Elektronische Kraftstoffeinspritzung für unbemannte Luftfahrzeuge
Unbemannte Luftfahrzeuge, auch als Drohnen bezeichnet, benötigen zuverlässige Antriebssysteme, die mit geringsten Treibstoffmengen lange Flugzeiten ermöglichen. Bisher gab es für die Kraftstoffförderung nur Vergaser, die das Brennstoffgemisch für die vielen unterschiedlichen Flugphasen nicht optimal aufbereiten konnten. Ein neues, miniaturisiertes elektronisches Kraftstoffeinspritzsystem (EFI), speziell für kleine Verbrennungsmotoren, bietet nun auch für unbemannte Luftfahrzeuge die Vorzüge einer Benzineinspritzung wie bei den großen Motoren. Höhere Leistung bei geringerem Verbrauch und entschieden höhere Zuverlässigkeit sind die herausragenden Eigenschaften dieses Systems. Kleinstmotoren als Antrieb der Kraftstoffpumpe sorgen dabei für das Einspritzsystem, um den nötigen Druck zu erzielen. Hohe Leistungsdichte bei geringem Gewicht und große Zuverlässigkeit sind die Eigenschaften, die dabei gefordert werden.
Forschung, Militär sowie zunehmend auch Industrie, Medien und Rettungsdienste setzen für Aufklärungsflüge und Messungen gerne Kleinflugzeuge bzw. unbemannte Luftfahrzeuge ein. Sie sind deutlich billiger in Anschaffung und Unterhalt als manntragende Fluggeräte. Aufgrund der geringen Größe benötigen sie als Antrieb kleine, eingebaute Verbrennungsmotoren, die aber sind bisher praktisch nur mit Vergasern für die Kraftstoffförderung versehen. Die Currawong Engineering Pty Ltd aus Kingston, Tasmanien, Australien schafft hier nun Abhilfe durch den Einsatz kleiner elektronischer Kraftstoffeinspritzsysteme. Damit kann auch bei Kleinflugzeugen in allen Fluglagen immer ein optimales Brennstoffgemisch gewährleistet werden. Der unter Druck stehende Brennstoff wird mit speziellen Einspritzaggregaten in den Ansaugkrümmer gespritzt. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird dabei durch eine multifunktionale elektronische Steuereinheit (ECU) geregelt. Um den nötigen Kraftstoffdruck aufzubauen, ist Hilfsenergie erforderlich. Ein DC-Kleinstmotor mit hoher Leistung bei geringstem Gewicht sorgt hierbei für einen gleichmäßigen Kraftstoffdruck, unabhängig von Flughöhe, Tankinhalt oder Flugmanövern.
Gemischbildung im Flug. Motoren, die in Flugzeugen eingesetzt werden, stellen ganz besonders hohe Anforderungen an das Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Kraftstoff und Luft sind nur in engen Grenzen zündfähig, noch anspruchsvoller wird es, wenn der Motor stets mit optimaler Leistung und geringstem spezifischem Verbrauch laufen muss. Gerade bei Kleinflugzeugen ist ein sparsamer Verbrauch wichtig, jedes eingesparte Gramm verlängert die Flugzeit oder erhöht die Nutzlast. Da die meisten Kleinflugzeuge nur mit einem Motor fliegen, führen Störungen zwangsläufig zum Absturz, es ist also höchste Zuverlässigkeit bei allen Komponenten gefragt. Das Problem bei vergaserbestückten Flugmotoren liegt darin, dass wenn der Vergaser auf Meereshöhe optimal eingestellt ist, er in der Höhe zu fett mischt. Ist er in der Höhe optimal, so läuft der Motor am Boden zu mager. Es ist immer ein Kompromiss nötig, der sowohl die Leistung mindert als auch den Spritverbrauch erhöht. Hier bringt nun die elektronische Benzineinspritzung Abhilfe. Da der Treibstoff dabei unter mehreren Bar Druck steht, ist auch in großer Höhe eine Kraftstoffverdampfung ausgeschlossen. Einspritzdüsen sprühen den Brennstoff in das Ansaugrohr ein. Das bedeutet, eine freie aerodynamisch optimale Ansaugstrecke ohne Venturi-Düse ist nun möglich. Der Motor kann freier „atmen“ und bringt mehr Leistung. Gerade in größerer Flughöhe und dünner Luft macht sich dies positiv bemerkbar. Die Einspritzmenge wird durch eine Elektronik anhand von Messdaten wie Ansaugtemperatur, Luftdruck und Leistungsanforderung des Motors dauernd neu berechnet. Der Einspritzzeitpunkt und die Dauer werden mit dem Kurbelwellenwinkel koordiniert. Der Druck im Kraftstoffsystem sorgt dann zusammen mit der Form der Einspritzdüse für eine sehr feine Zerstäubung des Brennstoffes, kleinste Tropfen verdampfen leichter als große und ergeben ein homogeneres Gemisch. So ist sowohl beim Anlassen mit praktisch keiner Strömung ein optimales Gemisch sichergestellt als auch bei dünner Luft in großer Höhe und bei Volllast am Boden in dichter Luft. In Summe bedeutet der Einsatz einer Einspritzanlage dann 15 bis 30 Prozent weniger Verbrauch, höhere Leistung und größere Zuverlässigkeit des Motors.
Einspritzung in der Praxis. So einfach das Prinzip, so schwierig ist die Auslegung eines Einspritzsystems für kleine Motoren. Die australischen Spezialisten haben es geschafft, Motoren von ca. 10 ccm bis 250 ccm Hubraum mit ihrem kompakten System zu versorgen. Die gesamte Anlage besteht aus mehreren Baugruppen, die sich auf die jeweiligen Motoren abstimmen lassen. Neben der Steuerung, den Sensoren für Kurbelwellenstellung, Ansaug- und Zylinderkopf-Temperatur beinhaltet das System noch ein Zündmodul, die Einspritzdüse, einen Kraftstoffdruckspeicher und die Kraftstoffpumpe. Die hochpräzisen feinmechanischen Komponenten zusammen wiegen dabei noch nicht einmal 200 g bei einem Platzbedarf von nur 74 x 58 x 39 mm (H x B x T). Der Einsatzbereich der zertifizierten Teile umfasst dabei einen Temperaturbereich von -30 bis +50 °C und eine Einsatzhöhe bis zu 6.000 m. Prüfläufe über 1.500 h und Dauerlauftests von 700 h nonstop bestätigen die hohe Zuverlässigkeit aller Komponenten. Für den essentiellen Druckaufbau sorgt eine Kolbenpumpe und ein nachgeschalteter Druckspeicher mit Druckregler für konstanten Druck im System von 2,9 bis 3,2 bar. In der Kraftstoffpumpe arbeitet ein Kleinstantrieb über ein Kegelradgetriebe auf eine Kurbelwelle, die den eigentlichen Pumpenkolben bewegt. Durch die 90° Kraftumlenkung des Getriebes kann der 27 g leichte, edelmetallkommutierte DC-Kleinstmotor optimal hinter dem Pumpenzylinder platziert werden, das spart Bauvolumen. Die gesamte Pumpeneinheit misst nur 65 mm in der Höhe und 21 bzw. 34 in Breite und Tiefe. Die Pumpe wird per Pulsweitenmodulation geregelt. Um das Drehmoment zu erhöhen und die 2,5 W Abgabeleistung optimal auf die Kurbelwelle der Pumpe zu übertragen, ist dem Motor ein Planetengetriebe nachgeschaltet. Bei 15 mm Durchmesser reduziert es die Eingangsdrehzahl, im Verhältnis 19 : 1. Es arbeitet im Temperaturbereich von -30 bis +65 °C, mehr als ausreichend für weltweiten Flugbetrieb von unbemannten Luftfahrzeugen. Das Drehmoment des zweistufigen, 5 g leichten Kunststoffgetriebes darf bis zu 200 mNm betragen.
Unbemannte Luftfahrzeuge, auch als Drohnen bezeichnet, benötigen zuverlässige Antriebssysteme, die mit geringsten Treibstoffmengen lange Flugzeiten ermöglichen. Bisher gab es für die Kraftstoffförderung nur Vergaser, die das Brennstoffgemisch für die vielen unterschiedlichen Flugphasen nicht optimal aufbereiten konnten. Ein neues, miniaturisiertes elektronisches Kraftstoffeinspritzsystem (EFI), speziell für kleine Verbrennungsmotoren, bietet nun auch für unbemannte Luftfahrzeuge die Vorzüge einer Benzineinspritzung wie bei den großen Motoren. Höhere Leistung bei geringerem Verbrauch und entschieden höhere Zuverlässigkeit sind die herausragenden Eigenschaften dieses Systems. Kleinstmotoren als Antrieb der Kraftstoffpumpe sorgen dabei für das Einspritzsystem, um den nötigen Druck zu erzielen. Hohe Leistungsdichte bei geringem Gewicht und große Zuverlässigkeit sind die Eigenschaften, die dabei gefordert werden.
Die kompakte Einspritzanlage mit 
