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 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

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

  

  _{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

  

  _{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

  

  _{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).

  

  _{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

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.

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):

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 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:

( Quelle) Kleine Zylinder passen gut in eine dünne aerodynamische Form.

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.

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.

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.

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.

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

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?