Nimmt die Leistung eines Diesel-Kolbenmotors mit der Höhe langsamer ab als bei einem AVGAS-Motor?

Willkommen in der Community! Da der Austro Engine AE-300 ein Dieselmotor ist (JetA/Kerosin und Diesel sind sehr ähnlich) ist er mit einem Turbolader ausgestattet. Turbolader komprimieren die Ansaugluft des Motors, um die Luftdichte auf Meereshöhe aufrechtzuerhalten, sodass der Motor die volle Leistung erzeugt, wenn Sie in weniger dichte Luft steigen.

Apropos Pkw- und Lkw-Motoren, Dieselmotoren sind oft mit einem Turbolader ausgestattet, um den Ansaugluftdruck zu erhöhen.

Sowohl bei Autos als auch bei Flugzeugen sind Benzinkolbenmotoren normalerweise nicht mit einem Turbolader ausgestattet, es sei denn, der Motor ist in einem Hochleistungsauto oder -flugzeug installiert, bei dem der Kunde mehr Geld bezahlt, um mehr Leistung zu erhalten. In den letzten Jahren wurden einige Autos, die keine Hochleistungsautos sind, mit Turboladern ausgestattet, um mehr (durchschnittliche) Leistung aus einem sehr kleinen Motor herauszuholen.

Turbolader sind für Flugzeuge sehr nützlich, da sie in Höhen fliegen, in denen die Luft weniger dicht ist und die Leistung verringert wird.

Beim Fliegen eines Flugzeugs ohne Turbolader mit Benzinmotor wird der Verlust der Motorleistung beim Steigen über 5.000 Fuß deutlich spürbar. Wenn es ein heißer Tag mit hoher Dichte ist, tritt der Leistungsverlust in noch geringerer Höhe auf.

Ein Motor, der nicht mit einem Turbolader ausgestattet ist, wird als "Saugmotor" bezeichnet, was bedeutet, dass er natürlich "atmet", nicht mit einem Turbolader, der Luft in ihn hineindrückt, um eine bessere Leistung zu erzielen.

Eine interessante Sache, die an dem von Ihnen verlinkten Altitude Performance Graph zu bemerken ist, ist, dass sie ihren mit AE-300-Turbolader ausgestatteten Dieselmotor mit dem Lycoming IO-360 vergleichen. Der Lycoming IO-360 ist nicht turboaufgeladen. Der turbogeladene IO-360 heißt TIO-360 (T = Turbocharged, I = Fuel * Injected, O = Opposed (Horizontal entgegengesetztes Motordesign).

Der IO-360 ohne Turbolader ist der äquivalente, typische und übliche General Aviation-Motor, mit dem der AE-300 in Bezug auf PS und Leistung verglichen werden kann, aber er hat keinen Turbolader.
Wenn Sie in dünnere Luft steigen, erhält der Motor daher weniger Sauerstoff und erzeugt weniger Leistung, was zu einem Höhenleistungsabfall in der von Ihnen verlinkten Tabelle führt.

Basierend auf dem verlinkten Austro Engine-Diagramm bezieht sich Ihre Frage meiner Meinung nach auf Propellerflugzeuge der allgemeinen Luftfahrt, bei denen der Propeller von einem Kolbenmotor angetrieben wird, und nicht auf Turboprop-Triebwerke, bei denen der Propeller von einer Strahlturbine angetrieben wird. Ist das richtig?

Es liegt nicht daran, dass es sich um einen Dieselmotor handelt, obwohl Dieselmotoren eher so konstruiert sind.

Der Motor ist so genannte „Flat Rated“. Das bedeutet, dass seine Leistung nicht dadurch begrenzt wird, dass er bei gegebenem Kolbenvolumen und Drehzahl einfach keinen Kraftstoff mehr verbrennen kann, sondern durch den Spitzendruck oder die Temperatur.

Der Controller begrenzt die Kraftstoffmenge, die bei Dichtehöhen unter 9000 Fuß eingespritzt werden kann, um zu verhindern, dass diese Parameter überschritten werden und der Motor beschädigt wird. Ohne das hätte die Leistungskurve die gleiche Steigung wie beim IO360, aber der Motor müsste deutlich schwerer sein.

Aber in niedrigen Höhen braucht man diese Leistung eigentlich nicht. Der Luftwiderstand ist bei gleicher angezeigter Fluggeschwindigkeit gleich, Sie benötigen den gleichen Schub, um Ihre optimale Reisegeschwindigkeit in jeder Höhe beizubehalten. Aber Leistung ist Schub mal Geschwindigkeit, dh wahre Fluggeschwindigkeit, so dass Sie in größerer Höhe mehr Leistung benötigen, um diese angezeigte Fluggeschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Durch Flatrating des Motors kann er also höher fahren, ohne ihn viel schwerer zu machen.

Jetzt werden Dieselmotoren eher pauschal bewertet.

• Nur turboaufgeladene Motoren neigen dazu, flach bewertet zu werden. Flatrating bedeutet im Grunde eine Begrenzung des Saugrohrdrucks. Aber der Umgebungsdruck kann immer in den Motor gelangen und der Motor muss dem immer standhalten. Die Grenze liegt also immer über dem Umgebungsdruck, was nur bei aufgeladenen Motoren vorkommen kann. Dort besteht auch die Möglichkeit, den Motor durch entsprechende Wastegates im Turbolader vor Überschreitung des Saugrohrdrucks zu schützen.

• Dieselmotoren sind eher turboaufgeladen. Dieselmotoren spritzen Kraftstoff nur an dem Punkt ein, an dem er zu brennen beginnen sollte, sodass sie hohe Verdichtungsverhältnisse haben können und tatsächlich hohe Verdichtungsverhältnisse benötigen, um die Selbstentzündungstemperatur des Kraftstoffs nur durch Verdichtung zu erreichen. Auf der anderen Seite haben Ottomotoren den Kraftstoff bereits in der Luft gemischt, so dass sie diese Temperatur nicht erreichen dürfen, die ihr Verdichtungsverhältnis begrenzt. Und die Turboaufladung erhöht das effektive Verdichtungsverhältnis, sodass Ottomotoren nur so stark aufgeladen werden können, wie der Ladeluftkühler verhindern kann, dass die Temperatur zu hoch wird, während Dieselmotoren so stark aufgeladen werden können, wie die Zylinder dafür ausgelegt sind.

Da das Hinzufügen eines Turboladers die Leistung mit weniger Gewicht erhöht als der Motor größer zu machen, sind alle Dieselmotoren heutzutage turbogeladen und das schon seit geraumer Zeit. Und das Hinzufügen eines größeren Turbos zu einem Motor ist eine relativ kleine Änderung, die es ermöglicht, die maximale Leistung auf eine Höhe mit höherer Dichte zu bringen. Sobald der Motor also turbogeladen ist, ist dies der logische nächste Schritt.

Ich möchte hinzufügen, dass die großen Flugzeugtriebwerke der 40er und 50er Jahre alle flach ausgelegt waren, oft bis über 15.000 ft. Dh ihre Leistungskurve hatte eine ähnliche Form wie die, die sie für den AE300 zeigen, obwohl es sich um fremdgezündete Motoren handelte.

Beispielsweise waren die riesigen Wright-Zyklone auf 54 inHg Ladedruck für den Start und 49 inHg Ladedruck im Dauerbetrieb begrenzt, aber sie würden weit darüber hinausgehen, wenn Sie die Drosseln auf Meereshöhe mit Firewalls versehen würden. Und sie hatten einen Turbolader der zweiten Stufe, den der Flugingenieur erst oberhalb von etwa 8.500 Fuß einschaltete. Zu dieser Zeit gab es keine elektronischen Motorsteuerungen, sodass die Besatzung genau auf die Ladedruckanzeige achten musste, um Schäden an den Triebwerken zu vermeiden.

Es geht um die Luftkompression!

Die von Ihnen erwähnte Grafik zeigt zwei Diesel/Jetfuel-Getriebekolbenmotoren und einen Avgas-Kolbenmotor mit Direktantrieb, den Lycoming IO360. Die beiden Dieselmotorkurven haben in geringeren Höhen eine horizontale Steigung, die tatsächlich durch einen Ansaugluftkompressor verursacht wird.

• D - Direktantrieb
• G - Getriebe (zwischen Propeller und Motor)
• N - Normal angesaugt
• S - Aufgeladen
• T - Turboaufgeladen
• C - Vergaser
• I - Kraftstoffeinspritzung

Die obige Abbildung ist Abb. 4-7a von Torenbeek, Synthesis of Subsonic Airplane Design, und vergleicht verschiedene Konfigurationen von Avgas-Kolbenmotoren mit Vergaser bei konstantem Hubraum. Wie man sieht:

• nur der normal angesaugte Avgas-Kolbenmotor (wie der Lycoming O360) hat eine kontinuierlich abnehmende Leistung mit der Höhe;
• Der Geared Turbo-Motor hat die beste Höhenleistung und die höchste Leistung in jeder Höhe.
• Die Direktantriebsmotoren sind aufgrund der maximalen Propellerdrehzahl durch niedrigere Drehzahlen begrenzt.

Das Interessante an den Diagrammen ist, was auf der rechten Seite passiert: Sie verschwinden alle in 0 % bei 16,5 km Höhe. Je höher also die Anfangsleistung bei 0 km, desto steiler der Abfall auf null bei 16,5 km. Und ich glaube, dies ist die Grundlage der OP-Frage.

• Der Lycoming O360 ist ein 6-l-Saugmotor mit Direktantrieb und entwickelt 180 PS bei 2700 U/min.
• Der AE300 ist ein 2-l-Turbo-Getriebemotor mit 168 PS kW bei 2300 U/min Propeller
• Der Thielert/Continental Centurion ist dem AE300 sehr ähnlich, mit einer geringeren zertifizierten Ausgangsleistung.

Die Frage ist also tatsächlich: Warum folgen die Dieselmotoren nicht dem allgemeinen Trend, der in der Torenbeek-Grafik gezeigt wird? Dies liegt am besseren thermischen Wirkungsgrad eines modernen Dieselmotors mit Common-Rail-Einspritzung:

1. Das Verdichtungsverhältnis ist höher als bei einem Avgas-Motor: Diesel klopft bei hoher Verdichtung nicht. Avgas-Motoren, die Kraftstoff mit hoher Oktanzahl (100/130) verwenden, können Verdichtungsverhältnisse von 1:8 bis 1:10 verwenden, der Motor vom Typ AE300 hat ein Verdichtungsverhältnis von 17:1 . In jeder Höhe wird also der Umgebungsluftdruck bei einem Dieselmotor stärker erhöht als bei einem Avgas-Motor.
2. Die Dieselmotoren haben eine Kraftstoffeinspritzung, was zu einer effizienteren Verbrennung führt. Die Kraftstoffeinspritzung erhöht die Leistungsabgabe in jeder Höhe um einige Prozent.