Motortheorie: Öl

(Dieser Artikel erschien ursprünglich in der April-Ausgabe 2016 des Kitplanes-Magazins. Hrsg.) Diesen Monat beginnt unsere fortlaufende Einführung in die Motorentechnologie mit einer Untersuchung des Schmiersystems unter Berücksichtigung dessen, was es pumpt: Öl. Schmierung ist für den durchschnittlichen Piloten ein Hintergrundproblem, aber sie ist ein Muss, denn ohne sie verwandelt der Metall-auf-Metall-Verschleiß jeden Motor schnell in ein nutzloses Durcheinander aus geschmolzenen Lagern und hässlichen Metallspänen. In der Praxis ist die Aufrechterhaltung der richtigen Öltemperatur die unmittelbare Herausforderung für die meisten Hersteller und Piloten von Experimentalflugzeugen.

Öl – der Stoff, aus dem das Leben in Verbrennungsmotoren besteht – führt in unseren luftgekühlten Flugzeugtriebwerken quasi ein Doppeldasein. Es ist das offensichtliche Arbeitsmedium im Schmiersystem und spielt gleichzeitig eine wichtige, wenn auch oft übersehene Rolle im Kühlsystem. Gelegentlich wird es sogar als Ersatzhydraulikflüssigkeit in Verstellpropellersystemen eingesetzt.

Als Schmiermittel ist Öl hauptsächlich für die Reduzierung der Reibung zwischen den beweglichen Teilen des Motors verantwortlich, es entfernt aber auch Verunreinigungen, bietet Korrosionsschutz für das ansonsten nicht plattierte und unlackierte Metall des Motors und trägt zur Abdichtung der Kolbenringe am Zylinder bei.

Als Kühlmittel überträgt Öl die Verbrennungswärme vom empfindlichen, höllisch heißen Kolben und Kolbenbolzen zum Ölkühler, wo sie an die Atmosphäre abgegeben wird. Es ist auch die Hauptkühlquelle für das gesamte untere Ende des Motors, also die Kurbelwelle, die Pleuel und vor allem die Haupt-, Pleuel- und Drucklager, außerdem ist es auch das Hauptkühlmittel für den Ventiltrieb Die Ventilfedern sind besonders bedürftig. Während typische Flugzeugmotoren als luftgekühlt gekennzeichnet sind, sind die einzigen Teile, die hauptsächlich luftgekühlt sind, die Zylinderköpfe. Es wäre richtiger, wenn auch mühsamer, zu sagen, dass es sich um luft- und ölgekühlte Motoren handelt. Das Gleiche gilt auch für wassergekühlte Motoren, obwohl die höhere Dichte des Wassers typischerweise einen größeren Prozentsatz der Abwärme des Motors verarbeitet.

Beachten wir für unsere Zwecke, dass Mineralöl (das traditionelle Material) aus Rohöl raffiniert wird und synthetisches Öl das gleiche, stärker raffinierte Material oder ein völlig anderes Material ist, das aus Nicht-Rohöl-Ansätzen synthetisiert wird. Synthetisches Öl weist eine einheitlichere Molekularstruktur auf und enthält viel weniger Fremdstoffe, die in Mineralölen vorkommen (Wachse usw.), und die nichts mit der Schmierung von Motoren zu tun haben. Synthetisches Öl hat mehrere wünschenswerte Eigenschaften, um seine höheren Kosten auszugleichen. Vor allem bleibt es bei hohen Temperaturen stabil und zerfällt nicht in gummiartige Rückstände. Mineralöl beginnt bei etwa 240 °F merklich zu zerfallen, während synthetisches Öl oft Temperaturen von mehreren Hundert Grad mehr standhält. Tatsächlich stellen hohe Öltemperaturen zunächst eine Gefahr für Mineralöle dar, doch bei manchen Kunststoffen ist zunächst das Lagermaterial im Motor eine Gefahr.

Ein Nachteil des synthetischen Öls, das erstmals an Flieger verkauft wurde, war seine geringe Fähigkeit, Fremdblei aus 100-Liter-Benzin in Lösung zu transportieren. Angeblich handelte es sich um ein Additivproblem, bei 100 % synthetischen Ölen soll jedoch die Schlammbildung ein Problem gewesen sein, und synthetisches Öl wird heute hauptsächlich als Mischung aus 30 % Synthetik und 70 % Mineralien angeboten, um halbsynthetisches Öl zu bilden. Es gibt keine Probleme mit der Schlammbildung.

Öl wird auch nach der Viskosität kategorisiert, also der Dicke der Flüssigkeit, gemessen an ihrer Fließfestigkeit bei einer bestimmten Temperatur. Die Viskosität ist wichtig, da sie den „Körper“ bildet, der den Kontakt von Metall zu Metall abfedert. Bei Autos wird die Ölviskosität als „Gewicht“ bezeichnet, beispielsweise „30-Gewicht“, und wird gemäß den von der Society of Automotive Engineers (SAE) festgelegten Standards festgelegt. In der Luftfahrt ist diese Eigenschaft offiziell als „Grade“ bekannt, und die Zahlen sind ungefähr doppelt so hoch wie die des SAE-Gewichts. So entspricht beispielsweise die Note 100 einem Gewicht von 50. Heutzutage hört man rund um den Flughafen natürlich häufiger „Gewicht“ als „Grad“.

Das Ölgewicht bzw. die Ölsorte wird hauptsächlich an den Betriebstemperaturbereich des Öls angepasst, obwohl auch interne Motorspalte (zwischen den Kurbelwellenzapfen und ihren Lagern oder zwischen den Kolbenringen und Zylinderwänden) eine wichtige Rolle spielen. Daher bedeutet der leichte Betriebszyklus von Automobilmotoren relativ niedrige Öltemperaturen, außerdem weisen diese eng gebauten Motoren kleine Ölabstände auf, so dass sie höchstens Öle mit einem Gewicht von 20 bis 30 Gewichtsprozent verwenden. Unsere öl-/luftgekühlten Flugzeugtriebwerke laufen hart und lange und geben großzügig Wärme an das Öl ab. Daher ist eine Öldicke von 50 typisch, wobei einige ältere Radialmotoren dank ihrer kavernösen Ölspalte ein Gewicht von 60 haben.

Ein Öl mit einem Gewicht oder einer bestimmten Sorte ist genau das, wonach es sich anhört: ein Öl mit einer bestimmten Viskosität bei Betriebstemperatur (212 °F). Bei kalten Temperaturen ist es viel dicker. Mehrgewichts- oder Mehrbereichsöl, beispielsweise 15W-50, ist ein dünnflüssiges 15-Gewichtsöl mit zugesetzten Viskositätsverbesserern. Die VI-Verbindungen rollen sich bei niedriger Temperatur buchstäblich zu winzigen Kugeln zusammen und entrollen sich bei hoher Temperatur zu längeren Strängen. Wenn sie zu Kugeln geformt sind, behindern die VI-Verbindungen nicht die Fließfähigkeit des Öls, aber wenn sie aufgereiht werden, machen sie das Öl dicker.

In unserem 15W-50-Beispiel fließt das Öl wie 15-Gewicht-Öl bei 0 °F und 50-Gewicht-Öl bei 212 °F. Das hilft, denn wie alles andere hat auch Öl einen Betriebstemperaturbereich. Das dicke 50-Gewichtsöl in Flugzeugtriebwerken ist bei niedrigen Temperaturen – denken Sie bei Kaltstarts bei 45 °F oder kälter – kaum ein Schmiermittel, da es nicht fließt. Es kann so schwierig sein, das Öl durch die kleineren Kanäle des Motors zu pumpen, dass es vorübergehend überhaupt nicht fließt. Das Vorwärmen des Motors ist eine gute Lösung, aber auch ein Mehrbereichsöl mit stark verbesserter Fließfähigkeit bei niedrigen Temperaturen ist eine große und sehr praktische Hilfe.

Kaltes Öl, egal welcher Art, ist ein echtes Problem. Dickflüssiges Öl fließt nicht nur schlecht, bis es ein wenig Wärme erhält, sondern verursacht auch erheblichen Widerstand im Inneren des Motors. Dies erschwert dem Anlasser das Leben und belastet die Batterie. Es raubt außerdem die Motorleistung und verschwendet Benzin, um den übermäßigen Luftwiderstand zu überwinden. Das schlimmste Problem ist jedoch der schnelle Metall-zu-Metall-Verschleiß des Motors aufgrund fehlender oder geringer Ölströmung. Ohne Vorwärmen sind ein Mehrviskositätsöl und das Aufwärmen des Motors im Hochlaufbereich, bis auf dem Öltemperaturmessgerät Bewegung zu erkennen ist, die praktische Lösung.

Am anderen Ende des Thermometers ist übermäßige Hitze für Mineralöl tödlich. Wenn die Temperatur steigt, zersetzt sich Mineralöl, kocht, verbrennt, wie man es nennen will, aber es verwandelt sich dauerhaft in eine nicht schmierende Masse. Dieser Prozess beginnt bei 225 °F, wird aber bei etwa 240 °F bedeutsam, und wenn herkömmliches Motoröl 260 °F übersteigt, wird daraus schnell etwas anderes als Motoröl. Deshalb muss überhitztes Mineralöl gewechselt werden. Es ist auch ein großer synthetischer Vorteil; Heiße Öltemperaturen bereiten ihm keine großen Sorgen.

Das Ziel sind eindeutig die Goldlöckchen-Öltemperaturen: 185F bis 215F. Bei einer Flugzeit von einer Stunde ist dies warm genug, um die reichliche Wasserverunreinigung, die durch die Verbrennung entsteht, zu verbrennen, aber nicht so heiß, dass das Öl zersetzt wird.

Alle Motorenöle werden durch vom Ölhersteller ausgewählte Additive angereichert. Diese unterscheiden sich stark je nach Verwendungszweck des Öls. Sie müssen jedoch wissen, dass die meisten Zusatzstoffe Opfer sind. Sie werden durch den Motorbetrieb aufgebraucht, und entweder müssen mehr Additive in das Kurbelgehäuse eingefüllt werden (was bei LKW- oder Industriemotoren nicht ungewöhnlich ist, bei Luftfahrt- oder Automobilanwendungen jedoch nicht der Fall ist) oder das Öl muss ersetzt werden.

Typische Motoröladditive wirken sich auf die Hochdruckschmierung aus (hier spielt die Schnittstelle zwischen Nockenwelle und Heber eine große Rolle), aber Flugzeugmotoren sind auch stark mit Antischlammadditiven ausgestattet, um den grauen Schleim zu bekämpfen, der entsteht, wenn bleihaltiges Benzin, Wasser und lose Motortoleranzen entstehen zusammen, zusammen mit Säureneutralisatoren.

Dann gibt es noch die bekannten aschefreien Dispergieradditive. Asche ist ein Verbrennungsnebenprodukt, das im Brennraum entsteht, wenn Motoren dort Öl verbrennen. Die Hauptakteure bei der Aschebildung sind Detergenzienzusätze. Im Gegensatz zu Automobilmotoren mit ihren im Wesentlichen öldichten Brennkammern kommen Flugzeugöle daher ohne Detergenzien aus. Luftgekühlte Flugzeugmotoren verbrennen aufgrund ihrer notwendigerweise losen Kolben-, Kolbenring- und Zylinderwandtoleranzen Öl, sodass aschebildende Reinigungsmittelzusätze in der Luftfahrt tabu sind (und warum man in Flugzeugmotoren kein Autoöl einsetzt). Aschefreie Dispergiermitteladditive halten die Asche, die sich bildet, in Lösung, sodass sie vom Ölfilter oder (erstaunlicherweise) bei Ausfall eines Ölfilters herausgeschrubbt werden kann, bis das Öl ersetzt wird.

Lycoming und Continental sorgen sowohl für zu kalte als auch für zu heiße Öltemperaturen. Ein Thermostat namens Vernatherm (bei Lycoming-Motoren) ist so eingestellt, dass er bei 185 °F öffnet. Es transportiert kaltes Öl direkt durch den Motor und heißes Öl durch einen Öl-Luft-Ölkühler, bevor es durch den Motor geleitet wird. Daher beträgt die Öltemperatur bei diesen Motoren mindestens 185 °F, außer zwischen einem Kaltstart des Motors und dem Zeitpunkt, an dem sich das Öl auf 185 °F erwärmt. Das ist eine große „Ausnahme“, und es liegt am Piloten, hohe Motorlasten (z. B. Start) zu vermeiden, wenn das Öl zu kalt ist (unter 100 °F). Nur wenige Piloten scheinen die Disziplin zu haben, den Kaltölmotorbetrieb zu vermeiden, und Anwendungen der Standardkategorie mit geringer Leistung und ihre experimentellen Äquivalente scheinen diese Barbarei zu überleben. Wenn jedoch die Motorleistung zunimmt, wirkt sich die Vermeidung von Hochlast- und Kaltölbetrieb positiv auf die Langlebigkeit des Motors aus.

Die maximale Öltemperatur wird durch einen Ölkühler gesteuert, bei Flugzeugen handelt es sich zwangsläufig um Öl-Luft-Kühler. Bei wassergekühlten Motoren kann die Ölwärme über einen Öl-Wasser-Wärmetauscher an das Wasserkühlmittel abgegeben werden; Dies ist wahrscheinlich die bessere Strategie, aber bei luftgekühlten Motoren offensichtlich unpraktisch.

Ähnlich wie Abgassysteme bewegt sich der fernmontierte Ölkühler von Lycoming in der grauen Grenze zwischen der Verantwortung des Triebwerksherstellers und der des Flugzeugherstellers, weshalb viele Anwendungen zu wünschen übrig lassen. Als Experimentalflugzeugbauer sind wir für alles verantwortlich, und der Umgang mit den vielen Variablen beim Aufbau eines effizienten Ölkühlsystems ist für uns ein großer kreativer Bereich.

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Rotax-Motoren werden normalerweise ohne Thermostat (Vernatherm) geliefert und laufen. Aber auch die beliebten Rotax-Viertaktmotoren sind mit Trockensumpf ausgestattet. Trockensumpf bedeutet, dass ein größerer Ölvorrat vorhanden ist, sodass das Öl relativ mehr Zeit außerhalb des Motors in einem Tank verbringt und daher natürlich mehr Wärme abgibt als ein herkömmlicher Nasssumpf von Continental oder Lycoming. Rotax-Motoren sind außerdem wassergekühlt, was bedeutet, dass weniger Zylinderkopfwärme überhaupt ins Öl gelangt.

Continentals montieren ihre Kühler direkt am Motor. Sie verwenden außerdem die effizientere Wärmeübertragung und die physikalisch haltbarere Kühlerkonstruktion im Stangen-Platten-Stil. Dadurch wird die Integration des Triebwerks in die Flugzeugzelle vereinfacht; In der Regel reichen ein ausreichender Einlass und Windlaufklappen aus.

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Die kritische Untersuchung des Ablassöls gibt einen hervorragenden Einblick in die Vorgänge im Motorinneren. Spezialisierte Labore bieten solche Dienstleistungen an; Sie verwenden Spektroskopie und andere fortschrittliche Methoden, um in kleinsten Mengen genau zu beschreiben, was im Öl und damit im Motor enthalten ist.

Übermäßige Mengen an Stahl könnten beispielsweise auf einen Ausfall von Nocken und Stößel hinweisen. Ein hoher Aluminiumgehalt kann auf den Verschleiß des Kolbens oder des Kolbenstopfens zurückzuführen sein, Eisen stammt wahrscheinlich von Kolbenringen, Zinn stammt normalerweise von Lagern und so weiter. Auch die Zusammensetzung des Öls lässt sich leicht verfolgen, sodass Additivmangel oder Verunreinigungen leicht erkannt werden können.

Die Ölanalyse ist ein leistungsstarkes Werkzeug, insbesondere bei regelmäßiger Anwendung, damit Veränderungen schnell und genau erkannt werden können. Da dies natürlich auch mit zusätzlichen Kosten verbunden ist, nutzen die meisten privaten Betreiber es gelegentlich oder bei Verdacht auf Probleme. Zumindest ist es ein weiteres Werkzeug, das man kennen sollte, im besten Fall ist es ein fester Bestandteil eines gründlichen Motorbetriebsprogramms, das Sicherheit gibt, beim Wiederverkauf gut aussieht und drohende Katastrophen auffangen kann.

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Das Auffüllen eines typischen Flugzeugmotors während eines Ölwechsels fühlt sich an, als würde man einen Supertanker auffüllen – warum fassen sie überhaupt so viel Öl?

Es gibt verschiedene Gründe. Erstens: Je mehr Öl verfügbar ist, desto weniger Fahrten durch den Motor führt eine gegebene Ölmenge pro Zeiteinheit durch. Mehr Öl bedeutet also weniger Verschmutzung, weniger schnelle Ölerhitzung und möglicherweise eine etwas niedrigere Gesamtöltemperatur. Aber hauptsächlich unsere guten alten, luftgekühlten Flugzeugmotoren mit lockeren Toleranzen saugen Öl an den Kolbenringen vorbei und verbrennen es in der Brennkammer, manchmal dramatisch.

Als die Vorschriften vor Jahrzehnten erlassen wurden, war ein enormer Ölverbrauch ziemlich normal, da die Zylinderdichtung nicht so gut war wie heute. So dürfen typische 6-Zylinder-Motoren fast einen Liter Öl pro Stunde (!) verbrauchen, sodass eine siebenstündige Etappe mit Kraftstofftanks für große Reichweiten bedeutet, dass während einer solchen Fahrt fünf Liter Öl verbraucht werden können.

In der modernen Welt sollte der Ölverbrauch eher bei einem Viertelliter alle zehn Stunden liegen, und wenn man 12 Liter in eine 540 Lycoming oder acht Liter in eine 360 ​​einfüllt, führt dies dazu, dass ein Liter aus der Triebwerksentlüftung in den Bauch des Flugzeugs geblasen wird in ungefähr einer Stunde. Aus diesem Grund notieren die alten Hasen immer einen Viertel unter dem ausgeschriebenen Maximum.

Dieser Artikel erschien ursprünglich in der Aprilausgabe 2016 des Kitplanes-Magazins.

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