Leanen

In einem Verbrennungsmotor verbrennt das Treibstoff-Luft-Gemisch nur bei einem Massenverhältnis (im Unterschied zum Volumenverhältnis) von 1:14,7 vollständig (1,0 kg Kraftstoff auf 14,7 kg Luft). Bei diesem Verhältnis reagieren der Kohlenstoff (C) und der Wasserstoff (H) des Kraftstoffs (verschiedene Kohlenwasserstoffverbindungen – C_xH_y) mit dem Sauerstoff (O) der Luft, dabei unterscheidet man zwischen der vollständigen und der unvollständigen Verbrennung wie folgt:

Vollständige Verbrennung von langkettigen Kohlenwasserstoffen

${\displaystyle \mathrm {2\ C_{8}H_{18}\ +\ 25\ O_{2}\longrightarrow 16\ CO_{2}\ +\ 18\ H_{2}O} }$

Octan und Sauerstoff reagieren unter optimalen Bedingungen zu Kohlenstoffdioxid und Wasser.

Gewöhnliche, unvollständige Verbrennung von langkettigen Kohlenwasserstoffen

${\displaystyle \mathrm {2\ C_{8}H_{18}\ +\ 13\ O_{2}\longrightarrow 2\ CO_{2}\ +\ 7\ CO\ +\ 4\ C\ +\ C_{3}H_{6}\ +\ 15\ H_{2}O} }$

Octan und Sauerstoff reagieren bei einer unvollständigen Verbrennung zu Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, Ruß, kurzkettige Kohlenwasserstoffe (Propen) und Wasser, des Weiteren entstehen bei der unvollständigen Verbrennungen im Motor auch Stickoxide sowie ggf. Schwefeloxide. Diese Art von Verbrennungen entstehen, wenn die Verbrennungstemperatur zu niedrig ist oder nicht ausreichend Sauerstoff zur Verfügung steht.

Somit entstehen Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) in Form von Wasserdampf. Es handelt sich hierbei jedoch um eine idealisierte Darstellung der ablaufenden Prozesse, die, wie weiterführende Untersuchungen gezeigt haben, in der Realität viel komplexer sind.

Bei einem stöchiometrischen Gemisch ist das Luft-Kraftstoff-Verhältnis gerade so bemessen, dass genau die Luftmasse vorliegt, die theoretisch allen Kraftstoff zu H₂O und CO₂ oxidiert. 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 zur Verbrennung zur Verfügung. Die optimale technische Lösung wäre, den Motor aufzuladen (z. B. 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 auf „Sparflamme“ (weniger Sauerstoff, weniger Treibstoff) und gibt weniger Leistung ab.

In größeren Höhen nicht zu leanen hätte erhöhten Treibstoffverbrauch, Reichweitenverkürzung und eine Erhöhung der Betriebskosten zur Folge.

Die erhöhten Verbrennungstemperaturen sind für den Motor im Teillastbereich verkraftbar.

In seinen Grundzügen arbeitet die Gemischbildung eines regulären Ottomotors, z. B. in einem Kraftfahrzeug analog zu der bei einem Flugzeugmotor. Man unterscheidet:

Zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Gemisches wurden bei Kraftfahrzeugmotoren Vergaser oder Saugrohreinspritzung verwendet. Diese sorgen im Volllastbereich für ein fettes, leistungsoptimiertes Gemisch und im Teillastbereich für ein relativ mageres, kraftstoffsparendes Gemisch, wobei beim Beschleunigen durch eine Beschleunigerpumpe kurzzeitig angefettet wird.

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 beim Vergasermotor meist akzeptiert wird. Wenn man bei längeren Fahrten im Hochgebirge unterwegs ist besteht jedoch die Möglichkeit Kraftstoff einzusparen bzw. bessere Emissionen zu erreichen, indem man den Vergaser magerer einstellt. Einzelne Motoren mit elektronisch gesteuerter Saugrohreinspritzung mit Luftmengenmesser haben auch einen zusätzlichen, über eine Höhenmessdose gesteuerten Schalter, der ab einer bestimmten Höhe dem Steuergerät ein Signal zum Abmagern des Gemisches gibt.

Zu Zeiten der Vergasertechnik wurden bei Bedarf als Zusatzeinrichtungen am Vergaser Höhenkorrektoren verbaut, die mittels Barometerdose und Magnetventilen bei geringer werdendem Luftdruck das Gemisch automatisch abmagerten. Neuere Kraftfahrzeugmotoren verfügen über Luftmassenmesser, die dem Motorsteuergerät einen Anhaltswert für die angesaugte Luftmasse liefern. Im Teillastbereich wird eine genaue Dosierung der Kraftstoffmenge im Verhältnis zu der zur Verfügung stehenden Verbrennungsluft nach Messung durch die Lambdasonde erreicht, die den Restsauerstoffgehalt im Abgas misst. Das Steuergerät korrigiert entsprechend der Rückmeldung von der Lambdasonde die eingespritzte Kraftstoffmenge auf den stöchiometrischen Wert von Lambda 1. Nur bei hohem Leistungsbedarf z. B. beim Beschleunigen oder sehr schneller Fahrt wird eine leichte Gemischanfettung (Lambda 0,8…0,9) realisiert, da mehr Leistung und geringere Temperaturbelastung erzielt werden). Hintergrund sind die immer strenger gefassten Abgasnormen, die ohne moderne Gemischaufbereitung nicht einzuhalten wären.

Bei Flugzeugkolbenmotoren ergeben sich durch die unterschiedliche Betriebsumgebung einige Unterschiede, die ein Leanen des Motors erfordern. Ein Flugzeug ist in größeren Höhen 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 effizienter. Eine leistungsfähige und damit intensive Kühlung wird eigentlich nur beim Start unter voller Last und beim Rollen (fast kein Fahrtwind) benötigt. Ein fetteres Gemisch unterstützt dann durch seinen höheren Kraftstoffanteil die Kühlung des Motors und besonders der Auslassventile:

Ein Flugzeugmotor unter voller Last am Boden würde bei einem Lambda von 1 auch durch Frühzündung (Detonation) und überhitzte Auslassventile (Feuerstege/ Zylinderkopfdichtungen) beschädigt werden. Daher nutzt man beim Rollen, beim Start und beim Steigen – also immer dann, wenn viel Leistung erforderlich ist – ein leicht überfettetes Gemisch (Lambda 0,8…0,9) oder als Motorschutz (mit Leistungsabstrichen) sogar noch fetter. Dadurch sinkt die EGT (exhaust gas temperature – dt. Abgastemperatur) sowie infolgedessen die CHT (cylinder head temperature – dt. Zylinderkopftemperatur) bei überfettem Gemisch. Durch diesen Nebeneffekt wird auch noch die Motortemperatur etwas abgesenkt. Der Kraftstoffverbrauch steigt beim Start durch das überfettete Gemisch zwar, verringert sich jedoch durch die Abmagerung im Reiseflug. Dort wird mit ca. Lambda 1,1 der beste Motorwirkungsgrad eingestellt, wobei sich auch die höchste Abgastemperatur ergibt, was jedoch im Teillastbereich schadlos verkraftet wird.

Das Leanen dient also dazu, den Motor unter allen Flugbedingungen vor Schaden durch Überhitzung oder Unterkühlung zu bewahren und für die aktuellen Leistungsanforderungen und die aktuellen Umweltbedingungen (Luftdruck, Luft- und Motortemperatur) 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 – dt. Abgastemperaturmesser) im Cockpit erfolgen.

Neben der manuellen Gemischeinstellung gibt es bei manchen Flugmotoren auch eine automatische Höhenkorrektur und automatische Gemischanreicherung, so zum Beispiel bei Einspritzmotoren. Aber auch Vergaser können mit Hilfe einer Unterdruckdose ein höhenkorrigiertes Gemisch bereitstellen, was den Piloten von dieser Aufgabe entlastet. Der Gemischhebel (engl. 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.

Die Motoren der Firmen Thielert und SMA auf Basis des Diesel-Prinzips verfügen über Turbolader und eine vollelektronische Motorsteuerung bzw. „Single lever control“. Dadurch entfällt das Leanen und der Turbolader sorgt auch in großen Höhen für die erforderliche Sauerstoffzufuhr.