Die Luftschraubeneinstellung

Die Luftschraubeneinstellung

Veröffentlicht 1998 im DULV-Info

"Wieviel Leistung hat die Maschine" ist die erste Frage eines jeden Piloten, der er ein neues Triebwerk sieht. Ich werde bei der Antwort immer etwas verlegen, denn einerseits will ich den Fragesteller gerne antworten, andererseits ist jede einfache Antwort falsch.

Das Zusammenspiel von Motor, Getriebe, Luftschraube und atmosphärischen Bedingungen ist sehr komplex. Erst durch das Zusammenwirken dieser Faktoren ergibt sich die "Leistung", die der Fragesteller wissen möchte. "XY PS" ist eine einfache, aber eine falsche Antwort.

Ein UL kann mit einer guten Luftschraube, der richtigen Abstimmung zwischen Motor, Schraube, Getriebe und den atmosphärischen Bedingungen eine prima "Leistung" zeigen - mit der gleichen PS-Zahl ist der gleiche Vogel mit einer anderen Luftschraubenabstimmung eine lahme Ente.

Jeder UL-Motor ist ein Verbrennungsmotor (Friedels Elektro-Windspiel von etwa 1980 und einige ähnliche Konstruktionen ausgenommen). Verbrennungsmotoren brauchen Sauerstoff. Diesen Sauerstoff entnehmen sie der angesaugten Luft.

"Saugen" ist in der Technik immer eine sehr unzulängliche Sache. Der maximal mögliche Sog gegenüber der freien Atmosphäre entsteht bei totalem Vakuum und hat eine Druckdifferenz vom nur etwa 1 bar. Das ist, verglichen mit jedem Autoreifen, schlaff und müde. Tatsächlich ist die Druckdifferenz beim Einsaugen der Luft in das Treibwerk noch geringer.

Wenn der Luftdruck sinkt, wie zum Beispiel in einem Tiefdruckgebiet oder bei steigender Flughöhe, wird die Druckdifferenz zwischen dem saugenden Brennraum und der Atmosphäre noch mal weniger. Die angesaugte Luftmenge nimmt ab. Damit nimmt auch die verfügbare Sauerstoffmenge ab, die Maximalleistung des Motors wird geringer.

Die Leistung, die Motorenhersteller angeben, gilt für "Normaldruck" 1013,25 hPa und 15 Grad Celsius, also den Normalbedingungen in Meereshöhe.

Gewöhnlich fliegen wir höher und, wenn möglich, auch ganz gerne bei höheren Temperaturen. Wollen wir wissen, wieviel Leistung der Motor dabei maximal liefern kann, brauchen wir die nachstehend abgedruckte Tabelle (Dichtehöhe-Diagramm) und Meßwerte für den Luftdruck und die Temperatur.

Diagramm 1: Dichtehöhe. Wenn das Bild schlecht
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Nehmen wir an, wir fliegen bei 1000 hPa und 40° C. Die sogenannte "Dichtehöhe" erhalten wir aus der Tabelle, wenn wir vom Schnittpunkt zwischen der horizontalen 1000 hPa-Linie und der vertikalen 40°C-Linie suchen und von diesem Schnittpunkt die "schräge" Linie bis zum rechten Blattrand verfolgen. In dem Beispiel ergibt sich eine Dichtehöhe von 1000 Meter. Wir fliegen also in dem Beispiel unter Bedingungen, die nach der "ICAO-Standard-Atmosphäre" in 1000 Meter über MSL vorliegen.

Viel interessanter ist die rechts von der Dichtehöhe angegebene Zahl, in dem Beispiel 0,91. Der Motor bringt unter den angegebenen Umweltbedingungen nur 91% der vom Hersteller genannten Maximalleistung.

Die Leistung unserer Motoren geht also bereits bei 3000 m MSL kräftig in den Keller. Aber es kommt noch schlimmer.

Die Normatmosphäre, auf die der Motorhersteller seine Leistungsdaten bezieht, hat eine relative Luftfeuchtigkeit von 0%. In der Praxis ist das nie zu finden, nur selten ist die Luftfeuchtigkeit geringer als 50 %.

Je mehr Wasser (in Form von Wasserdampf) in der Luft ist, desto weniger Platz bleibt für die restlichen Bestandteile, also auch für den Sauerstoff. Mit steigender relativen Luftfeuchtigkeit sinkt deshalb die Sauerstoffmenge pro Zylinderfüllung. Weniger Sauerstoff reduziert wieder die Leistung des Motors.

Das ist beim Fliegen genauso wie auf dem Prüfstand des Motorenherstellers. Der Motorenbauer kann die verlorenen PS rechnerisch zurückgewinnen, sein Prospekt sieht damit besser aus. Im praktischen Flugbetrieb klappt das leider nicht.

Die Leistungsreduzierung durch die relative Luftfeuchtigkeit ist, verglichen mit dem Leistungsschwund durch die Dichtehöhe, gering. Aber es kommt noch schlimmer.

Im Vergaser wird Luft und Treibstoff gemischt. Wird das Mischungsverhältnis zu mager (viel Luft und wenig Treibstoff), überhitzt das Triebwerk, der Kolben klemmt, die Mühle bleibt stehen und der Motor ist fertig.

Wird die Mischung zu fett (wenig Luft und viel Treibstoff) sinkt die Motorleistung. Das ist zwar auch nicht ideal, aber weit günstiger als ein Kolbenklemmer.

Um den Motorentod durch mageres Gemisch zu vermeiden, müssen die Hersteller bei der Vergasereinstellung auf die sichere Seite gehen. Die ausgelieferten Antriebe werden auf die Dichtehöhe eingestellt, die im ungünstigsten Fall zu erwarten ist. Da können bei winterliche Hochdrucklage in Meereshöhe locker Werte von 1030 hPa und -10 Grad C zusammenkommen. Das entspricht einer Dichtehöhe von etwa 1000 Meter unter MSL, die Motorleistung wäre unter diesen Umständen 110%.

Ein Motor, der dank einer vorsichtigen Vergasereinstellung diese Bedingungen überlebt, ist bei einem Flug in 3000 m Höhe bei +20 Grad C abscheulich fett eingestellt. Damit sinkt - zusätzlich zu der Leistungsreduzierung durch die Dichtehöhe und durch die Feuchtigkeit - nochmal die Leistung.

Manchem Leser werden die Zusammenhänge spanisch vorkommen. Niedrige Temperatur ergibt eine hohe Luftdichte. Hohe Luftdichte ergibt ein mageres Gemisch. Mageres Gemisch ergibt einen heißen Motor. Ergibt also eine niedrige Außentemperatur einen heißen Motor?

Es ist tatsächlich so. Insbesondere im Bereich der Reiseleistung, in dem die Motoren auf "mager" getrimmt sind, steigt mit sinkender Außentemperatur die Abgastemperatur. Wer es nicht glaubt, soll sich eine Abgastemperaturmessung einbauen, damit ist dieser Zusammenhang gut zu erkennen.

Besonders heimtückisch ist, daß diese Temperaturerhöhung mit der Kühlwassertemperaturmessung nicht angezeigt wird. Die Kühlwassertemperatur bleibt (durch die niedrige Außentemperatur) im normalen Bereich. Dem Kolbenboden, der durch die hohe Brennraumtemperatur langsam durchbrennt, hilft die normale Kühlwassertemperatur leider gar nichts.

Die Motorenhersteller ermitteln für ihre Triebwerke Kurven, für die Leistung und das Drehmoment. Solche Kurven für Vollast ("Vollgas") zeigen die durchgezogenen Linien in dem Diagramm 2. Wie bei allen nachfolgenden Diagrammen sind die Werte über der Drehzahl [1/min] aufgezeichnet.

In dem Beispiel ist ablesbar, daß der aufgezeichnete Motor bei etwa 5600 Umdrehungen seine Maximalleistung, knapp 40 kW, abgibt. Das maximale Drehmoment liegt bei etwa 65 Nm und wird bei 5300 Umdrehungen erreicht. Dreht der Motor mit seiner Maximaldrehzahl von 6000 Umdrehungen, nimmt die abgegebene Leistung wieder etwas ab.

Hat das aufgezeichnete Treibwerk, weil es warm ist, eine hohe Luftfeuchtigkeit vorliegt und der Flug in größeren Höhen stattfindet, nur noch 70% der ursprünglichen Leistung, so sieht die Kurve der maximal möglichen Leistung und des zugehörigen Motordrehmomentes etwa so aus wie die gestrichelten Linien in Diagramm 2.

Die Luftschraube benötigt bei jeder Drehzahl ein bestimmtes Drehmoment, um gegen der Luftwiderstand "durchzudrehen". Leider kann ich die Drehmomentkurve der Luftschraube nur schätzen. Mir sind keine Messungen bekannt, bei denen das Drehmoment einer UL-Luftschraube realistisch ermittelt wurde. Um hier richtige Daten zu erhalten müßte das Drehmoment der Schraube im Flug gemessen werden, eine recht aufwendige Sache.

Aus der Aerodynamik ist bekannt, daß sich der Luftwiderstand (wenigstens meistens) annähernd im Quadrat zur Geschwindigkeit ändert. Damit wird das von der Luftschraube benötigte Drehmoment etwa so aussehen, wie in Diagramm 3 gezeichnet. Tatsächlich sind die Gegebenheiten bei einer Luftschraube komplizierter, trotzdem liegen wir mit der Grafik nicht völlig daneben. Die verschiedenen Kurven zeigen unterschiedliche Luftschrauben oder unterschiedliche Einstellungen der gleiche Luftschraube. Bei den aufgezeichneten Werten ist das Getriebe eingerechnet, so daß die Daten mit den Werten des Motors vergleichbar werden.

Nur wenn der Motor das Drehmoment aufbringt, das die Luftschraube für die jeweilige Drehzahl benötigt, dreht sich der Quirl mit gleichbleibender Drehzahl !!!

Reicht das Moment des Motors nicht aus, wird die Luftschraube vom Luftwiderstand abgebremst, die Drehzahl sinkt. Ist das Drehmoment des Motors größer als das durch den Luftwiderstand "verbrauchte" Moment, steigt die Drehzahl. Wenn sowohl die Drehmomentkurve des Motors bei Vollast als auch die Momentenkurve der Luftschraube in einem Diagramm gezeichnet werden, wird sich bei Vollgas die Drehzahl einstellen, bei der sich die beiden Kurven schneiden.

Hierzu ein Beispiel. Der UL-Hersteller hat bei der Konstruktion seines Fluggerätes verschiedene Luftschrauben (oder unterschiedliche Einstellungen der gleiche Luftschraube) ausprobiert. Seine Versuche sind in Diagramm 4 aufgezeichnet.

Die Luftschraube 1 hat eine Drehmomentkurve, die für den eingezeichneten Motor völlig ungeeignet ist. Die Momentenkurve der Luftschraube und die Kurve des Motors schneiden sich bei etwa 4500 Umdrehungen. Der Ofen dreht bei Vollgas nur mit ca. 4500 Umdrehungen. Der Schub ist bei dieser geringen Drehzahl ungenügend. Die Schraube würgt den Motor ab, sie ist "zu groß". Die vom Motorenherstellers angegebene Maximalleistung wird nie erreicht, denn diese würde sich erst bei einer Drehzahl von 5600 Umdrehungen einstellen.

Auch die Luftschraube 3 ist nicht zufriedenstellend. Bereits etwa bei Halbgas erreicht der Motor seine Maximaldrehzahl, bei Vollgas würde er überdrehen. Wieder ist der Schub ungenügend. Die Schraube kann die Leistung des Motors nicht aufnehmen, sie ist "zu klein". Auch bei dieser Luftschraubenabstimmung ist die vom Motorenhersteller angegebene Leistung nur eine Wunschvorstellung, tatsächlich kommt in der eingebauten Version nur ein Bruchteil der Leistung zum tragen.

Erst die Luftschraube 2 ist, wenigstens am Flugplatz des UL-Herstellers, o. K. Der Motor erreicht bei Vollgas genau seine Maximalleistung, die Schraube nimmt bei dieser Drehzahl (5600 Umdrehungen pro Minute) die gesamte Motorleistung auf. Schraube und Motor sind (anscheinend) richtig aufeinander abgestimmt.

Besonders interessant ist der Vergleich zwischen Luftschraube 2 und 4. Die Schraube 2 ist anscheinend überlegen, sie nimmt bei der Drehzahl der Maximalleistung (5600 Umdrehungen) die volle Motorleistung auf. Die Luftschraube 4 dagegen hat erst bei knapp 6000 Umdrehungen das erforderliche Drehmoment, um die vom Motor abgegebene Leistung aufzunehmen. Bei der Drehzahl von 6000 Umdrehungen (Maximaldrehzahl) ist die Motorleistung aber geringer als bei 5600 Umdrehungen. Diese "schlechte" Schraube 4 wird deshalb bei den Versuchen zugunsten der anscheinend besseren Luftschraube 3 zur Seite gelegt. Ein Fehler, wie wir später sehen werden.

Um Mißverständnissen vorzubeugen: Eine optimale Abstimmung zwischen Motor, Getriebe und Luftschraube verbessert natürlich nicht die Qualität der Schraube. Auch eine Nabe mit vier großen Kochlöffeln läßt sich optimal auf einen vorliegenden Motor abstimmen, Trotzdem bringt eine solche Kombination nur bescheidenen Schub.

Leider sind die oft mit viel Aufwand durchgeführten Standschubmessunge zur Überprüfung der Abstimmung von Motor und Luftschraube genau so ungeeignet wie zur Beurteilung der Qualität der Luftschraube.

In Diagramm 5 ist wieder die Leistungskurve und die Drehmomentkurve des Motors sowie die im vorherigen Kapitel gefundene "ideale" Luftschraube 2 eingezeichnet.

Zusätzlich ist die durch Wärme, Höhe, Luftfeuchtigkeit, fettes Gemisch etc. auf 70% reduzierte Leistungskurve des Motors und die zugehörige Drehmomentkurve gestrichelt gezeichnet.

Dabei zeigt sich (wenigstens beim ersten Augenschein) eine Katastrophe. Die ursprünglich "ideale" Luftschraube würgt den auf 70 % seiner Nennleistung geschwächten Motor ab, er erreicht nur noch eine Drehzahl von etwa 4600 Umdrehungen pro Minute. Damit sinkt die Leistung nochmals drastisch. In unseren Beispiel würde die maximale Leistung des Triebwerkes gerade noch 50% der Nennleistung betragen. Das reicht kaum mehr zum Fliegen und sicher nicht zum Steigen.

Besonders heimtückisch ist der spitze Winkel zwischen der Drehmomentenkurve des Motors mit reduzierter Leistung und der Momentenkurve der Luftschraube (mathematisch ausgedrückt: die beiden Kurven haben im Schnittpunkt eine nahezu gleiche Steigung). Dies führt bei einer geringfügigen zusätzlichen Reduktion der Motorleistung (die gestrichelte Kurve sinkt nach unten) zu einem weiteren drastischen Abfall der Drehzahl und damit der verfügbaren Maximalleistung.

Gottseidank kommt in der Praxis unerwartete Hilfe, der Drehzahlabfall ist geringer als befürchtet.

Die in unserem Beispiel angenommene ursprüngliche Schwächung des Motors auf 70% der Nennleistung hatte ihre Ursache in der Dichtehöhe, in der Luftfeuchtigkeit und in einem zu fetten Gemisch. Die beiden Faktoren Dichtehöhe und Luftfeuchtigkeit beeinflussen nicht nur die Maximalleistung des Triebwerkes, sondern auch die Luftdichte. Mit steigender Höhe und steigender Luftfeuchtigkeit wird die Luftdichte geringer.

Mit der geringeren Luftdichte sinkt nicht nur die Motorleistung, sondern auch der Widerstand an der Luftschraube. Gleichzeitig mit der meteorologisch bedingten Reduktion des Motordrehmomentes wird damit auch das an der Schraube erforderliche Drehmoment geringer. Der Drehzahlabfall ist weniger dramatisch, als im Diagramm 5 dargestellt.

Andere leistungsmindernde Faktoren am Motor, wie zum Beispiel ein verschmutzter Ansaugfilter, eine falsche Zündeinstellung oder ähnliches, haben eine solche "automatische Kompensation" nicht. Bei solchen Fehlern würgt die Schraube auch in der Praxis die Drehzahl herunter, es kommt zu dem geschilderten bösen Leistungsabfall.

Leider kompensiert der geringere Widerstand an der Luftschraube den Leistungsabfall in größeren Flughöhen nicht vollständig, es bleibt ein Drehzahlabfall. Um bei unserem Beispiel zu bleiben nehmen wir an, die maximale Motorleistung sei wieder auf 70 % der Nennleistung abgesunken, das an der Luftschraube erforderliche Drehmoment habe sich auf dagegen nur auf 80% der ursprünglichen Werte reduziert.

In Diagramm 6 ist sowohl das reduzierte Motordrehmoment bei einem Leistungsabfall auf 70% als auch das auf 80% reduzierte Drehmoment der "idealen" Luftschraube 2 eingezeichnet. Wie aus dem Schnittpunkt der beiden Drehmomentkurven ersichtlich sinkt die Drehzahl von ursprünglich 5600 Umdrehungen auf etwa 5400 Umdrehungen, das Drehmoment der Schraube beginnt bereits den Motor abzuwürgen.

Kritisch ist auch hier wieder der sehr spitze Winkel zwischen der Drehmomentkurve des Motors und der Momentenkurve der Luftschraube. Dieser zeigt, daß bei geringer zusätzlicher Leistungsreduktion (die gestrichelte Linie rutscht weiten nach unten) die Drehzahl stark abfällt.

Verblüffend ist das Ergebnis, wenn die Daten der "am Flugplatz", also in normaler Höhe, unterlegenen Luftschraube 4 eingezeichnet werden. Die auf 80 % reduzierte Momentenkurve dieser Schraube schneidet die Motordrehmomentkurve bei der Drehzahl der Maximalleistung, also etwa bei etwa 5600 Umdrehungen. Zusätzlich ist der Winkel, unter dem sich die beiden Kurven schneiden, günstiger als bei der vermeintlich idealen Luftschraube. Bei weiterer Leistungsreduzierung wird die Drehzahl nur unbedeutend sinken.

Die "schlechte" Luftschraube 4 ist in 3000 m Flughöhe der vermeintlich idealen Schraube 2 haushoch überlegen.

Auch auf die Gefahr hin, jetzt auch die letzten Leser zu vergraulen: So einfach wie geschildert ist die Sache leider nicht.

Alle Überlegungen in diesem Artikel haben nur die verfügbare Leistung bei Vollgas betrachtet. Bei den Luftschrauben wurde jeweils eine Mometenkurve für bestimmte atmosphärische Bedingungen angenommen. Unterschlagen ist, daß

Ich fürchte, ich muß auch in Zukunft ausweichend antworten, wenn jemand nach der Leistung meiner Maschine fragt. PS-Zahlen sagen gar nichts.