🟢 ✈️ Flugzeug: Hubkolbenmotorleistung und Effizienz - Reciprocating Engine Power and Efficiencies  🚁 

Arbeit 

Ein Physiker definiert Arbeit als Kraft mal Weg. Die Arbeit, die von einer auf einen Körper wirkenden Kraft geleistet wird, ist gleich der Größe der Kraft multipliziert mit der Entfernung, über die die Kraft wirkt. Arbeit (W) = Kraft (F) × Weg (D).

Arbeit wird an mehreren Maßstäben gemessen. Die gebräuchlichste Einheit heißt Fuß-Pfund (ft-lb). Wenn eine Masse von einem Pfund um einen Fuß angehoben wird, wurde ein ft-lb Arbeit verrichtet. Je größer die Masse und/oder je größer der Abstand ist, desto größer ist die geleistete Arbeit.

PS 

Die übliche Einheit der mechanischen Leistung ist die Pferdestärke (PS). Ende des 18. Jahrhunderts fand James Watt, der Erfinder der Dampfmaschine, heraus, dass ein englisches Arbeitstier über einen angemessenen Zeitraum mit einer Geschwindigkeit von 550 ft-lb pro Sekunde oder 33.000 ft-lb pro Minute arbeiten konnte. Aus seinen Beobachtungen entstand die Einheit Pferdestärke, die im englischen Maßsystem die Standardeinheit für mechanische Leistung ist. Um die PS-Zahl eines Motors zu berechnen, teilen Sie die entwickelte Leistung in ft-lb pro Minute durch 33.000 oder die Leistung in ft-lb pro Sekunde durch 550.  Ein PS = ft-lb pro min / 33.000 oder ein PS = ft- Pfund pro Sekunde / 550

Wie oben erwähnt, ist Arbeit das Produkt aus Kraft und Weg, und Leistung ist Arbeit pro Zeiteinheit. Wenn folglich ein Gewicht von 33.000 lb in 1 Minute über eine vertikale Distanz von 1 Fuß gehoben wird, beträgt die verbrauchte Leistung 33.000 ft-lb pro Minute oder genau 1 PS.

Arbeit wird nicht nur dann verrichtet, wenn eine Kraft zum Heben aufgebracht wird; Kraft kann in jede Richtung ausgeübt werden. Wenn ein 100-Pfund-Gewicht über den Boden gezogen wird, wird immer noch eine Kraft ausgeübt, um Arbeit zu verrichten, obwohl die Richtung der resultierenden Bewegung ungefähr horizontal ist. Die Höhe dieser Kraft würde von der Rauhigkeit des Bodens abhängen.

Wenn das Gewicht an einer in Pfund eingeteilten Federwaage befestigt und dann durch Ziehen am Waagengriff gezogen würde, könnte die erforderliche Kraft gemessen werden. Angenommen, die erforderliche Kraft beträgt 90 Pfund und das Gewicht von 100 Pfund wird in 2 Minuten 660 Fuß weit gezogen. Die in den 2 Minuten verrichtete Arbeitsmenge beträgt 59.400 ft-lb oder 29.700 ft-lb pro Minute. Da 1 PS 33.000 ft-lb pro Minute entspricht, beträgt der PS-Aufwand in diesem Fall 29.700 geteilt durch 33.000 oder 0,9 PS.

Kolbenverschiebung 

Wenn andere Faktoren gleich bleiben, gilt: Je größer der Hubraum des Kolbens, desto größer ist die maximale Leistung, die ein Motor entwickeln kann. Wenn sich ein Kolben von UT nach OT bewegt, verdrängt er ein bestimmtes Volumen. Das vom Kolben verdrängte Volumen ist als Hubraum bekannt und wird für die meisten in Amerika hergestellten Motoren in Kubikzoll und für andere in Kubikzentimetern ausgedrückt. 

Die Kolbenverschiebung eines Zylinders kann durch Multiplizieren der Querschnittsfläche des Zylinders mit der Gesamtstrecke, die der Kolben in einem Hub im Zylinder zurücklegt, erhalten werden. Bei Mehrzylindermotoren wird dieses Produkt mit der Anzahl der Zylinder multipliziert, um den gesamten Hubraum des Motors zu erhalten.

Da das Volumen (V) eines geometrischen Zylinders gleich der Fläche (A) der Grundfläche multipliziert mit der Höhe (h) ist, wird es mathematisch ausgedrückt als:  V = A × h.   Die Grundfläche ist die Querschnittsfläche des Zylinders.

Fläche eines Kreises 

Um die Fläche eines Kreises zu bestimmen, ist es notwendig, eine Zahl namens Pi (π) zu verwenden. Diese Zahl stellt das Verhältnis des Umfangs zum Durchmesser eines beliebigen Kreises dar. Pi kann nicht genau angegeben werden, da es sich um eine unendliche Dezimalzahl handelt. Es ist 3,1416, ausgedrückt mit vier Dezimalstellen, was für die meisten Berechnungen genau genug ist. 

Die Fläche eines Kreises muss wie bei einem Rechteck oder Dreieck in Quadrateinheiten ausgedrückt werden. Der Abstand, der dem halben Durchmesser eines Kreises entspricht, wird als Radius bezeichnet. Die Fläche eines beliebigen Kreises erhält man, indem man den Radius (r) quadriert und mit π multipliziert. Die Formel lautet:  A = πr2. Der Radius eines Kreises ist gleich dem halben Durchmesser:  r = d /2.

Kompressionsrate 

Alle Verbrennungsmotoren müssen das Kraftstoff/Luft-Gemisch komprimieren, um bei jedem Arbeitstakt eine angemessene Menge an Arbeit zu erhalten. Die Kraftstoff/Luft-Ladung im Zylinder kann mit einer Schraubenfeder verglichen werden, da sie umso mehr Arbeit leisten kann, je stärker sie zusammengedrückt wird.

Das Kompressionsverhältnis eines Motors ist ein Vergleich des Raumvolumens in einem Zylinder, wenn sich der Kolben am unteren Ende des Hubs befindet, mit dem Raumvolumen, wenn sich der Kolben am oberen Ende des Hubs befindet. Dieser Vergleich wird als Verhältnis ausgedrückt, daher der Begriff Kompressionsverhältnis. Das Verdichtungsverhältnis ist ein steuernder Faktor für die von einem Motor entwickelte maximale Pferdestärke, wird jedoch durch die heutigen Kraftstoffqualitäten und die für den Start erforderlichen hohen Motordrehzahlen und Krümmerdrücke begrenzt. Wenn beispielsweise 140 Kubikzoll Platz im Zylinder vorhanden sind, wenn sich der Kolben unten befindet, und 20 Kubikzoll Platz vorhanden sind, wenn sich der Kolben am oberen Ende des Hubs befindet, beträgt das Verdichtungsverhältnis 140 zu 20. Wenn Dieses Verhältnis wird in Bruchform ausgedrückt, es wäre 140/20 oder 7 zu 1, normalerweise dargestellt als 7:1. 

Die den Verdichtungsverhältnissen, dem Krümmerdruck und der Wirkung des Krümmerdrucks auf die Verdichtungsdrücke auferlegten Beschränkungen haben einen großen Einfluss auf den Motorbetrieb. Der Ladedruck ist der durchschnittliche absolute Druck der Luft oder der Kraftstoff-/Luftladung im Ansaugkrümmer und wird in Einheiten von Zoll Quecksilbersäule („Hg“) gemessen. Der Ladedruck ist abhängig von der Motordrehzahl (Drosselklappenstellung) und dem Grad der Aufladung Der Betrieb des Kompressors erhöht das Gewicht der in den Zylinder eintretenden Ladung. Wenn ein echter Kompressor mit dem Flugzeugmotor verwendet wird, kann der Saugrohrdruck erheblich höher sein als der Druck der äußeren Atmosphäre. Der Vorteil dieser Bedingung ist, dass eine größere Menge Ladung wird in ein gegebenes Zylindervolumen gedrückt, und es ergibt sich eine größere Leistung an Pferdestärken. 

Das Kompressionsverhältnis und der Ansaugdruck bestimmen den Druck im Zylinder in dem Abschnitt des Arbeitszyklus, wenn beide Ventile geschlossen sind. Der Druck der Ladung vor der Verdichtung wird durch den Krümmerdruck bestimmt, während der Druck auf dem Höhepunkt der Verdichtung (unmittelbar vor der Zündung) durch den Krümmerdruck multipliziert mit dem Verdichtungsverhältnis bestimmt wird. Wenn beispielsweise ein Motor bei einem Ladedruck von 30 "Hg mit einem Verdichtungsverhältnis von 7:1 betrieben würde, würde der Druck im Moment vor der Zündung etwa 210 "Hg betragen. Bei einem Krümmerdruck von 60 "Hg würde der Druck jedoch 420 "Hg betragen.

Ohne sehr ins Detail zu gehen, wurde gezeigt, dass das Kompressionsereignis den Effekt des Variierens des Krümmerdrucks verstärkt und die Größe von beiden den Druck der Kraftstoffladung unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt beeinflusst. Wenn der Druck zu diesem Zeitpunkt zu hoch wird, treten Vorzündungen oder Detonationen auf und erzeugen eine Überhitzung. Frühzündung ist, wenn die Kraftstoff-Luft-Ladung zu brennen beginnt, bevor die Zündkerze zündet. Eine Detonation tritt auf, wenn die Kraftstoff-Luft-Ladung von der Zündkerze gezündet wird, aber anstatt mit einer kontrollierten Rate zu brennen, explodiert sie, was dazu führt, dass Zylindertemperaturen und -drücke sehr schnell ansteigen. Wenn dieser Zustand sehr lange besteht, kann der Motor beschädigt oder zerstört werden.

Angegebene PS 

Die von einem Motor erzeugte indizierte Pferdestärke ist die aus dem indizierten mittleren effektiven Druck und den anderen Faktoren, die die Leistungsabgabe eines Motors beeinflussen, errechnete Pferdestärke. Angegebene Pferdestärken sind die in den Brennkammern entwickelte Leistung ohne Bezugnahme auf Reibungsverluste innerhalb des Motors. Diese Leistung wird als Funktion des während des Motorbetriebs aufgezeichneten tatsächlichen Zylinderdrucks berechnet.  

Um die Berechnung der angezeigten PS zu erleichtern, erfasst eine mechanische Anzeigevorrichtung, wie sie beispielsweise am Motorzylinder angebracht ist, den tatsächlichen Druck, der während des gesamten Betriebszyklus im Zylinder vorhanden ist. Diese Druckänderung kann durch die Art von Graph dargestellt werden, der in Figur gezeigt wird. Beachten Sie, dass der Zylinderdruck beim Verdichtungshub ansteigt, nach der oberen Mitte einen Spitzenwert erreicht und abnimmt, wenn sich der Kolben beim Arbeitshub nach unten bewegt. Da der Zylinderdruck während des Betriebszyklus variiert, wird ein mittlerer Druck (Linie AB) berechnet. Dieser durchschnittliche Druck würde, wenn er während der Zeit des Krafthubs konstant angelegt wird, die gleiche Menge an Arbeit leisten wie der variierende Druck während der gleichen Periode. Dieser durchschnittliche Druck wird als indizierter mittlerer effektiver Druck bezeichnet und ist in der Berechnung der indizierten Pferdestärken mit anderen Motorspezifikationen enthalten. Sind die Kenndaten und der indizierte Mitteldruck eines Motors bekannt, kann die indizierte PS-Zahl berechnet werden.

Die angegebene Pferdestärke für einen Viertaktmotor kann anhand der folgenden Formel berechnet werden, in der die Buchstabensymbole im Zähler so angeordnet sind, dass sie das Wort „PLANK“ buchstabieren, um das Merken der Formel zu erleichtern:  Angegebene Pferdestärke = P*L*A *N*K/33.000 ( Wobei: P = Angegebener mittlerer effektiver Druck, in psi L = Länge des Hubs, in Fuß oder in Bruchteilen eines Fußes A = Fläche des Kolbenbodens oder Querschnittsfläche des Zylinders, Zoll Quadratzoll N = Zahl der Arbeitshübe pro Minute: U/min/2 K = Zahl der Zylinder )

In obiger Formel ergibt die Fläche des Kolbens multipliziert mit dem angegebenen mittleren effektiven Druck die auf den Kolben wirkende Kraft in Pfund. Diese Kraft multipliziert mit der Länge des Hubs in Fuß ergibt die in einem Arbeitshub geleistete Arbeit, die, multipliziert mit der Anzahl der Arbeitshübe pro Minute, die Anzahl der von einem Zylinder erzeugten Arbeit in ft-lb pro Minute ergibt. Das Multiplizieren dieses Ergebnisses mit der Anzahl der Zylinder im Motor ergibt die vom Motor geleistete Arbeit in ft-lb. Da PS als Arbeit definiert ist, die mit einer Rate von 33.000 ft-lb pro Minute verrichtet wird, wird die Gesamtzahl der vom Motor verrichteten ft-lb-Arbeit durch 33.000 geteilt, um die angegebene PS-Zahl zu ermitteln.

Bremsleistung 

Die im vorangegangenen Absatz erörterte Berechnung der angegebenen Pferdestärken ist die theoretische Leistung eines reibungsfreien Motors. Die gesamte Pferdestärke, die bei der Überwindung der Reibung verloren geht, muss von der angegebenen Pferdestärke abgezogen werden, um die tatsächlich an den Propeller gelieferte Pferdestärke zu erhalten. Die Leistung, die dem Propeller für Nutzarbeit zugeführt wird, wird als Bremsleistung (bhp) bezeichnet. Die Differenz zwischen der angezeigten und der Bremsleistung wird als Reibungsleistung bezeichnet. Dies ist die Leistung, die erforderlich ist, um mechanische Verluste zu überwinden, wie z. B. die Pumpwirkung der Kolben, die Reibung der Kolben und die Reibung aller anderen beweglichen Teile. 

Die Messung der PS eines Motors beinhaltet die Messung einer Größe, die als Drehmoment oder Drehmoment bekannt ist. Drehmoment ist das Produkt aus einer Kraft und dem Abstand der Kraft von der Achse, um die sie wirkt, oder  Drehmoment = Kraft × Weg .

Das Drehmoment ist ein Maß für die Belastung und wird korrekt in Pfund-Zoll (lb-in) oder Pfund-Fuß (lb-ft) ausgedrückt. Drehmoment sollte nicht mit Arbeit verwechselt werden, die in Zoll-Pfund (in-lb) oder Fuß-Pfund (ft-lb) ausgedrückt wird.

Es gibt zahlreiche Geräte zum Messen des Drehmoments, wie z. B. einen Dynamometer oder einen Drehmomentmesser. Ein sehr einfacher Gerätetyp, mit dem Drehmomentberechnungen demonstriert werden können, ist die Prony-Bremse. Alle diese Drehmomentmessvorrichtungen sind verwendbar, um die Leistungsabgabe eines Motors auf einem Prüfstand zu berechnen. Es besteht im Wesentlichen aus einem Gelenkring oder einer Bremse, die an einer mit der Propellerwelle verkeilten Trommel festgeklemmt werden kann. Der Bund und die Trommel bilden eine Reibungsbremse, die durch ein Rädchen eingestellt werden kann. Ein Arm bekannter Länge ist starr an dem Scharnierkragen befestigt oder ist ein Teil davon und endet an einem Punkt, der auf einer Waage ruht. Wenn sich die Gelenkwelle dreht, nimmt sie den Gelenkring der Bremse mit und wird nur durch den auf der Waage ruhenden Arm daran gehindert. Die Skala gibt die Kraft an, die erforderlich ist, um die Bewegung des Arms anzuhalten. Multipliziert man die auf der Skala erfasste resultierende Kraft mit der Armlänge, so erhält man als Produkt das von der rotierenden Welle ausgeübte Drehmoment. 

Reibungsleistung 

Die Reibungsleistung ist die angegebene Leistung minus der Bremsleistung. Es ist die Pferdestärke, die ein Motor aufwendet, um die Reibung beweglicher Teile zu überwinden, Kraftstoff anzusaugen, Abgase auszustoßen, Öl- und Kraftstoffpumpen und anderes Motorzubehör anzutreiben. Bei modernen Flugzeugtriebwerken kann dieser Leistungsverlust durch Reibung bis zu 10 bis 15 Prozent der angegebenen Leistung betragen.

Reibungs- und Bremsmitteldruck 

Der zuvor erörterte indizierte mittlere effektive Druck (IMEP) ist der durchschnittliche Druck, der während des Betriebszyklus in der Verbrennungskammer erzeugt wird, und ist ein Ausdruck der theoretischen, reibungsfreien Leistung, die als indizierte Pferdestärke bekannt ist. Abgesehen davon, dass die durch Reibung verlorene Leistung völlig außer Acht gelassen wird, gibt die angegebene Pferdestärke keinen Hinweis darauf, wie viel tatsächliche Leistung an die Propellerwelle geliefert wird, um nützliche Arbeit zu leisten. Er bezieht sich jedoch auf tatsächlich im Zylinder auftretende Drücke und kann als Maß für diese Drücke verwendet werden.

Um den Reibungsverlust und die Nettoleistung zu berechnen, kann man sich die angegebene Leistung eines Zylinders als zwei getrennte Leistungen vorstellen, die jeweils einen anderen Effekt haben. Die erste Leistung überwindet die innere Reibung, und die so verbrauchte Leistung wird als Reibungsleistung bezeichnet. Die zweite Leistung, bekannt als Bremsleistung, leistet nützliche Arbeit am Propeller. Der Teil des IMEP, der Bremsleistung erzeugt, wird als mittlerer effektiver Bremsdruck (BMEP) bezeichnet. Der verbleibende Druck, der zur Überwindung der inneren Reibung verwendet wird, wird als mittlerer effektiver Reibungsdruck (FMEP) bezeichnet. IMEP ist ein nützlicher Ausdruck der Gesamtleistung des Zylinders, aber keine echte physikalische Größe; Ebenso sind FMEP und BMEP theoretische, aber nützliche Ausdrücke für Reibungsverluste und Nettoleistungsabgabe.

Obwohl BMEP und FMEP im Zylinder keine wirkliche Existenz haben, bieten sie ein praktisches Mittel zur Darstellung von Druckgrenzen oder zur Bewertung der Motorleistung über den gesamten Betriebsbereich. Es besteht eine Arbeitsbeziehung zwischen IMEP, BMEP und FMEP.

Eine der grundlegenden Einschränkungen, die dem Motorbetrieb auferlegt werden, ist der während der Verbrennung im Zylinder entwickelte Druck. Bei der Diskussion von Verdichtungsverhältnissen und indiziertem Mitteldruck wurde festgestellt, dass ein erhöhter Druck in Grenzen zu einer höheren Leistung führt. Es wurde auch angemerkt, dass, wenn der Zylinderdruck nicht innerhalb enger Grenzen geregelt würde, gefährliche interne Belastungen entstehen würden, die zu einem Motorausfall führen könnten. Daher ist es wichtig, diese Zylinderdrücke als Schutzmaßnahme und für eine effiziente Kraftanwendung zu bestimmen.

Schubkraft 

Die Schubleistung kann als Ergebnis der Zusammenarbeit von Motor und Propeller angesehen werden. Wenn ein Propeller zu 100 Prozent effizient konstruiert werden könnte, wären der Schub und die bph gleich. Der Wirkungsgrad des Propellers variiert jedoch mit der Motordrehzahl, Fluglage, Höhe, Temperatur und Fluggeschwindigkeit. Daher wird das Verhältnis der Schubkraft in Pferdestärken und der an die Propellerwelle gelieferten bhp niemals gleich sein. Wenn beispielsweise ein Motor 1.000 PS entwickelt und mit einem Propeller mit 85 Prozent Wirkungsgrad verwendet wird, beträgt die Schubleistung dieser Motor-Propeller-Kombination 85 Prozent von 1.000 oder 850 Schub-PS. Von den vier diskutierten PS-Typen ist es die Schub-PS, die die Leistung der Motor-Propeller-Kombination bestimmt.