Thermischen Wirkungsgrad
Jede Untersuchung von Motoren und Kraft beinhaltet die Betrachtung von Wärme als Energiequelle. Die durch die Verbrennung von Benzin in den Zylindern erzeugte Wärme bewirkt eine schnelle Expansion der Gase im Zylinder, was wiederum die Kolben bewegt und mechanische Energie erzeugt. Es ist seit langem bekannt, dass mechanische Arbeit in Wärme umgewandelt werden kann und dass eine bestimmte Wärmemenge das Energieäquivalent einer bestimmten Menge mechanischer Arbeit enthält. Wärme und Arbeit sind theoretisch austauschbar und stehen in einem festen Verhältnis zueinander.
Wärme kann daher sowohl in Arbeitseinheiten (z. B. ft-lb) als auch in Wärmeeinheiten gemessen werden. Die British Thermal Unit (BTU) für Wärme ist die Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur von 1 Pfund Wasser um 1 °F zu erhöhen. Dies entspricht 778 ft-lb mechanischer Arbeit. Ein Pfund Erdöl, Wenn es mit genügend Luft verbrannt wird, um es vollständig zu verbrauchen, werden etwa 20.000 BTU abgegeben, was 15.560.000 ft-lb mechanischer Arbeit entspricht. Diese Größen drücken die Wärmeenergie des Brennstoffs in Wärme- bzw. Arbeitseinheiten aus.
Das Verhältnis der von einem Motor geleisteten Nutzarbeit zur Wärmeenergie des verbrauchten Kraftstoffs, ausgedrückt in Arbeits- oder Wärmeeinheiten, wird als thermischer Wirkungsgrad des Motors bezeichnet. Wenn zwei gleichartige Motoren die gleiche Kraftstoffmenge verbrauchen, liefert der Motor, der den größeren Teil der Energie im Kraftstoff in Arbeit umwandelt (höherer thermischer Wirkungsgrad), die größere Leistung.
Außerdem muss der Motor mit dem höheren thermischen Wirkungsgrad weniger Abwärme an die Ventile, Zylinder, Kolben und das Kühlsystem des Motors abgeben. Ein hoher thermischer Wirkungsgrad bedeutet auch einen niedrigen spezifischen Kraftstoffverbrauch und daher weniger Kraftstoff für einen Flug einer bestimmten Entfernung bei einer bestimmten Leistung. Somit ist die praktische Bedeutung eines hohen thermischen Wirkungsgrads dreifach, und er bildet eines der wünschenswertesten Merkmale bei der Leistung eines Flugzeugtriebwerks.
Von der erzeugten Gesamtwärme werden 25 bis 30 Prozent für die Leistungsabgabe verwendet, 15 bis 20 Prozent gehen beim Kühlen verloren (Wärmestrahlung von den Rippen des Zylinderkopfs), 5 bis 10 Prozent gehen beim Überwinden der Reibung beweglicher Teile verloren. und 40 bis 45 Prozent gehen durch den Auspuff verloren. Alles, was den Wärmegehalt erhöht, der in die mechanische Arbeit am Kolben übergeht, was die Reibungs- und Pumpverluste verringert oder die Menge an unverbranntem Kraftstoff oder die an die Motorteile verlorene Wärme verringert, erhöht den thermischen Wirkungsgrad.
Der Anteil der gesamten Verbrennungswärme, der in mechanische Arbeit umgewandelt wird, hängt stark vom Verdichtungsverhältnis ab. Das Verdichtungsverhältnis ist das Verhältnis von Hubraum plus Brennraumraum zu Brennraumraum, wie bereits erwähnt. Je höher das Verdichtungsverhältnis ist, desto größer ist unter sonst gleichen Bedingungen der Anteil der Wärmeenergie der Verbrennung, die an der Kurbelwelle in nutzbare Arbeit umgewandelt wird. Andererseits erhöht eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses die Zylinderkopftemperatur. Dies ist ein begrenzender Faktor, da die durch hohe Verdichtungsverhältnisse erzeugte extrem hohe Temperatur dazu führt, dass sich das Material im Zylinder schnell verschlechtert und der Kraftstoff explodiert, anstatt mit einer kontrollierten Geschwindigkeit zu verbrennen.
Der thermische Wirkungsgrad eines Motors kann entweder auf bhp oder der angegebenen Pferdestärke (ihp) basieren und wird durch die Formel dargestellt: Angezeigter thermischer Wirkungsgrad = ihp × 33.000 / Gewicht des verbrannten Kraftstoffs/min. × Wärmewert × 778. Die Formel für den thermischen Wirkungsgrad der Bremse ist dieselbe wie oben gezeigt, außer dass der Wert für bhp anstelle des Werts für ihp eingefügt wird.
Mechanischer Wirkungsgrad
Der mechanische Wirkungsgrad ist das Verhältnis, das angibt, wie viel der von den expandierenden Gasen im Zylinder entwickelten Leistung tatsächlich an die Ausgangswelle abgegeben wird. Es ist ein Vergleich zwischen dem bhp und dem ihp. Er kann durch die Formel ausgedrückt werden: Mechanischer Wirkungsgrad = bhp / ihp
Bremsleistung ist die Nutzleistung, die an die Propellerwelle abgegeben wird. Angegebene Pferdestärken sind die in den Zylindern entwickelten Gesamt-PS. Der Unterschied zwischen den beiden ist die Reibungsleistung (fhp), die Leistung, die bei der Überwindung der Reibung verloren geht. Der Faktor, der sich am stärksten auf den mechanischen Wirkungsgrad auswirkt, ist die Reibung innerhalb des Motors selbst. Die Reibung zwischen beweglichen Teilen in einem Motor bleibt über den gesamten Drehzahlbereich eines Motors praktisch konstant. Daher ist der mechanische Wirkungsgrad eines Motors am höchsten, wenn der Motor mit der Drehzahl läuft, bei der maximale PS entwickelt werden. Der mechanische Wirkungsgrad eines durchschnittlichen Flugzeug-Hubkolbenmotors nähert sich 90 Prozent.
Volumetrischer Wirkungsgrad
Der volumetrische Wirkungsgrad ist ein in Prozent ausgedrücktes Verhältnis. Es ist ein Vergleich des Volumens der Kraftstoff-/Luftladung (korrigiert für Temperatur und Druck), das in die Zylinder eingeführt wird, mit der gesamten Kolbenverdrängung des Motors. Verschiedene Faktoren führen dazu, dass von einem 100-prozentigen volumetrischen Wirkungsgrad abgewichen wird. Die Kolben eines Saugmotors verdrängen bei jedem Weg von der oberen Mitte zur unteren Mitte der Zylinder das gleiche Volumen. Die Ladungsmenge, die dieses Volumen beim Ansaugtakt ausfüllt, hängt von dem vorhandenen Druck und der Temperatur der umgebenden Atmosphäre ab. Um den volumetrischen Wirkungsgrad eines Motors zu ermitteln, mussten daher Standards für atmosphärischen Druck und Temperatur festgelegt werden. Die USA
Die Standardtemperatur auf Meereshöhe beträgt 59 ° F oder 15 ° C. Bei dieser Temperatur beträgt der Druck einer Atmosphäre 14,69 lb/in2, und dieser Druck trägt eine Quecksilbersäule (Hg) mit einer Höhe von 29,92 Zoll oder 29,92 "Hg. Diese Standardbedingungen auf Meereshöhe bestimmen eine Standarddichte und ob der Motor zieht bei einem Ladungsvolumen dieser Dichte, das genau seiner Kolbenverdrängung entspricht, soll er mit 100 Prozent volumetrischer Effizienz arbeiten Ein Motor, der weniger Volumen als dieses ansaugt, hat eine volumetrische Effizienz von weniger als 100 Prozent Ein Motor, der mit echter Aufladung ausgestattet ist (Boost über 30,00 "Hg) kann einen volumetrischen Wirkungsgrad von mehr als 100 Prozent haben. Die Gleichung für den volumetrischen Wirkungsgrad lautet: Volumetrischer Wirkungsgrad = Ladevolumen (korrigiert für Temperatur und Druck) / Kolbenverdrängung Viele Faktoren verringern den volumetrischen Wirkungsgrad, darunter: • Teillastbetrieb • Lange Ansaugrohre mit kleinem Durchmesser • Scharfe Krümmungen im Ansaugsystem • Vergaserlufttemperatur zu hoch • Zylinderkopftemperatur zu hoch • Unvollständige Spülung • Falsche Ventilsteuerung.
Antriebseffizienz
Ein Propeller wird mit einem Motor verwendet, um Schub zu liefern. Der Motor liefert PS durch eine rotierende Welle, und der Propeller absorbiert die PS und wandelt sie in Schub-PS um. Bei dieser Umwandlung wird etwas Energie verschwendet. Da der Wirkungsgrad jeder Maschine das Verhältnis von Nutzleistung zur Leistungsaufnahme ist, ist der Vortriebswirkungsgrad (in diesem Fall der Propellerwirkungsgrad) das Verhältnis von Schub-PS zu PS. Im Durchschnitt machen die Schub-PS etwa 80 Prozent der PS aus. Die anderen 20 Prozent gehen durch Reibung und Schlupf verloren. Die Steuerung des Blattwinkels des Propellers ist die beste Methode, um unter allen im Flug auftretenden Bedingungen eine maximale Antriebseffizienz zu erzielen.
Während des Starts, wenn sich das Flugzeug mit niedriger Geschwindigkeit bewegt und wenn maximale Leistung und Schub erforderlich sind, ergibt ein niedriger Propellerblattwinkel maximalen Schub. Beim Hochgeschwindigkeitsfliegen oder -tauchen wird der Blattwinkel erhöht, um maximalen Schub und Effizienz zu erzielen. Der Propeller mit konstanter Drehzahl wird verwendet, um den erforderlichen Schub bei maximaler Effizienz für alle Flugbedingungen zu liefern.
