Leanen

Unter Leanen versteht man das Abmagern eines Kraftstoff-Luft-Gemisches bei motorbetriebenen Flugzeugen. Dieses wird besonders in der Luftfahrt bei kolbenbetriebenen Motoren durchgeführt, um sie vor Schaden zu bewahren und um den Treibstoffverbrauch und die Reichweite zu optimieren. Das Abmagern erfolgt meist manuell durch den Piloten mittels des Gemischhebels (mixture control; condition lever) und seltener automatisch.

Grundlagen

Luft-Treibstoff-Gemisch

Das Luft-Treibstoff-Gemisch im Verbrennungsmotor verbrennt nur bei einem Gewichts-Verhältnis (im Unterschied zum Volumenverhältnis) von 1:14,7 vollständig (1,0 kg Kraftstoff auf 14,7 kg Luft). Bei diesem Verhältnis regiert der Kohlenstoff (C) und der Wasserstoff (H) des Kraftstoffes (verschiedene Kohlenwasserstoffverbindungen - C_xH_y) mit dem Sauerstoff (O) der Luft vollständig in den Reaktionen

\mathrm {C+O_{2}\longrightarrow CO_{2}}

und

\mathrm {2H_{2}+O_{2}\longrightarrow 2H_{2}O}

Dadurch entsteht Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) in Form von Wasserdampf. Diese Darstellung gilt nur theoretisch, da sie in der Realität viel komplexer ist.

Bei einem stöchiometrischen Gemisch ist das Luft-Kraftstoff-Verhältnis gerade so bemessen, dass genau die Luftmasse vorliegt, um theoretisch allen Kraftstoff zu H₂O und CO₂ zu oxidieren.

Von diesem idealen stöchiometrischen Kraftstoffverhältnis (1:14,7) kann durch einen höheren Kraftstoffanteil ("fett", "reich", englisch: rich, z.B. 1:13) oder einen höheren Luftanteil ("mager", "arm", englisch: lean, z.B. 1:16) innerhalb bestimmter Grenzen abgewichen werden. Das Gemisch sollte allerdings nur so weit abgemagert werden, dass es noch zündfähig bleibt (bis ca. 1 : 30).

Im Gegensatz zu Autos werden Flugzeuge in sehr unterschiedlichen Höhen betrieben. In großen Höhen steht wegen der "dünnen Luft" nicht mehr genug Sauerstoff in den Zylinder für die Verbrennung zur Verfügung. Die optimale technische Lösung wäre, mit Hilfe eines Turboladers mehr Luft (unter Druck) in den Zylinder zu pressen - so würde die volle Leistung des Motors erhalten bleiben. Die zweitbeste technische Lösung ist das hier besprochene Abmagern (Leanen). Dabei wird dem Zylinder bei Bedarf weniger Treibstoff zugeführt, um die geringere Menge an Sauerstoff im Zylinder auszugleichen. Der Motor läuft dabei auf "Sparflamme" (weniger Sauerstoff, weniger Treibstoff) und gibt dabei nicht mehr ganz so viel Leistung ab.

Würde man jedoch in größeren Höhen nicht leanen, dann würde man Treibstoff verschwenden und somit die Reichweite verkürzen und die Betriebskosten sinnlos erhöhen. Durch das Leanen kommt es wieder zu einem verbrauchsgünstigen Luftüberschuss im Zylinder, denn Luft ist billiger als Treibstoff.

Kraftfahrzeuge

In seinen Grundzügen arbeitet die Gemischbildung bei einem Flugzeugmotor analog zu der eines regulären Ottomotors, z.B. in einem Kraftfahrzeug. Dennoch ergeben sich in Bezug auf die Betriebsumgebung einige Unterschiede, die bei einem Flugzeugkolbenmotor das Verfahren des sogenannten Leanens erfordern.

klassische Gemischbereitung

Zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Gemisches werden bei Kraftfahrzeugmotoren Vergaser oder Einspritzanlagen verwendet. Dabei geht man davon aus, dass der Luftdruck größer als 900 mbar ist. Die deutliche Gemischanfettung z.B. bei Passfahrten im Hochgebirge führt zu einem Leistungsabfall, was bei PKW akzeptiert wird.

aktuelle Gemischbereitung

Neuere Kraftfahrzeugmotoren verfügen über Luftmassenmesser, die eine genaue Dosierung der Kraftstoffmenge im Verhältnis zu der zur Verfügung stehenden Verbrennungsluft zulässt und somit eine Überfettung - außer bei starker Beschleunigung - ausschließt. Hintergrund sind die immer strenger gefassten Qualitäten der Abgasnormen.

Flugzeug

Ein Flugzeug ist in größeren Höhen jedoch erheblich niedrigeren Luftdrücken ausgesetzt (Barometrische Höhenformel), was eine Anreicherung des Gemisches bewirkt. Daher ist ein manuelles oder automatisches Eingreifen in die Gemischbildung notwendig. Hinzu kommt, dass Flugzeugmotoren in der Regel bei niedrigeren Umgebungstemperaturen fliegen, daher arbeitet die Kühlung effektiver. Eine leistungsfähige und damit intensive Kühlung wird eigentlich nur beim Start unter voller Last benötigt. Ein fetteres Gemisch unterstützt durch seinen höheren Kraftstoffanteil effektiv die Kühlung des Motors (und ins Besondere der Einlaßventile).

Ein Flugzeugmotor würde bei einem Lambda von 1 unter voller Last am Boden auch durch Frühzündung (Detonation) und überhitze Einlaßventile beschädigt werden. Daher nutzt man ein leicht überfettetes Gemisch (beim Rollen, beim Start und in niedriger Flughöhe) und den damit verbundenen Leistungsabfall, um den Zündzeitpunkt in einem unkritischen späten Bereich zu halten. Durch die schlechtere Verbrennung sinkt die CHT (Cylinder Head Temperature; Zylinderkopftemperatur) bei überfettem Gemisch und durch diesen Nebeneffekt wird auch noch die Motortemperatur etwas abgesenkt. Der Kraftstoffverbrauch steigt durch das überfettete Gemisch zwar beim Start, verringert sich jedoch durch die Abmagerung im Reiseflug.

Das Leanen dient dazu, den Motor unter allen Flugbedingungen vor Schaden durch Überhitzung oder Unterkühlung zu bewahren und die beste Kombination aus hohem Leistungsgrad, geringem Treibstoffverbrauch und bester Reichweite zu finden. Die Kontrolle, ob richtig geleant wird, kann durch die EGT-Anzeige (exhaust gas temperature - dtsch. Abgastemperaturmesser) im Cockpit erfolgen.

Neben der manuellen Gemischeinstellung findet sich bei manchen Flugmotoren auch eine automatische Höhenkorrektur, so zum Beispiel bei Einspritzermotoren. Aber auch Vergaser können mit Hilfe einer Unterdruckdose ein höhenkorrigiertes Gemisch bereitstellen, was den Piloten von dieser Aufgabe entlastet. Der Gemischhebel (mixture; condition lever) wird in solchen Flugzeugen nur noch zum Abstellen des Motors benötigt. Ein Vergaser mit automatischer Höhenkorrektur findet sich zum Beispiel in der Piaggio P.149 oder der Dornier Do 27

Ablauf des Leanens

Für Kolbentriebwerke mit geringer Leistung und ohne Kontrolle durch ein EGT-Anzeige gilt nach wie vor, dass das Gemisch solange verarmt wird (den roten Gemischreglerknopf langsam herausziehen), bis der Motor rauh läuft, dann erfolgt eine Wiederanreicherung (roten Gemischreglerknopf zwei oder drei Umdrehungen eindrehen), bis der Motor rund läuft.

Moderne Flugmotoren mit höherer Leistung benötigen ein anderes Verfahren. Hier wird zur Gemischregulierung das Abgastemperatur-Messgerät (EGT) verwendet. Etwa fünf Minuten nach Erreichen der Reiseflughöhe, wenn sich die Triebwerkstemperaturen stabilisiert haben, wird das Gemisch mit dem Gemischhebel solange verarmt, bis die Abgastemperatur ihren Spitzenwert (engl. peak EGT) erreicht.

Diesen Spitzenwert muss man sich merken. Bei den meisten EGT ist aber neben dem eigentlichen Temperaturanzeiger ein zusätzlicher, verstellbarer Bezugsanzeiger (engl. reference pointer) vorhanden. Dieser wird auf den angezeigten Spitzenwert eingestellt. Danach wird das Gemisch wieder soweit angereichert (roten Gemischreglerknopf eindrehen), bis ein Abgastemperaturabfall von 50° F (Fahrenheit) eintritt. Das entspricht 2 Teilstrichen der Skala des EGT. Damit ist eine Verbrennungs- und Abgastemperatur gegeben, die auch bei Dauerbetrieb dem Motor keinen Schaden zufügt. Der Kraftstoffverbrauch ist sehr günstig, Reichweite des Flugzeugs und Leistungsgrad des Triebwerks sind optimal, aber nicht maximal.

1. Alternative:
Gelegentlich wird auch für die jeweilige gewählte Leistungseinstellung ein zugehöriger, korrekter Fuel Flow (Treibstoffdurchfluss) anhand einer Tabelle eingestellt. Diese Methode funktioniert auch ohne Kontrolle durch einen Abgastemperaturmesser. Die Eingangsparameter für diese Tabelle sind Drehzahl und Saugrohr(unter)druck.
2. Alternative:
Zum Erreichen besserer Verbrauchswerte kann das Gemisch bei Einspritzmotoren auf den Spitzenwert der EGT (Empfehlung von Lycoming und Continental), oder sogar auf 50°C abgemagert (geleant) werden. Dazu wird vom Spitzenwert aus soweit abgemagert, bis ein Abfall von 50°C EGT angezeigt wird. So wird ein minimaler Benzinverbrauch erreicht.

Betriebsbereiche

Man kann drei Betriebsbereiche unterscheiden, bei denen unterschiedliche Gemischeinstellungen erforderlich sind:

Betrieb von Leerlauf bis ca. 50% Motorleistung

Dieses ist der Bereich, der auch bei einem Anflug ohne Motorleistung eingestellt wird. Der Motor läuft mit zu geringer Betriebstemperatur, evtl. mit zu geringer Drehzahl und mit zu reichem Gemisch. Die Folge sind Kaltschlammbildung und gefährliche bleihaltige Ablagerungen bei längerer Dauer. Daher sollte dieser Betriebsbereich gemieden werden. Wenn das nicht möglich ist, muss die höchste vertretbare Leistung eingestellt und anschließend das Gemisch abgemagert werden. Ausnahme: Im Landeanflug darf nicht geleant werden. Es muss hier vollreiches Gemisch einstellt werden, um gerüstet zu sein, falls ein Durchstarten nötig wird.

Betrieb mit Motorleistungen von 50% bis 75%

Das ist im wesentlichen der Reiseflug. In diesem Bereich muss immer geleant werden, bei Flugzeugen mit Festpropeller bis zur maximalen Drehzahl und bei Constant-Speed-Propeller bis zur maximalen Geschwindigkeit. Das Triebwerk läuft sparsam und in einem günstigen Temperaturbereich. Es besteht nur eine geringe Tendenz zu Ablagerungen, keine thermische Überlastung, maximaler Selbstreinigungseffekt der Zündkerzen, geringster Schadstoffausstoß. Dieser Bereich sollte gewählt werden, wann immer vertretbar.

Betrieb mit einer Motorleistung über 75%

Diese Leistung wird gebraucht bei Start und Steigflügen. Sie sollte vom Motor nur bei vollreichem Gemisch abgerufen werden. Der überschüssige Kraftstoff ist für die interne Kühlung (hier im Besonderen der Einlaßventile) erforderlich. Durch Verarmen besteht die Gefahr der Überhitzung und von klopfender Verbrennung. Das vollreiche Gemisch führt aber auch zu größeren Ablagerungsraten und zu unnötig hohem Kraftstoffverbrauch. Daher darf dieser Bereich nur für den Start und den Steigflug auf Platzrundenhöhe benutzt werden.

Risiken

Beim Start und Steigflug (mit > 75 % Leistung) von hoch gelegenen Flugplätzen kann wegen der geringeren Luftdichte vollreiches Gemisch zu fett sein, weshalb der Motor rauh und mit verminderter Leistung läuft. Dann sollte der Pilot gerade soviel abmagern, bis der Motor wieder rund läuft. Bei magerer Gemischeinstellung kann es zur Überhitzung des Motors (der Kraftstoff im Gemisch kühlt die Einlaßventile) kommen.
Vor jeder Leistungserhöhung vollreiches Gemisch einstellen.
Beim Abstieg aus großen Höhen Gemischeinstellung sorgfältig nachstellen.
Im Endanflug Gemisch auf vollreich einstellen.

Literatur

Bachmann, Faber, Senftleben - Gefahrenhandbuch für Piloten, Motorbuch Verlag Stuttgart 1981 ISBN 3-87943-656-8
Ernst Götsch - Luftfahrzeug-Technik, 3. Auflage 2003, ISBN 3-613-02006-8
Jeppesen Sanderson - Privat Pilot Manual 2001, ISBN 0-88487-238-6
Wolfgang Kühr - Der Privatflugzeugführer, Technik I, Band 1 1981, ISBN 3-921270-05-7

Weblinks

Der Gemischzauber von John Deakin in eiener Übersetzung von Philipp Tiemann, bei eddh.de

Siehe auch