Flugzeugkolbenmotor

Kolbenmotoren für die Luftfahrt sind Wärmekraftmaschinen, die auf der Hin- und Herbewegung des Kolbens im Zylinder beruhen, um den thermodynamischen Zyklus des gasförmigen Arbeitsmediums abzuschließen und die chemische Energie des Kraftstoffs in mechanische Energie umzuwandeln. Ihr Aufbau und Funktionsprinzip sind grundsätzlich mit den in herkömmlichen Kraftfahrzeugen verwendeten Kolbenmotoren identisch. Je nach Takt kann man zwischen Viertakt- und Zweitaktmotoren unterscheiden. Je nach Kühlmethode des Zylinderkopfes kann zwischen Flüssigkeitskühlung (Wasserkühlung) und Gaskühlung (Luftkühlung) unterschieden werden. Je nach den unterschiedlichen Zylinderanordnungsmethoden kann man zwischen Reihen-, Parallel-, V-, X- und Sterntyp unterscheiden. Normalerweise werden V-Typen und Reihentypen überwiegend flüssigkeitsgekühlt, und Sterntypen werden alle luftgekühlt.

Die Kriegsfaktoren förderten die rasante Entwicklung von Flugmotoren und leiteten um den Zweiten Weltkrieg herum das „goldene Zeitalter“ der Kolbenmotorenentwicklung ein. Um die Geschwindigkeit des Flugzeugs zu erhöhen, muss zunächst die Ausgangsleistung des Motors erhöht werden. Der einfachste und direkteste Weg, die Motorleistung zu steigern, besteht darin, die Anzahl der Zylinder zu erhöhen und damit den Hubraum zu vergrößern. Der Motor des „Flyer 1“ hatte nur vier Zylinder, später wurden jedoch mehr entwickelt, sogar bis zu 28 Zylinder (der flüssigkeitsgekühlte Kolbenmotor „Hornet“ aus den USA), mit dem der Langstreckenbomber B-29 „Super Fortress“ ausgestattet wurde. Neben der Erhöhung der Zylinderzahl des Motors können auch folgende Maßnahmen zur Steigerung der Motorleistung ergriffen werden:
Der erste Schritt besteht darin, beim Kraftstoff anzufangen und die Klopffestigkeit des Benzins während der Verbrennung (d. h. die Oktanzahl) zu verbessern. Dadurch wird das Kompressionsverhältnis des Öl-Gas-Gemisches im Zylinder vor der Verbrennung erhöht und der thermische Wirkungsgrad sowie die Ausgangsleistung verbessert. Dieses Verfahren wird bei Kolbenmotoren in Kraftfahrzeugen noch immer häufig verwendet. Zweitens wird mittels Nachbrennertechnologie ein Gemisch aus Wasser und Methanol in den Zylinder gesprüht, was die Motorleistung in kurzer Zeit deutlich steigert. Diese Technologie wurde damals häufig in Triebwerken von Kampfjets eingesetzt. Eine weitere wichtige Maßnahme ist der Einsatz eines Turboladers, der die auf 600–700 °C erhitzten und unter hohem Druck stehenden Abgase des Kolbenmotors in eine Turbine einleitet. Die Turbine treibt den Kompressor an, um den Einlassluftstrom unter Druck zu setzen, und leitet die unter Druck stehende Luft dann zur Verbrennung in den Zylinder ein. Während des Zweiten Weltkriegs war es Flugzeugen auf der berühmten, von China und den USA gemeinsam eröffneten Hump Route mithilfe des Turboladers des Motors möglich, den Himalaya, das sogenannte Dach der Welt, zu überfliegen. Die Turboladertechnologie wird in den Dieselmotoren heutiger großer Lastkraftwagen noch immer häufig eingesetzt.

Mit zunehmender Fluggeschwindigkeit nimmt jedoch auch die Motorleistung weiter zu und das Gewicht des Kolbenmotors nimmt ebenfalls rapide zu, sodass er den Anforderungen eines Hochgeschwindigkeitsflugs nicht mehr gerecht wird. Andererseits nimmt die Effizienz des Propellers ab einer Fluggeschwindigkeit von 700 Kilometern pro Stunde stark ab. Beide Aspekte begrenzen die Steigerung der Fluggeschwindigkeit. Daher ist es für ein Flugzeug mit einer Kolbenflugzeugmotor-Propeller-Kombination unmöglich, die Schallgeschwindigkeit zu erreichen oder zu überschreiten. Um die Fluggeschwindigkeit zu erhöhen, ist die Entwicklung neuer Flugzeugtriebwerke mit höherer Leistung und geringerem Gewicht erforderlich – Strahltriebwerke und Gasturbinentriebwerke.