Höheneffektedit
Der Rolls-Royce Merlin, ein aufgeladenes Flugzeugtriebwerk aus dem Zweiten Weltkrieg. Der Kompressor befindet sich hinten rechts
Ein Fliehkraftwerk kompressor eines Bristol Centaurus Radialflugzeugmotors.
Kompressor sind eine natürliche Ergänzung zu Flugzeugkolbenmotoren, die für den Betrieb in großen Höhen bestimmt sind. Wenn ein Flugzeug in eine höhere Höhe steigt, nehmen Luftdruck und Luftdichte ab., Die Leistung eines Kolbenmotors sinkt aufgrund der Verringerung der Luftmasse, die in den Motor eingezogen werden kann. Beispielsweise beträgt die Luftdichte bei 30.000 ft (9.100 m) 1⁄3 davon auf Meereshöhe, so kann nur 1⁄3 der Luftmenge in den Zylinder eingesaugt werden, mit genügend Sauerstoff, um nur ein Drittel so viel Kraftstoff effizient zu verbrennen. So kann bei 30.000 ft (9.100 m) nur 1⁄3 des auf Meereshöhe verbrannten Brennstoffs verbrannt werden. (Ein Vorteil der verringerten Luftdichte ist, dass die Flugzeugzelle nur etwa 1/3 des Luftwiderstands erfährt., Zusätzlich gibt es einen verminderten Gegendruck auf die Abgase. Andererseits wird mehr Energie verbraucht, um ein Flugzeug mit weniger Luft aufzuhalten, um Auftrieb zu erzeugen.)
Ein Kompressor kann entweder als künstlich Erhöhung der Dichte der Luft durch Komprimieren oder als Zwingen mehr Luft als normal in den Zylinder jedes Mal, wenn der Kolben bewegt sich nach unten auf den Ansaughub gedacht werden.
Ein Kompressor komprimiert die Luft wieder auf Meereshöhe-äquivalente Drücke oder sogar viel höher, damit der Motor in Kreuzfahrthöhe genauso viel Leistung erzeugt wie auf Meereshöhe., Mit dem reduzierten Luftwiderstand in großer Höhe und dem Motor, der immer noch Nennleistung erzeugt, kann ein aufgeladenes Flugzeug in der Höhe viel schneller fliegen als ein Saugflugzeug. Der Pilot steuert den Ausgang des Laders mit der Drosselklappe und indirekt über den Propellerregler. Da die Größe des Laders gewählt wird, um eine gegebene Menge an Druck in großen Höhen zu erzeugen, ist der Lader für geringe Höhe überdimensioniert. Der Pilot muss vorsichtig mit der Drosselklappe sein und das Manifold Manometer beobachten, um ein Übersteuern in geringer Höhe zu vermeiden., Wenn das Flugzeug steigt und die Luftdichte sinkt, muss der Pilot die Drosselklappe kontinuierlich in kleinen Schritten öffnen, um die volle Leistung aufrechtzuerhalten. Die Höhe, in der die Drosselklappe voll offen ist und der Motor immer noch die volle Nennleistung erzeugt, wird als kritische Höhe bezeichnet. Oberhalb der kritischen Höhe sinkt die Motorleistung, wenn das Flugzeug weiter steigt.
Auswirkungen der temperatureEdit
Kompressor CDT vs. Höhe., Grafik zeigt die CDT-Unterschiede zwischen einem konstanten Boost-Kompressor und einem variablen Boost-Kompressor bei Verwendung in einem Flugzeug.
Wie oben beschrieben, kann eine Aufladung einen Temperaturanstieg verursachen, und extreme Temperaturen verursachen eine Detonation des Kraftstoff-Luft-Gemisches und eine Beschädigung des Motors. Im Falle von Flugzeugen verursacht dies ein Problem in geringen Höhen, wo die Luft sowohl dichter als auch wärmer ist als in großen Höhen. Bei hohen Umgebungslufttemperaturen kann es zu einer Detonation kommen, wenn das Manifold Manometer weit unter der roten Linie abgelesen wird.,
Ein für große Höhen optimierter Kompressor verursacht auf der Einlassseite des Systems das gegenteilige Problem. Wenn die Drosselklappe verzögert wird, um eine Übersteigerung zu vermeiden, kann die Lufttemperatur im Vergaser niedrig genug fallen, um Eis an der Drosselklappenplatte zu bilden. Auf diese Weise könnte sich genügend Eis ansammeln, um selbst bei voller Nennleistung einen Motorausfall zu verursachen. Aus diesem Grund verfügten viele aufgeladene Flugzeuge über ein Vergaser-Lufttemperaturmessgerät oder eine Warnleuchte, um den Piloten auf mögliche Vereisung aufmerksam zu machen.,
Mehrere Lösungen für diese Probleme wurden entwickelt: Ladeluftkühler und Nachkühler, Anti-Detonant-Injektion, Zweigang-Lader und zweistufige Lader.
Zweigang-und zweistufige Aufladeredit
In den 1930er Jahren wurden Zweigangantriebe für Auflader für Flugmotoren entwickelt, die einen flexibleren Flugzeugbetrieb ermöglichen. Die Anordnung brachte auch mehr Komplexität der Herstellung und Wartung mit sich., Die Zahnräder verbanden den Lader mit dem Motor unter Verwendung eines Systems hydraulischer Kupplungen, die zunächst vom Piloten mit einer Steuerung im Cockpit manuell ein-oder ausgekuppelt wurden. In geringen Höhen würde das Niedrigganggetriebe verwendet, um die Verteilertemperaturen niedrig zu halten. Bei etwa 12.000 Fuß (3.700 m), wenn die Drosselklappe voll nach vorne war und der Verteilerdruck zu fallen begann, würde der Pilot die Drosselklappe verzögern und in den höheren Gang schalten, dann die Drosselklappe auf den gewünschten Verteilerdruck neu einstellen., Spätere Installationen automatisierten den Gangwechsel entsprechend dem Atmosphärendruck.
In der Schlacht von Großbritannien wurden die vom Rolls-Royce Merlin-Motor angetriebenen Spitfire-und Hurricane-Flugzeuge größtenteils mit einstufigen und Singlespeed-Aufladern ausgestattet. Stanley Hooker von Rolls Royce entwickelte, um die Leistung des Merlin-Motors zu verbessern, 1942 eine zweistufige zweistufige Aufladung mit Unterkühlung mit einer erfolgreichen Anwendung auf dem Rolls Royce Merlin 61 Aero Engine. PS und Leistung wurden in allen Höhen erhöht., Hookers Entwicklungen ermöglichten es den von ihnen angetriebenen Flugzeugen, einen entscheidenden Vorteil gegenüber den deutschen Flugzeugen aufrechtzuerhalten, denen sie sich während des Zweiten Weltkriegs widersetzten, obwohl die deutschen Triebwerke einen deutlich größeren Hubraum hatten. Zweistufige Kompressor waren auch immer zweistufig. Nachdem die Luft in der Niederdruckstufe komprimiert wurde, strömte die Luft durch einen Ladeluftkühler, wo sie abgekühlt wurde, bevor sie wieder durch die Hochdruckstufe komprimiert und dann möglicherweise auch in einem anderen Wärmetauscher unterkühlt wurde., Zweistufige Kompressoren sorgten für eine deutlich verbesserte Höhenleistung, wie sie der Rolls-Royce Merlin 61 Supermarine Spitfire Mk IX und der nordamerikanische Mustang kennzeichneten.
In einigen zweistufigen Systemen würden Dämpfertüren vom Piloten geöffnet oder geschlossen, um je nach Bedarf eine Stufe zu umgehen. Einige Systeme hatten eine Cockpitsteuerung zum Öffnen oder Schließen eines Dämpfers zum Ladeluftkühler/Nachkühler, was eine andere Möglichkeit zur Temperaturregelung bot., Rolls-Royce Merlin-Motoren hatten eine vollautomatische Boost-Steuerung, wobei der Pilot lediglich das Gas mit dem Steuerungssystem vorantreiben musste, das den Boost nach Bedarf begrenzt, bis die maximale Höhe erreicht war.
Turboladeredit
Ein mechanisch angetriebener Kompressor muss seine Antriebsleistung vom Motor nehmen. Nimmt man einen einstufigen Single-Speed-Kompressor-Motor, wie zum Beispiel einen frühen Rolls-Royce Merlin, verbraucht der Kompressor etwa 150 PS (110 kW)., Ohne Kompressor könnte der Motor etwa 750 PS (560 Kilowatt) produzieren, aber mit einem Kompressor produziert er etwa 1.000 PS (750 kW)—eine Steigerung von etwa 400 PS (750 – 150 + 400 = 1000 PS) oder einem Nettogewinn von 250 PS (190 kW). Hier zeigt sich der Hauptnachteil eines Aufladers. Der Motor muss zusätzlichen Kraftstoff verbrennen, um den Kompressor mit Strom zu versorgen. Die erhöhte Luftdichte während des Eingangszyklus erhöht die spezifische Leistung des Motors und sein Leistungsgewicht, jedoch auf Kosten einer Erhöhung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs des Motors., Zusätzlich zur Erhöhung der Kosten für den Betrieb des Flugzeugs hat ein Kompressor das Potenzial, seine Gesamtreichweite für eine bestimmte Kraftstoffbelastung zu reduzieren.
Im Gegensatz zu einem vom Motor selbst angetriebenen Kompressor wird ein Turbolader mit dem sonst verschwendeten Abgas des Motors angetrieben. Die Menge an Leistung im Gas ist proportional zur Differenz zwischen Abluftdruck und Luftdruck, und dieser Unterschied nimmt mit der Höhe zu und hilft einem Turbomotor, die Höhe zu kompensieren., Dies erhöht die Höhe, in der die maximale Leistung des Motors im Vergleich zur Aufladung des Ladegeräts erreicht wird, und ermöglicht einen besseren Kraftstoffverbrauch in großer Höhe im Vergleich zu einem gleichwertigen aufgeladenen Motor. Dies erleichtert eine erhöhte wahre Fluggeschwindigkeit in großer Höhe und ergibt eine größere Reichweite als ein gleichwertig verstärkter Motor mit einem Kompressor.
Die Mehrheit der im Zweiten Weltkrieg eingesetzten Flugzeugtriebwerke verwendete mechanisch angetriebene Lader, da sie gegenüber Turboladern erhebliche Herstellungsvorteile aufwiesen., Der Vorteil für die Reichweite wurde amerikanischen Flugzeugen jedoch eine viel höhere Priorität eingeräumt, da eine weniger vorhersehbare Anforderung an die Reichweite bestand und sie weit von ihren Heimatbasen entfernt reisen mussten. Folglich wurden Turbolader hauptsächlich in amerikanischen Flugzeugtriebwerken wie dem Allison V-1710 und dem Pratt & Whitney R-2800 eingesetzt, die bei Turboaufladung vergleichsweise schwerer waren und eine zusätzliche Leitung teurer Hochtemperaturmetalllegierungen in der Gasturbine und einen Vorturbinen-Abschnitt der Abgasanlage erforderten., Die Größe der Leitung allein war eine ernsthafte Designüberlegung. Zum Beispiel verwendeten sowohl der F4U Corsair als auch der P-47 Thunderbolt den gleichen Radialmotor, aber der große tonnenförmige Rumpf des Turboladers P-47 wurde wegen der Menge der Leitung zum und vom Turbolader im Heck des Flugzeugs benötigt. Der F4U verwendete einen zweistufigen zwischengekühlten Kompressor mit einem kompakteren Layout. Nichtsdestotrotz waren Turbolader aufgrund der erhöhten Leistung und Reichweite in großer Höhe bei Bombern und einigen Kampfflugzeugen nützlich.,
Turboladerkolbenmotoren unterliegen ebenfalls vielen der gleichen Betriebsbeschränkungen wie Gasturbinenmotoren. Turbomotoren erfordern auch häufige Inspektionen ihrer Turbolader und Abgassysteme, um nach möglichen Schäden zu suchen, die durch die extreme Hitze und den Druck der Turbolader verursacht werden. Ein solcher Schaden war ein prominentes Problem in den frühen Modellen der amerikanischen Boeing B-29 Superfortress-Höhenbomber, die 1944-45 im Pacific Theatre of Operations eingesetzt wurden.,
Turboladerkolbenmotoren wurden weiterhin in einer großen Anzahl von Nachkriegsflugzeugen eingesetzt, wie der B-50 Superfortress, dem KC-97 Stratofreighter, dem Boeing Stratoliner, dem Lockheed Constellation und dem C-124 Globemaster II.
In jüngerer Zeit sind die meisten Flugzeugtriebwerke für die allgemeine Luftfahrt (Leichtflugzeuge) natürlich abgesaugt, aber die kleinere Anzahl moderner Luftfahrtkolbenmotoren, die für den Betrieb in großen Höhen ausgelegt sind, verwendet Turbolader-oder Turbolader-Normalisierungssysteme anstelle eines Turboladers. kompressor angetrieben von den Kurbelwellen. Die Veränderung des Denkens ist weitgehend auf die Wirtschaft zurückzuführen., Flugbenzin war einst reichlich und billig und begünstigte den einfachen, aber treibstoffhungrigen Kompressor. Da die Kraftstoffkosten gestiegen sind, ist der gewöhnliche Kompressor in Ungnade gefallen. Je nachdem, welchen monetären Inflationsfaktor man verwendet, sind die Kraftstoffkosten nicht so schnell gesunken wie die Produktions-und Wartungskosten.
Effects of fuel octane ratingEdit
Bis Ende der 1920er Jahre wurde der gesamte Automobil-und Luftfahrttreibstoff im Allgemeinen mit 87 Oktan oder weniger bewertet. Dies ist die Bewertung, die durch die einfache Destillation von „leichtem Rohöl“ erreicht wurde., Motoren aus der ganzen Welt wurden entwickelt, um mit dieser Kraftstoffsorte zu arbeiten, wodurch die Menge an Boosting, die der Kompressor bereitstellen könnte, begrenzt wurde, während ein angemessenes Verdichtungsverhältnis beibehalten wurde.
Oktanzahl Förderung durch Zusatzstoffe, wie tetraethyllead, wurde eine Reihe von Untersuchungen erforscht an der Zeit. Mit diesen Techniken konnte weniger wertvolles Rohöl immer noch große Mengen nützliches Benzin liefern, was es zu einem wertvollen wirtschaftlichen Prozess machte., Die Additive beschränkten sich jedoch nicht darauf, minderwertiges Öl zu 87-Oktan-Benzin zu machen; Die gleichen Additive könnten auch verwendet werden, um das Benzin auf viel höhere Oktanzahl zu bringen.
Kraftstoff mit höherer Oktanzahl widersteht Selbstzündung und Detonation besser als Kraftstoff mit niedriger Oktanzahl. Infolgedessen könnte die von den Kompressoren gelieferte Boost-Menge erhöht werden, was zu einer Erhöhung der Motorleistung führt., Die Entwicklung von 100-Oktan-Flugkraftstoff, der vor dem Krieg in den USA Pionierarbeit leistete, ermöglichte den Einsatz höherer Ladedrücke bei Hochleistungsflugzeugen und wurde zur Entwicklung extrem hoher Leistungsleistungen-für kurze Zeiträume-in mehreren der Vorkriegsflugzeuge verwendet Geschwindigkeitsrekord. Der Einsatz des neuen Kraftstoffs während des Zweiten Weltkriegs begann Anfang 1940, als Kraftstoff mit 100 Oktan von Raffinerien in Amerika und Ostindien an die britische Royal Air Force geliefert wurde. Die deutsche Luftwaffe hatte auch Lieferungen eines ähnlichen Treibstoffs.,
Die Erhöhung der Klopfgrenzen bestehender Flugkraftstoffe rückte im Zweiten Weltkrieg in den Mittelpunkt der Flugmotorenentwicklung.Bis Kriegsende wurde Treibstoff mit einer Nennleistung von 150 Oktan geliefert, auf die sich Nachkriegsaero-Triebwerke wie der Rolls-Royce Merlin 66 oder der Daimler-Benz DB 605DC mit bis zu 2.000 PS (1.500 kW) entwickelten.