Frage:
Warum die Anzahl der Zylinder in einem Motor erhöhen, anstatt deren Volumen zu erhöhen?
DrZ214
2016-12-08 12:40:30 UTC
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Ich habe in letzter Zeit über Flugzeuge des Zweiten Weltkriegs gelesen. Einige von ihnen haben 12 oder sogar mehr Kolben in ihren Motoren.

Aber wenn Ihr Ziel darin besteht, die Leistung zu erhöhen, warum sollten Sie mehr Kolben hinzufügen anstatt einfach die zu erhöhen Größe der Zylinder?

Beispiel: Der P-51 Mustang hatte einen V12-Motor mit einem Hubraum von 27 Litern. Das sind also 2,25 l pro Zylinder. Warum nicht stattdessen einen V4-Motor mit dem gleichen Hubraum, der 6,75 l pro Zylinder betragen hätte?

Korrigieren Sie mich, wenn ich falsch liege, aber ...

So. Das "Kollektivieren" der Zylinder wäre aus einer Reihe von Gründen effizienter. Die Reibung der Kolbenringe, die den Zylinder abkratzen, wäre geringer, was weniger Öl und mehr Leistung bedeutet. Die Kurbelwelle und verwandte Dinge könnten kürzer sein. Ich glaube, es wäre auch aus einem anderen Grund leichter: Die Oberfläche steigt weniger als das Volumen (quadratisch gegenüber gewürfelt). Wahrscheinlich wäre der Motor insgesamt einfacher.

Ich glaube, dieses Konzept kann sowohl auf Sternmotoren als auch auf Reihenmotoren angewendet werden. Ich ging davon aus, dass der 4-Takt-Motor mindestens 4 Zylinder benötigt. Heute ist das nicht wahr, aber während des Zweiten Weltkriegs mit der Technologie der Zeit bin ich mir nicht sicher. Es gab Sternmotoren mit 3 Zylindern. Ich kenne in dieser Zeit keine 4-Takt-Motoren mit 2 oder weniger Zylindern.

Warum nicht einfach die Zylinder größer machen?

Dies ist nicht wirklich spezifisch für die Luftfahrt. Das gleiche gilt für Automotoren.
@reirab Ich würde behaupten, es ist spezifischer für die Luftfahrt, nur weil es Gewicht sparen würde. Das Gewicht ist für Flugzeuge wichtiger als beispielsweise Auto- oder Zugmotoren. Wenn es jedoch für die Luftfahrt gilt, hoffe ich, dass es hier zum Thema gehört, unabhängig davon, ob das Prinzip für andere Bereiche gilt.
Oh ja, ich wollte nicht implizieren, dass es nicht zum Thema gehört, sondern nur kommentieren, dass andere Anwendungen die gleichen Entscheidungen zu treffen scheinen, sodass es wahrscheinlich ist, dass die Hauptgründe nicht spezifisch für die Luftfahrt sind.
Ein Grund dafür ist, dass Sie einen größeren Motor bauen können, indem Sie einfach mehr Zylinder mit denselben Kolben, Stangen usw. hinzufügen. So wird aus einem 4-Zylinder-O-360 ein 6-Zylinder-O-540. Andere (mögliche - ich bin kein Luftfahrtingenieur) Gründe könnten Dinge wie rotierende Trägheit und volumetrische Effizienz sein. Betrachten Sie den Unterschied zwischen dem V-Twin einer Harley-Davidson und den hochdrehenden 4- und 6-Zylinder-Motoren, die von den meisten Wettbewerbern verwendet werden.
@jamesqf Ihre Motorrad-Analogie ist gut. Größere Zylinder bedeuten viel Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen. Mehr Zylinder ergeben im Allgemeinen eine schönere Drehmomentverteilung. Es gibt auch das Vibrationsproblem, ein paar große Zylinder kontern sich nicht so gut wie mehrere kleinere Zylinder.
Ein wichtiger Grund ist, dass eine Erhöhung des Zylindervolumens die Pferdestärken nicht direkt proportional erhöht. Mehr oder weniger erhöht sich die Anzahl der Zylinder. IOW 12 2l-Zylinder erzeugen mehr Leistung als 6 4l-Zylinder.
Schon mal ein V8-Auto ausprobiert? Großer Unterschied zu einem normalen 4 Inline ...
@Fabrizio Mazzoni: Viele gefahren, damals, als V8s üblich waren. (Und sogar ein Buick Straight 8.) Ich hatte auch viele Inline-4er, in Autos (meistens Sportwagen), Lastwagen und Motorrädern, mehrere entgegengesetzte 4er in Subarus und Flugzeugen, und mein Hauptfahrzeug ist heutzutage ein Inline-3-Zylinder. Kann nicht wirklich viel Unterschied sagen.
@jwenting Können Sie erklären, warum? Wenn der gesamte Hubraum und die gesamte Kraftstoffeinspritzung gleich sind, sehe ich keinen Grund, warum die Leistung nicht gleich oder sogar etwas größer wäre. 4 Zylinder sollten weniger Reibung und Trägheit haben als 8 oder 12.
Ich dachte: Zuverlässigkeit. Wenn bei einem Zylinder eines schief geht - Zündung, Einspritzventil, Ventil - ist der gesamte Zylinder außer Betrieb. In einem 4-Zylinder bedeutet dies einen Verlust von mindestens 25%; in einem 10-Zylinder nur 10%.
Schiffbauer * gingen * eher in Richtung größerer Zylinder als in Richtung größerer Zylinder, und das Ergebnis gibt einen Hinweis darauf, warum sie nicht für Flugzeuge verwendet werden: Ein großer Schiffsdiesel kann mit 80 U / min oder langsamer arbeiten.
Es hängt davon ab, was Sie unter "Minimum" verstehen, aber ein 4-Takt-Motor benötigt mindestens 6 Zylinder, nicht 4. Bei 1 Zylinder (dem Minimum Minimum) ist der Motor nicht im Gleichgewicht, bei 4 ist er mit 8 nicht im Gleichgewicht ist aus dem Gleichgewicht. Viertaktmotoren werden nur mit 6 oder 12 Zylindern richtig ausgewuchtet
@slebetman: Ich fahre seit einem Dutzend Jahren ein Auto (Honda Insight) mit einem 3-Zylinder-4-Takt-Motor. Viele Motorräder (insbesondere Harleys) haben 2 Zylinder, viele der heutigen Autos und der O-360 meines Cherokee haben 4. Audi hatte sogar (und vielleicht immer noch) einen 5-Zylinder-Motor. Andere haben V-10- und V-12-Motoren. Die Mindestanzahl der benötigten Zylinder scheint also I zu sein.
@jamesqf Ja, das ist für heute. Ich werde das OP bearbeiten und klarstellen, dass für die Ära des Zweiten Weltkriegs 3 oder 4 ein Minimum zu sein scheinen. Wer weiß, ob jemand ein Gegenbeispiel findet, also könnte ich mich immer noch irren.
@DrZ214: Motorräder aus der Zeit des Zweiten Weltkriegs sind in der Regel 1 Zylinder
@DrZ214 mit größeren Zylindern wird das Gemisch schwerer zu kontrollieren, insbesondere bei höheren Drehzahlen (somit weniger Zeit für die Stabilisierung des Gemisches im Zylinder. Dadurch kommt es zu einer ungleichmäßigen Verbrennung, die weniger effizient ist. Große Zylinder sind für Motoren mit niedrigen Drehzahlen in Ordnung Dies bietet eine hohe Leistung pro Hub, aber nur wenige Hübe, nicht so sehr für Triebwerke mit hoher Drehzahl (die in Flugzeugen eine konstante Leistung anstelle einer Spitzenleistung wünschen).;
@DrZ214: Ich weiß nichts über die tatsächliche Praxis im Zweiten Weltkrieg, insbesondere in Flugzeugen. Ich antwortete auf die Behauptung, dass 4-Takt-Motoren mindestens 6 Zylinder haben müssen. Es ist wahr, dass 6 oder 12 besser ausbalancieren können, aber das ist sicherlich keine Voraussetzung.
Keine wirkliche Antwort, aber sobald Sie einen gut konstruierten Sternmotor haben, können Sie seine Leistung einfach durch Hinzufügen einer weiteren Reihe erhöhen, ohne die Zylinder neu konstruieren oder sogar die Motorhaube stark wechseln zu müssen. Das Beispiel, das mir in den Sinn kommt, ist http://www.pw.utc.com/R4360_Wasp_Major_Engine - entwickelt während des Zweiten Weltkriegs mit vier Reihen mit jeweils sieben Zylindern für insgesamt 28 Zylinder!
Neun antworten:
#1
+45
bogl
2016-12-08 16:57:43 UTC
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Einschränkungen

Unterschiedliche Anwendungen haben unterschiedliche Einschränkungen:

  • Luftfahrt: sehr geringes Gewicht, sehr zuverlässig
  • Marine: sehr hohe Lebensdauer
  • Automobil: mäßig leicht, reaktionsschnell
  • Motorrad: sehr leicht, sehr kompakt, sehr reaktionsfreudig

Unterschiedliche Technologiealter ergeben aufgrund zusätzlicher Einschränkungen unterschiedliche Lösungen , immer begrenzt durch die damals zeitgemäße Technologie:

  • Pionier-Ära: Damit es funktioniert
  • Ära des Ersten und Zweiten Weltkriegs: so schnell wie möglich
  • Nachkriegszeit: weiter, schneller, besser
  • Ära der Kraftstoffkrise: so effizient wie möglich

Flugzeugtriebwerke

Die Frage betrifft die Optimierung der Anzahl der Zylinder gegenüber dem Hubraumvolumen pro Zylinder für Triebwerke für die Luftfahrt. Dies schränkt den Anwendungsbereich auf „Hubkolbenmotoren mit innerer Verbrennung“ (plus den Wankelmotor als ganz besonderen Fall) ein.

Offensichtlich Raketen, Impulsstrahlen, turbinengetrieben und Elektromotoren haben keine Zylinder, und Dampfmaschinen wurden nie (erfolgreich) in Flugzeugen eingesetzt.

Die Anzahl der Zylinder und der Hubraum sind zwei von unzähligen Parametern, die für die Konstruktion eines Triebwerks maßgeblich sind. Beide können verwendet werden, um die Leistungsabgabe zu erhöhen.

Leistungssteigerung

Die Leistungsabgabe eines Motors kann entweder durch die Anzahl der Zylinder oder durch Erhöhen des Hubraums (oder durch beides) erhöht werden ).

Jede Änderung von Parametern führt zum Gewinn oder Verlust bestimmter gewünschter Eigenschaften. Diese sind weiter unten unter (N), (n), (D) und (d) aufgeführt.

  • Das Erhöhen der Anzahl der Zylinder bedeutet das Gewinnen (N) und das Verlieren (n)
  • Das Erhöhen der Zylinderverschiebung bedeutet das Gewinnen (D) und das Verlieren (d)
  • Das Hinzufügen von Zylindern ist einfacher als das Vergrößern des Zylinders. Die Zylindergeometrie ändert sich nicht. Identische Motorteile können mehrfach in derselben Motorkonstruktion verwendet werden (Zylinderbänke, Zylinderköpfe oder komplette Motorblöcke).

    Kompromissverschiebung

    Ausgehend von einer Motorkonfiguration kann dieselbe Leistungsabgabe erreicht werden, indem

  • (N) und (d) und verlieren (n) und (D) oder
  • gewinnen (n) und (D) und verlieren (N) und (d).

  • Gründe zur Erhöhung der Anzahl der Zylinder (N)

    • Das Drehmoment skaliert direkt mit der Anzahl der Zylinder
    • Die Erhöhung des Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen ist für luftgekühlte Motoren vorteilhaft
    • Erhöhen Sie die Leistung: Das Hinzufügen von Zylindern ist einfacher als das Erhöhen der Zylindergröße. Die Zylindergeometrie ändert sich nicht. Identische Motorteile können mehrfach in derselben Motorkonstruktion verwendet werden (Zylinderbänke, Zylinderköpfe oder komplette Motorblöcke).
    • Verbessern Sie das Gleichgewicht von Kräften und Impulsen
    • Reduzieren Sie die Zeit zwischen den Leistungsvorgängen Hübe
    • Verringern Sie die Auswirkung eines fehlerhaften Zylinders
    • Verbessern Sie die Ebenheit der Drehmomentverteilung über die Drehzahl.
    • Ermöglichen Sie eine flexiblere und verteiltere Form Faktor

      enter image description here

      Pratt & Whitney R-4360 Wespenmajor , 28 Zylinder, 28 l , 3500 PS, 2700 U / min, Baujahr 1944-1955. Sub>

    Gründe, die Anzahl der Zylinder (n)

    • Einfachheit: Weniger bewegliche Teile verbessern die Robustheit, verringern den Wartungsbedarf und erhöhen dadurch die Verfügbarkeit.
    • Aktivieren Sie einen kompakteren Formfaktor

      enter image description here

      Mercedes 1 Zylinder, 1,5 kW, 720 U / min, 84 kg, Baujahr 1888. sub>

    Gründe dafür Erhöhen Sie den Hubraum des Zylinders (D).

    • Erhöhen Sie die Leistung durch Drehmoment

      enter image description here

      BMW IIIa, 6-Zylinder, 19,1 l, 200 PS, 1400 U / min, Baujahr 1917. sub>

    Gründe für die Verringerung der Zylinderverschiebung (d)

    • Eine kleinere Verschiebung bedeutet kleinere Kolben, kürzere Stangen oder beides. In beiden Fällen ermöglicht ein kleinerer Hubraum eine höhere Umdrehungsgeschwindigkeit und eine höhere Beschleunigung.
    • Eine kleinere Brennkammer verlängert die für die Flammenausdehnung erforderliche Zeit (nur Benzin, nicht Diesel). Dies ermöglicht eine höhere Drehzahl.
    • Die Ventile begrenzen den Gasstrom in den Zylinder hinein und aus ihm heraus. Die Ventile unterliegen dem Oberflächenvolumenverhältnis. Kleinere Zylinder lassen sich leichter durch die Ventile füllen und entleeren, was eine höhere Drehzahl ermöglicht.
    • Bei einer bestimmten Kompressionsrate müssen kleinere Zylinder einer geringeren Gesamtkraft standhalten, was eine leichtere Motorstruktur ermöglicht ( weniger Gewicht).

      enter image description here

      JPX PUL 212, 1 Zylinder, 212 cm³, 11 kW, 6000 U / min. sub >


    Hinweise

    • Sternmotoren gehören zur Ära des Ersten und Zweiten Weltkriegs. Die meisten von ihnen waren luftgekühlt. Bei luftgekühlten Motoren spielt das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen eine Rolle. Daher ist es offensichtlich, die Anzahl der Zylinder anstelle des Hubraums pro Zylinder zu erhöhen.
    • Flugzeuge während des Ersten und Zweiten Weltkriegs mussten so schnell und leistungsstark wie möglich sein, um angreifen und verteidigen zu können. Es gab keinen guten Grund, sich für weniger als 6 Zylinder zu entscheiden.
    • Viertaktmotoren funktionieren perfekt mit 1, 2 und 3 Zylindern. Sie werden als angetriebene Gleitschirme bzw. Ultraleichtflugzeuge verwendet.
    • Bestimmte Zylindernummern sind aus Symmetriegründen

      • 6, 8, 4 für Reihenmotoren
      • ungerade Zahlen (pro Zeile) für Sternmotoren
  • Der Bau von Sternmotoren mit einer geraden Anzahl von Zylindern ist durchaus möglich, wenn auch eine gerade Zahl in einer Reihe uns nicht vorzuziehen. In vielen Flugzeugen wurden mehrreihige Sternmotoren mit gerader Zylinderzahl geflogen.

  • Entwickler von Kraftfahrzeugmotoren bevorzugen 0,5 l pro Zylinder als idealen Kompromiss.
  • Für den Bau von Hochleistungskolbenmotoren wäre eine hohe Zylinderzahl erforderlich, aber dieses Segment wird jetzt von Düsentriebwerken besetzt.
  • Es gibt Sternmotoren mit weniger als 5 Zylindern. Hier ist ein radialer 3-Zylinder, der 1930 in den USA gebaut wurde:

    enter image description here

  • Es war wahrscheinlich einfacher, Zylinder hinzuzufügen (weniger Konstruktionsentscheidungen zu überprüfen, weniger Zeichnungen zu ändern, weniger Werkzeugwechsel) als den Hubraum zu erhöhen. Das Erhöhen des Hubraums bedeutet, dass mehr oder weniger ein neuer Motor konstruiert wird, anstatt Änderungen an einem vorhandenen Design vorzunehmen.
    @DanPichelman Genau wie bei der CPU-Leistung moderner Mainboards. Es ist einfacher, einfach mehr "Phasen" (bis zu 40) hinzuzufügen, die mit 4-Phasen-Budget-Boards geteilt werden können, anstatt leistungsfähigere einzelne "Phasen" zu entwerfen, um Probleme bei der Synchronisierung zu verringern. Die Verfügbarkeit von Hochleistungs-Mosfets und die individuelle Kühlung spielen ebenfalls eine Rolle. Auffällig sind die Ähnlichkeiten zu Motorzylindern; )
    Cooles Foto !!!!
    "In jedem Fall begrenzt ein größerer Hubraum die maximale Drehzahl." Schauen Sie sich das Gegenteil an: Ein Yamaha R1-Motor hat winzige Zylinder mit einer Drehzahl von 14.500 U / min!
    Ein leichter Fehler, aber das ist kein niederländischer Motor: die Szekely Aircraft & Engine Co [mit Hauptsitz in Holland, Michigan] (https://en.wikipedia.org/wiki/Szekely_SR-3). Außerdem wurde es der fliegende Holländer genannt, nur um uns zu verwirren :-)
    Das ist sehr komisch. Vielen Dank!
    #2
    +27
    Peter Kämpf
    2016-12-09 05:29:48 UTC
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    Ihre Argumentation ist richtig, wenn die Motormasse nicht wichtig ist. Schiffe verwenden große Motoren, da eine Erhöhung der Anzahl der Zylinder über 8 hinaus zu geringeren Erträgen bei der Glättung der Drehmomentwelligkeiten führt und größere Zylinder zur Steigerung der Effizienz beitragen. Flugzeuge müssen jedoch die Masse des Triebwerks niedrig halten.

    Wartsila-Sulzer RTA96-C turbocharged two-stroke diesel engine

    Zweitakt-Dieselmotor mit Turbolader Wartsila-Sulzer RTA96-C während der Montage (Bild Quelle). Seine Größe macht diesen Motor überaus effizient: Seine 14-Zylinder-Version leistet 108.920 PS bei 102 U / min und hat einen thermischen Wirkungsgrad von mehr als 50%. Der spezifische Kraftstoffverbrauch beträgt nur 0,260 lbs / PS / Stunde. Aber es wiegt 2600 Tonnen!

    Motorleistung ist das Produkt von Drehmoment und Drehzahl. Um die Motorleistung zu maximieren, muss die Drehzahl so hoch wie möglich gehalten werden. Durch Erhöhen der Zylindergröße wird die Drehzahl begrenzt, mit der der Motor aufgrund der Geschwindigkeit des Verbrennungsprozesses im Verbrennungsraum laufen kann. Wenn der Zylinderdurchmesser zu groß wird, ist die von der Zündkerze ausgehende Flammenfront nicht weit genug gereist, um den größten Teil des Kraftstoffs zu verbrennen, wenn sich der Kolben wieder nach unten bewegt. Nur das Hinzufügen weiterer Zylinder erhöht die Leistung bei konstanter Drehzahl des Triebwerks.

    Hier ist ein Vergleich der Triebwerke des Ersten Weltkriegs von der ausgezeichneten Website enginehistory.org. Beachten Sie, wie die Werte für Bohrung und Geschwindigkeit umgekehrt korrelieren (der Austro-Daimler 120 war eine Vorkriegskonstruktion und sah spätere Geschwindigkeitssteigerungen):

    Comparison table of WW I aircraft engines

    Graphical comparison

    Grafischer Vergleich: Der Austro-Daimler wird mit den Spezifikationen einer späteren Version angezeigt.

    Zitat aus dem verknüpften PDF ( enginehistory.org):

    Der große Bohrungsdurchmesser hat jedoch die Obergrenze eines Triebwerkszylinders überschritten. Eine angemessene Kühlung und Kraftstoffeffizienz erfordern eine möglichst vollständige Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, und diese vollständige Verbrennung erfordert, dass sich die Flammenfronten über die Brennkammer von ihren jeweiligen Zündpunkten wird Zeit gegeben, sich zu treffen. Die Drehzahl eines Viertakt-Triebwerks mit einer großen Zylinderbohrung ist somit tatsächlich durch die Verbrennungsrate des Kraftstoff-Luft-Gemisches begrenzt, die für einen gegebenen Zylinder und ein gegebenes Gemisch eine Konstante ist, und versucht daher, die Ausgangsleistung durch Erhöhen zu erhöhen Die Drehzahl eines Motors mit einem Zylinder mit großer Bohrung kann zu unvollständiger Verbrennung, Überhitzung und Detonation führen.

    Andere Grenzwerte für die Motordrehzahl wie Belastungen der Pleuelstangen oder ausreichende Zylinderfüllung und -spülung kann durch die Verwendung von Materialien mit höherer Festigkeit bzw. mehr Ventilen pro Zylinder behandelt werden. Wenn jedoch die Art des Kraftstoffs angegeben wird, ist die harte Grenze für die Motordrehzahl die Bohrung des Zylinders. Die einzige Möglichkeit, die Leistung zu erhöhen, ohne das Leistungsgewicht zu beeinträchtigen, besteht darin, mehr Zylinder hinzuzufügen.

    "Wenn der Zylinderdurchmesser zu groß wird, ist die von der Zündkerze ausgehende Flammenfront nicht weit genug gereist, um den größten Teil des Kraftstoffs zu verbrennen, wenn der Kolben wieder nach unten fährt." Wenn ich das richtig interpretiere, dann Diesel Motoren werden dieses Problem nicht leiden. Unabhängig vom Volumen des Zylinders werden die Selbstzündungsbedingungen durch das gesamte Volumen erfüllt, sobald sich der Kolben weit genug nach unten bewegt. In diesem Fall gibt es also keine "Geschwindigkeit der Flammenfront". Ist das gültig?
    PS: Dies ist nur ein Off-Topic. Warum sollte ein riesiger Schiffsmotor 2-Takt anstelle von 4-Takt verwenden? 2-Takt kombiniert die Abgasphase mit der Kraftstoffeinlassphase, und daher entweicht ein Teil des Einkommenskraftstoffs aus dem Abgas, ohne verbrannt zu werden. Ich dachte, 2-Takt wären nur für sehr kleine Anwendungen wie kleine Wasserfahrzeuge am besten, nicht für große Seeschiffe.
    @DrZ214: Ersetzen Sie die Zündkerze durch die Einspritzdüse, und Dieselmotoren haben ähnliche Probleme. Hier hängt die Zeit zum Aufheizen des gesamten Gasvolumens durch Verbrennung gleichermaßen von der Zylindergröße ab. Wie bei Benzinmotoren mit mehr als einer Zündkerze hilft das Hinzufügen weiterer Einspritzdüsen. In Bezug auf den 2-Takt-Prozess: Dieses Ding läuft extrem langsam und hat genügend Zeit, um frische Luft einzuatmen, wenn der Kolben unten ist. Ein Großteil des Gases in der Flasche wird nicht ersetzt und wird im nächsten Zyklus zu einem Prozessgas. Dies ist der einfachste Weg zur Abgasrückführung.
    @DrZ214: Durch den Zweitaktprozess erhalten Sie doppelt so viele Zündungen bei gleicher Drehzahl, sodass der Motor sparsamer eingesetzt wird (anstatt die Kolben die Hälfte der Zeit im Leerlauf auf und ab laufen zu lassen). Die [Jumo 205] (https://en.wikipedia.org/wiki/Junkers_Jumo_205) Dieselmotoren waren ebenso wie die [Napier Deltic] (https://en.wikipedia.org/wiki/Napier_Deltic) Zweitaktmotoren ). Lesen Sie unbedingt den Deltic, dies war eine clevere Erfindung!
    @DrZ214 2-Takt-Schiffsmotoren sind Dieselmotoren. Sie haben keinen Kraftstoffeinlasshub, es ist nur Luftansaugung (Kraftstoff wird nach der Kompression eingespritzt). Im Gegensatz zu einem Zweitakt-Benzinmotor kann also kein Kraftstoff über den Auspuff entweichen. Aus diesem Grund ist der Zweitakt eine praktikable Option für Dieselmotoren, und die Halbierung der Zylinderanzahl ist ein Gewinn ...
    @PeterKämpf "Hier hängt die Zeit zum Aufheizen des gesamten Gasvolumens durch Verbrennung gleichermaßen von der Zylindergröße ab." Richtig, aber mein Punkt war, dass das Kraftstoff / Luft-Gemisch auf einmal detoniert, weil die Ladung gleichzeitig adiabatisch Selbstentzündungsbedingungen erreicht. Es gibt also keine Geschwindigkeit der Flammenfront. Korrigieren Sie mich, wenn ich falsch liege, aber Sie haben zwei Probleme: Einspritzen und Mischen des Kraftstoffs, damit die Kraftstoff- / Luftladung gleichmäßig ist, sowie die Verfahrlänge des Kolbens und seines Arms. Das sind sicherlich zwei Dinge, die immer noch für Diesel gelten.
    @PeterKämpf P.S., Ihr Diagramm ist schwer zu interpretieren. Warum werden einzelne Motoren auf die x-Achse gebracht? Warum sollte es eine horizontale Beziehung zwischen verschiedenen Motoren geben, die meines Erachtens nur eine willkürliche Auswahl von Motoren sind? Ich denke, es sollte ein Tisch sein.
    @DrZ214: Kraftstoff wird lange nach Erreichen der Selbstzündungsbedingungen in Dieselmotoren eingespritzt - andernfalls wäre keine komplizierte Hochdruck-Kraftstoffeinspritzung erforderlich. Kraftstoffdampf breitet sich aus der Düse aus und entzündet sich an der Sprühdurchdringungsgrenze nach einer Zündverzögerungszeit, die durch die Erwärmung des Kraftstoffdampfes verursacht wird. Dies ist keine sofortige, plötzliche Zündung des gesamten Kraftstoffs, sondern ein Kegel, der von der Einspritzdüse stammt, in der sich die Außenteile zuerst entzünden und den Rest erhitzen, der beim Mischen brennt. Weitere Informationen finden Sie unter [hier] (https://www.dieselnet.com//tech/diesel_combustion.php).
    @PeterKämpf Der Link sagt, dass dies direkt vor den Selbstzündungsbedingungen erfolgt, nicht danach. In jedem Fall ist es seltsam. Sehen Sie nicht, warum die Dieseleinspritzung genauso erfolgt wie die Avgas-Einspritzung. Warum nicht einfach Kraftstoff so voreinspritzen, dass die Ventile eine vorgemischte Kraftstoff- / Luftladung ansaugen oder einspritzen? Dies wird wahrscheinlich zu weit vom Thema entfernt sein, aber ich werde alle anderen Links lesen, die Sie zum Dieselzyklus haben.
    Ich glaube nicht, dass Sie davon ausgehen können, dass stärkere Materialien höhere Belastungen ausgleichen könnten, da in beiden Versionen mit Sicherheit die bestmöglichen verfügbaren Materialien für Festigkeit und Gewicht verwendet würden. Folglich hätte der weniger größere Zylindermotor mit seinen höheren Spitzenlasten nicht unbedingt einen Gewichtsvorteil oder sogar eine Parität - er hätte weniger, aber schwerere Pleuel, weniger, aber längere Lager mit großem Ende usw.
    @DrZ214: Technisch gesehen benötigen Selbstzündungsbedingungen sowohl die richtige Temperatur als auch das richtige Kraftstoff-Luft-Gemisch, sodass sie erst nach der Einspritzung erreicht werden können. Was ich damit gemeint habe ist, dass die durch Kompression induzierte Temperatur hoch genug ist, bevor Kraftstoff eingespritzt wird, oder dass der hohe Druck und das genaue Timing nicht benötigt würden. Die Benzineinspritzung ist ein vergleichbarer verzögerter Prozess, der im Saugrohr oder während des Kompressionshubs stattfindet, und die Benzinkompressionsverhältnisse sind durch die Klopfgrenzen begrenzt. Dieselmotoren arbeiten weit über die Klopfgrenze hinaus.
    @sdenham: Ist es dann nicht seltsam, dass die Geschwindigkeit in vielen Fällen durch die Verwendung stärkerer Pleuel erhöht werden könnte? In Wirklichkeit wurde das wirtschaftlichste Material verwendet, nicht das beste. Willkommen in der Realität!
    Legierungen wie 4340 Stahl werden aus wirtschaftlichen Gründen nicht gegenüber Gusseisen gewählt.
    #3
    +16
    ymb1
    2016-12-08 23:02:24 UTC
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    Wenn ein Zylinder größer wird -

    Das Quadratwürfelprinzip besagt, dass sein Volumen schneller wächst als seine Oberfläche. - Wikipedia

    Druck und Masse:

    Durch Verringern der Anzahl der Zylinder wird die Kraft pro Zylinder und pro Befestigungspunkt an der Kurbelwelle erhöht.

    Seit der Oberfläche skaliert nicht so schnell, alle Motorteile müssen mit viel höheren Drücken - Kraft über Fläche fertig werden.

    Die Motor mit der gleichen Energieabgabe und weniger Zylindern ist schwerer und schwerer zu kühlen.

    Kann er gebaut werden? Absolut.

    Wird es gut fliegen? Nein, weil es viel zu schwer sein wird.

    Sie finden riesige Zylinder in Anwendungen, bei denen das Gewicht keine Rolle spielt, wie auf Schiffen.

    Rationalisierung:

    enter image description here
    ( Quelle) Kleine Zylinder passen gut in eine dünne aerodynamische Form.

    "Exponentiell"?
    Exponentiell bedeutet nicht nur "mehr als linear". Es bedeutet "mehr als * jedes * Polynom". In diesem Fall ist die Skalierung wahrscheinlich so etwas wie quadratisch, Skalierung mit quadratischem Durchmesser. Es ist eine schnell wachsende Funktion, aber bei großen Verhältnissen bei weitem kein exponentielles Wachstum. Ich wünschte, die Leute würden aufhören, "exponentiell" zu verwenden, um "mehr als linear" zu bedeuten, obwohl ein Linguist Ihnen wahrscheinlich sagen würde, dass es im alternativen Englisch diese alternative Bedeutung gewinnt.
    @pericynthion "Exponentiell" kam vielleicht von einem Missverständnis. Das Volumen nimmt mit dem Würfel des Radius zu. Die Oberfläche nimmt mit dem Quadrat des Radius zu. Beide sind exponentiell. Wenn Sie sie jedoch teilen (was das Verhältnis sein soll), erhalten Sie ** einfaches lineares r oder 1 / r **, wenn Sie es anders machen. Beide sind linear. Daher sollte das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, wie das Diagramm betitelt ist, linear sein. Ich weiß nicht, wer dieses Diagramm gezeichnet hat oder woher es stammt, aber wenn es tatsächliche Zahlen hätte, würden wir den Fehler sehen.
    @DrZ214: r ^ 2 ist quadratisch. Exponential ist 2 ^ r (oder eine beliebige Konstante zur Potenz r), was eine ganz andere Funktion ist. Eine interessante Eigenschaft einer Exponentialfunktion ist, dass es sich um eine eigene Ableitung handelt: Die Steigung von "e ^ r" an jedem Punkt ist "e ^ r". x ^ 2 hat diese Eigenschaft nicht (die Steigung beträgt 2x). Wenn Sie versuchen, über Physik / Mathematik nachzudenken, ist es normalerweise gut, mit Ihrer Terminologie genau zu sein. Normalerweise würde ich mich nicht über diese häufige (falsche) Verwendung von "Exponential" lustig machen, aber wir machen hier Physik.
    Außerdem sieht @DrZ214:, das Diagramm von Oberfläche zu Volumen, für mich sehr nach 1 / r aus, sodass ich denke, dass das Volumen die unbeschriftete x-Achse ist. 1 / r ist nicht gerade eine lineare Beziehung. Es ist eine * lineare inverse * Beziehung. Siehe [diesen Google-Treffer] (http://chemistry.csudh.edu/oliver/smt310-handouts/dirinvrs/dirinvrs.htm), in dem es um y = x vs. y = 1 / x geht.
    @PeterCordes Entschuldigung. "Exponential" ist ein lose verwendeter Begriff, und Sie haben jedes Recht, ihn zu klären. Aber ich glaube wirklich, dass ymb1 das Missverständnis basierend auf der Fläche von r ^ 2 und dem Volumen von r ^ 3 gemacht hat, wenn das Verhältnis wirklich linear ist. Zumindest scheint mir das die wahrscheinlichste Erklärung zu sein. Ich habe jedoch auch den Fehler gemacht, dass 1 / r ein gekrümmter Graph ist, so dass sich herausstellt, dass der ursprüngliche Graph doch richtig ist. Manchmal führt das Verfolgen dieser Dinge zu einem Umweg.
    @DrZ214: Oh ja, ich denke, Sie haben Recht, jetzt, wo ich etwas anderes als den Missbrauch des Begriffs "exponentiell" betrachte. Die erforderliche Festigkeit sollte linear mit der Zylindergröße zunehmen, da, wie Sie hervorheben, r ^ 3 / r ^ 2 = r ist.
    Ah richtig. Der Spitzendruck kann linear mit dem Radius ansteigen (vorausgesetzt, das Volumen ist vollständig mit demselben Kraftstoff-Luft-Gemisch gefüllt), aber selbst wenn mehr Fläche bei gleichem Druck vorhanden ist, ist mehr Kraft erforderlich, da mehr Gesamtkraft vorhanden ist. Die erforderliche Stärke steigt also mit etwas wie r ^ 2 (wenn wir die Hublänge gleich halten) oder mit r ^ 3 (wenn wir die Hublänge erhöhen, um das Seitenverhältnis von Länge zu Radius gleich zu halten). In beiden Fällen linear proportional zur Energie jeder Verbrennung.
    @ymb1 Das numerische Diagramm enthält Tippfehler. h = 2,21 sollte 2,20 sein, wenn Sie einen konstanten Anteil von h = 2r beibehalten möchten. Ich bemerkte mehrere andere in der Spalte h. Und falls es Verwirrung gab, habe ich nie behauptet, dass die V: SA nicht größer werden würde. Ich stimmte zu, dass es größer werden würde, aber linear größer statt "exponentiell" größer. Ich hätte nie gesagt, dass es ein konstantes Verhältnis sein würde. Aber ich wurde in meinen Kommentaren mit linear und invers linear verwechselt. Ich weiß jedoch nicht, wie sich die Festigkeit oder Dicke der Zylinder ändern wird, so dass ** das ** möglicherweise mehr als linear ist. Das wird die Schwere bestimmen.
    Natürlich können Sie immer noch mit dem Quadratwürfelproblem herumspielen, indem Sie Zylinder mit nicht zylindrischen Querschnitten verwenden.
    #4
    +12
    pericynthion
    2016-12-08 13:40:49 UTC
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    Sie haben es selbst mit dem Verhältnis von Oberfläche zu Volumen gesagt. Sie müssen die Wärme aus den Zylindern herausholen, und wenn sie zu groß sind, können Sie das nicht effektiv tun. Es ist auch schwierig, eine gleichmäßige, vollständige und schnelle Verbrennung zu erreichen, wenn das Volumen zunimmt.

    Ich denke nicht, dass diese Argumentation richtig ist. Motoren benötigen keine Kühlung der brennenden Luft / Kraftstoff-Ladung, sondern eine Kühlung der Zylinderwand und des Ölfilms an der Wand, um eine Zersetzung zu verhindern. Aus Effizienzgründen soll die Ladung so heiß wie möglich sein. Heiße Luft übt mehr Druck auf den Kolben aus. Ein geringerer Wärmeverlust an der Zylinderwand ist ein Grund, warum große Zylinder effizienter sind als kleine. Größere Zylinder erfordern jedoch dickere Wände, um den höheren Gesamtkräften standzuhalten, und dies kann ein Problem für die Luftkühlung sein.
    #5
    +12
    Agent_L
    2016-12-09 02:21:48 UTC
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    Andere haben bereits die Skalierung des Volumens gegenüber der Skalierung der Oberfläche erwähnt. Der wichtigste Teil der Oberfläche ist jedoch die Ventilfläche.

    Wenn Sie einen Zylinder zweimal skalieren, erhalten Sie 8 × so viel Volumen, aber nur 4 × größere Ventile. Dies bedeutet, dass das gleiche Volumen des Zylinders jetzt von einer doppelt so kleinen Ventilfläche bedient wird. Dieser Bereich bestimmt, wie schnell Sie den Zylinder füllen und leeren können. Dies bedeutet, dass Sie die Drehzahl verringern müssen. Wenn mehr U / min mehr Leistung bedeutet, bedeutet dies, dass Sie eine geringere Rendite erzielen: Ein doppelt so großer Zylinder liefert weniger als doppelt so viel Leistung.

    Das Hinzufügen eines weiteren Zylinders ist dagegen nahezu perfekt linear: doppelt so hoch Zylinder bedeuten doppelt so viel Leistung.

    #6
    +8
    Eugene
    2016-12-09 19:08:32 UTC
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    Das meiste wurde bereits gesagt, aber ich möchte Folgendes hinzufügen:

    • Mehr Verschiebung bedeutet schwerere Kolben mit höherer Trägheit. Dies begrenzt die Drehzahl und führt zu ernsthaften Belastungen der Motorkomponenten. Um diesen Belastungen standzuhalten, müssen andere Komponenten steifer und damit schwerer sein.

    • Leistung ist das Produkt aus Impuls und Umdrehungen. Durch Erhöhen der Drehzahl wird die Leistung schneller und es ist einfacher, (bis zu einem gewissen Grad) mehr Leistung zu erzielen, als die Dynamik zu erhöhen. Um die Drehzahl zu erhöhen, sollten leichtere Innenteile verwendet werden. AFAIK wird bei Flugzeuganwendungen im Gegensatz zu Automobilanwendungen eine höhere Drehzahl gegenüber einem höheren Impuls bevorzugt. Am Ende mit niedrigen Drehzahlen benötigen Sie nicht so viel Leistung wie in einem Auto.

    • Je mehr Hubraum ein Zylinder hat, desto schwieriger ist es, eine gleichmäßige Gemischbildung zu erreichen effektive, vollständige Verbrennung. Dies ist der Grund dafür, dass bei 4-Zylinder-Motoren von Kraftfahrzeugmotoren meistens 2,0 bis 2,5 Liter, 6-Zylinder-Motoren bis 3-3,3 l, 8-Zylinder-Motoren bis zu 4 bis 5 Liter usw. begrenzt sind. Dies hält das Volumen pro Zylinder auf einem bestimmten vernünftigen Niveau (0,5 l / Zylinder).

    • Die Volumengrenze pro Zylinder wird auch durch die Verbrennungsgeschwindigkeit bestimmt. Bei hohen Drehzahlen kann sich herausstellen, dass die Verbrennung nach Abschluss des Arbeitstakts nicht beendet ist, sodass die Flamme aus den Zylindern schießt und schließlich die Ventile schmilzt. Als Variante kann der Motor über bestimmte Drehzahlen überhaupt nicht beschleunigen. Dieses Problem könnte teilweise durch frühzeitige Zündung und doppelte Zündkerzen behoben werden, aber auch dies ist nicht so effektiv wie das Aufrechterhalten eines guten Verhältnisses von Volumen zu Zylinder.
    @Federico Danke für die Korrekturen!
    #7
    +5
    S Koushik
    2016-12-10 00:11:20 UTC
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    Bei mehr Zylindern sind die Hübe so zeitgesteuert, dass beim Zusammendrücken eines Zylinders ein anderer Strom abgibt und so weiter. Dies stellt sicher, dass die Leistungsabgabe (oder das mittlere Drehmoment, wie in einem T-Theta-Diagramm gezeigt) über die vollständige Drehung der Kurbel konstant bleibt. Die im Schwungrad gespeicherte kinetische Energie ist proportional zu ihrer Masse (tatsächlich Massenträgheitsmoment). Wenn der Motor weniger Energie vom Schwungrad für Kompressionshübe benötigt, kann K.E. erforderlich , um im Schwungrad gespeichert zu werden, ist geringer. Und das Schwungrad könnte leichter gemacht werden.

    Könnten Sie ein solches T-Theta-Diagramm bereitstellen? Die meisten Leute wissen es wahrscheinlich nicht.
    Brauchen Flugzeugtriebwerke wirklich ein Schwungrad? Ich hätte gedacht, der Propeller könnte diese Funktion erfüllen. Bei 6 oder mehr Zylindern sollten die trägen Hübe durch die angetriebenen Hübe durchgedrückt werden, sodass ich nicht sicher bin, ob ein Schwungrad erforderlich ist, um dies auszugleichen.
    #8
    +4
    key
    2016-12-09 13:59:30 UTC
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    Flugzeuge müssen Gewicht sparen. Mit anderen Worten: Es will einen Motor mit einem hohen Leistungsgewicht. Die von einem Zylinder erzeugte Leistung ist proportional zur Oberfläche des Kolbens (wenn der Druck gleich bleibt). Wenn Sie also alle Abmessungen eines Motorzylinders durch 2 teilen, ist die erzeugte Leistung 4x kleiner, das Gewicht des Zylinders jedoch 8x kleiner. Daher ist das Leistungsgewicht doppelt so hoch. Deshalb bevorzugen Flugzeuge Motoren mit vielen kleinen Zylindern gegenüber Motoren mit wenigen großen Zylindern. In der Technik wird dies als "Dimensionsanalyse" bezeichnet, siehe https://en.wikipedia.org/wiki/Dimensional_analysis

    Streng genommen ist die von einem Zylinder erzeugte Kraft proportional zur Oberfläche des Kolbens, wenn die Oberfläche gleich bleibt. Um zu sagen, dass die von einem Zylinder erzeugte Leistung (PS oder kW) proportional zur Oberfläche ist, müssen wir die Annahme hinzufügen, dass die Durchschnittsgeschwindigkeit des Kolbens gleich bleibt. Im Großen und Ganzen ist diese Annahme richtig und bedeutet, dass je länger der Hub eines Kolbens ist, desto niedriger die Drehzahl des Motors ist, was das von Ihnen beschriebene Leistungsgewicht beeinträchtigt.
    Ich verstehe deine Argumentation nicht. Arbeiten mit dem Kolben = Kraft x Abstand.
    Und Kraft = Arbeit / Zeit = Kraft x Geschwindigkeit.
    Ich verstehe nicht 'Streng genommen ist die von einem Zylinder erzeugte Kraft proportional zur Oberfläche des Kolbens, wenn die Oberfläche gleich bleibt'
    Sie sagten, die vom Zylinder erzeugte LEISTUNG sei proportional zur Oberfläche des Kolbens, wenn der Druck gleich bleibt. Ich habe dies auf die KRAFT korrigiert, die durch die von einem Zylinder erzeugte Kraft erzeugt wird, die proportional zur Oberfläche des Kolbens ist. Ist die Oberfläche des Kolbens, wenn der Druck gleich bleibt. Kraft = Druck x Fläche. Leistung = Arbeit / Zeit = Kraft x Geschwindigkeit = Druck x Fläche x Geschwindigkeit.
    Ah, ok. Es ist jedoch nicht erforderlich, den Zeitfaktor (erneut) einzuführen. Ein weiteres Beispiel: Die Muskelkraft ist proportional zur Querschnittsgröße. Wenn Sie zwischen 5 und 25 Jahre alt werden, sind Sie doppelt so groß. Daher ist Ihre Muskelkraft 4x, aber Ihr Gewicht ist 8-mal so hoch. Das ist der Grund, warum Sie jetzt Probleme haben, mit einem gleich großen Freund auf dem Rücken zu gehen, aber früher war es einfach.
    Muskelkraft (gemessen in Newton, lbf oder kgf) ist proportional zur Muskelfläche. Muskelarbeit ist gegeben durch Kraft mal Distanz. Um Ihren Freund zu heben, wenn Sie größer sind, müssen Sie ihn doppelt so weit heben, was eine andere, andere Sichtweise ist, warum es schwieriger ist. KRAFT ist Arbeit / Zeit. Wenn Sie also nach oben rennen, erzeugen Sie mehr Strom als wenn Sie nach oben gehen. Wenn über die Beziehung zwischen Kraft und Kraft gesprochen wird (in der Definition von Physik / Technik, die im allgemeinen Gespräch missbraucht werden kann), müssen immer sowohl Zeit als auch Entfernung angegeben werden.
    Ich bin Maschinenbauingenieur, ich kenne den Unterschied. Ich habe versucht zu zeigen, dass sowohl in der technischen Bedeutung von Macht als auch in der allgemeinen Bedeutung die Auswirkungen gleich sind. Die Kraft synchronisiert sich, ebenso die Kraft. Sie können über Kraft, Arbeit oder Macht sprechen, die Auswirkungen sind die gleichen.
    Laut Wikipedia, die Sie zitieren, ist die Dimensionsanalyse die Analyse der Beziehungen zwischen * verschiedenen * physikalischen Größen durch Identifizierung ihrer * Basisgrößen * (wie Länge, Masse, Zeit und elektrische Ladung) und * Maßeinheiten * (wie z als Meilen gegen Kilometer oder Pfund gegen Kilogramm gegen Gramm). Dies gilt nicht für den von Ihnen beschriebenen Fall, in dem Änderungen in einer Dimension zu unverhältnismäßigen Änderungen in einer anderen führen.
    #9
    +1
    Tom
    2018-10-10 12:24:29 UTC
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    Die frühe Luftfahrt basierte nicht sehr auf all diesen wissenschaftlichen oder technischen Konzepten, sondern auf dem, was sie für funktioniert hielt. Viele frühe Triebwerkshersteller kamen hauptsächlich aus der Automobilindustrie, und sie nahmen das, was sie wussten, und verdoppelten es, um die Leistungsanforderungen zu erfüllen (flach 6 bis v12). Warum sie dazu neigten, die Anzahl der Zylinder nicht zu vereinfachen und zu reduzieren, hatte wahrscheinlich viel mit Zuverlässigkeit zu tun (mehr Zylinder, mehr Redundanzen). Die Briten und Amerikaner der Allianz hatten die ersten Düsentriebwerkskonzepte des Krieges, konzentrierten sich jedoch auf praktischere Technologie; Welches hätten Sie fliegen wollen?

    Im Gegenteil - die Wright Bros waren die ersten, die eine genaue und zuverlässige Wissenschaft der Aerodynamik entwickelten, die es ihnen ermöglichte, ein funktionierendes Flugzeug zu entwickeln. Die Luftfahrt basiert seit jeher auf der Wissenschaft, zögert jedoch, sich zu weit von etablierten und praktikablen Konstruktionen zu entfernen


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