Betriebszyklen
Es werden mehrere Betriebszyklen verwendet: 1. Viertakt 2. Zweitakt 3. Kreisel 4. Diesel
Viertaktzyklus
Die überwiegende Mehrheit der zugelassenen Flugzeug-Hubkolbenmotoren arbeitet im Viertakt-Zyklus, der nach seinem Urheber, einem deutschen Physiker, manchmal auch als Otto-Zyklus bezeichnet wird. Der Viertaktmotor hat viele Vorteile für den Einsatz in Flugzeugen. Ein Vorteil ist, dass es sich durch Aufladung leicht für hohe Leistung eignet.
Bei diesem Motortyp sind vier Takte erforderlich, um die erforderliche Reihe von Ereignissen oder den Betriebszyklus jedes Zylinders abzuschließen. Für die vier Takte sind zwei vollständige Umdrehungen der Kurbelwelle (720°) erforderlich; somit zündet jeder Zylinder in einem Motor dieses Typs einmal alle zwei Umdrehungen der Kurbelwelle. Beachten Sie bei der folgenden Erörterung des Viertakt-Motorbetriebs, dass der Zeitpunkt der Zündung und die Ventilereignisse bei verschiedenen Motoren beträchtlich variieren. Viele Faktoren beeinflussen das Timing eines bestimmten Motors, und es ist äußerst wichtig, dass die diesbezüglichen Empfehlungen des Motorherstellers bei Wartung und Überholung befolgt werden. Der Zeitpunkt der Ventil- und Zündereignisse wird immer in Grad Kurbelwellenweg angegeben. Es sollte daran erinnert werden, dass ein gewisser Kurbelwellenweg erforderlich ist, um ein Ventil vollständig zu öffnen; daher repräsentiert die spezifizierte Zeitsteuerung eher den Öffnungsbeginn als die vollständig geöffnete Position des Ventils. Ein beispielhaftes Ventilzeitdiagramm ist in Abbildung zu sehen.
Ansaughub
Während des Ansaugtakts wird der Kolben durch die Drehung der Kurbelwelle im Zylinder nach unten gezogen. Dadurch sinkt der Druck im Zylinder und Luft unter atmosphärischem Druck strömt durch den Vergaser, der die richtige Kraftstoffmenge dosiert. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch gelangt durch die Ansaugrohre und Einlassventile in die Zylinder. Die Menge oder das Gewicht der Kraftstoff/Luft-Füllung hängt vom Öffnungsgrad der Drosselklappe ab.
Das Einlassventil wird beträchtlich geöffnet, bevor der Kolben beim Auslasstakt den oberen Totpunkt erreicht, um eine größere Menge der Kraftstoff/Luft-Ladung in den Zylinder einzuleiten und somit die Leistung zu erhöhen. Der Abstand, um den das Ventil vor dem oberen Totpunkt geöffnet werden kann, wird jedoch durch mehrere Faktoren begrenzt, wie z. B. die Möglichkeit, dass heiße Gase, die aus dem vorherigen Zyklus im Zylinder verbleiben, in das Ansaugrohr und das Ansaugsystem zurückströmen können.
Bei allen Hochleistungs-Flugzeugtriebwerken sind sowohl die Einlass- als auch die Auslassventile am oberen Totpunkt zu Beginn des Einlasshubs von den Ventilsitzen entfernt. Wie oben erwähnt, öffnet das Einlassventil vor dem OT beim Auslasstakt (Ventilvoreilung), und das Schließen des Auslassventils wird beträchtlich verzögert, nachdem der Kolben den OT passiert hat und den Einlasstakt begonnen hat (Ventilverzögerung). Dieses Timing wird als Ventilüberschneidung bezeichnet und soll die interne Kühlung des Zylinders unterstützen, indem das kühle einströmende Kraftstoff-Luft-Gemisch zirkuliert, die Menge des in den Zylinder eingeführten Kraftstoff-Luft-Gemischs erhöht und das Ausspülen der Nebenprodukte der Verbrennung unterstützt wird vom Zylinder.
Das Einlassventil ist zeitlich so eingestellt, dass es etwa 50° bis 75° hinter dem unteren Totpunkt beim Verdichtungshub schließt, je nach spezifischem Motor, damit der Impuls der einströmenden Gase den Zylinder vollständiger füllen kann. Aufgrund des vergleichsweise großen Volumens des Zylinders über dem Kolben, wenn sich der Kolben nahe dem unteren Totpunkt befindet, hat die leichte Aufwärtsbewegung des Kolbens während dieser Zeit keine große Auswirkung auf den einströmenden Gasstrom. Dieses späte Timing kann zu weit getrieben werden, da die Gase durch das Einlassventil zurückgedrängt werden können und den Zweck des späten Schließens zunichte machen.
Kompressionshub
Nachdem das Einlassventil geschlossen ist, komprimiert die fortgesetzte Aufwärtsbewegung des Kolbens das Kraftstoff/Luft-Gemisch, um die gewünschten Verbrennungs- und Expansionseigenschaften zu erhalten. Die Ladung wird mittels eines elektrischen Funkens gezündet, wenn sich der Kolben dem oberen Totpunkt nähert. Der Zündzeitpunkt variiert von 20° bis 35° vor dem oberen Totpunkt, abhängig von den Anforderungen des spezifischen Motors, um eine vollständige Verbrennung der Ladung zu dem Zeitpunkt sicherzustellen, zu dem der Kolben leicht hinter der oberen Totpunktposition ist.
Viele Faktoren beeinflussen den Zündzeitpunkt, und der Motorhersteller hat viel Zeit in Forschung und Tests investiert, um die beste Einstellung zu ermitteln. Alle Motoren enthalten Vorrichtungen zum Einstellen des Zündzeitpunkts, und es ist äußerst wichtig, dass das Zündsystem gemäß den Empfehlungen des Motorherstellers eingestellt wird.
Kraftschlag
Wenn sich der Kolben am Ende des Kompressionshubs durch die OT-Position bewegt und beim Arbeitshub nach unten beginnt, wird er durch die schnelle Expansion der brennenden Gase im Zylinderkopf mit einer Kraft nach unten gedrückt, die größer als 15 Tonnen sein kann ( 30.000 psi) bei maximaler Leistungsabgabe des Motors. Die Temperatur dieser brennenden Gase kann zwischen 3.000 und 4.000 °F liegen. Da der Kolben während des Arbeitshubs durch den auf ihn ausgeübten Druck der brennenden Gase nach unten gedrückt wird, wird die Abwärtsbewegung der Pleuelstange durch die Kurbelwelle in eine Drehbewegung umgewandelt. Dann wird die Drehbewegung auf die Propellerwelle übertragen, um den Propeller anzutreiben. Wenn die Verbrennungsgase expandieren, fällt die Temperatur auf sichere Grenzen, bevor die Abgase durch die Auslassöffnung ausströmen.
Der Zeitpunkt des Öffnens des Auslassventils wird unter anderem durch den Wunsch bestimmt, so viel wie möglich von der Expansionskraft zu verwenden und den Zylinder so vollständig und schnell wie möglich zu spülen. Beim Arbeitstakt wird das Ventil deutlich vor UT geöffnet (bei manchen Motoren bei 50° und 75° vor UT), während noch etwas Druck im Zylinder vorhanden ist. Dieses Timing wird verwendet, damit der Druck die Gase so schnell wie möglich aus der Auslassöffnung drücken kann. Dieser Vorgang befreit den Zylinder nach Erreichen der gewünschten Ausdehnung von Abwärme und vermeidet eine Überhitzung des Zylinders und des Kolbens. Eine gründliche Spülung ist sehr wichtig, da alle im Zylinder verbleibenden Abgasprodukte die ankommende Kraftstoff/Luft-Ladung zu Beginn des nächsten Zyklus verdünnen.
Auspufftakt
Wenn sich der Kolben am Ende des Arbeitstakts durch den unteren Totpunkt bewegt und beim Auslasstakt nach oben beginnt, beginnt er, die verbrannten Abgase aus der Auslassöffnung zu drücken. Die Geschwindigkeit der den Zylinder verlassenden Abgase erzeugt einen Unterdruck im Zylinder. Dieser niedrige oder reduzierte Druck beschleunigt die Strömung der frischen Kraftstoff/Luft-Ladung in den Zylinder, wenn sich das Einlassventil zu öffnen beginnt. Das Öffnen des Einlassventils ist zeitlich so eingestellt, dass es bei verschiedenen Motoren bei 8° bis 55° vor dem oberen Totpunkt beim Auslasstakt auftritt.
Zweitaktzyklus
Der Zweitaktmotor ist wieder aufgetaucht und wird in ultraleichten, leichten Sportflugzeugen und vielen experimentellen Flugzeugen verwendet. Wie der Name schon sagt, benötigen Zweitaktmotoren nur einen Aufwärtshub und einen Abwärtshub des Kolbens, um die erforderliche Reihe von Ereignissen im Zylinder abzuschließen. Somit schließt der Motor den Betriebszyklus in einer Umdrehung der Kurbelwelle ab. Die Einlass- und Auslassfunktionen werden während desselben Hubs ausgeführt. Diese Motoren können entweder luft- oder wassergekühlt sein und erfordern im Allgemeinen ein Untersetzungsgehäuse zwischen Motor und Propeller.
Rotationszyklus
Der Rotationszyklus hat einen dreiseitigen Rotor, der sich in einem elliptischen Gehäuse dreht und bei jeder Umdrehung drei der vier Zyklen durchführt. Diese Motoren können Einrotor- oder Mehrrotormotoren sein und können luft- oder wassergekühlt sein. Sie werden hauptsächlich bei Versuchs- und Leichtflugzeugen eingesetzt. Auch die Vibrationseigenschaften sind für diesen Motortyp sehr gering.
Dieselzyklus
Der Dieselzyklus hängt von hohen Kompressionsdrücken ab, um für die Zündung der Kraftstoff/Luft-Ladung im Zylinder zu sorgen. Wenn Luft in den Zylinder gesaugt wird, wird sie von einem Kolben komprimiert und bei maximalem Druck wird Kraftstoff in den Zylinder gespritzt. An diesem Punkt bewirken der hohe Druck und die hohe Temperatur im Zylinder, dass der Kraftstoff verbrennt, wodurch der Innendruck des Zylinders erhöht wird. Dies treibt den Kolben nach unten und dreht oder treibt die Kurbelwelle an. Wasser- und luftgekühlte Motoren, die mit JET A-Kraftstoff (Kerosin) betrieben werden können, verwenden eine Version des Dieselzyklus. Es sind viele Arten von Dieselkreisläufen in Gebrauch, einschließlich Zweitakt- und Viertakt-Dieselmotoren.
