Ist der Betrieb von Diesel-Flugmotoren mit Kerosin problematisch?
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Ist der Betrieb von Diesel-
Flugmotoren mit Kerosin
problematisch?
Verband der Luftfahrtsachverständigen/ Technik Autoren: Prof. Dr.-Ing. Werner Bauer Helmut Wolfseher
ExxonMobil hat vor dem Betrieb von Diesel-
Flugmotoren mit Kerosin gewarnt1.
Nachdem Diesel auf den Flugplätzen praktisch
nicht verfügbar ist, hätten die Bedenken von
ExxonMobil die Forderung zur Konsequenz,
alle dieselmotorisch angetriebenen Flugzeuge
zu grounden. Bringt man diesen Bedenken
die nötige Aufmerksamkeit entgegen, ist
es erforderlich, sich mit den vorgebrachten
Thesen auseinanderzusetzen. Die nähere
Betrachtung der Thesen von ExxonMobil
bietet darüber hinaus die Möglichkeit,
bestimmte Aspekte des Dieselflugmotors2
detaillierter zu betrachten.
Abb. 1: Schematische Darstellung des Tropfenzerfalls 6
Zunächst beleuchtet ExxonMobil die
Tatsache, dass die Produktion von Jet A1 reine Luft oder anderes indifferentes Gas Zündtemperatur unterhalb der Temperatur
bezüglich der Cetanzahl nicht überwacht (bzw. Dampf) mit reiner Luft so stark der verdichteten Verbrennungsluft liegt.
wird, und stellt daher die Restartfähigkeit verdichtet wird, dass die hierdurch Die Aufbereitung des Kraftstoffs beginnt
von Dieselflugmotoren in Frage, wenn sie entstandene Temperatur weit über mit der Einspritzung in den Brennraum.
mit Kerosin betrieben werden3. Deshalb soll der Entzündungstemperatur des zu Den Tropfenzerfall des Kraftstoffs zeigt die
die Bedeutung der Cetanzahl im Rahmen benutzenden Brennstoffes liegt, worauf schematische Darstellung (Abb 1).
der dieselmotorischen Verbrennung näher die Brennstoffzufuhr vom todten Punkt
betrachtet werden4. ab so allmälig stattfindet, daß die Der Kraftstoffstrahl wird bei der direkten
Verbrennung wegen des ausschiebenden Einspritzung7 kurz vor dem oberen Totpunkt
Die Cetanzahl ist ein Maß für die Kolbens und der dadurch bewirkten (OT) unter hohem Druck in den Brennraum
Zündwilligkeit des Dieselkraftstoffs und wird Expansion der verdichteten Luft eingespritzt und die zusammenhängende
von ExxonMobil mit der Oktanzahl von (Flug-) ohne wesentliche Druck- und Tem- Flüssigkeit zerfällt primär in Ligamente
Benzin verglichen. Dieser Vergleich ist sowohl peraturerhöhung erfolgt, worauf nach und einzelne Tropfen. Dafür sind neben
berechtigt wie irreführend. Richtig, da beide Abschluß der Brennstoffzufuhr die Turbulenz die Stoffeigenschaften und
eine wesentliche Eigenschaft des Kraftstoffs weitere Expansion der im Arbeitscylinder insbesondere die Trägheitsdifferenz zwi-
beschreiben, irreführend, da es konträre befindlichen Gasmasse stattfindet.“ 5 schen der Flüssigkeit des Strahls und der
Eigenschaften sind. Die Oktanzahl ist ein Umgebung verantwortlich. Im Bereich des
Maß für die Klopffestigkeit, d.h. sie gibt an, Wie in der Patentschrift beschrieben, wird sekundären Zerfalls setzt sich dieser Prozess
wie sehr der Kraftstoff der beim Ottomotor der Kraftstoff bei der dieselmotorischen fort, der Kraftstoff wird unter dem Einfluss
unerwünschten Selbstzündung widersteht. Verbrennung durch die hohe Temperatur von aerodynamischen Kräften weiter
Die Cetanzahl beschreibt dagegen die der komprimierten Luft im Zylinderraum aufgefächert, er zerfällt in kleinere
Bereitschaft des Kraftstoffs zu der beim entzündet. Dies geschieht auch bei wenig Tropfen und verdampft dann unter den
Dieselmotor notwendigen Selbstzündung. zündwilligem Kraftstoff, wenn er auf- im Brennraum herrschenden Druck- und
Ihre Bedeutung für die Optimierung der bereitet, d.h. ein zündfähiges Gemisch Temperaturbedingungen. Die Verdun-
dieselmotorischen Verbrennung geht aus der aus Kraftstoff und Verbrennungsluft stungsgeschwindigkeit des Krafstoffs
Patentschrift des Dieselmotors unmittelbar entstanden ist. So wurde auch der hängt ab von Tropfendurchmesser, Druck
hervor: erste Dieselmotor mit dem äußerst und Temperatur im Brennraum und der
zündunwilligen Benzin realisiert. Daraus Relativgeschwindigkeit zwischen Tropfen
„Arbeitsverfahren für Verbrennungskraft- darf natürlich nicht gefolgert werden, und Gas im Brennraum sowie den
maschinen, gekennzeichnet dadurch, dass moderne Dieselmotoren mit jedem Stoffeigenschaften des eingespritzten
daß in einem Cylinder vom Arbeitskolben Kraftstoff betrieben werden dürfen, dessen Kraftstoffs.
S. 24 aviation news 2/2009
1
Während dieser eben beschriebenen und läuft „rauer“. Gleichzeitig entstehen auch Mit Datum vom 17.11.2008 hat ExxonMobil in
physikalischen Aufbereitung laufen in der vermehrt Stickoxide, da sie hauptsächlich einem Schreiben vor dem Einsatz von Kerosin in
Dieselflugmotoren gewarnt.
Gasphase und in den Kraftstofftropfen bei den gleichzeitig entstehenden hohen
(insbesondere am Tropfenrand) auch Gastemperaturen gebildet werden. 2
Im Rahmen dieses Beitrags werden nur Flugmotoren
chemische Reaktionen ab, die die Motorspezifische Parameter, wie z.B. in aktueller Common-Rail-Technolgie betrachtet.
Selbstzündung vorbereiten. Dieser Vorgang, Verdichtungsverhältnis, Ansaugluft- 3
der als chemische Aufbereitung bezeichnet bzw. Ladeluftzustand, Restgasanteil, ExxonMobil führt aus: “Ignition Quality – in
automotive diesel fuel one of the key tests performed
wird, leitet die Selbstzündung des auf diese Drallgrösse, Brennraumform, Einspritzdruck, on every batch of fuel is the Cetane Number test.
Weise gebildeten Kraftstoff-Luft-Gemisches Einspritzverlauf, Düsenlochzahl, This is a measure of the ignition quality of the fuel
ein und wird als sog. Zündverzug Kraftstofftemperatur und Wandtemperatur- in the combustion chamber. However this test is
bezeichnet. Randbedingungen beeinflussen mehr oder not performed on batches of jet fuel. The reason
for this is that Cetane Number has no relevance to
weniger den Zündverzug. Kraftstoffseitig performance of jet fuel in aviation turbine engines.
Der Zündverzug wird allgemein be- bewirkt eine sinkende Cetanzahl, d.h. die Just as a minimum octane is listed in the Type
schrieben als die Zeit von einem näher geringere Zündwilligkeit, eine Verlängerung Certificate of every spark ignition (avgas) aircraft
zu definierenden Anfangszustand bis des Zündverzugs und ruft die beschriebenen engine, the minimum cetane needs to be included
in the Type Certificate of every diesel aircraft
zum Einsetzen der Selbstzündung eines Reaktionen des Motors hervor. engine. Knowing the minimum cetane value allows
Kraftstoff-Luft-Gemisches. Die Reaktions- the establishment of a restart envelope and the
mechanismen von Kraftstoff-Luft-Ge- Mit modernen Common-Rail-Einspritz- definition of engine start limitations. Again, these
mischen sind kompliziert. Selbst für die systemen und weiteren konstruktiven limitations cannot be established without knowing
the Cetane of the fuel.
einfachen Kohlenwasserstoffverbindungen Hilfsmitteln lässt sich der Zündverzug The fact that the minimum cetane required to
liegen nur teilweise experimentelle Er- beeinflussen. Beispielsweise durch: establish airworthiness has not been determined,
gebnisse vor. Beim Dieselmotor wird die in combination with the fact that cetane is not
Zeitspanne zwischen Einspritzbeginn und • Einspritzverlaufsformung (Pilotein- measured as part of the jet fuel specification, means
that ExxonMobil Aviation cannot guarantee the
Zündbeginn als Zündverzug definiert. spritzung, Mehrfachenspritzung, ignition performance of the jet fuel it supplies and
Messtechnisch wird er in den meisten Booteinspritzung) cannot know if the aircraft will be airworthy after
Fällen durch Düsennadelhubindizierung8 • Frei wählbare hohe Einspritzdrücke fuelling.” ExxonMobil, 17.1.2008, (AGD-F-Q-002)
und Zylinderdruckindizierung (Zündbeginn • Erhöhung der Düsenlochzahl bei unver- 4
Der gesamte dieselmotorische Prozess wurde im
bei Abweichen des Zylinderdrucks vom ändertem Wirkquerschnitt der Düse Dezemberheft 2008 der „german aviation news“
Kompressionsdruckverlauf) bestimmt. • Flexible Mengen und Spritzbeginn- dargestellt.
regelung 5
Während dieser Zündverzugszeit findet • Präzise Kleinstmengenfähigkeit des Rudolf Diesel meldete am 27. Februar 1892 beim
Kaiserlichen Patentamt zu Berlin sein Patent
auch die Einspritzstrahlentwicklung, Er- Einspritzsystems über die Motor- über „Neue rationelle Wärmekraftmaschinen“
wärmung, Verdampfung und Mischung lebensdauer an. Das DRP (Deutsches Reichspatent) 67 207
des Kraftstoffs mit der Verbrennungsluft • Steuerung der Ladungsbewegung über „Arbeitsverfahren und Ausführungsart für
statt. Die Größenordnung des Zündverzugs durch variablen Drall Verbrennungskraftmaschinen“ wurde datiert auf
den 28. Februar 1892 erteilt.
beträgt etwa 0,5 bis 1 msec. In dieser • Steuerung der Kühlmitteltemperatur
Zeit fällt bereits eine erste Entscheidung durch Thermomanagement 6
Quelle: W. Bauer, „Empirisches Modell zur
bezüglich Kraftstoffverbrauch, Verbrennungs- • Glühstiftsysteme mit Dauerhaltbarkeit Bestimmung des dynamischen Strahlkegelwinkels
geräusch, Spitzendruckbelastung sowie • Steuerung des Restgasanteils im bei Diesel-Einspritzdüsen“, Dissertation TU München,
2007
Schwarzrauch- und Stickoxidemission eines Zylinder
Dieselmotors. Daher führt ein langer Zünd- • Ladedruckmanagement 7
Diese Betrachtung bezieht sich wie die gesamte
verzug infolge der hohen in dieser Zeit Artikelserie der Autoren auf aktuelle Dieselmotoren
eingespritzten Kraftstoffmenge zu hohen Eine sehr wirksame Einflussnahme auf den mit Direkteinspritzung und Common-Rail-
Technologie.
Werten für Druckanstieg, Spitzendruck Zündverzug ist das Verdichtungs-verhältnis,
und Spitzentemperatur des Gases im das aber nur mit großem Aufwand variabel 8
Unter Indizierung versteht man ein messtechnisches
Brennraum. gestaltet werden kann und derzeit nicht in Verfahren zum Erfassen einer Messgröße (A) in
Serienmotoren ausgeführt ist. Eine präzise Abhängigkeit einer anderen Messgröße (B). Die
Messgröße A wird also mit Messgröße B indiziert.
Die erste Verbrennung wird als vorgemischte Vorhersage einer Zündverzugsänderung In der Motortechnik ist die Zylinderdruckindizierung
Phase bezeichnet, sie erfolgt schlagartig mit durch Motorparametervariation ist nach wie das bekannteste Indizierverfahren. Dabei wird
hohen Pegeln des Verbrennungsgeräusches vor schwer zu treffen und kann meist nur der im Verbrennungsraum herrschende Druck in
und wird allgemein als das sogenannte auf empirischem Wege ermittelt werden. Abhängigkeit des Kurbelwellenwinkels oder der
Zeit (meist zusammen mit anderen Messgrößen)
Nageln oder „Dieselschlag“ bezeichnet. erfasst.
Im Anschluss an diese vorgemischte Phase Um diesen negativen Auswirkungen eines
9
erfolgt die Diffusions- bzw. Sprayver- zündunwilligen Kraftstoffes zu begegnen, „spät“ bedeutet, dass der Zeitpunkt der Einspritzung
brennung des noch nicht aufbereiteten kann man beispielsweise den Zeitpunkt der näher an den OT bzw. kurz nach den OT gelegt
wird. Da durch die Verschiebung nach „spät“
Kraftstoffs. Während dieser Phase wird Ein-spritzung nach „spät“ 9 verschieben oder aber gleichzeitig die Zeit für die Aufbereitung des
insbesondere bei hohen Lasten weiter durch Voreinspritzung eines kleinen Kraft- Gemischs verkürzt wird, ist dies beim Kaltstart nicht
Kraftstoff in das bereits brennende stoffvolumens die Menge des homogenen erwünscht, der Kraftstoff benötigt mehr Zeit für
Gemisch eingespritzt und somit die Gemischs begrenzen. Diese Maß-nahmen die Aufbereitung und die Einspritzung muss eher
nach „früh“ (Richtung „unterer Totpunkt“) verlegt
Verbrennungsgeschwindigkeit reduziert. seien beispielhaft aufgeführt, um die werden. Der Zeitpunkt der Einspritzung kann aber
Möglichkeiten aufzuzeigen, mit denen ein nicht beliebig nach früh verschoben werden, da sich
Mit den hohen Spitzendruckwerten steigt Dieselmotor dem Betrieb mit Kraftstoffen dann flüssiger Kraftstoff an der Brennraumwand
aber auch die mechanische Belastung des niedriger Cetanzahl wie beispielsweise niederschlägt und somit nicht mehr der Verbrennung
zur Verfügung steht.
Triebwerks. Der Motor wird spürbar lauter Kerosin angepasst werden kann. k Fortsetzung auf Seite 26
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k Fortsetzung von Seite 25
ExxonMobil hat besonders auf die Start- aus Motorsicht nicht notwendig, daher
und Restartfähigkeit eines mit Jet Fuel lässt sich die Vorglühzeit durch geeignete
betriebenen Dieselmotors abgehoben Glühkerzenkonstruktion verkürzen. Durch
und damit zweifellos eine gegenüber elektronisch gesteuerte Glühkerzen mit
dem laufenden Betrieb problematischere kleiner thermischer Masse kann die
Situation für die Selbstzündung angegeben. Zündung des kalten Motors bereits nach
Dabei muss der Start am Boden und der zwei Sekunden erfolgen.
Restart in der Luft gesondert betrachtet
werden.
Die Verbrennung im Dieselmotor ist auf
Abb. 2: Die wichtigsten Einflussparameter auf das
den Betrieb des warmen Motors optimiert, Kaltstartverhalten11
daher sinkt die Kaltstartfähigkeit eines
Dieselmotors mit fallender Motortemperatur. die Blow-by-Verluste13, dadurch sinkt
Die Startbereitschaft wird bereits ab einer der Kompressionsdruck und in Folge
Motortemperatur von 60°C schlechter und auch die Temperatur der verdichteten
nimmt mit fallender Temperatur deutlich Verbrennungsluft. Diese Kompressions-
ab. Deshalb werden in der Kaltstart- endtemperatur wird durch Wärmeverluste
und Warm-lauf-phase des Motors zur an die kalte Zylinderwand weiter reduziert.
Verbesserung des Zündvorgangs und der Die tiefere Kompressionstemperatur kann
Verbrennung zunächst eine Verschiebung insbesondere bei Kraftstoffen mit niederer
Abb. 4: Temperaturgradienten und Temperatur-
des Einspritzzeitpunkts und eine Anpassung Cetanzahl die Zündung verhindern.
verteilung nach 2 s Aufheizzeit einer ISS-Glühker-
des Einspritz--volumens vorgenommen. Daher wird die Zündung mit Hilfe einer ze von BERU15
Glühkerze eingeleitet.
Bei tieferen Temperaturen, spätestens ab Bei Flugmotoren ist ein Schnellstart ohne
0°C, verschlechtert sich das Startverhalten Um die Zündung einzuleiten, wird durch die spürbare Vorglühzeit kein Designkriterium.
drastisch bis bei tiefen Temperaturen der Zündkerze lokal zusätzliche Wärmeenergie Daher können neben Schnellstartkerzen
Motor nicht mehr startet. Deshalb müssen in den Brennraum eingebracht. Ziel dieser auch Stabglühkerzen älterer Technologie
zusätzliche Maßnahmen zur Verbesserung Maßnahme ist nicht die Erwärmung eingesetzt werden. Bei diesen Glühkerzen
der Startqualität ergriffen werden. des Motors, sondern im Bereich des dauert die Vorglühphase länger, da diese
aufbereiteten, zündfähigen Gemischs die Glühkerzen eine größere thermische
Der Kaltstart wird von mehreren Faktoren Verbrennung einzuleiten. Die Verbrennung Masse besitzen, die während des
beeinflusst. z.B.: entsteht rund um die Spitze des Glühstiftes Vorglühens aufgeheizt werden muss. Um
• Motorbauart10 und Zylinderzahl an mehreren Stellen gleichzeitig und ein Nachglühen zu ermöglichen, müssen
• Oberflächen- Volumenverhältnis kann sich damit im Gemisch ausbreiten, nachglühfähige Glühkerzen eingesetzt
• Verdichtungsverhältnis „durchzünden“. Nach der Zündung muss bei werden16. Die einzelnen Glühphasen
• Starterleistung, Batteriekapazität und der Verbrennung soviel Kraftstoff umgesetzt sind daher bei den unterschiedlichen
Ladezustand werden, dass die Energieaufnahme Technologien unterschiedlich lang, aber der
• Einspritzsystem (Hochdruckpumpe durch den sich beschleunigenden Motor Glühverlauf ist analog.
und Injektoren) ausgeglichen wird.
• Luftführung (zum Startzeitpunkt findet Für den Restart des Motors in der Luft
noch keine Aufladung durch den Konventionell arbeitet man mit ist die Umgebungstemperatur nicht der
Turbolader statt) 3-Phasenglühtechnik, bei der nach einer ausschlaggebende Faktor. Der Motor ist
• Ölviskosität und damit Triebwerks- Vorglühzeit für etwa 2 Sekunden das bereits auf Betriebstemperatur und kühlt
reibung Startglühen durchgeführt wird. Damit die aufgrund seiner Masse nicht in kurzer Zeit auf
• Reibungsverlust durch das Getriebe Verbrennung bei den nächsten Zyklen nicht Umgebungstemperatur herunter. Größeren
abbricht und ein stabiler Warmlauf erfolgen Einfluss hat dagegen die Flughöhe, da der
Eine zusätzliche Schwierigkeit besteht kann, wird für rund 3 Minuten nachgeglüht. Abgasturbolader nicht mehr angetrieben
darin, dass im Gegensatz zur automobilen wird. Der Restart in großer Höhe erfolgt
Anwendung beim Flugmotor, bedingt daher gegenüber dem Start am Boden mit
durch den Propeller, der Start unter Last reduzierter Luftfüllung. Trotzdem bildet sich
erfolgt. D.h. der Starter muss beim Kaltstart noch immer ein zündfähiges Gemisch, das
am Boden, über die Leistung zum Start auch bei Einsatz von Kraftstoff mit niederer
des Motors hinaus, auch das Moment des Cetanzahl mit Hilfe der Glühkerze gezündet
Propellers überwinden. werden kann.
Mit sinkender Temperatur steigt die Steht der Propeller in Windmilling und
Viskosität von Motoröl und Kraftstoff, d.h. nicht in Segelstellung, ergeben sich für
der Reibungsverlust des Triebwerks steigt. den Restart bessere Bedingungen, denn
Vom Starter muss daher ein höherer Abb. 3: Schematische Darstellung der 3-Phasen- nun wird der Motor in seinem normalen
Momenten-bedarf bereitgestellt werden, glühtechnik14 Drehzahlbereich betrieben. Mit der
so dass die Startdrehzahl und damit auch die aus diesen Drehzahlen resultierenden
Kolbengeschwindigkeit sinkt12. Durch die Da durch die Glühkerze der Brennraum nicht Kolben-geschwindigkeit ergeben sich
reduzierte Kolbengeschwindigkeit steigen aufgeheizt werden kann, ist die Vorglühzeit normale Kompressionsverhältnisse.
S. 26 aviation news 1/2007
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10 Auch hier werden nur Motoren mit Direkteinspritzung betrachtet. 11 Quelle: R. van Basshuysen und F. Schäfer, „Handbuch Verbrennungsmotor“. Die Verfas- ser merken an, dass sie auf die Darstellung des Einflusses der Temperatur auf Ladungs- verluste (durch die Veränderung der Spalt- maße zwischen Zylinderkolben und –wand sowie die Beeinflussung des Ölfilms) und Kompressionsendtemperatur aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet haben. Die Autoren dieses Artikels schließen sich dieser Entscheidung an. 12 Die Drehzahl des elektrischen Starters beträgt nur 20 – 30% der Leerlaufdrehzahl des Flugmotors (bei Umgebungstemperaturen von mehr als 0°C). 13 Als Blow-by-Verluste bezeichnet man die Menge an Verbrennungsluft, die während der Kompressionsphase durch den Spalt zwischen Kolben(ring) und Zylinderwand ins Kurbelge- häuse entweicht. 14 Quelle: BERU AG, Technische Information 04 „Alles über Glühkerzen“ Ludwigsburg 2005
k Fortsetzung von Seite 27
Der Freezing Point von Diesel liegt bei 0°C
für Sommerdiesel und ca. -15°C bei Win-
ter-diesel bzw. -25°C bei Spezial Winter-
diesel. Somit können Probleme, die durch
tiefe Außentemperaturen entstehen, nicht
durch den Umstieg von Kerosin auf Diesel
gelöst werden. ExxonMobil hält tiefe Kraft-
stofftemperaturen für eine unvermeidbare
und unkontrollierbare Folge der niedrigen
Außentemperatur. Als Argument dient da-
bei die Tatsache, dass bei Fluggeschwin-
digkeiten, die von Jets erreicht werden, die
Erwärmung der aerodynamischen Grenz-
schicht den Treibstoff in den Tragflächen-
tanks vor dem Erreichen des Gefrierpunkts
von Kerosin schützt. An dieser Stelle soll
nicht diskutiert werden, ob aus dem Ein-
satz von Turboprop-Triebwerken im Ge-
gensatz zu Kolbentriebwerken auch Reise-
fluggeschwindigkeiten resultieren, die das
Erreichen des Gefrierpunkts des Kerosins
verhindern können. Stattdessen sei auf die Abb. 5: Schematische Darstellung des Kraftstoffrücklaufs des Common-Rail Systems
folgende Eigenart von Common-Rail-Die-
23Für die DA 40 von Diamond Aircraft wurde bei
selmotoren verwiesen. Weitere Maßnahmen scheinen für den Ein-
satz von Kerosin bei niederen Außentem- spielsweise die zulässige untere Fuel Temperature
von den Behörden auf -30° C festgelegt.
Common-Rail-Dieselflugmotoren wirken peraturen schon deshalb nicht erforder-
bauartbedingt dem Absinken der Treibstoff- lich22, da die Behörden in den Operating 24Lubricity - diesel engines rely on the fuel to lubri-
temperatur während des Fluges entgegen. Limitations die untere zulässige Kraftstoff- cate key components of the fuel injection system.
Durch die im Einspritzsystem auftretenden temperatur in einem Bereich definiert hat, With the advent of ultra low sulfur diesel fuels,
which have lower inherent lubricity, production
Leckagen und Absteuermengen am hy- der in sicherem Abstand vom Freezing batches of automotive diesel fuel are now tested
draulischen Servosystem sowie am Druck- Point des Kerosins liegt23. to determine their lubricity. However there is no
regelventil wird durch das Komprimieren such requirement in the jet fuel specifications to
und anschließende Entspannen des Kraft- Zum Schluss führt ExxonMobil die gerin- measure the lubricity of every batch of jet fuel.
stoffes eine Erwärmung des Kraftstoffes gere Schmierfähigkeit von Kerosin ge- Whilst a worst case lubricity fuel is defined for
im Rücklauf zum Kraftstoffbehälter bewirkt genüber Diesel an24. In der Tat spielt die the evaluation of fuel system components used
und sorgt somit je nach Füllstand im Tank Schmierfähigkeit des Kraftstoffs für die in aviation turbine engines, ExxonMobil Aviation
zu einem mehr oder weniger hohen Kraft- Gestaltung der einzelnen Elemente der is not aware of lubricity requirements defined in
the Type Certificates for diesel aircraft engines. The
stofftemperaturanstieg. Außerdem muss Transportkette vom Tank zum Brennraum fuel pump and injectors of current certified diesel
eine Übermenge zur Verfügung gestellt eine wichtige Rolle. Dabei sind Vorförder- aircraft engines are the components most suscep-
werden, um mit ausreichender Dynamik pumpe, Hochdruckpumpe und Injektoren tible to fuel lubricity and, to ensure reliability and
auf eine Erhöhung der Lastanforderung rea- von ausschlaggebender Bedeutung. safety in flight, should be tested in the same fa-
shion as jet engine components (i.e. worst case fuel
gieren zu können. Bei neueren Common- used during endurance testing).
Rail-Einspritzsystemen wird eine saugseiti- Die Vorförderpumpe transportiert den
ge Mengenregelung der Hochdruckpumpe Kraftstoff aus dem Tank und stellt ihn der Consequently ExxonMobil cannot guarantee that
vorgesehen um die Kraftstoffmenge dem Hochdruckpumpe mit einem Vordruck lubricity performance of the jet fuel that it sup-
plies will meet the requirements of aviation diesel
Systembedarf anpassen zu können. Mit von 3 – 4 bar zur Verfügung. Mit einem engines.
dieser Mengenregelung wird nicht nur der Druck von ca. 1.600 bis 1.800 bar gelangt
25Um den Schwefelgehalt des Rohdiesels zu verrin-
Leistungsbedarf der Hochdruckpumpe ge- der Kraftstoff in das Rail und von dort zu
senkt, sondern auch die Kraftstoff-Rücklauf- den Injektoren. Von diesen Komponenten gern wird er hydriert. Bei der Hydrierung wird aber
nicht nur Schwefel (mit guten Schmiereigenschaf-
temperatur etwas reduziert. Je nach Bauart steht die Hochdruckpumpe im besonde- ten) entfernt, sondern es werden auch chemische
und Anordnung des Kraftstoffbehälters ren Focus der Betrachtung, da sie als einzi- Doppelverbindungen und Ringe aufgebrochen. Die-
muss ähnlich der Anordnung im Kraftfahr- ge nicht mehrfach vorhanden ist. Darüber se chemischen Veränderungen des Rohdiesels er-
zeug ein zusätzlicher Kraftstoffkühler in den hinaus zeigten in der Vergangenheit man- höhen zwar die Cetanzahl, senken aber gleichzeitig
die Schmierfähigkeit. Die gleichzeitige Beimischung
Rücklauf integriert werden. che Hochdruckpumpen ein unerwartetes von Biodiesel reduziert die Schmiereigenschaften
Verschleißverhalten beim Einsatz von be- zusätzlich. Diese negativen Folgen versucht man
Bis zu welcher Außentemperatur, bei wel- stimmten Dieselsorten25. durch Beimischung von Additiven zu vermeiden.
cher Leistung des Motors die Temperatur im
22Bei dem erwähnten Unfall der Boeing 777 wird
Tank durch den zurückgeführten Kraftstoff
inzwischen vermutet, dass sich aus dem im Treib-
noch immer über dem Freezing Point des stoff vorhandenen Wasser Eis-kristalle gebildet
Kerosins bleibt, müsste für jeden Flugzeug- hätten, die zum Ausfall beider Triebwerke geführt
typ separat ermittelt werden21. In der Praxis hätten. Zusätzlich verfügen Retrofit-Flugzeuge
ist jedoch die in jedem Flugzeug verfügbare meist über einen beheizbaren Kraftstofffilter. Diese
zusätzliche Erwärmung des Treibstoffs scheint den
Anzeige der Kraftstofftemperatur im Tank Autoren beim Einsatz von Diesel sinnfälliger als bei
als Information für den Piloten ausreichend. Verwendung von Jet Fuel zu sein. k Fortsetzung auf Seite 30
S. 28 aviation news 2/2009
k Fortsetzung von Seite 28
Die Ursache für diese Erscheinung liegt an im Diesel reduziert wird, was zwar zu einer Wird der Motor mit ausgeschalteter elek-
einer besonderen Form der Schmierung, Erhöhung der Cetanzahl führt, aber ande- tronischer Steuerung im Windmilling be-
die elastohydrodynamisch genannt wird rerseits eine unerwünschte Verringerung trieben, läuft die Hochdruckpumpe weiter,
und an hochbelasteten konvergierenden der Schmiereigenschaften zur Folge hat. da sie mechanisch vom Motor angetrieben
Gleitflächen auftritt. Bei dieser Form der wird. Die Hochdruckpumpe muss im Saug-
Schmierung bildet sich im Schmierspalt ein Eine weitere Herausforderung für die Ent- betrieb arbeiten, wenn beispielsweise die
hoher Druck (über 10.000 bar), der die Me- wicklung von Dieselhochdruckpumpen stellt häufig elektrische Vorförderpumpe in die-
talloberflächen elastisch verformt, so dass die Tatsache dar, dass außerhalb von Euro- sem Flugzustand ausgeschaltet sein sollte.
die Last auf einen größeren Bereich verteilt pa Ethanol dem Dieselkraftstoff in einem Schäden, die in diesem Betriebszustand
wird. Von ausschlaggebender Bedeutung ist Verhältnis von 7 – 15 % beigemischt wird28. eintreten, müssen nicht den sofortigen
die Viskositätserhöhung des Kraftstoffs auf- Da Ethanol in Diesel nicht löslich ist, müssen Ausfall der Hochdruckpumpe zur Folge
grund des hohen Drucks, der im Schmiers- zusätzlich Additive verwendet werden29. Als haben, sie stellen aber eine Gefahr für den
palt herrscht und dessen Ausprägung von Additiv wird u. a. auch Biodiesel in einem Pro- weiteren ordnungsgemäßen Betrieb der
den Stoffeigenschaften des Kraftstoffes be- zentsatz von ca. 5% verwendet. Pumpe dar32.
stimmt wird. Wird die elastohydrodynami-
sche Schmierung nicht erreicht, kommt es Diese Maßnahmen haben die Pumpen- Abschließend darf man bemerken, dass es
zur so genannten Mischreibung, die einen hersteller gezwungen bei der Entwicklung durchaus verdienstvoll ist, dass ExxonMobil
erhöhten Verschleiß zur Folge hat. von Hochdruckpumpen eine größere Va- vorsorglich Bedenken bezüglich der Verwen-
rianz in den Kraftstoffeigenschaften zu dung von Kerosin im Flugzeugdieselmotor
berücksichtigen30. Aus diesem Grund ist vorgetragen hat. Dadurch ergab sich der
es heute nicht unbedingt erforderlich, dass Anlass den Betrieb von Dieselflugmotoren
Flugmotorhersteller eigene Entwicklungen mit Kerosin zu diskutieren. Es zeigt sich,
von Kerosintauglichen Hochdruckpumpen dass die von ExxonMobil vorgebrachten Be-
durchführen, da sie auf moderne Serien- denken sowohl bei der Entwicklung und als
pumpen aus der PKW- Motorenfertigung auch beim Zulassungsverfahren von Com-
zurückgreifen können31. mon-Rail-Dieselmotoren für den Einsatz in
der Luftfahrt bekannt waren und daher im
Selbstverständlich finden sich auch bei den Gesamtprozess der Entwicklung und Zertifi-
Injektoren Komponenten die einer Schmie- zierung bereits berücksichtigt wurden.
rung durch Kraftstoff bedürfen. Jedoch hat
26Quelle: Eisen S.-M., „Visualisierung der dieselmoto-
der Ausfall eines Injektors nicht dieselbe
rischen Verbrennung in einer schnellen Kompressi-
Abb. 6: Schematische Darstellung der Hochdruck- Auswirkung auf den Motor als Gesamtsy- onsmaschine“, Dissertation, TU München, 2003.
pumpe mit den Orten der elastohydrodynamischen stem, wie der Ausfall der singulären Hoch-
Schmierung26 Die Hinweise auf die bevorzugten Stellen des
druckpumpe. Daher muss auf die Injektoren Verschleißes bei Störung der hydrodynamischen
Um die Standfestigkeit der Hochdruck- an dieser Stelle nicht vorrangig eingegan- Schmierung finden sich bei Prescher K. und Wich-
mann V., „Auswirkungen des Zusatzes von Raps-
komponenten einer Pumpe zu beurteilen, gen werden. ölmethylester (RME) auf die Schmierfähigkeit von
werden von den Herstellern „Pumpentests“ schwefelarmen Dieselkraftstoff nach DIN EN 590
durchgeführt, die Dauerläufe über 500h Allerdings ist es notwendig, dass die Hoch- (neu)“, FKZ:99NR048, Universität Rostock, 2001
oder 1000h vorsehen und mit dem konkre- druckpumpe innerhalb ihrer Spezifikation 27Wichtige chemische Parameter sind u.a.: Ketten-
ten vorgesehenen Kraftstoff, also auch mit betrieben wird. Konkret bedeutet dies, dass länge von Paraffinen, Anteil von Tri- und Di-Aroma-
Kerosin, durchgeführt werden müssen. die Hochdruckpumpe nicht ohne Vordruck ten sowie die Anordnung und Anzahl von polaren
betrieben werden darf. Stellt die Vorförder- Ketten (Heteroatomen).
Die Fähigkeit von Diesel zur elastohy- pumpe den Kraftstoff nicht mit ausreichen- 28In den USA und Kanada sind diese Diesel-Ethanol-
drodynamischen Schmierung wird durch dem Vordruck zur Verfügung, muss die Hoch- Mischungen unter dem Namen E-Diesel bekannt. In
Kraftstoffeigenschaften bestimmt, die auf druckpumpe im Saugbetrieb arbeiten. Im Australien wird er unter der Bezeichnung Diesohol
chemischen Parametern27 beruhen. Auf die Pumpenraum entstehen dann lokale Druck- vertrieben und in Brasilien als MAD (Mistura Álcool
Entwicklung von modernen Hochdruck- verhältnisse, die unter dem Dampfdruck des Diesel) bezeichnet. In China werden dem Diesel ak-
tuell 7% Ethanol beigemischt.
pumpen hatten und haben diese Kraft- Kraftstoffs liegen. Die dadurch entstehenden
stoff-eigenschaften maßgeblichen Einfluss. Dampfblasen haben eine kurze Lebensdau- 29Additive werden auch zur Verbesserung der
Zunächst standen die Auswirkungen von er, da sich die lokalen Drücke schnell ändern. Schmierfähigkeit und zur Erhöhung der Cetanzahl
schwefel-armen Dieselkraftstoff auf die Diese Kraftstoffdampfblasen implodieren, der verwendet.
Schmierung in elastohydrodynamischen La- so entstehende Hohlraum wird von Kraft- 30Ein nicht unerheblicher wirtschaftlicher Anreiz zur
gern im Focus der Pumpenentwicklung. stoff gefüllt, der sich dabei auf über Schall- Entwicklung von Kerosin beständigen Hochdruck-
geschwindigkeit beschleunigt und mit seiner pumpen entsteht durch das Bestreben der NATO
Um den Schwefelgehalt auf eine norm- hohen Geschwindigkeit auf die umgebende für das gesamte Militärgerät in Zukunft ausschließ-
lich Kerosin als Kraftstoff zu verwenden.
gerechte Menge zu reduzieren, wird der Wand prallt. Durch diese mechanische Über-
Rohdiesel hydriert. Mit diesem Verfahren beanspruchung des Wandmaterials entste- 31Selbstverständlich werden auch eigene bzw. mo-
werden nicht nur Schwefel in gasförmigen hen Grübchen, so genannte Pittings und letzt- difizierte Hochdruckpumpen von Flugmotorherstel-
Schwefelwasserstoff umge-wandelt son- endlich wird das Wandmaterial zerstört. Den lern eingesetzt.
dern auch die für die Schmierung erforder- Folgen dieser Kavitation genannten Erschei- 32Es wäre jedoch denkbar für Diesel-Flugmotoren
lichen polaren Verbindungen durch Bildung nung ist aufgrund der hohen Energie, die die ölgeschmierte Radialkolbenpumpen, wie sie auch
von Wasser verringert. Darüber hinaus wer- beschleunigten Kraftstoffteilchen besitzen, auf bereits in NKW-Systemen eingesetzt werden, zu
den Ringe und Doppelverbindungen aufge- Dauer kaum mit Beschichtungen oder ähnli- verwenden. Ölgeschmierte Hochdruckpumpen bie-
ten eine größere Robustheit gegenüber geringer
brochen, so dass der Anteil von Aromaten chen Maßnahmen zu begegnen. schmierfähigen Kraftstoffen.
S. 30 aviation news 2/2009
3/2007
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