8.10 MOTOREN EN PROPELLERS
8.10.1 Algemeen
Tegenwoordig beschikken steeds meer zweefvliegtuigen over een hulpmotor, in de volksmond nogal eens “Turbo” genoemd. Afhankelijk van het vermogen is deze motor geschikt om zelfstandig mee te kunnen starten (de ‘zelfstart’ functie) of om tijdens de vlucht afstand te overbruggen zonder hoogteverlies (de ‘thuiskom’ functie). Sommige “thuiskomers” kunnen worden gebruikt om tijdens de grondrol van de sleepstart vlotter te accelereren en daardoor eerder los te komen van de grond.
Een motor is een apparaat dat kinetische (bewegings) energie produceert. Zweefvliegtuigen maken gebruik van twee typen motor: de elektromotor en de verbrandingsmotor.
8.10.2 Elektromotor
De elektromotor zet elektrische energie rechtstreeks om in het laten ronddraaien van een as. Op die as is dan een propeller bevestigd welke een bepaalde massa-hoeveelheid lucht (m) naar achteren versnelt (a). Dit resulteert volgens Newton in een kracht F = m.a. Volgens diezelfde Newton ontstaat er dan een even grote, doch tegengestelde reactie. Dat is de trekkracht T welke het vliegtuig naar voren wil trekken. Bij dit proces zijn er minimaal energieverliezen.
Ook de bediening is uiterst simpel. Er is een knop om de motor te laten uit- en inklappen. Ook dat gebeurt met een elektromotor. De vermogensregeling gebeurt door het regelen van het toerental van de motor met een andere knop. De noodzakelijke energie komt uit een zwaar batterijpakket dat zich in de buurt van het zwaartepunt bevindt.
Naast een elektrische klapmotor is er tegenwoordig ook de zogenaamde ‘front electric sustainer’ (FES) waarbij een propeller in de neus door centrifugaalkrachten naar buiten wordt getrokken zodra de motor wordt aangezet.
Afbeelding 10-1 Elektrische klapmotor (Antares) en FES
8.10.3 Verbrandingsmotor
De verbrandingsmotor zet chemische (brandstof) energie, via verbranding, om in hitte/warmte. Hierdoor zet de lucht uit en neemt de druk toe. De toegenomen druk kan op twee manieren worden gebruikt. Men onderscheidt daartoe de zuigermotor en de turbinemotor.
8.10.3.1 Zuigermotor
Bij een zuigermotor wordt de druk gebruikt om één of meerdere zuigers in cilinders omlaag te drukken hetgeen via een overbrengmechanisme resulteert in het ronddraaien van een (kruk)as. Op die as kan dan weer een propeller worden bevestigd. Dit proces vereist meer stappen dan bij een elektromotor. Dientengevolge zijn de energieverliezen groter dan bij een elektromotor.
Afbeelding 10-2 Zuigermotor op een zweefvliegtuig (Ventus 2cxt)
8.10.3.2 Turbinemotor
Bij een turbinemotor wordt een (klein) deel van de druk gebruikt om een luchtstroming op gang te brengen over een turbine welke hierdoor gaat draaien (vergelijk met een windturbine). De turbine wordt op zijn beurt gebruikt om een compressor aan te drijven welke de inlaatlucht comprimeert. Hierdoor zal het rendement van de verbranding toenemen. De verbrandingsgassen zullen na de turbine de motor verlaten via een steeds smaller wordende uitlaatbuis. Hierdoor zal de massa-hoeveelheid lucht (m) een versnelling (a) krijgen. Aldus ontstaat een kracht F = m.a met als reactie een trekkracht T. Het voordeel van dit type motor is dat de lucht zonder tussenkomst van een propeller wordt versneld. Hierdoor zijn er minder energieverliezen. Aan de andere kant zijn er energieverliezen door de wrijving van de zeer hoge uitstroomsnelheid met de omgevingslucht (hetgeen goed hoorbaar is).
Opmerking
Vaak staat de motor enigszins scheef om te voorkomen dat de hete uitlaatgassen het kielvlak raken.
Afbeelding 10-3 Turbinemotor op een zweefvliegtuig (Duo Discus)
8.10.4 Propellers
Een propeller is een ronddraaiend stelsel van bladen met als taak het creëren van trekkracht. De bladen hebben de aerodynamische vorm van een vleugelprofiel. Daar waar een vleugelprofiel wordt aangeblazen door de luchtstroming, moet de propeller voor zijn eigen luchtstroming zorgen. Dit gebeurt door het laten ronddraaien van de propeller door een motor. De aldus ontstane luchtstroming over de propeller genereert, net als bij een vleugel, lift, zie afbeelding 10-4.
De lift staat per definitie loodrecht op de binnenkomende luchtstroming. Deze lift genereert de trekkracht. De trekkracht staat in de vliegrichting. Daarnaast produceert de propeller weerstand. Deze weerstand staat in de draairichting. Als de weerstand van de propeller gelijk is aan de kracht die de motor levert, dan blijft het toerental constant. Neemt de motorkracht toe door gas te geven, dan zal het toerental toenemen. Hierdoor neemt de propeller weerstand ook toe totdat er weer evenwicht is tussen motorkracht en propeller weerstand.
Afbeelding 10-4 Motor-aangedreven propellerblad tijdens de vlucht
Opmerking
Bij het versnellen tijdens de startaanloop zal door de toenemende voorwaartse snelheid de propeller steeds meer worden aangeblazen. Hierdoor krijgt de motor het makkelijker en zal het toerental willen toenemen. Omdat juist bij de startaanloop al vaak een maximaal toerental staat geselecteerd moet je oppassen dat hierdoor het maximale toerental niet wordt overschreden. Een te hoog toerental leidt tot schade aan motor én propeller.
Tandwiel of riem
Het optimale toerental van de propeller is vaak lager dan dat van de motor. Dit lost men op met een vertragende tandwiel- of riemoverbrenging. Het (tand)wiel op de krukas is dan kleiner dan het (tand)wiel op de propelleras.
8.10.5 Werking tweetakt zuigermotor
Afbeelding 10-5 Twee-cilinder tweetakt-zuigermotor
De tweetakt zuigermotor bestaat uit één of meerdere cilinders met daarin zuigers die alle verbonden zijn met een centrale krukas. De krukas is een as met zijwaartse verspringingen welke de heen en weer gaande beweging van de zuigers omzet in een rotatie. De propeller is vervolgens via een overbrengmechanisme aangesloten op de krukas. Vergelijk met de trappers van een fiets waarvan de op- en (vooral) neergaande beweging wordt omgezet in de rotatie van de trapas en daarna via een aandrijfketting de rotatie van het achterwiel.
De noodzakelijke kracht om de krukas aan te drijven komt van de hoge druk die ontstaat bij de verbranding van een brandstof-lucht mengsel in een verbrandingskamer boven de zuiger. Dit mengsel wordt aangestoken door de vonk van een bougie op het moment dat de zuiger helemaal ‘boven’ staat. Zodra de zuiger met kracht omlaag wordt bewogen zal deze de krukas in werking zetten. Op datzelfde moment zal deze beweging het nieuwe mengsel dat reeds in de ruimte (onderkamer) onder de zuiger gereed stond, via een zijkanaal omhoog worden geperst richting verbrandingskamer (bovenkamer). Als de zuiger bijna helemaal onderin staat, komen er twee openingen vrij. De ene opening laat het nieuwe, voorgecomprimeerde mengsel toe tot de verbrandingskamer; de andere opening laat de verbrandingsgassen ontsnappen richting de uitlaat. Wanneer, door de draaiing van de krukas, de zuiger weer omhoog begint te bewegen, worden beide openingen weer afgesloten en zal het zojuist ingelaten mengsel verder worden gecomprimeerd. Tijdens deze opgaande beweging komt er nu aan de onderkant een opening vrij waardoor er in de ruimte onder de zuiger een onderdruk ontstaat, welke van buitenaf alvast een nieuw brandstof luchtmengsel aanzuigt.
Één arbeidscyclus kost dus twee bewegingen ook wel genoemd ‘slagen’ of ‘takten’ van de zuiger. In die twee slagen draait de krukas één keer rond. Tijdens elke volgende omwenteling van de krukas zal er weer een arbeidscyclus plaatsvinden.
In het geval van meerdere cilinders op één krukas zullen hun zuigers achter elkaar hun vrijgekomen verbrandingsenergie aanbieden om de krukas te laten draaien. Dit voor een gelijkmatiger loop van de motor.
Ontsteking
De bougie bestaat uit twee elektroden waarover een zeer hoge elektrische spanning wordt gezet op het moment dat de zuiger boven in de verbrandingskamer van de cilinder staat. Deze spanning resulteert in een krachtige vonk die het brandstof-luchtmengsel aansteekt.
De bougie krijgt zijn energie via een ontstekingsmagneet. Deze bestaat uit een magneet die ronddraait langs een stilstaande spoel (net als bij een fietsdynamo) waardoor een elektrische spanning wordt opgewekt. Door tussenkomst van een stukje elektronica, wordt deze spanning omgevormd tot een kortdurende puls met een zeer hoge waarde die op het juiste tijdstip aan de bougie(s) wordt doorgegeven.
Carburateur
Het brandstof-luchtmengsel wordt gevormd in een carburateur. De carburateur bestaat uit een venturi met in de keel een brandstofsproeier. De carburateur beschikt ook over een op afstand bedienbare klep welke de hoeveelheid lucht die door de carburateur stroomt regelt. Tijdens het aanzuigen ontstaat er een luchtstroming door de venturi. In de keel ontstaat hierdoor een onderdruk welke brandstof opzuigt uit een voorraadpotje. Dit voorraadpotje wordt gevuld gehouden door een (meestal) elektrische brandstofpomp welke via een filter de brandstof uit de tank haalt. De carburateur probeert onder alle omstandigheden de juiste verhouding tussen hoeveelheid lucht en hoeveelheid brandstof aan te houden. Komt er naar verhouding te veel brandstof bij de lucht dan wordt het mengsel te rijk en bestaat er de kans op het verzuipen (en dus afslaan) van de motor. Komt er naar verhouding te weinig brandstof bij de lucht dan wordt het mengsel te arm, waardoor de motor ook kan afslaan. Moderne carburateurs hebben een automatische mengselregeling die tevens rekening houdt met vlieghoogte.
Luchtfilter
Voordat de lucht de carburateur binnenkomt passeert deze een luchtfilter. Het luchtfilter voorkomt dat stof- en zanddeeltjes in de motor terecht komen.
Afbeelding 10-6 Luchtgekoelde twee-cilinder tweetaktmotor met vertragende riemoverbrenging (Solo 2350)
Tank
De tank bevat de hoofdvoorraad brandstof. Aan de onderkant van de tank bevindt zich een ‘drain’ mogelijkheid. De brandstof voor een tweetaktmotor bestaat uit een mengsel van benzine en een speciale olie (geen gewone motorolie). De olie is nodig voor de noodzakelijke smering van de bewegende delen. Men spreekt dan ook over mengsmering. De exacte mengverhouding staat aangegeven in het handboek van de motor maar zal variëren tussen de 1:25 en 1:50. Een 1:40 mengsel betekent dat er aan 40 liter benzine, één liter smeerolie is toegevoegd.
Starten/stoppen
De motor wordt gestart door deze met een kracht van buitenaf te laten ronddraaien. Traditioneel gebeurde dat met de hand maar dat leverde steeds minder handen op.
Tegenwoordig wordt de motor aan het draaien gebracht met behulp van een elektrische startmotor. Tijdens het inschakelen van de startmotor wordt deze via een veerbelast tandwiel gekoppeld aan de krukas waardoor deze ook gaat ronddraaien en alles in beweging en werking wordt gezet. Zodra de startknop wordt losgelaten, stopt de startmotor met draaien en ontkoppelt deze zich van de krukas. Deze startmethode is geschikt voor zowel op de grond als in de lucht.
Een andere mogelijkheid om de motor in de lucht te starten, is met behulp van ‘decompressie’. Tijdens het vliegen wordt, nadat de motor is uitgeklapt aan een zgn. Decompressie-knop getrokken. Hiermee wordt een klep geopend waardoor de cilinders niet op druk kunnen komen. De propeller die verbonden is met de krukas ervaart dan geen tegenwerking. Hierdoor zal door ‘windmilling’ de krukas snel op toeren komen. Bij een bepaald toerental wordt de decompressieknop losgelaten, en zal de motor opstarten.
Het stopzetten van de motor gebeurt door het uitzetten van de ontsteking. De bougies zullen dan niet meer vonken en het mengsel wordt derhalve niet meer aangestoken. Mocht deze methode niet werken, dan kan men altijd nog de hoofdbenzinekraan dichtzetten. Deze laatste methode wordt ook gebruikt bij een motorbrand.
Batterij
De motor heeft een eigen batterij voor de elektrische in- en uitklap motor én voor de startmotor. Als door een te lage batterijspanning (of om een andere reden) de motor niet meer kan worden gestart, en ook niet kan meer worden ingeklapt, dient men rekening te houden met fors verminderde vliegprestaties. Bovendien zal een landing met een uitgeklapte motor eerder leiden tot schade aan de motorbevestiging dan wanneer deze is ingeklapt.
Opmerking
In tegensteling tot een tweetakt zuigermotor, heeft een viertakt zuigermotor vier slagen nodig teneinde één keer arbeid te verrichten. Dat zijn achtereenvolgens een inlaatslag waarbij het brandstof-luchtmengsel wordt aangezogen, een compressieslag welke het mengsel comprimeert alvorens het aan te steken, de arbeidsslag, en tenslotte een uitlaatslag waarbij de verbrandingsgassen naar buiten worden gedreven. Een viertakt zuigermotor maakt geen gebruik van mengsmering maar heeft een aparte olietank voor de smering van de bewegende delen.
