Kistler unterstützt Continental Aerospace Technologies bei der Entwicklung von Flugzeugmotoren

Das universale Indiziersystem KiBox kam bisher vor allem bei Fahrzeugen zum Einsatz. Nun lernt es ungewohnte Höhen kennen: Im Zuge der Entwicklung einer neuen Flugzeugmotoren-Generation begaben sich Ingenieure des Triebwerkherstellers in sehr dünne und kalte Luft. Mithilfe der KiBox gelang es ihnen, die Motorleistung zu optimieren.

Mehr Leistung, weniger Kraftstoffverbrauch – die Anforderungen an Flugzeugmotoren sind denen von Automobilen ähnlich. Doch über den Wolken herrschen besondere Bedingungen, was die Motorenentwicklung für die Luftfahrt zusätzlich erschwert. Die Continental Aerospace Technologies GmbH, die zur weltweit agierenden Grouppe Continental Aerospace Technologies Ltd. gehört, gilt als einer der weltweit führenden Hersteller von Motoren für Kleinflugzeuge und verfügt über Standorte in den USA und in Deutschland. Mit seinem Kerosin-Kolbenflugmotor auf Basis eines Pkw-Dieselmotors mit redundantem elektronischem Steuergerät entwickelte das Unternehmen ab den 2000er Jahren einen Antrieb, der rund 40 Prozent weniger Kraftstoff verbraucht und so die Reichweite von Flugzeugen um bis zu 30 Prozent erhöht. Damit gelang Continental Aerospace Technologies ein Innovationssprung, der einen neuen Standard in der Branche gesetzt hat.

„Wenn wir unsere Motoren weiterentwickeln, wollen wir sprichwörtlich immer neue Höhen erreichen“, erklärt Dr. David Dörner, Applikationsingenieur Test & Applikation bei Continental Aerospace Technologies. Hintergrund ist, dass durch die abnehmende Dichte in der Höhe der Luftwiderstand sinkt, was den Kraftstoffverbrauch reduziert. Doch die Möglichkeiten, nach oben zu steigen, sind begrenzt: Zunehmende Höhe erfordert zugleich eine gesteigerte Höhenleistung des Motors, damit das Flugzeug jederzeit über ausreichend Auftrieb verfügt. Motoren von Kleinflugzeugen, die im Gegensatz zu denen von großen Jets über keine oder nur eine einstufige Aufladung verfügen, haben eine wesentlich geringere Dienstgipfelhöhe (maximale Flughöhe im Dauerbetrieb), weshalb die Optimierung der Höhenleistung eine wichtige Rolle in der Entwicklung spielt.

Um auch im Sinkflug aus großer Höhe und bei geringer Leistungsabgabe des Motors einen sauberen Motorlauf zu gewährleisten, muss die Kompressionsenergie ausreichend sein, so dass eine Verbrennung stattfinden kann. Ansonsten kann es zum sogenannten Flame-Out, vergleichbar mit dem Flammabriss in Strahltriebwerken, kommen. Eine weitere Anforderung ist die Möglichkeit, den Motor über 10.000 Fuß Höhe aktiv abschalten und anschließend wieder zuverlässig starten zu können – bei Temperaturen im hohen zweistelligen Minusbereich alles andere als eine Selbstverständlichkeit: Entscheidend ist hier die Verlässlichkeit des Brennverfahrens.

Erkenntnisse in Echtzeit

Die Entwicklung der neuen Motorengeneration zeigte früh vielversprechende Ergebnisse: So konnte die Reiseflughöhe, bei der noch 100 Prozent der maximalen Dauerleistung zur Verfügung stehen, von 2.500 Metern auf über 3.900 Meter angehoben werden. „Allein dadurch konnten sich neben anderen Effizienzverbesserungen des neuen Motors mehrere Prozentpunkte Treibstoff einsparen lassen“, erklärt Dörner. Das zeige auch der Vergleich mit dem Wettbewerb.

Um den Grenzbereich des „Flame-Out“ verlässlich bestimmen zu können, sind die Entwickler auf Daten angewiesen, die bei Testflügen gesammelt werden: „Mit unserer bisherigen Lösung mussten wir jedes Mal auf den Boden zurückkehren, um die Daten auszulesen und den Motor daraufhin neu zu applizieren. Dann mussten wir für einen erneuten Flug in die Luft gehen“, berichtet Dörner weiter. Deshalb zogen sich Testphasen häufig in die Länge, vor allem wenn wechselnde Witterungsbedingungen Neustarts zusätzlich erschwerten.

„Um unsere und die Projektziele unserer Kunden nicht zu gefährden, können wir uns Verzögerungen nicht leisten. Da das Problem in der Automobilindustrie bekannt ist, haben mir Kollegen Kistler empfohlen. So bin ich auf die KiBox aufmerksam geworden.“

Dr. David Dörner, Applikationsingenieur Test & Applikation bei Continental Aerospace Technologies GmbH

Neuland für die KiBox

Für die Ingenieure von Kistler bedeutete die Anfrage von Continental Aerospace Technologies echtes Neuland: Noch nie arbeitete eine KiBox in derartigen Höhen mit einem Umgebungsdruck von nur 375 mbar. Da die Kleinflugzeuge nicht mit einer Druckkabine ausgestattet sind, würde sich der Druck direkt auf das Gerät auswirken. „Wir hatten die KiBox bislang nur im Automobilbereich verwendet. Daher gingen wir für unsere Höhenspezifikation von Fahrten im Gebirge aus, dies entspricht in etwa 750 mbar“, berichtet Jörg Ruwe, Vertriebsingenieur bei Kistler. Um ihrerseits Erfahrungswerte zu sammeln, stellten die Sensorexperten zunächst ein Gerät auf Leihbasis zur Verfügung. „Aus dem Motorsport sind wir es gewohnt, Grenzbereiche auszuloten. Auch hier sahen wir die Chance, neue Erkenntnisse zu sammeln“, erklärt Ruwe.

Nach den ersten Tests in der Kältekammer kam der Härtetest: Für die Testflüge reisten die Ingenieure ins winterliche Schweden, wo noch Minusgrade herrschten. „Hier haben wir das Worst-Case-Szenario durchgespielt: Höhentemperaturen von unter –40 Grad Celsius, schlechter Kraftstoff mit niedriger Cetanzahl und Höhen von über 7.000 Meter. Insgesamt hat das Team in zwei Testtagen über 85.000 Höhenmeter absolviert“, nimmt Dörner den Faden wieder auf. Die KiBox absolvierte das Experiment ohne Komplikationen und bewährte sich auf ganzer Linie. Die Besatzung bestehend aus Testpilot und Ingenieur konnte die Daten in Echtzeit auslesen und noch in der Luft verschiedene Einstellungen an der Motorensoftware vornehmen – dank 28-Volt-Anschluss lief die KiBox einfach über den Bordstrom ohne weiteres Aggregat. Durch die wegfallenden Starts und Landungen sparten die Ingenieure somit viele Stunden Flugzeit und auch anfallende Lande- und Standgebühren.

Für weitere Effizienz am Boden sorgte die KiBox durch ihre kompakten Abmessungen und ihre einfache Handhabbarkeit. Binnen weniger Minuten konnten die Entwickler das Gerät zwischen seinen Messorten im Flugzeug und am stationären Prüfstand hin und her transportieren und betreiben. Dies brachte weitere Flexibilität bei der Testplanung, da sie abhängig vom Wetter entscheiden konnten, wo sie die KiBox einsetzen.

Anschub für neue Entwicklungen

Zusätzlich zu den Vorteilen in der Praxis überzeugte die KiBox auch mit ihrer technischen Ausstattung: Mit acht Messkanälen verfügt sie über doppelt so viele Eingänge wie die zuvor eingesetzte Lösung. Das zahlt sich für die Flugmotorenbauer auch doppelt aus: Zum einen erhalten sie damit zusätzliche Daten, die vorher nicht oder nicht gleichzeitig mit anderen Messgrößen aufgenommen werden konnten: „Neben den Drücken in den vier Zylindern können wir nun auch Stromsignale und Einspritzdrücke messen. Diese Erkenntnisse können wir auf andere Modelle übertragen und uns damit einige Testzyklen sparen“, betont Dörner. Zum anderen ist die KiBox für Continental Aerospace Technologies eine echte Allround-Lösung: Sie eignet sich für das gesamte Motorenportfolio einschließlich Sechszylinder-Modellen.

Mit dieser Performance hat Kistler die Ingenieure von Continental Aerospace Technologies mehr als überzeugt, so dass sie die zunächst geliehene KiBox schon nach wenigen Tests erwarben. „Die Zusammenarbeit mit Kistler war reibungslos. Sie haben das Testrisiko bei unbekannten Bedingungen auf sich genommen und uns während dieser Phase sehr gut begleitet“, fasst Dörner zusammen. Damit ist Continental Aerospace Technologies in einer idealen Ausgangsposition, um ihre wegweisenden Motoren nicht nur in Neuflugzeuge einzubringen, sondern auch Flugzeugbesitzern weltweit mit Motoren-Austausch-Kits zu mehr Leistung und besseren Flugeigenschaften zu verhelfen.