Flugmotor

Anzani W-Motor, erster kommerziell erfolgreicher Flugmotor

Bei einem Flugmotor handelt es sich um eine Verbrennungskraftmaschine, am häufigsten in Form eines Kolbenmotors, die speziell für den Einsatz in einem Fluggerät konstruiert wurde. Aufgrund dieses Umstandes werden an einen Flugmotor besondere technische sowie auch gesetzliche Anforderungen gestellt. Dieses verhindert bis auf wenige Ausnahmen den Einsatz von vergleichsweise preisgünstigen PKW- oder Motorradmotoren.
Flugmotoren werden unter anderem durch die Startleistung charakterisiert, die sie in der Regel nur kurzzeitig abgeben dürfen, um eine Überlastung zu verhindern. Im Reiseflug muss die Leistung reduziert werden, meist auf 75 Prozent oder weniger.

Technische Anforderungen

14-Zylinder-Doppelsternmotor der 1940er Jahre (Schwezow ASch-82 mit 1397 kW/1900 PS)

Aufgrund der Einsatzbedingungen werden von einem Flugmotor höchste spezifische Literleistung bei günstigem Leistungsgewicht verlangt. Dabei sollte er einen geringen spezifischen Kraftstoffverbrauch aufweisen und unbedingt zuverlässig sein.

Diese sich widersprechenden Anforderungen, die geringen Stückzahlen, hohen Entwicklungskosten und gesetzlichen Nachweispflichten (Zertifizierung) führen dazu, dass zahlreiche Flugmotoren seit Jahrzehnten praktisch unverändert gebaut werden. Die aktuellen Flugkolbenmotoren, besonders der beiden großen US-amerikanischen Hersteller Lycoming und Continental, entsprechen heute noch größtenteils dem technischen Stand der frühen 1960er-Jahre. Mittlerweile werden neben Vergasern auch Einspritzsysteme verwendet. In den kleinsten Leistungsklassen bis höchstens 50 kW sind für Ultraleichtflugzeuge und für motorisierte Segelflugzeuge Zweitaktmotoren üblich.

Abhängig von der Flughöhe ergeben sich Schwankungen von Luftdichte und -temperatur, die geeignete Regelvorrichtungen für die Gemischbildung erfordern. (Siehe auch Leanen).
Durch Motoraufladung bleiben Flugmotoren auch in großer Höhe leistungsfähig.

Im Zweiten Weltkrieg und bis Mitte der 1950er-Jahre wurden Kolbenflugmotoren mit über 2942 kW (4000 PS) Startleistung und mehr als 70 Litern Hubraum produziert, um Jagdflugzeuge, Bomber und große Passagiermaschinen anzutreiben. Herausragend waren beispielsweise die Motoren Wright R-3350 und R-4360. Infolge der technischen Entwicklungen seit dem Ende des Zweiten Weltkrieges (Strahltriebwerke, Turboprop) werden Kolbenmotoren mit mehr als ca. 400 kW für Flugzeuge seitdem kaum noch gebaut.

Gesetzliche Anforderungen

Aufgrund der öffentlichen Sicherheit werden für Flugmotoren strenge Auflagen erteilt. Der Ausfall eines Flugmotors kann zu einem tödlichen Unfall führen. Deswegen werden vom Gesetzgeber umfangreiche Zuverlässigkeitsnachweise und u. a. ein doppeltes Zündsystem für die Zulassung als Flugmotor gefordert. Des Weiteren wird die Wartung der Motoren sehr streng überwacht – der Gesetzgeber schreibt nach 2500 Betriebsstunden eine vollständige Motorüberholung mit Austausch der Laufgarnitur vor.

Unterschiede zum PKW-Verbrennungsmotor

In seinem Grundprinzip ist ein Flugzeugmotor, wie er beispielsweise in Leichtflugzeugen zum Einsatz kommt, mit dem eines PKWs identisch. Jedoch sind einige besondere Konstruktionsmerkmale vorhanden, welche zum Teil gesetzlich vorgeschrieben sind.

Die wesentlichen Unterschiede/Abweichungen:

• Doppelzündung: Es sind zwei voneinander unabhängige Zündanlagen vorgeschrieben, die auch gleichzeitig benutzt werden. Im Falle des Ausfalls einer Anlage darf der Leistungsabfall infolge verschlechterter Zündung 5 Prozent nicht überschreiten
• Gemischbeeinflussung: Das Benzin-Luftgemisch muss dem geringeren Luftdruck in der Höhe angepasst werden (siehe Leanen). Dazu gibt es einen vom Piloten zu bedienenden Hebel, der direkt auf die Gemischbildung einwirkt. Nur in seltenen Fällen werden Einspritzanlagen oder Vergaser mit automatischer Gemischkorrektur eingesetzt.
• Starrer Nockenwellentrieb: Die Nockenwelle darf nur über Zahnräder oder eine Königswelle angetrieben werden – Zahn- oder Steuerriemen sind nicht gestattet, da diese reißen können. Häufig werden die Ventile über Stößelstangen statt von einer obenliegenden Nockenwelle betätigt.
• Luftkühlung: Eine Luftkühlung ist leichter als eine Flüssigkeitskühlung und kann nicht ausfallen. Zudem ist der Betriebsbereich relativ konstant und nicht einem häufigen Wechsel wie im PKW unterworfen, was das Einhalten der idealen Motortemperatur erleichtert.
• relativ große Hubräume: Flugzeugmotoren müssen sehr hohe Leistungen bereits bei niedrigen Drehzahlen (2500-2700/min) erbringen. Alternativ können Untersetzungsgetriebe verwendet werden.
• geänderte Schmierung: Flugzeugmotoren müssen im Extremfall (Kunstflug) auch über Kopf funktionieren und ausreichend mit Schmiermittel versorgt werden.

Einsatz in Leichtflugzeugen

Luftgekühlter 4-Zylinder-Boxermotor, wie er seit Jahrzehnten in Leichtflugzeugen eingebaut wird

Bei den heute in Leichtflugzeugen eingesetzten Motoren wird in der Regel Luftkühlung verwendet. Kommt kein Untersetzungsgetriebe zum Einsatz, erfolgt ein Direktantrieb des Propellers, woraus sich eine Maximaldrehzahl von etwa 2700/min des Motors ergibt. Die Maximaldrehzahl beschränkt sich dadurch, dass die Propellerspitzen annähernd Schallgeschwindigkeit erreichen.

Generell wird bei direkt angetriebenen Propellern ein großer Hubraum verwendet, typischerweise 360 Kubikzoll, also etwa 5,9 Liter Hubraum für 132 kW (180 PS) oder 320 Kubikzoll, also 5,25 l Hubraum, für 118 kW (160 PS). Der Stundenbenzinverbrauch eines solchen Flugmotors beträgt etwa 35–40 Liter AVGAS pro Stunde, größere mit 8,9 Liter Hubraum, also etwa 540 Kubikzoll und 265 kW (360 PS) verbrauchen bis zu 100 Liter AVGAS pro Stunde.

Aber auch niedervolumige Flugmotoren mit Wasserkühlung werden aktuell hergestellt, allerdings nur mit geringer Leistung. Hierbei sind der Thielert-Dieselmotor (Mercedes Benz-Dieselmotor der A-Klasse von Mercedes mit 1,7 Liter Hubraum, turbogeladen, 100 kW (135 PS), Verbrauch 12 l/h Kerosin oder Diesel), der Aluminium-Diesel EM-100 von Eco-Motors (mit 1,4  Liter Hubraum, 100PS, ebenfalls turbogeladen, Verbrauch nur 10 l/h Jet A-1) und die Bombardier-Rotax-Motoren der 912er- und 914er-Serie (1,4 Liter Hubraum, bis 85 kW (115 PS, Verbrauch 18 l/h Superbenzin) zu nennen.

Heute sind kurz bauende Boxermotoren üblich, während früher häufig Sternmotoren verwendet wurden. Deren Ölverbrauch lag systembedingt allerdings stets höher als beim Boxermotor.

Generell ist eine Tendenz zum Dieselmotor erkennbar, da diese Motoren inzwischen durch Direkteinspritzung und Turboaufladung Leistungsgewichte erzielen, die den Einsatz in Leichtflugzeugen ermöglichen. Der größte Vorteil ist ihr niedriger Kraftstoffverbrauch. So konnte der Verbrauch einer Robin DR 400 durch den Einsatz eines Dieselmotors mit vergleichbarer Leistung um rund 35 Prozent gesenkt werden. Allerdings bleibt anzumerken, dass derzeit Dieselaggregate in Leichtflugzeugen nicht überholt werden dürfen, sondern nach Ablauf einer festgelegten Laufzeit komplett getauscht werden müssen. Die Kosten hierfür sind deutlich höher als die der Generalüberholung von Flugzeugmotoren klassischer Bauart.

Geschichte

Erstflüge

Luftschiff

Um die Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert baute der gebürtige Brasilianer Alberto Santos-Dumont in Frankreich eine ganze Reihe von Prallluftschiffen. 1894 nutzte er den Benzinmotor seines Dreirades für den Propeller eines seiner Luftschiffe.

Erster gesteuerter Flug eines Flugzeugs durch die Gebrüder Wright

Orville fliegt mit der Kitty Hawk

Die Wrights schnitten einen Propeller mit einem hohen Wirkungsgrad und ließen, da nirgends ein geeignetes Triebwerk zu bekommen war, sich von Taylor in der Fahrradfabrik eins herstellen. Binnen kürzester Zeit entstand ein gerade einmal 77 kg schwerer, wassergekühlter Vierzylinder-Viertakt-Benzinmotor, der 12 PS abgab. Zur Kompensation der Momente erhielt der Flugapparat zwei gegenläufige Luftschrauben, deren Antrieb über Rollenketten vonstatten ging, welche in Rohren liefen, um Vibrationen zu vermeiden.

Am Vormittag des 17. Dezember 1903 war es dann so weit – Orville Wright eroberte mit dem Flyer die Lüfte. Er war zwölf Sekunden lang in der Luft und legte dabei 37 Meter zurück (10,8 km/h). Unmittelbar folgte Wilbur, jeder flog an diesem Tag zweimal. Wilbur gelang dabei ein Flug von 59 Sekunden und 260 Metern Flugstrecke (19 km/h) [1]. Orville sagte später darüber, es war das erste Mal in der Geschichte, „dass eine Maschine mit einem Menschen sich selbst durch ihre eigene Kraft im freiem Flug in die Luft erhoben hatte, in waagerechter Bahn vorwärts geflogen und schließlich gelandet war, ohne zum Wrack zu werden“. Die Flugmaschine maß 12,3 Meter in der Spannweite, 6,4 Meter in der Länge und 2,8 Meter in der Höhe; sie bestand aus Holz und einer Stoffbespannung, ihr Fluggewicht betrug 340 Kilogramm und der Pilot lag unverändert auf der unteren Tragfläche.

Historische Hersteller

BMW

BMW-Logo

Heute bekanntester historischer Hersteller von Flugmotoren sind die Bayrischen Motorenwerke BMW, die heute PKW und Motorräder herstellen, aber als Flugzeugmotorenhersteller begannen. Das Logo von BMW zeigt einen stilisierten Propeller der sich im blauen Himmel dreht, nicht wie oft fälschlicherweise behauptet die Farben der bayrischen Flagge

Vorgänger von BMW waren die 1913 von Karl Rapp gegründeten Rapp Motorenwerke GmbH. Sie änderten ihren Namen im April 1917 zunächst in BMW GmbH und ein Jahr später, nach der Umwandlung in eine Aktiengesellschaft, in BMW AG. Der erste Geschäftsführer war bis 1942 Franz Josef Popp. In der jungen Firma machte sich der aufstrebende Ingenieur Max Friz schnell einen Namen: Er entwickelte 1917 einen Flugzeugmotor mit Überverdichtung. Dadurch wurde der Leistungsverlust in der Höhe verringert. Diese Konstruktion bewährte sich so gut, dass BMW von der Preußischen Heeresverwaltung einen Auftrag über 2.000 Motoren erhielt. Am 17. Juni 1919 wurde mit einem BMW IIIa noch heimlich der Höhenweltrekord von 9.760 Metern erzielt, doch mit dem Ende des Ersten Weltkrieges und dem Versailler Vertrag schien bereits das Ende der Firma gekommen zu sein: Der Friedensvertrag verbot es für fünf Jahre, in Deutschland Flugzeugmotoren (damals das einzige Produkt von BMW) herzustellen. 1922 verließ Hauptaktionär Camillo Castiglioni die Firma und nahm die Namensrechte an BMW mit. Er ging zu den Bayerischen Flugzeugwerken (BFW).

Diese waren aus dem am 7. März 1916 registrierten Gustav-Otto-Flugzeugwerk von Gustav Otto, einem Sohn des Ottomotor-Erfinders Nikolaus Otto hervorgegangen. Dieser 7. März 1916 gilt in der offiziellen Firmengeschichtsschreibung als Gründungsdatum von BMW. Mit dem Wechsel von Castiglioni werden aus den Bayerischen Flugzeugwerken (BFW) BMW.

Als Beispiel für die Flugzeugmotoren von BMW in der Zwischenkriegszeit sei der BMW-Bramo 323 R-2 genannt, ein luftgekühlter Neun-Zylinder-Sternmotor mit 1000 PS (1200 PS mit MW 50-Einspritzung). Am 10. August 1938 flog eine Focke-Wulf Fw 200 Condor der Lufthansa als erstes landgestütztes Passagierlangstreckenflugzeug mit vier dieser Motoren ohne Zwischenlandung in 24,5 Stunden von Berlin nach New York City und stellte somit die damalige Spitzentechnik im zivilen Flugzeugbau dar. Die Maschine konnte 25 Passagiere aufnehmen und 3000 Kilometer weit fliegen. Mit einer Flügelfläche von 118 Quadratmetern war die Condor diesbezüglich fast so groß wie ein Airbus 320. Die Passagiermaschine wurde dann für Kriegszwecke umgebaut. Neu war auch die Entwicklung eines Dieselmotors. 1936 wurde ein Versuchsmodell des BMW 114 fertiggestellt. Es war ebenfalls ein Neun-Zylinder-Sternmotor. Die Entwicklung wurde 1937 eingestellt.

Von dem ab 1938 unter der Leitung von Dipl.-Ing. Duckstein entwickelten und ab 1940 in Serie gebauten BMW 801, einem luftgekühlten 14-Zylinder-Doppelstern-Flugmotor, wurden insgesamt etwa 21.000 Motoren in 22 Varianten hergestellt, von denen elf in Serie gingen.

Rolls-Royce

Die englische Firma Rolls-Royce, 1904 als Hersteller von luxuriösen Autos gegründet, baute seit 1914 auch Flugzeugmotoren. Auf diesem Gebiet wurde die Firma zu einem der größten Hersteller überhaupt und lieferte z.B. 50 Prozent der Motoren für die Flugzeuge der Alliierten im Zweiten Weltkrieg. Baulinien waren:

• Rolls-Royce Buzzard
• Rolls-Royce Condor
• Rolls-Royce Crecy
• Rolls-Royce Eagle
• Rolls-Royce Falcon
• Rolls-Royce Goshawk
• Rolls-Royce Griffon
• Rolls-Royce Hawk
• Rolls-Royce Kestrel
• Rolls-Royce Merlin
• Rolls-Royce Peregrine
• Rolls-Royce R
• Rolls-Royce Vulture

Heute stellt Rolls-Royce nur noch Düsentriebwerke, Turboprops und Wellentriebwerke, aber keine Kolbenmaschinen mehr her.

Hispano-Suiza

Ebenfalls 1914 entschloss sich ein weiterer Hersteller von Luxusautos zur Produktion von Flugzeugmotorem, die Firma Hispano-Suiza mit Motoren etwa der Baureihe Hispano Suiza HS 8 Aa bis HS 8 Be. Letzter eigener Flugzeugmotor war 1945 der Hispano-Suiza HS 12-Z17 Zwölfzylinder-Reihenmotor mit 1300 PS.

Curtiss-Wright

Wright R-1820 Cyclone

Der bedeutendste amerikanische Hersteller von Flugzeugmotoren war die Firma Curtiss-Wright. Das Unternehmen entstand am 5. Juli 1929 aus der Fusion der Wright Aeronautical Corporation der Gebrüder Wright und der The Curtiss Aeroplane and Motor Company des Flugpioniers Glenn Curtiss sowie 10 weiteren Tochtergesellschaften.

Bekannt wurde die Firma mit ihren fortschrittlichen und leistungsfähigen Sternmotoren wie des Wright R-1820, des Wright R-2600, des Wright R-3350 und des Wright R-4090 sowie den passenden Propellern.

Der Wright R-3350 als Schlusspunkt der Kolbenmotorentwicklung wurde noch in den 1950er-Jahren bei der Douglas DC-7 und der Lockheed Super Constellation verwendet, den letzten Langstreckenpassagiermaschinen mit Propellerantrieb.

Aktuelle Hersteller

Lycoming

In der allgemeinen Luftfahrt sind die seit vielen Jahren gebauten Aggregate des US-amerikanischen Herstellers Lycoming weit verbreitet. Insbesondere die zahlreichen Cessna-Flugzeuge fliegen mit Lycoming, wobei beide Hersteller mit Textron den gleichen Mutterkonzern haben. Es soll aber auch erwähnt werden, dass Lycoming im Zweiten Weltkrieg mit dem Lycoming XR-7755 den stärksten jemals gebauten Flugzeugmotor entwickelte.

Continental

Continental TD300-Diesel-Flugmotor (Prototyp)

Größter Konkurrent von Lycoming ist der US-amerikanische Hersteller Teledyne Continental Motors, der seit 1905 Flugmotoren für die Allgemeine Luftfahrt herstellt. Einige dieser Motorentypen wurden auch von Rolls-Royce in Lizenz gebaut.

Rotax

Rotax 912S im polnischen 3Xtrim 3X55 Trener

Bei Ultraleichtflugzeugen sowie den etwas größeren Propellermaschinen sind Motoren der Firma Rotax verbreitet.^[1]

Limbach

Die Firma Limbach Flugmotoren in Königswinter stellte bis zur Betriebsaufgabe 2011 zwei- und viertakt-Boxermotoren im Leistungsbereich von 15 bis 118 kW her. Diese finden vorwiegend in Reisemotorseglern und Ultraleichtflugzeugen Verwendung. Außerdem befanden sich Motoren für unbemannte Luftfahrzeuge im Programm.^[2]

Sauer

Sauer Flugmotorenbau in Ober-Olm stellt – neben Getrieben, Luftschrauben und weiterem Luftfahrtzubehör – zwei- und viertakt-Boxer- und Reihenmotoren im Leistungsbereich von 20 bis 80 kW her. Verwendung finden diese vorwiegend in Ultraleichtflugzeugen, Reisemotorseglern und unbemannten Luftfahrzeugen.^[3]

Mercedes-Benz

Für Ultraleichtflugzeuge wird heute auch ein Umbau des Smart-Motors (Mercedes-Benz M160) durch die Firma Ecofly genutzt^[4]. Dieser wird sowohl als Benziner, als auch als Diesel (unterhalb der Thielert-Motorenleistung) angeboten.

BMW

In heutiger Zeit werden die Zweizylinder BMW-Boxermotoren der BMW-Motorräder (Baureihe R) bei Ultraleichtflugzeugen verwendet. Der Grund liegt u.A. an dem Umstand, dass bei diesen Motoren das für den Flugbetrieb ungeeignete Motorradgetriebe mit geringem Aufwand vom Motor getrennt werden kann. BMW distanziert sich jedoch ausdrücklich von deren Einsatz als Flugmotoren mit dem Hinweis, dass diese Motoren ausschließlich zum Einsatz in Landfahrzeugen entwickelt wurden.

Centurion/vormals Thielert

Die Centurion Aircraft Engines AG & Co. KG produziert und vertreibt als Nachfolgegesellschaft der insolventen Thielert Aircraft Engines GmbH die Thielert-Diesel-Flugmotoren weiter.^[5] Centurion baut und vertreibt einen 2,0-l-Vierzylinder- und einen 4,0-l-Achtzylinder-Dieselmotor, die mit Jet-A1 und herkömmlichem Dieselkraftstoff betrieben werden können. Die Motoren werden als Tauschaggregate für herkömmliche Lycoming- und Continental-Avgas-Motoren angeboten, aber auch ab Werk in verschiedenen Mustern verbaut (unter anderem Diamond DA-40, DA-42 Twin Star und Cessna 172 Skyhawk). Umrüstsätze mit ergänzender Musterzulassung gibt es für die Cessna 172, Piper PA28, Robin DA400 (alle 2,0 l), Cessna 206 Stationair und Beechcraft Duke B60 (alle 4,0 l).

Siehe auch

• Turboprop
• Strahltriebwerk
• Wellenturbine
• Kolbentriebwerk
• Leanen

Literatur

• Ernst Götsch: Luftfahrzeugtechnik, Motorbuchverlag, Stuttgart 2003, ISBN 3-613-02006-8

Weblinks

• Die Entwicklung der Deutschen Flugzeugmotorenindustrie (1883 - 1990)

Einzelnachweis

1. ↑ Website von Rotax Aircraft Engines
2. ↑ Motoren-Übersicht auf der Website von Limbach Flugmotoren, Abgerufen am 28. Februar 2011
3. ↑ Motoren-Übersicht auf der Website von Sauer Flugmotorenbau, Abgerufen am 28. Februar 2011
4. ↑ http://www.ecofly.de/german.htm
5. ↑ Firmeprofil der Centurion-Engines