhöhen. Nehmen Sie nun an, wir magern das Gemisch etwas ab, bis die tatsächliche Leistung wieder auf exakt 65% abfällt.

Das sieht dann exakt folgendermaßen aus:

Dies ist ein echtes Bild einer Cessna 414, die zuvor bei gleichem Ladedruck, Drehzahl und Gemischeinstellung auf beiden Motoren sehr vorsichtig auf horizontalen Geradeausflug ausgetrimmt wurde. Danach wurde auf dem linken Motor das Gas erhöht, und das Gemisch verarmt, um das herzustellen, was Sie hier sehen, keinerlei Tendenz zu gieren/rollen/kurven. Diese Situation ist in der Tat sehr sensibel hinsichtlich geringfügiger Leistungsunterschiede.

Bedenken Sie, beide Motoren produzieren exakt dieselbe Leistung!

Der linke Ladedruck ist 3 Inch höher als der rechte, aber der Treibstoffdurchfluss ist 3.2 GPH niedriger. Beachten Sie des Weiteren, die EGT ist nur 10° höher, aber die CHTs (wie dargestellt durch die fehlenden Balken auf dem grafischen Engine Monitor) sind 1 bis 3 Balken tiefer, wobei jeder Balken 25°F bedeutet.

Denken Sie darüber nach: kühlere CHTs, weniger Treibstoff, gleiche Leistung. Hört sich wie Zauberei an, nicht? Wenn wir den Ladedruck ausreichend erhöhen und das Gemisch ausreichend verarmen könnten, könnten wir ewige Bewegung bewirken! Leider ist dies aber ein weiter Luftfahrt-Fall, wo ein bisschen gut ist, 'mehr' aber nicht. Es sind auch andere Kräfte am Werk.

Geometrie und Physik ins Spiel

Genau wie es exakt den richtigen Augenblick gibt, dieser Blondine auf der anderen Seite des Raums näher zu treten, gibt es auch einen richtigen Zeitpunkt, das Feuer im Zylinder zu 'zünden'. (Nach meiner Erfahrung ist letzteres gar viel einfacher als das erstere.) Intuitiv würde man denken, es sei einfach. Man zünde es einfach, wenn der Kolben den oberen Totpunkt (=TDC, Top Dead Center) erreicht. Tatsache ist aber, dass es eine ganze Zeit dauert, das Feuer zu entzünden und bis sich die Flammenfront ausreichend ausgebreitet hat, um irgendwie Wirkung zu erzielen. Das Treibstoff-/Luftgemisch in der Nähe der Zündkerze muss im brennbaren Bereich sein, und die Treibstoffmoleküle müssen ausreichend nahe beieinander liegen, um den Prozess fortzuführen. Sogar im besten aller Fälle ist Verbrennung immer noch so etwas wie ein Zufallsprozess, somit gibt es im selben Zylinder eine Abweichung von Verbrennungszyklus zu Verbrennungszyklus. Aber in aller Regel arbeiten die Moleküle großartig zusammen und klinken sich in das Feuer ein um nützliche Arbeit zu leisten, auch wenn es nur darum geht, uns zum nächsten 100$-Hamburger zu bringen.

Der beste Zeitpunkt, um das Feuer zu zünden, ändert sich auch mit der Drehzahl und dem Gemisch. Bei einer hohen Drehzahl dauert es für den Kolben nicht lange, zu steigen und wieder zu sinken. Bei geringerer Drehzahl dauert es länger. Aber die Flamme weiß nichts über steigende und fallende Kolben (oder drehende Kurbelwellen), sie brennt weiter mit derselben Geschwindigkeit (nun, zumindest nahezu). Dies kann den Zeitpunkt, an dem die wirksame Arbeit verrichtet wird, ganz dramatisch verändern. Also, wann sollen wir dann das Feuer zünden?

Die Antwort hängt von allen drei Parametern ab – Gemisch, Drehzahl und Ladedruck – somit wäre es am besten, wenn unser Zündzeitpunkt automatisch entsprechend variiert würde. Einige der großen Sternmotoren haben in der Tat veränderbare Zündeinstellungen, aber die Boxermotoren, die die meisten von uns fliegen, müssen mit fixem Zündtiming zurechtkommen. (Aber: Warten Sie auf Neuigkeiten!) Da Maximalleistung der wichtigste Fall ist, wird das Zündtiming typischerweise für ein Optimum bei voller Startleistung eingestellt, und der Betreib bei geringeren Leistungseinstellungen ist eine Art Kompromiss.

Für maximale Leistung hat langjährige Erfahrung gezeigt, dass das Auslösen des Zündfunkens bei 20° bis 25° vor dem oberen Totpunkt (TDC) ungefähr richtig ist. Diese Menge 'Vorlaufzeit' gibt dem Treibstoff/Luft-Gemisch genug Zeit, um ein gutes Feuer zu entfachen, und der Druck wird just zu dem Zeitpunkt beginnen, sich aufzubauen, wenn der Kolben seinen höchsten Punkt erreicht. Von diesem Punkt an wird das Feuer wahrlich stattlich und der Druck baut sich rapide auf, just zu dem Zeitpunkt, wenn der Kolben beginnt, sich nach unten zu bewegen.

Ferner ist durch jahrelange Erfahrung und jahrelange Messungen bekannt, dass ca. 16-18° nach dem TDC der beste Zeitpunkt für das Auftreten des Maximaldrucks (PPP) ist, um die maximale Menge an nützlicher Leistung zu extrahieren, wie die folgende Darstellung aus dem Pratt & Whitney Buch zeigt:

Wie Sie im ersten Bild sehen können, erreicht das Kurbelwellengelenk an dem Zeitpunkt, wenn gezündet wird, gerade seine größte Streckung, was bedeutet, dass auch der Kolben nahe an der Spitze seines ersten Takts ist. Auf den ersten Blick erscheint es nicht produktiv, 22° vor dem TDC zu zünden, da der Kolben sich noch nach oben bewegt. In Realität jedoch dauert es einige Zeit, bis das Feuer sich entfaltet, und wenn dies geschehen ist, ist der Kolben schon praktisch ganz oben, somit kann der sich aufbauende Druck nicht wirklich jene 'negative Leistung' bewirken, die Sie möglicherweise hier erwarteten.

Das zweite Bild zeigt perfektes TDC. Egal, was der Druck im Verbrennungsraum tut, es gibt keine 'mechanische Wirkung', keine Hebelwirkung, da der Kolben lediglich direkt nach unten auf das Pleuel drückt, welches direkt nach unten auf den Kurbelwellenexzenter drückt. Der Druck im Verbrennungsraum produziert keinerlei nützliche Arbeit (belastet allerdings mit Sicherheit die Lager).

Das dritte Bild zeigt die ungefähre Position beim maximalen Druckpunkt (=PPP, Peak Pressure Point). Wenn der Druck etwas früher peaken würde, wäre der Kolben an seinem höchsten Punkt, bei deutlich weniger mechanischer Wirkung auf die Kurbelwelle, und die Belastung für den Motor würde sehr, sehr groß. Bei ca. 16° nach dem TDC setzt etwas mechanische Wirkung ein und dies gibt Zeit für den Rest des Verbrennungsvorgangs, den Kolben nach unten to drücken. Wenn der PPP deutlich später als bei 16° erfolgen würde, hätte die unmittelbare Druckspitze eine größere mechanische Wirkung, aber viel der Energie der späteren Phase des Verbrennungsvorgangs ginge verloren. In Abwägung ergibt sich ein PPP bei 16° nach dem TDC als am besten. Ein weiterer Kompromiss.

Bei sehr hohen Leistungseinstellungen (wie bei Startleistung) fanden wir heraus, dass das Hinzufügen weiteren Treibstoffs in das Gemisch (d.h. besonders reiche Gemische auf der reichen Seite der flachen Spitze der Leistungskurve) hilft, die Temperaturen gering zu halten und uns erlaubt, ohne die Gefahr von Detonation noch mehr Leistung zu produzieren. Dies ist der Grund warum viele Motoren eine 'Anreicherungsfunktion' bei Vollgas haben. Wir akzeptieren also aus gutem Grund eine gewisse Treibstoffverschwendung während des Starts, insbesondere da wir sonst selten mit sehr viel Leistung fliegen. Was würde passieren, wenn wir diese ganze Leistung abforderten und dann die Drehzahl reduzierten? (Versucht das bitte nicht zu Hause, Leute!) Nun, bei einem Zündzeitpunkt von 22° vor dem TDC und einem PPP von 16° nach dem TDC bei voller Drehzahl gibt es einen sehr präzisen Zeitintervall zwischen Zündung und PPP. Die Kurbelwellendrehung beträgt 38° (22° + 16°). Wenn wir die Drehzahl um 20% reduzieren, wird die Kurbelwelle bis zum Zeitpunkt des PPP nur 30° drehen (80% von 38°), und somit wird der PPP nunmehr schon bei 8° TDC erfolgen.

Die vorausgegangene Analyse ist genau genommen eine gewisse Übersimplifizierung. In Realität wirken eine ganze Reihe von Faktoren, wie z.B. die Kompressionsgeschwindigkeit bei der geringeren Kurbelwellengeschwindigkeit, somit ist die Beziehung zwischen Drehzahl und PPP-Timing nicht linear. In diesem Fall würde der PPP wahrscheinlich eher bei ca. 12° nach dem TDC erfolgen.

In jedem Fall aber wird der Spitzendruck bei maximalem Ladedruck und reduzierter Drehzahl viel höher sein, da der Verbrennungsraum zu dem Zeitpunkt, wenn der PPP auftritt, viel kleiner ist. Da der Druck viel höher sein wird, wird auch die Temperatur viel höher sein, und dies erhöht das Detonationsrisiko. Mehr dazu später, aber hier kommt dasselbe Bild, diesmal zeigt es klassische Detonation:

Dies ist der Grund für die alte Faustregel "Immer erst Ladedruck vor der Drehzahl reduzieren und immer erst Drehzahl vor dem Ladedruck erhöhen".

Das ist keine schlechte Regel, und es schadet nie, es so zu tun. Aber Sie sollten verstehen, dass es eigentlich nur für den Fall hoher Leistung zutrifft, bei dem der Motor mit maximalen Verbrennungsdrücken und -temperaturen arbeitet und somit Detonation überhaupt möglich ist! Wenn Sie mit 22 Inches und 2100 RPM fliegen und auf 24 Inches und 2400 RPM erhöhen wollen, macht es eigentlich keinen wirklichen Unterschied, was Sie zuerst verändern, Sie werden nichts beschädigen. Klar, aus Gründen der Routine erhöhen Sie erst die Drehzahl, dann den Ladedruck. Aber der Motor geht nicht in die Luft, nur weil Sie es 'falsch' herum machen.

Was ist mit dem Gemisch bei sehr hohen Leistungseinstellungen? Erinnern Sie sich bitte, dass der Motorenhersteller alles optimiert hat um all diese Leistung zu produzieren, und viele Parameter befinden sich innerhalb sehr schmaler Toleranzen. Wenn wir bei Startleistung den Gemischhebel etwas zurücknehmen, beschleunigt sich die Verbrennungsvorgang und das bringt den Druckimpuls näher an TDC. Wiederum eine sehr schlechte Sache. (Die Verbrennungsgeschwindigkeit erreicht ihr Maximum bei ca. 50-75°F auf der reichen Seite der maximalen EGT, und weiteres abmagern verringert sie wieder).

Unsere Flughandbücher schreiben beim Start voll reiches Gemisch vor. Das besonders reiche Gemisch ist notwendig, um sicherzustellen, dass keine Detonation auftritt. Die verbreitete Meinung ist, dass der Zweck des 'überschüssigen' Treibstoffs jener sei, den Motor zu kühlen, tatsächlich aber ist der primäre Zweck, die Verbrennungsgeschwindigkeit zu verlangsamen und den PPP zu verzögern, was durch Reduzierung des Spitzendrucks die Gefahr der Detonation beseitigt. Dies resultiert dann tatsächlich in kühlerem Betrieb, aber das ist eigentlich ein sekundärer Effekt des verzögerten PPP. (Wenn wir bloß das Zündtiming für den Start verzögern könnten, bräuchten wir nicht diesen ganzen Treibstoff zuschießen).

Folgendermaßen sah Pratt & Whitney 1948 den Verbrennungsvorgang:

Beachten Sie, wie der Druck graduell ansteigt, bis zum Zeitpunkt der Zündung. Dann steigt er, während der Kolben TDC erreicht, rapide an, steigt danach weiter, vorrangig weil der Kolben aufgrund der Geometrie des Pleuels und der Kurbelwellenaufnahme noch kaum gefallen ist. Wäre es nicht toll, wenn wir während der ganzen Zeit, in der sich der Kolben nach unten bewegt, diesen Druck beibehalten könnten? Man kann es sich ja wünschen, oder?

Ich weiß nicht, wie Pratt & Whitney auf dieses Bild kam, aber es ist auf jeden Fall ziemlich gut, denn hier kommt das tatsächliche Bild, gemessen von der neuesten digitalen Instrumentierung bei General Aviation Modifications, Inc. (GAMI) in Ada, Oklahoma:

Exkurs: Ein Blick ins Innere der Zylinder

Um die Qualität dessen, was Sie hier sehen, schätzen zu können, müssen Sie ein klein wenig darüber erfahren, wie GAMI diese Daten ermittelt. Sie verwenden eigens entwickelte Software, Hardware, und Prüfausrüstung, um diese Daten in einer Weise zu sammeln, wie es noch nie zuvor getan wurde.

Angetrieben von George Braly (es ranken sich Gerüchte über Peitschen und Ketten und klägliches Schreien spät nachts aus umfunktionierten Tornadoschutzbunkern) hat GAMI ein tragbares 128-Kanal Datenaufnahmesystem entwickelt, welches in eine Bonanza installiert wurde und dort betrieben werden kann. Es ist komplett unabhängig, mit einer eigenen Stromversorgung. Daten können zur späteren Verarbeitung auf die Festplatte eines Laptops übertragen und auch in Echtzeit angezeigt werden, und zwar bis zu 50000 Daten pro Sekunde (über alle Kanäle). Durch die Verwendung spezifisch modifizierter Sensoren kann GAMI Daten über das Zündsystem, den Kurbelwellenwinkel, den Treibstoffdurchfluss, eine großen Anzahl von Temperaturen (inklusive mehrerer Punkte auf dem Umfang individueller Zylinder), sowie alle anderen Werte, die irgendwie messbar sind, aufzeichnen.

Aber von diesen Dingen fasziniert mich am meisten, dass dieses System mit derselben Datenrate tatsächliche aktuelle Drücke innerhalb der Brennkammer aufzeichnen kann! GAMI erreicht dies mit Hilfe eines kleinen Tricks, indem man ein winzig kleines Loch im Innern der Zündkerze bohrt und dort einen speziellen Sensor einführt, der den Druck sehr genau und mit sehr hohen Datenraten messen kann, hoch genug um jedes Detail des Verbrennungsprozesses abzubilden.

Erstmals können wir so einen Blick direkt ins Herz eines laufenden Motors werfen und beobachten und aufzeichnen, was passiert, wenn etwas verändert wird.

Die unterste (blaue) Linie ist das Resultat eines mit 2700 Umdrehungen aber ohne jegliche Verbrennung laufenden Motors. Wie Sie erwarten würden, steigt und fällt der Druck genau wie der Kolben selbst, mit einem Maximum bei TDC. Die Kurve ist auf beiden Seiten des TDC exakt symmetrisch und erreicht beim TDC ungefähr nur 350 PSI.

Die nächst höhere (grüne) Linie zeigt einen normalen Verbrennungsvorgang. Beachten Sie, dass der Druck nahezu identisch mit der blauen Linie ansteigt, auch nach der Zündung, bis zu dem Punkt, an dem die Druckzunahme bei der blauen Linie aufhört. An diesem Punkt hat sich das Feuer wahrlich entzündet und beginnt nun seinerseits, den Druck zu erhöhen. Diese Kurve erreicht ihr Maximum bei ca. 18° nach TDC (dem PPP) bei ca. 800 PSI, wonach der Druck graduell abfällt aber immer noch eine Menge nach unten gerichtete Kraft auf den Kolben produziert.

Die gelbe Linie zeigt schließlich, wie Detonation aussieht. Dies ist ein unnormaler Zustand. Bedenken Sie: Dies ist leichte Detonation, gar nicht mal 'der große Hammer' der innerhalb von Sekunden aus einem Motor einen Haufen Schrott macht. Dieser Zustand wurde absichtlich durch eine CHT am rotem Strich und übermäßigem Ladedruck (durch einen Turbolader) herbeigeführt. Beachten Sie sehr sorgfältig wie früh der Druck im Gegensatz zur normalen Verbrennung ansteigt und peakt. Die vorliegenden Rohdaten zeigen den Peak bei ca. 8° nach TDC und der Testmotor hörte sich überhaupt nicht gut an! Ich habe es gehört, es war grausam!

Aber lassen Sie uns das unschöne Thema Detonation verlassen und auf eine viel interessantere Abbildung der Kraftentfaltung, bei einer ziemlich hohen Leistung (ca. 80% Leistung) schauen:

Rich of Peak

Lean of Peak

Vergleich zwischen Rich of Peak und Lean of Peak

Die beiden (oberen) Einzelgrafiken sind, dank der Hilfe von George Braly von GAMI, der sie für mich vorbereitet hat, eigentlich selbsterklärend. Die obere Grafik zeigt eine nicht 'wünschbare' Leistungseinstellung. Drehzahl und Ladedruck sind derart, dass das Druckmaximum bei nur 10.8° nach TDC entsteht und dies wird sehr hohe Zylinderkopftemperaturen herbeiführen. Die untere Grafik zeigt einen deutlich besseren Zustand, obwohl der Ladedruck viel höher ist! Das Druckmaximum ist bei 16,2° nach TDC. Der Triebstoffverbrauch ist, ebenso wie die CHT, deutlich geringer.

Die dritte Grafik legt einfach nur die beiden vorigen übereinander. Selber Tag, selber Motor, selber Flug, die Messungen wurden wenige Momente nacheinander gemacht. Beide sind bei 244PS (81%!), beide bei 2500RPM, beide zeigen denselben Zylinder, bei einem turbonormalisierten TCM IO-550.

Woher wissen wir, dass die tatsächlich produzierte Leistung bei beiden Motoren gleich ist? Nun, zunächst durch eine Grobüberprüfung: die Geschwindigkeit bei beiden Einstellungen war identisch. Des Weiteren kann man durch numerisches Integrieren der Fläche unterhalb beider Kurven berechnen, und da sich herausstellt, dass die Fläche unter der pinken Kurve und die Fläche unter der blauen Kurve gleich groß sind, wissen wir, dass die Leistungen identisch sind. Außerdem kann man bei bekanntem Druck, bekannter Drehzahl und einiger anderer Faktoren die Leistung ziemlich genau errechnen.

Was effektiv passiert, ist ein längerer, langsamerer, sanfterer und späterer Impuls. Dies verschiebt die mechanische Wirkung auf eine geringfügig bessere Position, wo eine kleine Winkeländerung zu einem riesigen Wirkungsunterschied führt.

Welche Kombination ist besser, um 244PS zu produzieren? Nun, die blaue Kurve hat einen deutlich höheren Ladedruck, aber die CHT ist 35° F kühler. Bei kühleren CHTs und geringerem Maximaldruck im Zylinder, was glauben Sie, was besser ist?

Aber was ist mit der CHT?

Die CHT kann durch eine wärmeempfindliche Unterlegscheibe unter einer Zündkerze oder durch eine in die Zylinderkopfwand eingelassene Sonde gemessen werden. Letzteres ist wahrscheinlich genauer. Es gibt allerdings große Temperaturunterschiede bei verschiedenen Messpunkten im Bereich der Laufbuchse, wobei einige Zylinder aufgrund von schlecht installierten Luftleitblechen bis zu 150°F Unterschied zwischen ihrem heißesten und kühlsten Punkt aufweisen! Schlechte Installationen von Luftleitblechen sorgen auch für große Unterschiede zwischen verschiedenen Zylindern.

Aber irgendwo müssen wir ja anfangen, und wieder beweisen die alten Bücher eine Menge Erfahrung:

Diese Abbildung aus 'The Aircraft Engine' von Pratt & Whitney zeigt, was mit Aluminiumlegierung passiert, welche für die Zylinderköpfe und Kolben in unseren Motoren verwendet werden. Diese Abbildung macht Angst, da es offensichtlich macht, dass bereits bei normalen Betriebstemperaturen ein wesentlicher Anteil an Materialfestigkeit aufgegeben wird. Der rote Strich für CHT bei meinem IO-550 ist 460°F, weit innerhalb jenes Bereiches, in dem die Materialfestigkeit nur für kurze Zeit gegeben ist. Ich würde es vorziehen, komplett außerhalb dieses Bereiches zu bleiben, und wenn man den wesentlichen Zugewinn an Festigkeit zwischen 450°F und 392°F (200°C) betrachtet, so denke ich, dass ein konservativer Pilot soweit wie möglich seine CHTs auf diesen 200°C-Wert limitieren sollte.

Hierfür gibt es weitere Argumente. Das P&W-Buch fährt folgendermaßen fort:

"Das höhere Temperaturlimit (500°F) ist für einen beschränkten Zeitraum und ist nur für den Start, maximale Leistung im Steig- und Reiseflug sowie Notfälle vorgesehen. Das Temperaturlimit für den beschränkten Betrieb sollte daher nur für kürzestmögliche Momente angewandt werden und darf nie überschritten werden."

"Das niedrigere Temperaturlimit (450°F) ist das Maximum für den Dauerbetrieb. Es sollte nie überschritten werden, außer unter jenen Bedingungen für beschränkten Betrieb wie im vorigen Absatz genannt. Es ist gute Praxis, die Zylinderkopftemperatur 50°F (30°C) unter diesem Limit zu halten um eine hohe Betriebsfestigkeit des Zylinderkopfmaterials zu erhalten" [meine Hervorhebung.]

Dies bringt uns auf genau 400°F, eine schöne, leicht zu erinnernde Zahl.

Es geht noch weiter. GAMI hat Thermosonden tief zwischen den Finnen eines Zylinders angebracht, und zwar fest an der Laufbuchse am untersten Punkt der Rillen. Während damit bei verschiedenen Temperaturen geflogen wurde, wurde deutlich, dass es entlang des Umfangs Unterschiede gibt, auch bei einem mit guten Luftleitblechen versehenen Motor. Des Weiteren, wenn man hochgeht auf ca. 420°F, wird die CHT instabil und tendiert dazu, überproportionell anzusteigen. Es scheint ziemlich eindeutig, dass die Laufbuchse bei hohen Temperaturen spürbar unrund wird, und da der Kolben seine Form nicht anpassen kann, beginnt er, an den schmalen Zonen der Laufbuchse zu scheuern, was zu einem zügigen Anstieg der CHT führt. Ich habe dies bei meinem Motor probiert, und dasselbe thermische 'Ausreißen' scheint zu geschehen. Dies habe ich deutlich vor dem Erreichen von 440° beendet, somit weiß ich nicht, wie hoch die CHT gehen würde, und ich will es auch gar nicht wissen. Übrigens, die originale Standard CHT-Anzeige zeigte überhaupt nichts Ungewöhnliches an!

Ich persönlich lasse mich vom JPI warnen, sobald die CHT eines Zylinders über 400°F geht, und ich versuche, 380°F als Maximum einzuhalten um einen Puffer zu schaffen. TCM empfiehlt in einer Veröffentlichung, normale Reiseflugtemperaturen auf 380° zu begrenzen, aber in einer anderen empfehlen sie 420°. Machen Sie sich ihre eigene Meinung darüber. Ich halte mich an den tieferen Wert.

Lassen Sie uns die TCM-Grafik mit den Standard-Motorwertekurven noch einmal betrachten, diesmal mit einem rotem Bereich, der dem oben gesagten entspricht:

Bedenken Sie, dass diese Grafik auf den Betriebsparametern 25’’ und 2500RPM basiert. Hört sich diese Einstellung irgendwie bekannt an? Ja, das ist die Einstellung, die viele jahrelang nach dem Start, als Steigleistung verwendet haben! Die hohen Temperaturen sind direktes Resultat des Reduzierens des Ladedrucks auf 25’’, was die Leistungsanreicherungsfunktion der Treibstoffsteuerung ausschaltet, wodurch der Motor dramatisch geleant wird!

Diese Praxis (Zurücknehmen des Gashebels nach dem Start) könnte das schädlichste sein, was Leute tun – mit den besten Absichten, den Motor zu schonen. Vergesst es, Leute. Lassen Sie das Gas voll stehen, es sei denn, Sie müssen eine substantielle Verringerung des Ladedrucks vornehmen, auf 22’’ oder so. (Bedenken Sie, wir reden hier nur über Saugmotoren.)

Lassen Sie uns noch einmal auf eine andere Weise auf diese TCM-Kurven blicken:

Das oberste Bild ist dasselbe, auf das wir eben bereits schauten. Ich habe eine Menge überflüssiger Details entfernt, um meinen Punkt zu verdeutlichen. Wenn wir diesen Bereich der CHT als 'außer Limit' bezeichnen, da er über 400°F ist, dann ist derselbe Bereich der EGT auch 'außer Limit', da sie zusammenhängen. Beachten Sie in dieser Abbildung, dass es keine einzige Kombination gibt, die uns gibt, was wir wollen, außer sehr weit auf der armen Seite vom Peak, was uns sehr viel Leistung kosten würde.

Im zweiten Bild habe ich die CHT-Werte verändert und die EGT-Werte entfernt, um ein einfaches Bild von etwas 'weniger Leistung' darzustellen. Sie ist wahrscheinlich im Bereich von 70%, aber darum geht es mir hier nicht. Schauen Sie auf das viel schmalere rote Band, das die Spitzen-CHT umgibt (passen Sie sehr gut auf, 'CHT' und 'EGT' richtig zu lesen, hier im Text, und halten Sie sie beim Betrachten des Bildes gut auseinander. Nun gehen Sie hoch auf den entsprechenden Bereich auf der EGT-Kurve, und wo liegt dieser Bereich? Bei dieser immer noch recht hohen Leistungseinstellung produziert Peak-EGT eine akzeptable CHT! Hiervon ausgehend sollten wir realisieren, dass der 'Gefahrenbereich' bei der EGT weitestgehend auf der reichen Seite des Peaks liegt – genau dort, wo uns viele Originaldokumente den Betrieb nahe legten. Bei höheren Leistungen müssen wir Spitzen-CHT vermeiden, was bedeutet, einen gewissen Bereich auf der reichen Seite von Peak EGT zu meiden.

Diese lose Formation schon wieder

Erinnern Sie sich, dass ich von sechs (oder vier) Zylindern sprach, die in loser Formation, alle mit anderen Leistungseinstellungen flogen? Nun könnte Ihnen klar werden, warum ich denke, dass dies wichtig ist. Egal, wie sie das Gemisch bei solch einem Biest einstellen, die meisten Zylinder werden nicht so laufen, wie Sie dachten, dieie eingestellt zu haben! Sie haben einen Zylinder eingestellt, und auch nur einen.

Nehmen Sie nun an, Sie leanen gemäß der klassischen Empfehlung "bis der Motor rau läuft und reichern dann wieder an, bis wieder runder Motorlauf hergestellt ist". Niemand möchte mit einem rau laufenden Motor fliegen, somit ist das erstmal eine gute Empfehlung. Ein rau laufender Motor verursacht Metallermüdung, Pilotenermüdung, Sterilität, Haarausfall, Imp…aber jetzt schweife ich ab. Ich denke, wir können uns darauf einigen, dass Vibration eine schlechte Sache ist, in jeder Hinsicht. Was verursacht diese Vibration? Ah, ich sehe, dort hinten hebt jemand die Hand. Was sagen Sie? "Zündaussetzer aufgrund zu mageren Gemischs?"

Schade Charlie, das gibt keinen Preis. Es gibt im Prinzip so etwas wie 'Zündaussetzer aufgrund zu mageren Gemischs' nicht. Das ist wahrscheinlich ein Begriff, den irgendein Technischer Referent aufgestellt hat, da er die richtige Antwort nicht wusste. Ein richtig eingestellter Motor wird Verarmung bis in einen Bereich bei ca. 30% Leistung tolerieren (schauen Sie auf die Verbrennungsgrafik), bis er schließlich einfach ausgeht. Es gibt überhaupt keinen Grund für das Schütteln. Nichtsdestotrotz, die wirkliche Welt ist keine perfekte Welt, und selbst gut eingestellte Motoren werden, wenn Sie extrem geleant werden, ein klein bisschen rau laufen.

Was tatsächlich passiert, was diesen rauen Lauf verursacht, ist dass der erste Zylinder der peakt und beginnt, auf die arme Seite zu gehen, weniger Leistung abgibt als die Übrigen, und ungleiche Leistungsabgabe von einem Zylinder (oder mehreren) verursacht genug Vibration, um spürbar zu sein. Also reichern Sie an, bis die Vibration weg ist, und bringen damit diesen einen Zylinder (oder mehrere) auf das gleiche Leistungsniveau wie die anderen. Dies bringt alle Zylinder in den nahezu flachen Bereich auf der Leistungskurve (siehe Abbildung). Es gibt keinen Weg, festzustellen, wo dies geschah, oder welcher Zylinder es war, aber die resultierende Abbildung könnte ungefähr so aussehen, mit einem neu hinzugefügten roten Bereich.

Dieser zweite und deutlich kritischere rote Bereich behält über das ganze Spektrum an Leistungseinstellungen Gültigkeit, somit ist er umso kritischer. Praktisch alle fabrikausgelieferten großvolumigen Motoren leiden unter dieser ungleichmäßigen Leistungsverteilung, wodurch der Frage, wie weit geleant werden kann, eine künstliche Grenze gesetzt wird. Ungleichmäßige Gemischverteilung macht den gesamten Bereich auf der armen Seite von Peak-EGT zu einem roten Bereich, der nicht benutzbar ist!

Ein paar alte Märchen

Hierher rühren ein paar hartnäckige alte Märchen, die alle einen Funken Wahrheit besitzen.

"Fliege nie lean-of-peak!" Das ist korrekt, man kann es einfach mit den meisten Boxern nicht, da ihre ungleichmäßige Gemischverteilung sie zu rau laufen lässt.

"Ärmer ist gleich heißer!" Dies ist nur in dem Bereich bis zur maximalen CHT korrekt, was bei den meisten Motoren bei ca. 35-50°F auf der reichen Seite von Peak-EGT auftritt. Jedes Verarmen über diesen Punkt hinaus lässt den Motor kühler laufen. Klar, wenn ihr Motor in diesem Bereich aufgrund von ungleichmäßiger Gemischverteilung und resultierender ungleichmäßiger Leistungsabgabe der Zylinder untereinander das große Schütteln anfängt, dann bleibt Ihnen für den Betrieb nur der Bereich auf der reichen Seite von Peak-EGT, und nur auf diesen Bereich begrenzt, gilt: ärmer ist gleich heißer!

"Durch zu aggressives Leanen verbrennen Sie Ihre Ventile!" Wahr (bei hohen Leistungseinstellungen), es sei denn Sie leanen weiter bis auf die arme Seite von Peak-EGT (wo Verarmen die Zylinderköpfe und Ventile kühler laufen lässt), oder sie fliegen mit ausreichend geringen Leistungseinstellungen, so dass die Ventiltemperaturen selbst bei Peak-EGT akzeptabel kühl bleiben. (Dies entspricht bei den meisten großvolumigen Boxern ca. 60-65% Leistung.)

Es sind dies die Dinge, die den technischen Referenten durch den Kopf gehen, wenn sie schreien (so wie es ein Lycoming-Vertreter gegenüber mir vor einiger Zeit tat): "Ich würde lean-of-peak nicht mal meinem ärgsten Feind empfehlen!" Nun, würde ich auch nicht, zumindest mit seinem Original-Motor mit dessen lausiger Gemischverteilung!

Und dennoch, es gibt einige Alternativen.

Aber WAS, WAS können wir daran tun?

Zunächst, wenn sie einen solchen teuren, großvolumigen Motor ordentlich betreiben wollen, müssen Sie einen Engine-Monitor, der Ihnen zumindest die CHT und die EGT aller Zylinder anzeigt, installieren. Wenn ich einen Vierzylinder hätte, würde ich auch einen einbauen, aber das mehr für Diagnosezwecke. Und während ich den kürzlich vom Inhaber von JP Instruments angefangenen blödsinnigen Urheberrechtsstreit völlig ablehne, so muss ich dennoch zugeben, dass JPI meiner Meinung nach den wohl besten Engine-Monitor herstellt. Insight baut auch einen guten, der seinen Job macht. Ich habe den neuen Electronics International Monitor, der dieses Jahr bei Sun’n Fun gezeigt wurde, noch nicht gesehen, aber auf dem Papier schaut er gut aus. Jeder dieser Monitors, die Messsonden für jeden Zylinder und ein Balkendisplay haben, wird seinen Job zufriedenstellend erledigen.

Sobald Sie einen solchen Engine-Monitor haben, limitieren Sie die höchste CHT stets auf 400°F. Wenn dieser Wert doch überschritten wird, erhöhen Sie die Fluggeschwindigkeit (sehr effektiv!), öffnen Sie die Kühlklappen ein wenig (wenn Sie Kühlklappen haben) oder reichern Sie das Gemisch etwas an, wenn sie auf der reichen Seite sind (verarmen Sie, wenn Sie auf der armen Seite sind). Aber das Verwenden zusätzlichen Treibstoffs zur Kühlung sollte immer Ihr letztes Mittel sein, nachdem alle anderen Möglichkeiten versucht wurden und nicht ausreichten.

Bis hierher hat sich dieses Kolumne weitgehend mit dem 'idealen Motor' beschäftigt. Leider gibt es diesen (noch) nicht ganz, und diejenigen mit Vergasermotoren stehen wirklich völlig im Regen, abgesehen von den obigen beiden Tips (Engine-Monitor und CHT-Limit von 400°F).

Hier kommt ein weiterer Tip für Vergasermotoren, wenn Sie hoch genug fliegen, um mit Vollgas (oder nahezu) zu fliegen. Von der Vollgas-Position, ziehen Sie den Leistungshebel zurück, bis Sie einen minimalen Abfall der Ladedrucks wahrnehmen – vielleicht einen knappen Zentimeter oder weniger. Lassen die den Leistungshebel dort. Dies stellt die Drosselklappe leicht schräg, wodurch ein Wirbel erzeugt wird, der eine bessere Atomisierung und Durchmischung des Treibstoffs mit der Luft bewirkt. (Dies ist bei Einspritzmotoren kontraproduktiv.)

Im Prinzip sollten wir alle bei der niedrigsten vertretbaren Drehzahl für einen gewissen Ladedruck fliegen, und die folgende TCM-Abbildung zeigt, warum.

Wie Sie sehen können, betragen die Reibungsverluste ca. 37 PS bei 2500RPM und ca. 27PS bei 2100RPM. Das sind meiner Meinung nach 10 sehr nützliche Pferdestärken.

Allerdings muss das mit den niedrigen Drehzahlen etwas vorsichtig gehandhabt werden, aufgrund der Tatsache, dass das Reduzieren der Drehzahl den PPP näher an den TDC rückt. Jedes Mal, wenn wir diesen PPP weg von den idealen 16° oder 18° nach dem TDC bewegen, verlieren wir Leistung und erhöhen die CHT. Auf der anderen Seite, je ärmer der Motor läuft, desto mehr verzögern wir den PPP und bringen ihn damit weiter weg von TDC.

Hieraus können wir erkennen, dass es eine Balance zwischen langsamer/ärmer und schneller/reicher geben muss. Für den Betrieb bei maximaler Leistung, für maximale Flugleistungen, sollten wir reichere Gemische und höhere Drehzahlen wählen. Für den Betreib mit geringer Leistung und für maximale Effizienz sollten wir ärmere Gemische und niedrigere Drehzahlen wählen. Es wäre wirklich schön, wenn wir eine Art 'Super-Verbindung' entwickeln könnten, welche die Propellerverstellung und die Gemischverstellung zu einem einzigen Hebel verbindet, aber das wäre eine formidable Design-Aufgabe. Es scheint mir, dass der Betrieb in Übereinstimmung mit dem Flughandbuch gute Resultate in den schlimmsten Fällen hervorbringt, und TCM dachte sich wahrscheinlich, das sei ihre beste Option.

Großvolumige Einspritzer

Bei den großvolumigen Einspritzmotoren wie den TCM 520ern / 550ern und den Lycoming 540ern bekommen wir derzeit ein paar moderne Weiterentwicklungen, die von großem Nutzen sein können und die sich in kurzer Zeit bezahlt machen werden. Diese Verbesserungen dürften auch den sicheren und effizienten Betrieb fernab der Empfehlungen der verschiedenen Flughandbücher und Herstellerhandbücher, inklusive viel geringerer Drehzahlen, höherer Ladedrücke und ärmerer Gemische zulassen. In niedrigen Höhen fliege ich meinen IO-550 routinemäßig mit 2100RPM, Vollgas und sehr arm, vielleicht bei ca. 50°F arm von Peak-EGT. Das ergibt dann ungefähr 75% der Nennleistung. Der Motor scheint das zu lieben, er läuft sehr kühl, macht viel weniger Lärm und läuft sehr rund. Allerdings wäre eine solche Einstellung eine tödliche Kombination wenn ich nun das Gemisch anreichern würde, oder, noch schlimmer, versuchen würde ROP zu fliegen. Auch kann ich mit dieser Leistungseinstellung nicht steigen, da die reduzierte Fluggeschwindigkeit zu zu hohen CHTs führt.

Sobald Sie einen Engine-Monitor installiert haben, ist das nächst Beste, was Sie für Ihren großvolumigen Boxer tun können, Gamijectors™ von General Aviation Modifications, Inc., aus Ada, Oklahoma zu installieren.

Das übliche Dementi: Ich besitze keinerlei Anteile, weder direkt noch indirekt, an GAMI. Ich wünschte, ich hätte. Ich arbeite nicht für sie. Ich wünschte ich würde es. Ich profitiere in keinster Weise von ihren Verkäufen, und ich habe den vollen Ladenpreis für meine Gamijectors™ bezahlt. Die Inhaber sind mittlerweile persönliche Freunde und sind Leute, die ich sehr bewundere. Ich war ganz am Rande geringfügig bei einem kleinen Test und einer Bewertung involviert.

Gamijectors™ sind spezifische Einspritzdüsen, die die Treibstoffflüsse den Luftdurchsätzen in den einzelnen Zylindern angleichen. Mit diesen können Sie Ihren Motor problemlos ohne rauen Lauf bis zum Stillstand abmagern. Dies bedeutet, dass Sie den alten Trick, "magere ab, bis er rau wird und reichern Sie an, bis er wieder rund läuft" nicht anwenden können, da der Motor bei keinerlei Gemischeinstellung rau wird. Ihr Motor wird sauberer, kühler und runder laufen, und Sie werden in der Lage sein, das gesamte Spektrum an Gemischeinstellungen zu verwenden, genau wie es die Betreiber der großen, alten Sternmotoren für viele Hundert Millionen von Stunden in einer vergangenen Zeit getan haben. Ach ja, übrigens, es gibt keinerlei Hinweise, die das alte Märchen stützen würden, nach denen arme Gemische Korrosion in den Auspuffrohren hervorrufen.

Wenn Sie einen mit Gamijectors™ ausgestatteten Motor leanen, werden Sie gleichzeitig ein Ansteigen der EGTs erkennen. (Die absoluten Temperaturwerte zwischen den einzelnen Zylindern untereinander mögen abweichen, aber das ist unwichtig). Alle sollten zum selben Zeitpunkt ihren Spitzenwert erreichen, und alle EGTs sollten gleichzeitig beginnen, abzusinken. Dies wird Resultate wie in der folgenden Grafik hervorrufen:

Mit dieser einfachen, einstündigen Installationsarbeit können wir unsere derzeitigen Motoren sehr nahe dem Standard des idealen Motors bringen, den ich im Detail weiter oben beschrieben habe.

Darüber weit hinausgehend ist GAMI derzeit schwer mit Forschungsarbeit an Testtriebwerken beschäftigt. Diese Anstrengungen versprechen, uns allen ein besseres Zündsystem zu bescheren. Nein, nicht diese schrottigen 'state-of-the-art' elektronischen Zündsysteme aus dem Automobilbereich für unsere Flugzeuge, sondern ein einfaches, sicheres und zugelassenes System, das der gesamten existierenden Technologie weit überlegen ist. Erstmalig wird es ein System geben, das vollständig das, was in der Verbrennungskammer geschieht, steuert.

Ich habe dieses Testsystem noch nicht laufen sehen, aber George und Tim von GAMI haben mich eingeladen es mir anzusehen, und außerdem zu ein klein wenig Oklahoma BBQ. Und es gibt Gerüchte, dass dieses sogar Haarausfall sowie Gedächtnisverlust, Krebs und die so verbreitete Erkältung heilen und verhindern kann!

Passen Sie immer schön auf da oben!