MISTRAL Engines har utvecklat en ny vattenkyld rotationskolvmotor som kan drivas med flera bränsletyper. Den är elektroniskt styrd och uppfyller det moderna allmänflygets krav.
För att demonstrera hur vibrationsfri drift ska fungera ställer Yann Olivier ett glas vin på motorn och drar på gasen. Varvtalet ökar – 3 000, 4 000, 5 000 r/min och ännu mer. Grenröret började glöda, först rödhett, sedan lysande vitt. Men glaset står stadigt på sin plats, knappt en krusning på vinets yta.
– Försök göra om det med en konventionell kolvmotor. Glaset skulle ramla av efter ett ögonblick, säger Yann Olivier, motorsystemchef vid MISTRAL Engines SA i schweiziska Genève.
Företagets entusiastiska utvecklingsgrupp har tagit fram en innovativ rotationskolvmotor för allmänflyg som erbjuder många fördelar jämfört med konventionella motorer med fram- och återgående kolvar.
I marknaden för allmänflyg (General Aviation) ingår alla flygplan utom militära och linjetrafikflygplan. Världen över finns omkring 300 000 allmänflygplan, mest små till medelstora. I sådana flygplan har konventionella kolvmotorer alltid varit vanligast. Men motorer vars kolvar ändrar rörelseriktning tusentals gånger per minut har sina inneboende begränsningar. 2001 insåg en grupp privatpiloter och flygplansägare i Schweiz att rotationskolvmotorer, moderniserade med det senaste inom elektroteknik, skulle kunna erbjuda betydande fördelar. De startade ett företag med syfte att utveckla
en ny typ av motor för allmänflyg, baserad på wankelmotorn.
Felix Wankel utvecklade rotationskolvmotorn i Tyskland på 1950-talet. Hans första framgångsrika prototyp sattes i drift 1957. I denna typ av motor roterar en i princip triangelformad rotor i ett mer eller mindre ovalt hus (den ovala formen beskrivs mer exakt av begreppet epitrochoid). Bränslet förbränns i de variabla utrymmen som uppstår mellan rotorn och huset under kolvens rotation. Eftersom rotationskolvmotorn inte har några högt belastade fram- och återgående delar är den tillförlitlig, långlivad och har låga underhållskostnader. Den är kompakt och har ett utmärkt effekt-/viktförhållande. Dessutom kan den drivas med flera bränsletyper.
Rotationskolvmotorer användsi många typer av fordon och utrustningar, exempelvis bilar, obemannade flygplan, go-kart, jetski, motorsågar och hjälpkraftenheter. Inom bilbranschen har motortypen framför allt använts av japanska Mazda. 1991 vann en wankelmotordriven Mazda uthållighetsloppet Le Mans 24-timmars i Frankrike. Året därpå ändrades reglerna så att motortypen inte längre tilläts i tävlingen.
– Wankelmotortekniken är beprövad, säger Philippe Durr, VD för MISTRAL. Den stora nackdelen har hittills varit motorns höga bränsleförbrukning. Men med modern digital motorstyrningsteknik har bränsleförbrukningen pressats till en nivå som är jämförbar med konventionella flygmotorer. Vårt amerikanska dotterbolag MISTRAL Engines USA Inc arbetar för att få fram ett typgodkännande från USAs flygtrafikmyndighet FAA (Federal Aviation Authority). För att få ett sådant godkännande måste man kunna visa att motorn uppfyller ett stort antal säkerhetsorienterade och tekniska krav. Detta är det största hindret mot att ta sig in på marknaden för allmänflyg.
Marknaden för allmänflyg består av tre kundtyper: hemmasnickare som bygger sina egna flygplan från ritningar, OEM-tillverkare, till exempel Cessna och Piper som monterar typgodkända motorer i sina egna flygplanskonstruktioner, och slutligen utbytesmarknaden.
– OEM-marknaden är den största, men utbytesmarknaden är också viktig, säger Philippe Durr. Ett flygplan har en genomsnittlig livslängd på 35 år, men en flygmotor bara 12 år. Man kan alltså räkna med att ett flygplan kommer att ha tre motorer under sin livstid. Med 300 000 flygplan på den allmänna flygmarknaden världen över betyder det mängder av utbytesmotorer.
I MISTRALs produktlinjeingår två- och trerotormotorer med normal insugning för såväl flygplan som helikoptrar. Lyfteffekten ligger på 148 kilowatt (200 hk) respektive 220 kilowatt (300 hk). Turboladdade versioner på 170 kilowatt (230 hk) och 265 kilowatt (360 hk) är under utveckling. Dessa motorer kan drivas med de flesta kvaliteter av bilbränsle och flygbränsle, med eller utan blytillsats, och accepterar upp till 15 procent etanolinblandning. I framtidsplanerna ingår en serie MISTRAL-motorer för jetbränsle (JET-A1).
MISTRAL-motorernas tillförlitlighet och långa livslängd beror på inneboende konstruktionsmässiga egenskaper. För det första är motorn extremt enkel. En motorenhet på 75 kilowatt (100 hk) består av tre delar: ett hus, en rotor och en axel. En konventionell motor med fram- och återgående kolvar på 37 kilowatt (50 hk) består av fler än 30 delar. För det andra roterar motordelarna i MISTRAL och belastas därmed mindre än komponenterna i motorer med fram- och återgående kolvar. Resultatet är mindre frekventa och mindre kostsamma översyner. Piloter talar om TBO – Time Between Overhauls – ett tvingande värde för hur ofta en flygplansmotor måste ses över. MISTRALs mål för TBO är 3 000 timmar, mot omkring 2 000 timmar för jämförbara konventionella motorer.
Enkelheten betyder lättare och kompaktare motorer. En MISTRAL-motor har låg vikt (132 kg för 148 kW-modellen respektive 177 kg för 220 kW-modellen). Det innebär att flygplanet får större lastkapacitet och att dess frontalyta blir mindre än för ett flygplan med en motsvarande konventionell motor. Detta ger flygplanet bättre aerodynamiska egenskaper.
Men fördelarna är fler än så. MISTRAL-motorn är vätskekyld (konventionella motorer för lätta flygplan är luftkylda). Därmed arbetar den vid konstant temperatur och undviker de problem med plötsliga temperaturförändringar som annars kan uppstå vid snabba nedstigningar med lågt motorpådrag.
Även om en MISTRAL-motor arbetar vid relativt höga varvtal – över 6 000 r/min – sänker en inbyggd reduktionsväxel på 2,8 till 1 propellervarvtalet till
ideala 2 100 till 2 200 r/min. Detta, tillsammans med motorns inneboende mjuka gång, minskar bullernivån med omkring 10 dB, såväl inuti förarkabinen som på flygplanets utsida.
Dessutom finns ensärskild säkerhetsaspekt som är viktig i flygplan, framför allt i helikoptrar: Ett mekaniskt haveri är vanligtvis detsamma som omedelbar katastrof i en motor med fram- och återgående kolvar. I en havererande rotationskolvmotor sker däremot effektminskningen gradvis.
På frågan om hur mycket en MISTRAL-motor kostar svarar Philippe Durr:
– En direkt kostnadsjämförelse mellan en MISTRAL-motor och en konventionell motor är missvisande. Inköpspriset för en rotationskolvmotor är visserligen något högre än för en konventionell motor med samma effekt. Men den höga tillförlitligheten och livslängden, de låga underhållskostnaderna samt bränsleflexibiliteten innebär att de totala ägandekostnaderna för en MISTRAL-motor blir lägre.
Hur ser framtiden ut för företaget?
– Hindren för att komma in på den här marknaden är höga, så man måste verkligen tro på sin produkt, säger Philippe Durr. MISTRAL är ett privatägt företag och vi är beredda på en lång kamp. Även om vi redan har sålt ett antal motorer till experimentflygplan och helikoptrar blir det ingen riktig fart på försäljningen förrän vi har fått ett godkännande från FFA.
– SKF-lagren på motoraxeln är avgörande komponenter i konstruktionen, tillägger han. Vi måste vara oerhört noggranna i vårt val av leverantörer. Fullständig kvalitet i produkterna är nödvändigt. Varje enskild komponent måste vara spårbar. Och vi måste kunna lita på våra leverantörer på lång sikt. Om vi exempelvis skulle byta lagerleverantör måste vi starta om hela proceduren med FAA-godkännandet. Därför valde vi SKF.
SKF levererar propelleraxellager och andra motorkomponenter till MISTRAL Engines. Bland dessa kan nämnas fyrpunktskontaktkullager, spårkullager samt högtemperatursäkra och oljehärdiga fluorpolymertätningar. Lagren tillverkas av SKFs dotterbolag Somecat SpA i Pianezza nära italienska Turin. Fabriken tillverkar specialkullager och cylindriska rullager för flygindustrin och andra krävande applikationer. Varje flygmotorlager tillverkas i högsta materialkvalitet. Lagren får individuella koder och nummer för att ge total spårbarhet.
