Gemischregler
Die Gemischregelung ist der Hebel im Cockpit, der die Menge des Kraftstoffs anpasst, der mit der einströmenden Luft in einem Kolbenflugzeugmotor vermischt wird. Die korrekte Verwendung der Gemischregelung verbessert die Motorleistung, verhindert Zündkerzenverschmutzung, reduziert den Kraftstoffverbrauch und schützt den Motor vor Schäden, insbesondere in größeren Höhen.
Definition der Gemischregelung
In einem Kolbenflugmotor ist die Gemischregelung die vom Piloten bediente Steuerung, die das Kraftstoff-Luft-Verhältnis zu den Zylindern verändert. Dies geschieht durch Anpassung der vom Vergaser oder der Kraftstoffeinspritzanlage zugeführten Kraftstoffmenge im Verhältnis zur Luftmasse, die in den Motor eintritt.
Das Kraftstoff-Luft-Verhältnis wird oft relativ zum stöchiometrischen Gemisch beschrieben, das das chemisch ideale Verhältnis ist, bei dem während der Verbrennung der gesamte Kraftstoff und der gesamte Sauerstoff verbraucht werden. Für Flugbenzin (Avgas) beträgt dieses Verhältnis ungefähr 15 Teile Luft zu 1 Teil Kraftstoff nach Masse. Im Normalbetrieb werden Flugzeugmotoren etwas fetter (mehr Kraftstoff) oder magerer (weniger Kraftstoff) als dieser Idealwert betrieben, um Leistung, Temperatur und Motorlebensdauer zu steuern.
Das Gemisch wird üblicherweise mit den Begriffen fett und mager beschrieben:
- Fett: Mehr Kraftstoff im Verhältnis zur Luft (kraftstoffreiches Gemisch).
- Mager: Weniger Kraftstoff im Verhältnis zur Luft (luftreiches Gemisch).
Zweck der Gemischsteuerung
Der Hauptzweck der Gemischregelung besteht darin, den Motor innerhalb sicherer und effizienter Grenzen zu betreiben, während sich die Luftdichte mit Höhe, Temperatur und Leistungseinstellung ändert. Da der Vergaser oder die Kraftstoffeinspritzung den Kraftstoff basierend auf dem Luftstrom und nicht direkt auf der Luftdichte dosiert, wird das auf Meereshöhe richtige Gemisch zu fett, wenn das Flugzeug steigt und die Luftdichte abnimmt.
Eine korrekte Gemischführung erfüllt mehrere wichtige Zwecke:
- Leistung erhalten: Ein zu fettes oder zu mageres Gemisch verringert die verfügbare PS-Leistung und kann zu unrundem Motorlauf führen.
- Motortemperaturen kontrollieren: Das Gemisch hat einen starken Einfluss auf die Zylinderkopftemperatur (CHT) und die Abgastemperatur (EGT). Die richtige Einstellung hilft, Überhitzung oder einen zu kühlen Betrieb zu verhindern.
- Den Motor schützen: Extrem magere Gemische bei hoher Leistung können Detonation und Frühzündung verursachen und Kolben, Ventile und Zylinderköpfe beschädigen. Sehr fette Gemische können zu Zündkerzenverschmutzung und Kohlenstoffablagerungen führen.
- Die Kraftstoffeffizienz verbessern: Das Abmagern des Gemischs im Reiseflug kann den Kraftstofffluss deutlich reduzieren und so Reichweite und Ausdauer erhöhen.
- Sich an Höhe und Temperatur anpassen: Mit zunehmender Höhe oder bei Temperaturänderungen ändert sich die Luftdichte; die Gemischregelung gleicht dies aus, damit die Verbrennung im gewünschten Bereich bleibt.
Verwendung der Gemischsteuerung in der Luftfahrt
Bei leichten Schulflugzeugen mit Kolbenmotoren ist die Gemischsteuerung üblicherweise ein roter Knopf oder Hebel am Gashebelquadranten. Es kann eine Schub-Zug-Steuerung mit Reibungssperre oder eine Feinverstellung vom Typ Vernier mit einem Feineinstellrad sein. Bei Mehrmotorflugzeugen hat jeder Motor seine eigene Gemischsteuerung.
Das Gemisch wird in den verschiedenen Flugphasen unterschiedlich geregelt. Die genauen Verfahren hängen vom Flugzeugtyp, Motorhersteller und der Instrumentierung ab (zum Beispiel, ob das Flugzeug nur eine einfache EGT-Anzeige oder einen vollständigen Motorüberwacher mit CHT und EGT für jeden Zylinder hat). Das Pilot Operating Handbook (POH) oder das Aircraft Flight Manual (AFM) hat immer Vorrang.
Gemischsteuerung in verschiedenen Flugphasen
Die typische Verwendung des Gemischs nach Flugphase bei normal angesaugten Schulflugzeugen ist wie folgt (immer mit dem POH für Ihr spezifisches Flugzeug bestätigen):
- Motorstart und Warmlauf
Auf Meereshöhe oder in geringer Höhe wird das Gemisch zum Starten und für den anfänglichen Warmlauf normalerweise auf full rich eingestellt. Auf Flughäfen in großer Höhe kann zum Starten ein teilweise abgemagertes Gemisch erforderlich sein, wie im POH empfohlen. - Rollen
Beim Rollen wird das Gemisch oft deutlich abgemagert, um Zündkerzenverschmutzung zu verhindern, besonders im Schulungsbetrieb mit längeren Standzeiten am Boden. Der Pilot muss daran denken, das Gemisch vor dem Start wieder auf die passende Einstellung zurückzunehmen (oft full rich). - Start und Steigflug
Auf Flughäfen in geringer Höhe wird das Gemisch für den Start normalerweise auf full rich gestellt, um Kühlung und maximale Leistung bereitzustellen. Bei Bedingungen mit hoher density altitude kann das POH verlangen, das Gemisch vor dem Start für maximale RPM oder EGT abzumagern, um die Nennleistung zu erreichen. - Reiseflug
Im Reiseflug wird das Gemisch angepasst (abgemagert), um Leistung, Kraftstoffeffizienz und Motortemperaturen auszubalancieren. Hier werden Konzepte wie rich of peak und lean of peak EGT angewendet. - Sinkflug
Während des Sinkflugs wird die Leistung normalerweise reduziert und das Gemisch mit sinkender Höhe schrittweise angereichert, um ein geeignetes Kraftstoff-Luft-Verhältnis beizubehalten und einen zu mageren Betrieb zu vermeiden. - Anflug und Landung
Für Anflug und Landung auf Flughäfen in geringer Höhe wird das Gemisch unterhalb einer bestimmten Höhe oft auf full rich gestellt (zum Beispiel 3,000 ft über der Platzhöhe), wie im POH angegeben. Auf Flughäfen in großer Höhe wird das Gemisch typischerweise wie im Reiseflug oder gemäß den Empfehlungen des POH eingestellt.
Das Trimmen des Motors: allgemeine Grundsätze
Gemisch abmagern bedeutet, die Kraftstoffmenge im Gemisch zu reduzieren, sodass das Kraftstoff-Luft-Verhältnis von fett zu mager verschoben wird. Bei den meisten Schulflugzeugen geschieht dies, indem man die Gemischregelung langsam vom Vollfett zurückzieht und dabei die Motoranzeigen und die Leistung überwacht.
Wichtige Triebwerksanzeigen, die beim Leanen verwendet werden, sind:
- Motor-RPM (bei Festpropellern): Die maximale RPM entspricht normalerweise dem Gemisch, das bei einer gegebenen Drosselstellung und Höhe die maximale Leistung erzeugt.
- Saugrohrdruck (bei Constant-Speed-Propellern): Wird zusammen mit Kraftstoffdurchfluss und EGT/CHT verwendet, um Leistung und Gemisch einzustellen.
- Abgastemperatur (EGT): Zeigt, wie heiß die Abgase sind; wird verwendet, um beim Abmagern den EGT-Spitzenpunkt zu erkennen.
- Zylinderkopftemperatur (CHT): Gibt die gesamte thermische Belastung des Motors an; hilft sicherzustellen, dass Gemischeinstellungen keine Überhitzung verursachen.
- Motorlaufruhe: Rauer Lauf oder Vibrationen können auf ein zu mageres Gemisch oder eine ungleichmäßige Kraftstoffverteilung hinweisen.
Die genaue Abmischtechnik hängt davon ab, ob der Motor mit einem Festpropeller oder einem Verstellpropeller ausgestattet ist und welche Instrumente zur Verfügung stehen. Flugschüler sollten zunächst die grundlegende, im POH genehmigte Methode für ihr Schulflugzeug erlernen und anwenden, bevor sie fortgeschrittene Techniken einsetzen.
Grundlegendes Gemisch-Einstellverfahren im Reiseflug (typisches Schulflugzeug)
Folgendes ist ein allgemeines Verfahren zum Gemischabmagern eines normal angesaugten, vergaser- oder einspritzmotorischen Motors im Reiseflug, mit einem Festpropeller und einer Einzelsonden-AGT-Anzeige. Folgen Sie stets dem POH für Ihr spezifisches Flugzeug.
- Auf Reiseflughöhe ausleveln und den Motor bei der gewählten Leistungsstufe stabilisieren lassen.
- Reiseflugleistung mit dem Gashebel (und, falls vorhanden, dem Propellerhebel) gemäß POH einstellen.
- Den Gemischhebel langsam zurückziehen (abmagern) und dabei EGT beobachten und auf den Motor achten.
- Weiter abmagern, bis EGT den Spitzenwert erreicht und dann zu sinken beginnt, oder bis der Motor gerade leicht unrund läuft.
- Das Gemisch leicht anreichern, bis der Motor rund läuft und die EGT den gewünschten Wert relativ zum Peak hat (zum Beispiel 50 °F rich of peak EGT, falls im POH angegeben).
- Kraftstoffdurchfluss (falls verfügbar) und Motortemperaturen notieren und bei Bedarf anpassen, um innerhalb der Grenzen zu bleiben.
Wenn kein EGT-Anzeiger installiert ist, ist eine häufige Grundmethode, das Gemisch so mager einzustellen, bis der Motor leicht unrund läuft, und dann gerade genug anzureichern, um einen ruhigen Betrieb wiederherzustellen. Dies ist eine grobe Methode und bietet möglicherweise keine präzise Steuerung des Gemischs in Bezug auf den maximalen EGT, wird jedoch oft für einfache Schulflugzeuge bei moderaten Leistungseinstellungen akzeptiert, sofern dies im POH erlaubt ist.
Reich an Spitze versus mager an Spitze Betrieb
Beim Abmagern unter Verwendung der EGT beziehen sich Piloten oft darauf, rich of peak (ROP) oder lean of peak (LOP) zu fliegen. Diese Begriffe beschreiben, ob das Gemisch fetter oder magerer eingestellt ist als das Gemisch, das die höchste EGT (den Spitzen-EGT-Punkt) erzeugt.
Maximale EGT und ihre Bedeutung
Wenn das Gemisch bei einer konstanten Leistungseinstellung von sehr fett auf sehr mager eingestellt wird, steigt die Abgastemperatur (EGT) zunächst an, erreicht ein Maximum (Peak EGT) und fällt dann wieder ab. Dieser Peak-EGT-Punkt entspricht ungefähr dem Gemisch, das die vollständigste Verbrennung ermöglicht und in vielen Fällen nahezu die maximale Leistung für diese Drosselklappeneinstellung liefert. Auf beiden Seiten des Peak EGT verändern sich Leistung und Temperaturverhalten auf vorhersehbare Weise.
Die Beziehung zwischen Gemisch und EGT wird verwendet, um den ROP- und LOP-Betrieb zu definieren:
- Rich of peak (ROP): Das Gemisch ist fetter als der EGT-Spitzenpunkt eingestellt (mehr Kraftstoff). Die EGT ist niedriger als der Peak, aber die CHT kann je nach Betriebspunkt noch relativ hoch sein, wenn der Motor weit rich of peak betrieben wird.
- Lean of peak (LOP): Das Gemisch ist magerer als der EGT-Spitzenpunkt eingestellt (weniger Kraftstoff). Die EGT ist ebenfalls niedriger als der Peak, und die CHT sinkt im Allgemeinen weiter, je mehr das Gemisch abgemagert wird, sofern die Leistung entsprechend reduziert wird.
Rich of Peak (ROP)-Betrieb
Bei vielen Schulflugzeugen und für viele Motoren empfiehlt der Hersteller, den Betrieb rich of peak EGT für den Reiseflug bei höheren Leistungsstufen. Ein gängiges Ziel liegt bei etwa 50 °F bis 100 °F rich of peak EGT, aber der genaue Wert muss aus dem POH oder den Daten des Motorherstellers stammen.
Typische Merkmale des ROP-Betriebs umfassen:
- Höhere Leistung bei gegebenem Saugrohrdruck und RPM im Vergleich zu magereren Gemischen.
- Höherer Kraftstoffdurchfluss und damit höherer Kraftstoffverbrauch.
- Mittlere bis hohe CHT, abhängig davon, wie weit rich of peak das Gemisch eingestellt ist.
- Gute Detonationsreserve bei sehr fetten Einstellungen (zum Beispiel full rich bei hoher Leistung zur Kühlung und zum Schutz vor Detonation).
In der Ausbildung von Flugschülern wird der ROP-Betrieb meist besonders betont, da er einfach ist und mit konservativen Motorkühlpraktiken übereinstimmt, insbesondere wenn keine detaillierte Motorüberwachungsausrüstung installiert ist.
Lean of Peak (LOP)-Betrieb
Lean of peak-Betrieb bedeutet, dass das Gemisch so eingestellt wird, dass die Abgastemperatur (EGT) auf der mageren Seite des Spitzen-EGT-Punkts liegt, typischerweise 10 °F bis 50 °F oder mehr lean of peak, abhängig vom Motordesign und den Herstellerangaben. Der LOP-Betrieb ist im Allgemeinen mit einem geringeren Kraftstoffverbrauch und kühleren Zylinderkopf-Temperaturen (CHT) bei entsprechend reduzierten Leistungsstufen verbunden.
Wesentliche Merkmale des LOP-Betriebs sind:
- Niedrigerer Kraftstoffdurchfluss und verbesserter spezifischer Kraftstoffverbrauch (mehr Meilen pro Gallone Kraftstoff).
- Niedrigere CHT im Vergleich zu ROP bei gleicher Leistung, was der Lebensdauer des Motors zugutekommen kann.
- Geringere Leistungsabgabe bei gegebener Drossel- und RPM-Einstellung im Vergleich zu ROP.
- Mögliche Rauigkeit, wenn die Kraftstoffverteilung zwischen den Zylindern ungleichmäßig ist, da einige Zylinder deutlich magerer sein können als andere.
Der Betrieb mit LOP wird nicht für alle Motoren empfohlen und wird in der Grundausbildung selten als primäre Technik gelehrt. Er erfordert in der Regel:
- Zulassung des Herstellers für lean-of-peak-Betrieb.
- Gute Kraftstoffverteilung (oft gleichmäßiger bei einspritzgespeisten Motoren).
- Detaillierte Motorüberwachung (mehrpunktige EGT- und CHT-Messung), um sicherzustellen, dass alle Zylinder innerhalb sicherer Grenzen bleiben.
Schülerpiloten sollten keinen Lean-of-Peak-Betrieb ohne klare Genehmigung ihres Fluglehrers und Bestätigung, dass das spezifische Flugzeug und der Motor dafür geeignet sind, versuchen.
Betriebliche Überlegungen und Sicherheit
Die Gemischregelung hat einen direkten Einfluss auf die Motorengesundheit und Sicherheit. Falsche Gemischeinstellungen, insbesondere bei hoher Leistung, können zu Motorschäden oder Leistungsverlust führen. Flugschüler müssen die Hauptgefahren verstehen und wissen, wie sie vermieden werden können.
Risiken beim Betrieb mit zu magerem Gemisch
Der Betrieb des Motors mit zu magerem Gemisch bei hohen Leistungsstufen kann zu übermäßigen internen Temperaturen und Drücken führen. Zwei Hauptgefahren sind:
- Detonation: Unkontrollierte, explosive Verbrennung im Zylinder, die Kolben, Ringe und Zylinderköpfe beschädigen kann.
- Frühzündung: Das Kraftstoff-Luft-Gemisch zündet, bevor die Zündkerze zündet, oft aufgrund von Hotspots im Brennraum, wodurch Bauteile schnell überhitzen und beschädigt werden können.
Um diese Risiken zu verringern, geben viele POHs an, dass das Gemisch über einer bestimmten Leistungseinstellung (zum Beispiel über 75 % Leistung) nicht abgemagert werden darf, es sei denn, es wird ein spezielles Verfahren befolgt. Flugschüler sollten diese Grenzen stets beachten.
Risiken des Betriebs mit zu fettem Gemisch
Ein zu fettes Gemisch hat auch Nachteile:
- Zündkerzenverschmutzung: Unverbrannter Kraftstoff und Bleibeläge können Zündkerzen verschmutzen und zu unrundem Lauf, Aussetzern oder Startschwierigkeiten führen.
- Kohlenstoffablagerungen: Ruß und Kohlenstoff können sich an Ventilen und in den Brennräumen ablagern.
- Geringere Effizienz: Der Kraftstoffverbrauch steigt, ohne dass es einen entsprechenden Zuwachs an nutzbarer Leistung oder Kühlwirkung gibt.
- Mögliches Nachzünden: Überschüssiger Kraftstoff im Abgas kann sich entzünden und Fehlzündungen oder Knallgeräusche verursachen.
Am Boden wird während des Rollens oft ein aggressives Gemischabmagern empfohlen, um Zündkerzenverschmutzungen zu reduzieren, insbesondere bei wiederholten Trainingsflügen. In der Luft sollte das Gemisch so eingestellt werden, dass es nicht unnötig fett ist, besonders im Reiseflug.
Gemisch und Höhe
Mit zunehmender Höhe nimmt die Luftdichte ab. Wenn die Gemischsteuerung beim Steigen auf Vollfett belassen wird, wird das Gemisch zunehmend fetter, da die gleiche Menge Kraftstoff mit weniger Luft vermischt wird. Dies führt zu Leistungsverlust und möglicher Zündkerzenverunreinigung. Daher ist das Abmagern des Gemischs typischerweise über einer bestimmten Dichtehöhe erforderlich, die oft im POH angegeben ist (zum Beispiel über 3.000 ft).
An Flughäfen in großer Höhe muss das Gemisch oft am Boden sowohl für das Rollen als auch für den Start abgemagert werden. Eine gängige Technik ist es, vor dem Start beim Vollgas-Standlauf auf maximale Drehzahl abzumagern, wie im POH beschrieben. Flugschüler, die an Flughäfen in großer Höhe operieren, sollten eine spezielle Einweisung in diese Verfahren erhalten.
Gemisch und Vergaservereisung
Vergaser-Motoren sind anfällig für Vergasereis, das die Leistung reduzieren oder den Motor zum Stillstand bringen kann. Die Vergaserheizung führt wärmere, weniger dichte Luft in den Motor ein, was das Gemisch effektiv anreichert. Wenn die Vergaserheizung eingeschaltet wird, insbesondere im Reiseflug, kann es notwendig sein, das Gemisch weiter abzureichern, um das gewünschte Kraftstoff-Luft-Verhältnis beizubehalten. Wenn die Vergaserheizung ausgeschaltet wird, wird das Gemisch wieder magerer, sodass es möglicherweise erneut angereichert werden muss.
Schülerpiloten sollten die Drehzahl und die Laufruhe des Motors überwachen, wenn sie die Vergaserheizung ein- oder ausschalten, und die Gemischzufuhr entsprechend anpassen, gemäß dem POH.
Praktische Beispiele
Die folgenden kurzen Beispiele veranschaulichen, wie die Gemischsteuerung in typischen Trainingsszenarien verwendet werden kann. Diese sind allgemein gehalten; folgen Sie stets dem POH und den Anweisungen Ihres Fluglehrers.
Beispiel 1: Gemischabmagerung im Reiseflug auf 5.500 ft
Ein Flugschüler in einem zweisitzigen Trainer auf 5.500 ft stellt die Reiseflugleistung auf 2.400 U/min ein. Das Gemisch wird langsam abmagert, bis die Abgastemperatur (EGT) ihren Höhepunkt erreicht, dann wird es angereichert, bis die EGT etwa 75 6F über dem Maximum liegt und der Motor ruhig läuft. Der Kraftstoffverbrauch sinkt im Vergleich zum Vollgasgemisch, und die Fluggeschwindigkeit bleibt nahe der im POH erwarteten Reisefluggeschwindigkeit.
Beispiel 2: Abflug von einem Hochgebirgsflughafen
Bei einer Feldhöhe von 6.000 Fuß weist das POH den Piloten an, das Gemisch für maximale Drehzahl während eines Vollgas-Standlaufes vor dem Start abzureichern. Der Schüler stellt den Gashebel auf Vollgas, bereichert das Gemisch, bis die Drehzahl ihren Höhepunkt erreicht, und belässt das Gemisch dann auf dieser Einstellung für den Start, um sicherzustellen, dass der Motor in der dünnen Luft genügend Leistung entwickelt.
Beispiel 3: Leerlaufgemisch zum Verhindern von Zündkerzenverschmutzung
Während eines arbeitsreichen Trainingstages an einem Flughafen in niedriger Höhe stellt der Flugschüler das Gemisch beim Rollen aggressiv mager ein, sodass jeder Versuch, Vollgas zu geben, dazu führen würde, dass der Motor stottert. Dies reduziert die Zündkerzenverschmutzung und dient auch als Erinnerung, das Gemisch vor dem Start anzureichern, als Teil der Checkliste vor dem Start.
Zusammenfassung
Die Gemischsteuerung ermöglicht es dem Piloten, das Kraftstoff-Luft-Verhältnis an wechselnde Höhe, Temperatur und Leistungseinstellungen anzupassen. Der richtige Einsatz des Gemischs verbessert die Leistung, reduziert den Kraftstoffverbrauch und schützt den Motor vor Schäden. Konzepte wie "rich of peak" und "lean of peak" EGT beschreiben, wie das Gemisch relativ zum Punkt der maximalen Abgastemperatur eingestellt wird und sind besonders im Reiseflug relevant. Flugschüler sollten die spezifischen Gemischverfahren, die im POH für ihr Schulflugzeug angegeben sind, erlernen und anwenden sowie ihre Fluglehrer konsultieren, bevor sie fortgeschrittene Techniken wie den "lean-of-peak"-Betrieb verwenden.
