Warum haben Kolbenmotoren bei höheren Temperaturen einen geringeren Kraftstoffverbrauch?

Es ist sehr üblich, in den AFM/POH, Abschnitt 5 der meisten Flugzeuge mit Kolbenmotor (C152, C172, PA28, BE76 usw.) Diagramme zu finden, die den Kraftstoffverbrauch für Reiseflug-/Economy-Leistungseinstellungen angeben.

Sie werden feststellen, dass der Kraftstoffverbrauch in allen Fällen für eine bestimmte Druckhöhe, Drehzahl und Ladedruck (bei Propeller mit konstanter Drehzahl) von der OAT abhängt. Die Frage ist: Warum nimmt der Kraftstoffdurchfluss (in PPH oder GPH) bei höheren Temperaturen ab?

Ich sollte nachvollziehen, dass höhere Temperaturen (heiße Atmosphäre) die Gesamtleistung des Motors verringern würden, wie wir alle wissen, da die Luft weniger dicht ist, was sich direkt auf den Motorbetrieb auswirkt. Wenn die Leistung des Motors an einem heißen Tag abnimmt, warum verbrennt er dann weniger Kraftstoff?

Alle Hersteller veröffentlichen ähnliche Ergebnisse, aber ich kann keine physikalische Erklärung dafür finden. Wenn Sie auf eine offizielle Referenz in einem Lehrbuch hinweisen könnten, wäre ich sehr dankbar.

Sie müssen das Kraftstoff/Luft-Gemisch dennoch beibehalten, um die optimale Verbrennung zu erzielen. Wenn Sie heiß laufen und weniger Luft (Sauerstoff) für einen bestimmten Zyklus vorhanden ist, benötigen Sie folglich weniger Kraftstoff, um das gleiche Luft-Kraftstoff-Verhältnis aufrechtzuerhalten. Es kann weniger Kraftstoff sein, aber es produziert auch weniger Strom.
Bitte definieren Sie "besser". Ich denke, alles, was Sie sehen, ist ein geringerer Verbrauch bei gleichem Leistungsprozentsatz, aber die Referenz für diesen Prozentsatz sinkt mit steigender Temperatur, sodass das Verbrauchs-/Leistungsverhältnis tatsächlich schlechter wird.
Ich habe nur den Titel geändert, um die Frage richtig zu beantworten: "besserer Kraftstoffverbrauch", ich meinte "weniger Kraftstoffverbrauch".

Antworten (3)

Ich habe keine Referenz, aber die Physik dahinter ist nicht so kompliziert.

Der Schlüssel ist, dass Sie eine konstante Drehzahl, eine konstante Druckhöhe und einen konstanten Ladedruck haben.

Ein Motor saugt viel Luft an, aber da die Drosselklappe den Luftstrom im Einlass einschränkt, ist der Luftdruck zwischen Drosselklappe und Motor gering. Dies ist der Saugrohrdruck 1 . Im Leerlauf, also fast geschlossener Drosselklappe, ist der Druck sehr gering, während er bei Vollgas idealerweise dem Umgebungsdruck entspricht. Und bei aufgeladenen Motoren ist er sogar höher als der Umgebungsdruck.

Schließlich ist der Saugrohrdruck zusammen mit der Drehzahl und der Verdrängung des Motors ein Maß dafür, wie viel Luftvolumen durch den Motor pro Zeitintervall angesaugt wird.

Da Sie alles konstant halten, ist auch dieses Volumen konstant. Aber wärmere Luft ist weniger dicht und enthält weniger Sauerstoffmoleküle pro Volumen. Weniger Sauerstoffmoleküle bedeuten, dass weniger Kraftstoff verbrannt werden kann. Deshalb ist der Kraftstoffverbrauch geringer.
Aber es bedeutet auch weniger Leistung. Zum Ausgleich könnte die Drossel etwas weiter geöffnet werden, um etwas mehr Luftvolumen einzulassen. Dies würde auch den Saugrohrdruck erhöhen. Aber wenn der Gashebel bereits voll geöffnet ist, um max. Macht, Sie können es nicht weiter öffnen. Also max. Die Leistung ist bei höherer Temperatur geringer.

1 ) HINWEIS: Der Einfachheit halber spreche ich hier vom absoluten Druck. Das Manometer im Cockpit zeigt den Unterdruck in Bezug auf den Umgebungsdruck an, sodass ein hoher angezeigter Wert einen niedrigen absoluten Druck bedeutet. Und da sich der Umgebungsdruck mit der Höhe ändert, ändert sich auch der Saugrohrdruck, selbst wenn der angezeigte Wert konstant ist. Dies hat den Vorteil, dass der angezeigte Wert ein gutes Maß für die Leistung in Bezug auf die max. Leistung, die in dieser Höhe erreichbar ist.

Vielleicht sollten Sie hinzufügen, dass eine höhere Umgebungstemperatur bedeutet, dass der thermodynamische Zyklus weniger effizient ist. Die Physik ist ziemlich die gleiche wie bei Turbomaschinen . Im Verhältnis zur Leistung steigt der Kraftstoffverbrauch also sogar mit der Temperatur.
Das Problem ist, dass diese Leistungstabellen zeigen, dass die Fluggeschwindigkeit gleich ist, während der Kraftstoffverbrauch und die Leistung geringer sind. Das bedeutet, dass im gleichen Zeitintervall die gleiche Arbeit verrichtet wird, also die gleiche Nettoleistung vom Motor mit besserer Energieeffizienz (zumindest auf den ersten Blick Kraftstoffverbrauch) abgegeben wird, während die Thermodynamik uns etwas anderes sagt.
@RedGlyph, ich sehe nicht, dass die Frage dieselbe Geschwindigkeit erwähnt . Die Geschwindigkeit wird niedriger sein, aber in GA haben Sie normalerweise eine definierte Reiseleistung und die Geschwindigkeit ist, was auch immer sie ist.
@JanHudec Es ist eine alte Frage, also werde ich das alles nicht noch einmal lesen, ich denke, es war ein Nebenkommentar zum allgemeineren Verbrauchsproblem. Ich kann nur sagen, dass jedes Handbuch, das ich gesehen habe, diese Tabellen in Abhängigkeit von der Fluggeschwindigkeit enthält, was sinnvoll ist, da der wichtige Punkt der Treibstoffverbrauch ist, wenn Sie einen Flug vorbereiten.

Es ist viel grundlegender als das und auch viel einfacher.

Diese Motoren mit fossilen Brennstoffen arbeiten, indem sie ein Kraftstoff-Luft-Gemisch auf engstem Raum verbrennen. Eine festgelegte Menge an verbranntem Kraftstoff setzt eine festgelegte Menge an Energie frei. Entzieht man Energie durch Kühlung, bleibt weniger Energie für die eigentliche Arbeit übrig. (Wenn Sie die heißen Gase kühlen, wird der Druck geringer).

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Sie fangen gut an, aber die zweite Hälfte, die Sie geschrieben haben, macht keinen Sinn: Der Kraftstoß erfolgt so schnell, dass keine nennenswerte Abkühlung stattfindet. Und tatsächlich ist der Motor effizienter, wenn die Außenluft kälter ist. Das Problem mit warmer Luft und engen Räumen ist, dass warme Luft weniger dicht ist, sodass weniger davon in diesen Raum passt.

Versuchen wir es mal von der aerodynamischen Seite. Heißere Luft in einer bestimmten Höhe ist dünner. Es ist dasselbe wie höher zu fliegen: mehr TAS für denselben IAS.

Solange Sie nicht überhitzen und Ihr Motor/Propeller genügend Schub entwickeln kann, ergeben sich die gleichen Vorteile wie beim Höherfliegen: bessere Meilen pro Gallone.

Beachten Sie, dass die Fluggeschwindigkeit in der Kraftstoffverbrauchstabelle der Cessna 152 als KTAS aufgeführt ist . Wenn Sie sich also von kalt nach warm über das Diagramm bewegen, ist ein ähnlicher KTAS niedrigerer IAS. Es ist dasselbe, als würden Sie den Kraftstoffverbrauch (Gallonen pro Stunde) in größeren Höhen für dieselbe TAS ablesen .

Beachten Sie, dass ein schlechter Propeller nicht einmal 2400 U / min bei 2000 Fuß und 20 Grad kälter als die Standardtemperatur erreichen kann. Das Gleiche gilt für Flügel und Rumpf: der Versuch, Luft mit höherer Dichte durchzudrücken.

Daraus können wir schließen, dass fliegende Fische auf dem richtigen Weg sind!

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