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Aero_Diesel
NEW POWER PLANT CONCEPTS FOR GENERAL AVIATION
by Klaus J. Lauth
 
 

Einleitung
	Der Markt
Ziel des Unternehmens
Technische Aspekte	Vorgehensweise
Motoradaption	Zusammenarbeit
51% Regel	Entwicklungsbasis
Zertifizierte Antriebe


 
 

Einleitung

Der Markt der Flugzeugklasse bis 2 Tonnen Abfluggewicht ist gerade in den letzten Jahren sehr interessant geworden:

Hauptsächlich aufgrund der -auch den deutschen Automobilherstellern bestens bekannten- amerikanischen Produkthaftungsgesetze hat sich der amerikanische Flugzeugmarkt -als der bedeutendste der Welt- in den letzten Jahren stark verändert:  So hat beispielsweise Cessna erst seit kurzem die Produktion ihrer Erfolgsserie 172/182 wieder aufgenommen, nachdem sie diese für ca. 10 Jahre aufgrund laufender Prozesse in der Produkthaftung gestoppt hatte.

In diesen Jahren haben sich die Marktanteile stark zu Gunsten der sog. -Experimentalsoder auch Kitplanes -also Bausatzflugzeuge-  verschoben.
 

51% Regel
Bei den Kitplanes, die eine lange Geschichte haben, gilt aufgrund der 51% Regel, der Erbauer als Hersteller, wenn er mehr als 51% des Flugzeuges "selbst" erbaut hat. Die Hersteller der Kitplane-Bausätze wie auch aller anderen Komponenten wie Avionik, Motoren, Propeller, Reifen etc. unterliegen nicht der direkten Herstellerhaftung, da der Erbauer beim Bau des Flugzeuges auch gewisse Freiheiten in der Wahl der Komponenten hat und Selbst für diese Wahl haftet. Daher müssen auch Komponenten, die in Kitplanes verbaut werden nicht Typ-zertifiziert sein. Viele Erbauer bedienen sich automobiler Antriebstechnik, die via Untersetzungsgetriebe (PSRU) die Luftschraube antreiben.

Diese Flugzeuge warten aufgrund der neuen Motoren und neuartiger Verfahren bei der Herstellung (GFK und KFK - Bauweise) mit ganz erstaunlichen Flugleistungen auf, die jene der herkömmlichen "Cessna" in allen wichtigen Parametern wie Reiseflug- und Höchstgeschwindigkeit, Verbrauch, Lärmentwicklung, aber -gerade auch- Kosten deutlich übertreffen.

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Ziel des Unternehmens

Neue Antriebskonzepte auf Basis standardmäßiger deutscher Automobiltechnik für den Luftfahrzeugmarkt zu entwickeln ist oberstes Unternehmensziel.  Hier fokussiert die Entwicklung primär auf moderne Direkteinspritzer - Dieseltechnik im Bereich von 80 bis 250 kW (200-540 Nm), wie in jüngster Zeit von Audi, BMW und Daimler-Chrysler in die Serie eingeführt.
 
 












Vorteile dieser Motoren sind:

• niedriger Verbrauch, der zu einer Verdopplung (!) der Reichweite führt
• wahlweise mit Diesel oder kostengünstigem Kerosin zu betreiben
• hohes Drehmoment in Verbindung mit Verstellpropeller -> hohes Beschleunigungsvermögen -> hohe Steigleistungen
• niedrige Lärmwerte
• prinzipbedingt weniger -aus flugtechnischer Sicht- ausfallkritische Komponenten (keine Zündung, Vergaservereisung etc.) bzw. besser beherrschbar (limp-home-mode)
• keine Gemischabmagerung durch automatische Höhenanpassung bzw. Luftüberschuss durch angepasste Abgasaufladung => volle Motorleistung steht bis in große Höhen zur Verfügung
• Konstant hoher Leistungsbedarf von 75-85% -> sehr gleichmäßige Beanspruchung
• Verfügbarkeit und relativ günstige Ersatzteilpreise
• technisch innovative Integrationsmöglichkeiten in neue innovative Flugzeugkonzepte z.B. durch Kraftstoff-motorkühlung / Wärmeabgabe aus den Flächentanks.

 



 
 

Vorgehensweise

1. Im ersten Schritt wird ein Direkteinspritzer Turbodieselmotor im Leistungsbereich um 60-100 kW für den Flugbetrieb in eine Antriebseinheit integriert werden. Diese Antriebseinheit, die serienmässig komplett assembliert und geprüft geliefert werden wird, besteht aus Motor, Motorträger, Untersetzungsgetriebe und Verstellpropeller; aufgrund der geringeren Baulänge und Symmetrie würde ein V-Motor für diese Anwendung große Vorteile besitzen, jedoch sind auch Reihen-Vierzylinder Antriebe denkbar; der Einsatz ist letztlich in erster Linie vom Leistungsgewicht und Baugrösse der Antriebseinheit abhängig.

2. Im nächsten Schritt sollte ein weiteres Direkteinspritzer Turbodiesel - Triebwerk in eine Antriebseinheit integriert werden, die den Leistungsbedarf der größeren Kitplanes abdeckt und gleichzeitig auch interessant für die Standard-Cessna-Typen 172 und 182 wäre.  Hier ist der Leistungsbereich der V6-Maschinen erreicht und nach oben zu den neuesten V8 Maschinen offen.

3. Im dritten Schritt sollte auf Basis einer Marktuntersuchung bei den o.g. zertifizierten Flugzeugen die Entwicklung eines Alternativantriebes für eine in großen Stückzahlen gebautes Flugzeugmuster wie z.B. Cessna 172/182  erwogen werden und ggfls. die Zertifizierung über die bestehenden Kontakte mit den europäischen und amerikanischen Zulassungsbehörden (JAA und FAA) auf den Weg gebracht werden.

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Technische Aspekte
 

1. Motoradaption
Die Anpassung an die Bedingungen des Flugbetriebes erfordern am Motor die folgenden Untersuchungen und Veränderungen:

• Motoraufhängung
• Ölschmierung
• Kühlung
• Auspufführung
• Getriebeanbindung (PSRU)
• Rohluftführung
• Änderung der Schwungscheibe und Anlasser
• Lichtmaschine (Generator),
• Kompressor für Druckkabine und Klimaanlage etc.

2. PSRU
Antriebe des Automobilbaus erreichen ihre Maximalleistung teils erst weit jenseits der gängigen Propeller - Drehzahlen von ca. 2000 1/min. Dies macht in den meisten Fällen eine Power Supply Reduction Unit (PSRU) notwendig.

Der Einsatz der PSRU bringt den Vorteil mit sich, daß der Propeller im Drehzahlbereich seines optimalen aerodynamischen Wirkungsgrades betrieben werden kann, während der Motor bei Reiseflug aufgrund des EInsatzes eines "constant-speed Propellers" quasi-stationär in der Umgebung seines Verbrauchs- und Drehmoment- spezifischen Bestpunktes läuft. Aufgrund der Propelleruntersetzung kann der Motor somit bei Bedarf auch im Drehzahlbereich seiner höchsten Leistungsabgabe betrieben werden ohne das der Propeller seine Maximaldrehzahl (ca. 2700 1/min) überschreitet. Hierdurch ist gewährleistet, daß die Motorhöchstleistung als Startleistung zur Verfügung steht.









Die Untersetzungsgetriebe (Beispiel) haben neben der Drehzahlreduzierung die Aufgabe, die Propellerkräfte nicht auf die Kurbelwelle oder direkt auf den Motor zu übertragen, sondern in die Zelle des Flugzeuges einzuleiten. Auftretende Kräfte sind u.a. Antriebs- und Bremsmoment und Kreiselkräfte des Propellers und Lastvielfache des Eigengewichtes durch dynamische Beanspruchung während des Fluges.
 

3. Motorträger
Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeiten ist die Konstruktion einer Motoraufhängung, die die Lastvielfachen des Eigengewichtes und sämtliche Nick- und Rollbewegungen des Motors abfängt. Hier ist eine weiche Lagerung als Tiefpass zum Abfangen der hochfrequenten Schwingungen erwünscht. Die PSRU benötigt abstützende Lagerungen, welche die Vortriebs- und Bremsmomente in die Flugzeugzelle einleiten.
Ein Nebeneffekt der PSRU ist die Entkopplung des Motors von den Schwingungen und Kräften des Propellers.

4. Erforderliche Nebenkonstruktionen:

• Einbau von Wasserkühlungskomponenten:
• Luftführung und Wärmetauscher für Innenraumheizung
• Außenwärmetauscher mit RAM-air- Eintritt und -Durchtritt
• Führung der Kühlwasserleitungen
• etc.
• Adaption des Treibstoffsystemes:
• redundante Anordnung der Treibstoffpumpen
• beheizte Tanksysteme
• Headertank
• Treibstoff Filter (unter Berücksichtigung der Gelierungsproblematik und anderen dieselspezifischen Problemen.)
• etc.

 
Bei dem Einbau des Antriebes sind besonders zu berücksichtigen:
• Schwerpunkt- (CG),
• Thrustvector,
• Vibrationen, Schwingungen, Schwebungen der Antriebseinheit
• Sicherheitskonzepte gegen Versagen
• Thermische Stabilität
• Zugänglichkeit
• etc.
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Zusammenarbeit

1. Automobilhersteller
Die Zusammenarbeit mit einem Automobilhersteller ist für die technische Unterstützung und Beratung in Details der Entwicklung von unschätzbarem Wert, da oftmals eine auf die neue Aufgabenstellung übertragbare Expertise intern bereits vorhanden ist.
 

Beratungsleistungen von internen Experten	Lieferung von Motoren und Peripherie
z.B. Anschlussmaße auf CAD Rohluftführung Aufladungstechnik Auspufführung Wasserkühlung Motorlagerung  Treibstofftanks/Heizungen alternativer Treibstoff Kerosin etc.	Auspuffteile/Kat Motorelektronik Kabelbaum Öl-, Luft- und Wasserkühler etc.
Beteiligung	Vermarktung / PR

Ein sinnvolles Vorgehen wäre eine "geheimzuhaltende" Entwicklung. Wenn der Prototyp dann seine Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit in realen Flugversuchen nachgewiesen hat, folgt für den Technolgie-Partner die folgenden Aspekte:

• Falls der Technologiepartner und Motorenhersteller nach dieser Hochrisikophase bei Vorlage aller Fakten nicht an der weiteren Betätigung in diesem Geschäftsfeld interessiert sein sollte, wäre ein gangbarer Weg der Hinweis auf den Ausschluss jeglicher Gewährleitung durch den Motorenhersteller und eine klare Geschäftsbeziehung Zulieferer/Hersteller, die eine technische Unterstützung in Detailfragen ermöglicht.

 
• Falls das Projekt jedoch bis dahin im Hause im Bezug auf Innovationscharakter, PR - Wirksamkeit und Zukunft des Geschäftsfeldes doch interessant wäre, ist der Weg auch für eine Konzertierung der Aktivitäten noch frei.

Zusammenfassend folgt hieraus auf der einen Seite ein relativ geringes Risiko für den Technologie - Partner durch den Haftungsausschluss, auf der Anderen aber auch eine rel. geringe Belastung dadurch, daß für die Entwicklungen nicht ein internes Projekt - Team aufgestellt werden muß, sondern nur die sporadische Expertise der Spezialisten zur Beurteilung der Entwicklungsdetails angefordert wird.
 
 

2. Weitere Synergien
Dem Unternehmen steht über dem o.G. Potential die Zusammenarbeit und Expertise der nachfolgend genannten Unternehmen und Personen zur Verfügung:
 

	Name	Funktion / Unternaehmen	Beitrag
1.	P. Steinbach	Geschäftsführer impulse aircraft GmbH im Baden-Airpark	Herstellung eines für den Antrieb adaptierten Flugzeuges, Anfertigung von speziellen Komponenten aus Kohlefasern. Pilot
2.	J. Schüssler	Geschäftsführer Fa. ita CAD GmbH,  Karlsruhe	CAD Konstruktionenen, FEM, Expertise in Rohluftführung Anfertigung von Spezialteilen aus Kohlefasern.
3.	D. Bagesani	Geschäftsführer nfm Inc. Kalifornien, USA	Elektronik, Microcontroller, Softwareadaption Systemintegration
4.	K. Binder	Geschäftsführer Sickinger, Pforzheim	Investor und Berater Pilot
5.	V. Lenz	Geschäftsführer Wirtschaftsprüfer / Steuerberatung, Jockgrim	Investor und Berater
6.	M. Eberle	Vertrieb / Marketing Airbus Industrie (F), Toulouse, F	Kontaktperson zur europäischen und amerikanischen Zulassungsbehörden und internationalen Presse Pilot
7.	S. Lorenz	Geschäftsführer ARTWORK Werbeagentur Karlsruhe	Broschüren, Internetautritt,  Marketingwerkzeuge Messestand
8.	K. Lauth	initiator	Konstruktion, Koordination der Zusammenarbeit, Erprobung, Vertrieb

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Der Markt

Die Märkte für diese neuartigen Antriebe sind der Neu- und Gebraucht- Flugzeugmarkt in Europa und den USA, (Cessna, Piper, Socata etc.) aber auch insbesondere der boomende Kitplane-Markt (Lancair, Velocity Aircraft, Glasair, Seawind, etc.). Gerade dieser Markt, auf dem seit ca. 20 Jahren die sog. "Kitplanes" aufgrund der 51%-Regelung, die den Ausschluß aus der US-amerikanischen Produkthaftung zuläßt, immer populärer geworden:

In den letzten 10 Jahren sind etwa 2/3 aller neu zugelassenen Einmots "home-built" , Eigenbau- Flugzeuge gewesen. Gerade in den letzten 5 Jahren steigen aufgrund immer leistungsfähiger Bausatzflugzeuge die Zuwachsraten ca. 20% p.A.

So verfügt die nachfolgend abgebildete Lancair IV P über eine Druckkabine und eine Dienstgipfelhöhe von über 9.000 m bei einer Reisegeschwindigkeit von jenseits 400 km/h.
 
 

Seither ist aufgrund der Euphorie auf dem Markt eine Steigerung um 10% als absolut realistisch anzunehmen und stellt eine eher moderate Abschätzung dar. 1998 und 1999 (siehe auch Morane Renault)  zählte die Messe in Oskosh jeweils um  800.000 Besucher.
 
 

	1994	1995	1996	1997	1998	1999	2000
Kits	3.898	4.288	5.113	5.853	6.783	7.828	8.636
Pläne	2.941	1.976	2.545	4.012	3.805	3.969	4.251
Motorenbedarf	6.839	6.264	7.658	9.865	10.588	11.797	12.887

Da die Mehrheit der Kits für eine echte flugzeugspezifische Motorisierung in Frage kommt (Zahlen hier ohne Ultralights (UL)), ist die theoretische Größe des Marktes für die in dieser Abschätzung relevanten  Motoren ca. 30-50% der o.g. Summen.

Ein großer Teil der Erbauer verfügt berufsbedingt über Teile des Fachwissens, Flugzeuge zu bauen, schreckt jedoch oft davor zurück, sich mit Motoren, Getrieben, Propellertypen, Sicherheitskonzepten etc. auseinandersetzen. Eine doch bemerkenswert große Anzahl von Kunden (ca. 5% der obigen Zahlen) sind daher bereit, ihr aufwendig in mehrjähriger "Heimarbeit" selbst gebautes Flugzeug mit einem leistungsfähigen Antrieb auszustatten und kalkulieren daher auch den Preis für zertifizierte Triebwerke ein, die für Kitplanes nicht Vorschrift sind.

Ein wichtiger Aspekt für die Akzeptanz auf dem Markt und somit der Konkurrenzfähigkeit der neuen Antriebssysteme ist die Zuverlässigkeit neben den genannten Vorteilen wie Verbrauch, Leistungsentfaltung, sowie "state-of-the-art technology", "pride of ownership" etc.

Für den Kunden wird es von entscheidender Bedeutung sein, daß die Antriebseinheit auf einem Standardmotor eines renommierten Automobilherstellers basiert. Dieses Argument spricht für die Zuverlässigkeit und somit für den Einsatz als Flugzeugantrieb.

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Entwicklungsbasis

Baden-Airpark, ein auf dem neuen Flughafen Karlsruhe-Baden angrenzender Gewerbepark ist derzeit bemüht, Flugafines Gewerbe anzusiedeln. Hier wird ein ehemaliger Flugzeugschelter angemietet. In diesem Schelter befindet sich ein Bürocontainer für Planung, Konstruktion/CAD und Versuchsdurchführung. Die Halle verfügt über rückwärtige Triebwerksauslass- Öffnungen und eignet sich daher hervorragend für die Integration und den Betrieb eines stationären Prüfstandes.  Die Grösse und Nähe zum aktiven Flugfeld eignet sich sehr gut zum Einbau der Antriebseinheit in eine Flugzeugzelle z.B. der impulse aircraft und folgende Stand- und Rollversuche.
 
 

 

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Der Initiator
 
 

	Klaus J.  L a u t h  Maschinenbau-Ingenieur (TU) 38 Jahre, verheiratet, 3 Kinder Alte Ziegelei 9 D-76316 Malsch tel home         +49 7246 94 32 61 mobile            +49 172 862 72 62

 
 

Kenntnisse
 

Sprachen:	Englisch und Französisch fließend in Wort und Schrift
Technologie:	Motoren, Antriebe, Automation, Automobil- und Flugzeugtechnologie
Hands-on:	Montage Airbuskomponenten, Pneumatische Schaltungen Instandsetzung diverser technisch interessanter Kfz wie: Citroën DS + CX, Jaguar XJ 12 L, Peugeot 304 C usw. Getriebe, Motoren, hydro-pneumatische Systeme usw.
Projektierung:	Anlagenlayout, Projektierung,  Dimensionierung von elektrischen Starkstromeinspeisungen
Software:	Turbo-Pascal, HTML
Anwenderprogramme:	AutoCAD, Word, Excel, Netscape

 
 

Chronologischer Lebenslauf
 
 

01.09.1961	geboren  in Surabaja / Indonesien  als Sohn des Exportkaufmanns Horst A. L a u t h  und Marianne (geb. Krämer)
1967-1981	Verschiedene Schulen im In-und Ausland, u.a. in Djakarta, Kuwait (ASK) (amerikanisch), Teheran (DST), Karlsbad-Langensteinbach
1981	Abitur Boxberg Gymnasium Schömberg/Pforzheim
1981-1982	Sanitätsdienst 1./43 Göttingen
1982	Praktikum Daimler-Benz Gießerei Mannheim
1982	Studienanfang Maschinenbau
1984	Praktikum Daimler-Benz Werk Wörth (Schweißen)
1988-1989	Studienarbeit (Automatisierte Entladestation)  am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik (wbk), Universität Karlsruhe
1989	Praktikum bei Liebherr Aerotechnik, Lindenberg PCU-, Flap-, Slat- Systems, Airconditioning Packs
1991	Diplomarbeit (Data-Acquisition-System)  am Institut für Mikrostrukturtechnik IMT, Kernforschungszentrum Karlsruhe
1992-1993	Dorstener Maschinenfabrik AG, Dorsten Vertrieb Export
1994-1995	Entwicklung eines medizinischen Laserscanners mit Patenterteilung  (prota_med)
1995	Seewind Windenergiesysteme GmbH, Walzbachtal Betriebsingenieur Produktion und technische Entwicklung Vertriebsingenieur
1996-1997	Wetron Automatisierungstechnik GmbH Projektierungsingenieur und Bauleiter  der Elektromontage der Lackiererei MCC  -  (Smart)
1998 - 1999	Fraunhofer Gesellschaft IITB  Institut für Informationstechnik und Datenverarbeitung, Karlsruhe  Vertriebsingenieur Produktionsleitsysteme
seit 01/2000	Ingenieurbüro Aerotechnische Komponenten Einziehfahrwerk Motorenauslegung und Einbau etc.  Koordination Aero_Diesel - Aktivitäten