Das ScaleWings AeroHybrid - System

 

Für bestimmte Flugsituationen benötigt ein Flugzeug wesentlich mehr Leistung, als für den ökonomischen Reiseflug erforderlich ist. Ein für den sparsamen Reiseflug ausgelegter Verbrennungsmotor, kombiniert mit einem zusätzlichen Elektromotor für die Spitzenleistung, hätte hier eindeutig Vorteile. Zudem würde eine vorübergehende Entkopplung von Verbrennungsmotor und Luftschraube und damit vorübergehend freidrehendem Propeller die Möglichkeit bieten, Flugzeuge auch ohne Verbrennungsmotor per Elektromotor elektrisch betreiben zu können.

ScaleWings setzt mit der Entwicklung des AeroHybrid neue Maßstäbe und wendet die Hybrid-Technologie, so wie wir sie vom Automobil her kennen, mit außergewöhnlichen Konzepten maßgeschneidert auf die leichte Luftfahrt an.

Die Vorteile des AeroHybrid – Systems in der ersten Stufe:

In besonderen Flugsituationen wäre es von großem Vorteil, kurzfristig zusätzliche Motorleistung zur Verfügung zu haben.

Eine wesentliche kurzfristige Leistungserhöhung wäre wünschenswert

  • für eine kürzere Startrollstrecke
  • für ein sicheres Überfliegen von Hindernissen direkt nach dem Start
  • für ein Überwinden von Hindernissen im Flug
  • für kurzzeitige Steigflugphasen
  • zum schnelleren Erreichen einer Mindestsicherheitsflughöhe
  • für Steigphasen im Kunstflug

 

sw.AeroHybrid 01    sw.AeroHybrid 03

Die Bereitstellung dieser zusätzlichen Leistung würde aber einen leistungsstärkeren, größeren und damit wesentlich schwereren Verbrennungsmotor erfordern, welcher aber dann im Reiseflug immer nur im niedrigeren Teillastbereich betrieben wird. Hier würde der Verbrennungs­motor dann aber nicht im optimalen Betriebsbereich betrieben werden, wodurch die Effizienz sinken und die spezifischen Verbrauchswerte des Verbrennungsmotors wesentlich steigen würden.

Ziel des sw.AeroHybrid ist, einen kleinen, leichten und effizienten Verbrennungsmotor für den ökonomischen Reiseflug zu installieren, der in dieser Flugphase im optimalen Betriebspunkt läuft. Die zusätzliche Leistung für die oben angeführten besonderen Betriebsbedingungen soll ein Elektroantrieb als Hybridkomponente leisten, welcher immer nur kurzfristig bei Bedarf eingesetzt wird. Hierdurch kann der Energiespeicher (Akkumulator, Supercap, odgl.) sehr klein und leicht gewählt werden, da die Leistung nur kurzfristig zu erbringen ist. Im Reiseflug läuft der Verbrennungsmotor z.B. mit 85-90 % seiner Leistung, beim Start im Steigflug und in kurzen Kunstflugphasen gibt der Motor 100 % seiner Leistung ab. Der zusätzlich angebrachte Elektromotor des AeroHybrid kann nun kurzfristig mehr als 50 PS Leistung zusätzlich zur Verfügung stellen.

 

Die technischen Details des sw.AeroHybrid - Systems

 

Positionierung und Funktion des Elektromotors/Generators

ScaleWings hatte sich zur Aufgabe gestellt, einen bürstenlosen Hochleistung-Elektromotor zur Leistungserhöhung zu installieren, ohne dass am Antriebsmotor etwas umzubauen, zu demontieren oder gar der Verbrennungsmotor auszubauen ist.

Der ScaleWings Hybridmotor wird hinter dem Propellerflansch ohne Demontagen am Motor montiert und mit den Propellerschrauben mitbefestigt. D.h. der Rotor des Elektromotors dreht direkt mit dem Propeller mit und kann so die Energie ohne Verluste auf den Propeller übertragen.

Auch der Stator (der Stromspulenteil des Elektromotors) wird von der Propellerwelle getragen und ist im glockenförmigen Magnetkörper des Rotors drehbar gelagert. Die einzige zusätzliche Verbindung ist eine Verbindung zum Gehäuse des Verbrennungsmotors, um das Gegendrehmoment übertragen zu können.

 

Die Technik des ScaleWings AeroHybrid-Systems

ScaleWings ist mit der patentierten Technologie des AeroHybrid-Systems neue Wege gegangen und erreicht hiermit eine ganze Reihe an Vorteilen und Weltneuheiten.

Der Brushless-Motor beinhaltet nicht nur die Rotor- und Statorkomponenten eines normalen bürstenlosen Elektromotors, sondern integriert in dem Motorgehäuse auch sämtliche Komponenten, die für die Leistungsregelung, die Generatorfunktion und die Kühlung erforderlich sind.

Der ScaleWings AeroHybrid-Motor benötigt keinen externen Leistungsregler. Die gesamte Leistungsregelung erfolgt direkt im Motor und zwar ohne jegliche zusätzlich Verkabelung für die Verbindungen zu den regelnden Halbleitern oder den einzelnen Spulen. Hierdurch kann der Motor wesentlich leichter und zuverlässiger aufgebaut werden, als man dies bisher für möglich gehalten hat. Zudem hat dies den großen Vorteil, dass der Betrieb nicht nur mit EINEM Akkumulator, der fix im Flugzeug eingebaut werden muss, funktioniert. Je nach Bedarf können so viele und so leistungsfähige Akkumulatoren oder Supercaps (Hochleistungskondensatoren) eingesetzt werden, wie man dies eben für den jeweiligen Flug haben möchte.

Dies ermöglicht, dass man z.B. für den einen Flug nur so viel Akku-Kapazität mitnimmt, wie man dies zur Unterstützung für eine sichere Außenlandung im Fall eines Motorausfalls benötigt. Für den nächsten Flug klickt man z.B. bis zu acht oder größere Akkumulatoren in das Flugzeug, um z.B. im Kunstflug eine noch höhere Leistung eventuell auch über eine etwas längere Zeit zur Verfügung zu haben.

Je nach Beladung und Betriebsart kann so der Hybridantrieb gewichts- und einsatzdauerseitig an den täglichen Bedarf angepasst werden.

 

Die Leistungs- und Rückladeregelung des AeroHybrid

Standardmäßig ist der vom Piloten zu bedienende Leistungshebel für den Motor mittels eines Gestänges oder eines Seils mit dem Vergaserhebel(n) oder anderen Regelelementen (z.B. Ansaugklappe beim Einspritzmotor) verbunden. Beim Zurücknehmen des Leistungshebels, also wenn nicht die volle Verbrennungsmotorleistung für den Antrieb eingesetzt werden soll, wird die überschüssige Energie automatisch wieder in den Akkumulator des Hybridsystems zurückgeladen. Das Steuerungssystem ist daher so ausgelegt, dass z. B. bei Halbgas, also bei halber Stellung des Leistungshebels, der Motor von der Hybridsteuerung dennoch mit fast voller Leistung betrieben wird. Die Überschussenergie wird dabei vom bürstenlosen Antriebsmotor, der nun die Generatorfunktion übernimmt, über eine Regeleinheit in den Akku zurückgeladen.

Das patentierte System des sw.AeroHybrid erreicht dies, indem in die mechanische Verbindung (Seil, Gestänge, odgl.) vom Leistungshebel, welcher sich im Cockpit befindet, zum Verbrennungsmotor im Motorraum, eine Steuerbox dazwischengesetzt wird.

Es wird lediglich das Gasseil vom Gashebel zum Motor aufgetrennt. An den beiden Seiten der AeroHybrid-Steuerbox befinden sich die Anschlüsse für die Verbindung zum Leistungshebel und an der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses zum Motor, an welche jeweils die beiden Enden des Gasseils anzuschließen sind.

Ohne Aktivierung des AeroHybrid ist das Seil vom Gashebel kommend mechanisch direkt mit dem Seil zum Motor verbunden und der Pilot regelt den Motor gleich wie ohne Hybridsystem. Wenn der Pilot das AeroHybrid aktiviert und die Leistung zurück nimmt, kann der AeroHybrid nun über einen hochwertigen, in der Steuerbox integrierten Servoantrieb mehr Gas geben und die Überschussleistung über den nun als Generator funktionierenden Antriebsmotor in den Akkumulator zurückführen.

Sobald der Akku voll ist, wird die Ladung beendet und die zusätzlich angeforderte Verbrennungsmotorleistung wieder auf die vom Piloten laut Gashebel angeforderte Leistung reduziert. Der Pilot selbst merkt von alledem nichts, da am Propeller immer nur die laut Gashebelstellung angeforderte Leistung anliegt.

Im Störungs- oder Notabschaltfall des Systems ist der Gashebel automatisch wieder direkt mechanisch mit dem Motor verbunden und der Pilot hat die alleinige Kontrolle über die Leistung des Verbrennungsmotors. Der Fall, dass der Verbrennungsmotor in einem Störungsfall des Hybridsystems weniger Leistung als vom Pilot angefordert bringt, ist durch die spezielle mechanische Lösung in der Steuerbox ausgeschlossen.

 

Leistungshebel

Die Leistungsregelung des Verbrennungsmotors samt der Hybridkomponente erfolgt mit einem speziellen Leistungshebel, welcher die gewünschte Leistung von 0 % bis 100 % der Verbrennerleistung zum Verbrennungsmotor überträgt. Über die 100%-Verbrennungsmotorleistung hinaus kann die zusätzliche Elektromotorleistung abgerufen werden. Um sicherzustellen, dass während des Fluges nicht unabsichtlich elektrische Leistung vom Hybridzusatzantrieb abgerufen wird, kann der Leistungshebel nur über die 100%-Stellung des Verbrennungsmotors gestellt werden, wenn eine Raste überwunden oder eine Entriegelung betätigt wird.

Durch diese spezielle Entriegelungsfunktion des Leistungshebels wird verhindert, dass während des Fluges der Akkumulator unabsichtlich mit dem Hybridsystem entladen wird und beim Leistungsbedarf dann nur mehr wenig oder keine elektrische Energie zur Verfügung stehen würde.

Durch diese spezielle Montage des Elektromotors und des speziell für den AeroHybrid entwickelte Steuersystem kann der zusätzliche Antrieb mit nur wenig Aufwand an nahezu jeden Flugmotor angebaut und auch die Steuerung mit einfachen Mitteln integriert werden.

Der Verbrennungsmotor wird durch die Integration des AeroHybrid nicht größer als ohne Hybrid-System. Der Verbrennungsmotor sowie die Luftschraube samt Spinner bleiben in der ursprünglichen Position. Am Verbrennungsmotor ist für die Montage des AeroHybrid in der ersten Stufe nichts zu zerlegen. Auch der Motor kann eingebaut bleiben.

 

Zusätzliche Vorteile des AeroHybrid – Systems mit der zweiten Stufe:

 

Trennung Verbrennungsmotor – Luftschraube

Der Verbrennungsmotor treibt die Luftschraube normalerweise direkt oder über ein zwischengeschaltetes Getriebe an. Beim Einsatz eines Rotax-Motors erfolgt die Kraftübertragung von der Kurbelwelle zum Propeller über ein Getriebe, in welches in der Regel auch eine Rutschkupplung integriert ist.

Der AeroHybrid macht sich dies zunutze und bietet die Möglichkeit, durch den Tausch der originalen Rotax-Rutschkupplung gegen die hydraulisch betätigte AeroHybrid-Kupplung. Hierdurch kann die Verbindung vom Verbrennungsmotor zur Luftschraube getrennt werden.

Der Propeller ist sodann frei drehbar, wodurch sich folgende, völlig neue Betriebsvarianten realisieren lassen:

 

Electrical take off  -  Fly with fuel

Viele Flugplatzbetreiber kämpfen mit Lärmproblemen durch startende Flugzeuge. Ultraleicht- und Leichtflugzeuge sind zwar im Verhältnis zu älteren Motorflugzeugen wesentlich leiser, dennoch kommt es oft zu Problemen mit Flugplatzanrainern.

Durch die vorübergehende Entkopplung von Verbrennungsmotor und Luftschraube wird der Propeller frei drehbar und kann nun auch ausschließlich vom Elektromotor angetrieben werden.

Ein Propeller ist grundsätzlich für den Flugbetrieb ausgelegt, weshalb der Wirkungsgrad beim Start wesentlich unter jenem im Reiseflug liegt. Der Wirkungsgrad eines Propellers liegt hier bei nur ca. 55 – 58 %. Durch einen Verstellpropeller kann dies zwar etwas verbessert, aber nicht ausgeglichen werden.

Der AeroHybrid geht hier daher einen anderen Weg für die Beschleunigung des Flugzeuges bis zum Abheben.

Die Felgen der Haupträder des Flugzeuges sind gleichzeitig zwei bürstenlose Hochleistungsmotoren, mit denen die Beschleunigung des Flugzeuges erfolgt. Der Wirkungsgrad der Antriebsräder liegt bei ca. 95 % im Gegensatz zum Propeller, der in der Startphase nur ca. 55 - 58 % der Leistung in die Beschleunigung des Flugzeuges umsetzen kann.

Während des Anrollens und Beschleunigens wird nur so viel auf Leistung auf den Elektromotor für den Propellerantrieb geschaltet, dass dieser nicht bremst, sondern in kleinem Ausmaß Schub erzeugt. Der weitaus größte Teil der zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung wird auf die Radnabenmotoren gegeben, die gleichzeitig die Radfelgen des Hauptfahrwerks darstellen. Hierdurch verläuft die Beschleunigungsphase des Flugzeuges auf der Piste kaum hörbar.

Durch diesen besonderen Beschleunigungsvorgang werden in der Beschleunigungsphase ca. 40 % an elektrischer Energie für die Beschleunigung auf Abhebegeschwindigkeit eingespart.

Erst kurz vor dem Abheben wird dann wesentlich mehr Leistung auf den Propeller gegeben. Sobald die Räder den Bodenkontakt verlieren, drehen sich diese durch. Die Elektronik registriert dies und schaltet die Leistung auf die Antriebsräder ab und gibt die volle Leistung auf den Elektromotor, der die Luftschraube antreibt und das Flugzeug auf Höhe bringt.

Nachdem man lärmempfindliche Abflugbereiche überflogen hat bzw. beim Erreichen einer entsprechenden Flughöhe kann vom Piloten auf den Verbrennungsmotor umgeschaltet werden, indem dieser auf den „Fly with fuel – Knopf“ drückt. Die Kupplung, die den Verbrennungsmotor von der Propellerwelle getrennt hat, wird geschlossen und die Zündung eingeschaltet. Dadurch wird der Verbrennungsmotor vom AeroHybrid-Motor in Drehung versetzt und gestartet. Die Elektronik registriert die zusätzliche Leistung, die nun vom Verbrennungsmotor kommt, und schaltet den Elektromotor aus.

Sobald der Pilot nach Erreichen der gewünschten Flughöhe die Leistung des Motors zurücknimmt, führt die AeroHybrid-Steuerung die Überschussleistung sofort in die Akkumulatoren zurück. Hierdurch sind diese bereits nach kurzer Zeit wieder voll geladen.

 

Lautloser Landeanflug

Das ScaleWings AeroHybrid-System bietet die Möglichkeit, den Verbrennungsmotor im Landeanflug durch den Druck auf den „Elektrical flight – Knopf“ komplett abzuschalten. Das Steuersystem des AeroHybrid schaltet sodann die Zündung des Motors aus und öffnet danach die Kupplung. Die Luftschraube dreht sich nun leer im Luftstrom mit, wodurch ein nahezu lautloser Landeanflug möglich ist.

Ist im Endanflug nun doch etwas Motorleistung gewünscht, so wird der Propeller über den Elektromotor angetrieben, wodurch kaum Lärm entsteht.

Wird im Notfall Vollgas gegeben, so läuft der Elektromotor sofort mit voller Last und startet zudem den Verbrennungsmotor durch das Schließen der Kupplung sowie dem Einschalten der Zündung wieder, sodass die volle Verbrennungsmotor- als auch die Elektromotorleistung zur Verfügung steht.

Bei einem steileren Anflug kann der Propeller über den Hybridmotor, der dann als Elektrobremse funktioniert, gebremst werden, wodurch das Flugzeug im Landeanflug auch nahezu lautlos gebremst werden kann.

 

Sicherheit im Notfall

Durch die mögliche Trennung der Verbindung von Verbrennungsmotor zur Luftschraube bietet das AeroHybrid-System die Möglichkeit, beim Ausfall des Verbrennungsmotors mit elektrischer Energie weiter zu fliegen. Abhängig von der mitgeführten Akkukapazität unterstützt der AeroHybrid den Piloten bei einer motorgestützten und damit viel sichereren Außenlandung oder auch bis zum Erreichen des nächsten Flugplatzes.

Durch das modulare Akkumulatorenkonzept des sw.AeroHybrid kann die mitgeführte Leistung entsprechend der bereits vorhandenen Zuladung des Flugzeuges für jeden Flug neu gewählt werden. Bei ohnehin großer Zuladung wird für den einen Flug z.B. nur weniger Kapazität mitgeführt, für einen anderen Flug, z.B. für einen Solo-Kunstflug, kann ein Vielfaches an Akkukapazität mitgeführt werden. Es sind immer nur die hierfür erforderlichen Akkus in die entsprechenden Aufnahmen ins Flugzeug zu klicken.

Auf Basis dieses weltweit zum Patent angemeldeten Konzepts sowie vieler weiterer patentierter Detaillösungen bietet der ScaleWings AeroHybrid den Piloten eine durchdachte Lösung für eine kurzzeitig wesentliche Leistungserhöhung für den Start und während des Fluges, die Lärmvermeidung bei Start und Landung, sowie eine Sicherheitslösung für den Fall eines Motorausfalls.

 

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In der Projektplanung erwartete Spezifikationen:

Hybrid-Motor inkl. Leistungsregelung            Durchmesser 232 mm

Spitzenleistung kurzzeitig                               ca. 70 PS / 52 kW

Dauerleistung                                                 ca. 55 PS / 40 kW

Motorengewicht inkl. Leistungsregelung                  ca. 8 kg

Systemsteuerung                                               ca. 0,3 kg

 

Akkumulatoren-Gewichte

LiFePo Akkumulator-System                        ca. 0,19 kg   pro PS Wellenleistung pro Minute Laufzeit

Zum Beispiel:     25 PS, 2 Minuten = 9,5 kg    (z.B. für eine sichere Außenlandung, usw.)

LiPo Akkumulator-System                                  ca. 0,13 kg   pro PS Wellenleistung pro Minute Laufzeit   (Nachteil: Brandgefahr)

Zum Beispiel:     65 PS, 40 Sekunden = 5,6 kg   (z.B. für Kunstflug, Electrical take off, usw.)

 

Rotax 912 und Kunstflug

Der Ordnung halber wollen wir darauf hinweisen, dass Rotax den Betrieb der 912er-Varianten für den Kunstflug nicht erlaubt. Garantie- und Gewährleistungsfragen, auch in Bezug auf den AeroHybrid-Einsatz, müssen noch mit Rotax geklärt werden.

 

Entwicklung

Die sehr erfolgreich verlaufenen Tests mit den Prototypenmotoren haben die rechnerischen Leistungsdaten bestätigt.

Die Entwicklung der integrieren Leistungsregelung ist derzeit im Gange.

 

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