höjd effectsEdit
Rolls-Royce Merlin, en överladdad flygplansmotor från andra världskriget. överladdaren är på baksidan av motorn till höger
superladdare är ett naturligt tillägg till flygplanskolvmotorer som är avsedda för drift vid höga höjder. När ett flygplan klättrar till en högre höjd minskar lufttrycket och lufttätheten., Utsignalen från en kolvmotor sjunker på grund av minskningen av luftens massa som kan dras in i motorn. Till exempel är lufttätheten vid 9,100 m 1 3 av den på havsnivå, så endast 1 3 av mängden luft kan dras in i cylindern, med tillräckligt med syre för att ge effektiv förbränning för endast en tredjedel så mycket bränsle. Så, vid 30 000 ft (9,100 m), kan endast 1 3 av bränslet brännas på havsnivå brännas. (En fördel med den minskade lufttätheten är att flygplanet endast upplever cirka 1/3 av det aerodynamiska draget., Dessutom finns det minskat tryck på avgaserna. Å andra sidan förbrukas mer energi som håller ett flygplan upp med mindre luft för att generera Hiss.)
en kompressor kan betraktas som antingen artificiellt öka luftens densitet genom att komprimera den eller tvinga mer luft än normalt i cylindern varje gång kolven rör sig ner på inloppsslaget.
en kompressor komprimerar luften tillbaka till havsnivåekvivalenta tryck, eller till och med mycket högre, för att få motorn att producera lika mycket kraft på kryssningshöjd som den gör på havsnivå., Med det reducerade aerodynamiska draget på hög höjd och motorn fortfarande producerar märkeffekt, kan ett superladdat flygplan flyga mycket snabbare på höjd än en naturligt aspirerad. Piloten styr överladdarens utgång med gasreglaget och indirekt via propellerregulatorkontrollen. Eftersom superladdarens storlek väljs för att producera en given mängd tryck vid höga höjder, är superladdaren överdimensionerad för låg höjd. Piloten måste vara försiktig med gasreglaget och titta på grenröret tryckmätare för att undvika överhöjning på låg höjd., När flygplanet klättrar och lufttätheten sjunker måste piloten kontinuerligt öppna gasreglaget i små steg för att bibehålla full effekt. Den höjd vid vilken gasen når full öppen och motorn fortfarande producerar full märkeffekt är känd som den kritiska höjden. Ovanför den kritiska höjden börjar motoreffekten sjunka när flygplanet fortsätter att klättra.
effekter av temperatureEdit
Supercharger CDT vs. altitude., Grafen visar CDT-skillnaderna mellan en konstant boost-kompressor och en variabel-boost-kompressor när den används på ett flygplan.
som diskuterats ovan kan överladdning orsaka en temperaturökning, och extrema temperaturer kommer att orsaka detonation av bränsle-luftblandningen och skador på motorn. När det gäller flygplan orsakar detta ett problem vid låga höjder, där luften är både tätare och varmare än vid höga höjder. Med höga omgivningstemperaturer kan detonation börja inträffa med manifold tryckmätare som läser långt under den röda linjen.,
en kompressor optimerad för höga höjder orsakar det motsatta problemet på systemets intagssida. Med gasreglaget retarderad för att undvika överhöjning kan lufttemperaturen i förgasaren sjunka tillräckligt låg för att få Is att bildas vid gasplattan. På detta sätt kan tillräckligt med is ackumuleras för att orsaka motorfel, även om motorn arbetar med full nominell effekt. Av denna anledning presenterade många överladdade flygplan en förgasare lufttemperaturmätare eller varningslampa för att varna piloten om eventuella isningsförhållanden.,
flera lösningar på dessa problem utvecklades: intercoolers och aftercoolers, Anti-detonant injektion, tvåhastighets superchargers och tvåstegs superchargers.
tvåhastighets-och tvåstegs superchargersEdit
på 1930-talet utvecklades tvåhastighetsenheter för superladdare för flygmotorer som ger mer flexibel flygplansdrift. Arrangemanget innebar också mer komplexitet tillverkning och underhåll., Växlarna kopplade överladdaren till motorn med ett system med hydrauliska kopplingar, som ursprungligen var manuellt inkopplade eller urkopplade av piloten med en kontroll i cockpiten. Vid låga höjder skulle låghastighetsväxeln användas för att hålla grenrörstemperaturerna låga. Vid omkring 12 000 fot (3,700 m), när gasreglaget var fullt framåt och grenröret trycket började sjunka, piloten skulle fördröja gasreglaget och växla till högre växel, sedan justera gasreglaget till önskat grenrör tryck., Senare installationer automatiserade växlingen enligt atmosfärstryck.
I Slaget vid Storbritannien Spitfire och orkanen plan som drivs av Rolls-Royce Merlin motorn var utrustade till stor del med enstegs och singlespeed superchargers. Stanley Hooker av Rolls Royce, för att förbättra prestandan hos Merlin-motorn, utvecklade tvåväxlad tvåstegs superladdning med efterkylning med en framgångsrik applikation på Rolls Royce Merlin 61 aero-motorn 1942. Hästkrafter och prestanda ökade vid alla höjder., Hookers utveckling gjorde det möjligt för flygplanet att behålla en avgörande fördel jämfört med det tyska flygplanet som de motsatte sig under andra världskriget, trots att de tyska motorerna var betydligt större i förskjutning. Tvåstegs superladdare var också alltid tvåhastigheter. Efter att luften komprimerats i lågtryckssteget flödade luften genom en intercooler radiator där den kyldes innan den komprimerades igen av högtryckssteget och eventuellt också efterkyldes i en annan värmeväxlare., Tvåstegs kompressorer gav mycket förbättrad hög höjd prestanda, som kännetecknas av Rolls-Royce Merlin 61 powered Supermarine Spitfire Mk IX och den nordamerikanska Mustang.
i vissa tvåstegssystem skulle spjälldörrarna öppnas eller stängas av piloten för att kringgå ett steg efter behov. Vissa system hade en cockpit kontroll för att öppna eller stänga ett spjäll till intercooler/aftercooler, vilket ger ett annat sätt att styra temperaturen., Rolls-Royce Merlin-motorer hade helautomatisk boost-kontroll med all piloten som behövde göra var att avancera gasreglaget med styrsystemet som begränsar boost vid behov tills maximal höjd uppnåddes.
TurbochargingEdit
en mekaniskt driven superladdare måste ta sin drivkraft från motorn. Med en enkelstegsväxlad superladdad motor, till exempel en tidig Rolls-Royce Merlin, använder superladdaren upp ca 150 hk (110 kW)., Utan en kompressor kan motorn producera cirka 750 hästkrafter (560 kilowatt), men med en kompressor producerar den cirka 1000 hk—750 kW) – en ökning med cirka 400 hk (750 – 150 + 400 = 1000 hk), eller en nettovinst på 250 hk (190 kW). Det är där den huvudsakliga nackdelen med en kompressor blir uppenbar. Motorn måste bränna extra bränsle för att ge ström för att driva superladdaren. Den ökade lufttätheten under ingångscykeln ökar motorns specifika effekt och dess effekt-till-vikt-förhållande, men på bekostnad av en ökning av motorns specifika bränsleförbrukning., Förutom att öka kostnaden för att köra flygplanet har en kompressor potential att minska sitt totala intervall för en specifik bränslebelastning.
i motsats till en kompressor som drivs av själva motorn drivs en turboladdare med hjälp av de annars bortkastade avgaserna från motorn. Mängden kraft i gasen är proportionell mot skillnaden mellan avgastrycket och lufttrycket, och denna skillnad ökar med höjd, vilket hjälper en turboladdad motor att kompensera för att ändra höjd., Detta ökar höjden vid vilken maximal uteffekt av motorn uppnås jämfört med kompressor öka, och möjliggör bättre bränsleförbrukning vid hög höjd jämfört med en motsvarande laddad motor. Detta underlättar ökad verklig fart på hög höjd och ger ett större driftsområde än en likvärdigt förstärkt motor med hjälp av en kompressor.
de flesta flygplansmotorer som användes under andra världskriget använde mekaniskt drivna superladdare eftersom de hade några betydande tillverkningsfördelar jämfört med turboladdare., Fördelen med det operativa området fick dock en mycket högre prioritet för amerikanska flygplan på grund av ett mindre förutsägbart krav på operationsområdet och att behöva resa långt från sina hemmabaser. Följaktligen var turboladdare huvudsakligen anställda i amerikanska flygplansmotorer som Allison V-1710 och Pratt & Whitney R-2800, som var jämförelsevis tyngre när turboladdade, och krävde ytterligare kanalning av dyra metalllegeringar med hög temperatur i gasturbinen och en förturbinsektion i avgassystemet., Storleken på kanalen ensam var en allvarlig design övervägande. Till exempel använde både F4U Corsair och P-47 Thunderbolt samma radialmotor, men den stora tunnformade flygkroppen hos den turboladdade P-47 behövdes på grund av mängden kanal till och från turboladdaren på baksidan av flygplanet. F4U använde en tvåstegs interkyld kompressor med en mer kompakt layout. Turboladdare var dock användbara i höghöjdsbombare och några stridsflygplan på grund av den ökade höghöjdsprestandan och intervallet.,
turboladdade kolvmotorer är också föremål för många av samma driftsrestriktioner som för gasturbinmotorer. Turboladdade motorer kräver också frekventa inspektioner av sina turboladdare och avgassystem för att söka efter eventuella skador som orsakas av turboladdarens extrema värme och tryck. Sådan skada var ett framträdande problem i de tidiga modellerna av den amerikanska Boeing B-29 Superfortress hög höjd bombplan som används i Stillahavsområdet Operations under 1944-45.,
turboladdade kolvmotorer fortsatte att användas i ett stort antal efterkrigsflygplan, såsom B-50 Superfortress, KC-97 Stratofreighter, Boeing Stratoliner, Lockheed Constellation och C-124 Globemaster II.
På senare tid har de flesta flygplansmotorer för allmänflyg (lätta flygplan) naturligt aspirerats, men det mindre antalet moderna flygkolvmotorer som är utformade för att köras på höga höjder använder turboladdare eller turbo-normalizer-system, i stället för en superladdare som drivs från vevaxlarna. Förändringen i tänkandet beror till stor del på ekonomi., Flygbensin var en gång riklig och billig och gynnade den enkla men bränslehungriga superladdaren. När kostnaden för bränsle har ökat har den vanliga superladdaren fallit i favör. Beroende på vilken monetär inflationsfaktor man använder har bränslekostnaderna inte minskat lika snabbt som Produktions-och underhållskostnaderna har.
effekter av bränsleoktanig ratingEdit
fram till slutet av 1920-talet var allt bil-och flygbränsle generellt klassificerat på 87 oktan eller mindre. Detta är den Betyg som uppnåddes genom enkel destillation av” lätt rå ” olja., Motorer från hela världen var utformade för att arbeta med denna bränslekvalitet, som sätter en gräns för den mängd ökning som kan tillhandahållas av superladdaren samtidigt som man behåller ett rimligt kompressionsförhållande.
Oktanbetyg som ökar genom tillsatser, såsom tetraetyllead, var en forskningslinje som undersöktes vid den tiden. Med hjälp av dessa tekniker kunde mindre värdefull råvara fortfarande leverera stora mängder användbar bensin, vilket gjorde det till en värdefull ekonomisk process., Tillsatserna var dock inte begränsade till att göra olja av dålig kvalitet till 87-oktanbensin.samma tillsatser kan också användas för att öka bensinen till mycket högre oktanbetyg.
högre oktanbränsle motstår automatisk tändning och detonation bättre än lågoktanbränsle. Som ett resultat kan mängden boost som superladdarna levererar ökas, vilket resulterar i en ökning av motoreffekten., Utvecklingen av 100-oktan flygbränsle, pionjär i USA före kriget, möjliggjorde användningen av högre boost-tryck för att användas på högpresterande flygmotorer och användes för att utveckla extremt högeffektutgångar-under korta perioder – i flera av förekrigs hastighetsrekordflygplan. Operationell användning av det nya bränslet under andra världskriget började i början av 1940 när 100-oktan bränsle levererades till British Royal Air Force från raffinaderier i Amerika och Ostindien. Den tyska Luftwaffe hade också leveranser av ett liknande bränsle.,
ökad knackgränser för befintliga flygbränslen blev ett viktigt fokus för aero-motorutveckling under andra världskriget. vid slutet av kriget levererades bränsle med en nominell 150-oktan rating, på vilken sena kriget aero-motorer som Rolls-Royce Merlin 66 eller Daimler-Benz DB 605DC utvecklades så mycket som 2,000 hk (1,500 kW).