Warum haben nur Propellerflugzeuge eine Mischung?

Kolbenmotoren mit Funkenzündung (Benzin) haben separate Drosselklappen- und Gemischsteuerungen. Denn die Leistung von Otto-Kolbenmotoren wird durch Drosselung des Lufteinlasses geregelt , in den der Kraftstoff eingemischt wird. Das richtige Kraftstoff-Luft-Verhältnis wird durch Zumessen der Luft mit dem Vergaser oder mit einem ähnlichen Sensor für die Kraftstoffeinspritzung sichergestellt, aber aus verschiedenen Gründen müssen Anpassungen des Verhältnisses vorgenommen werden, daher gibt es eine Gemischregelung (die mit Elektronik automatisiert werden kann Steuergerät).

Andere Arten von Motoren – Diesel und Turbine – dosieren keine Luft. Sie saugen immer so viel Luft an, wie sie können, und verbrennen den Kraftstoff mager, in überschüssiger Luft. Daher haben sie nur eine Sache zu steuern, das Benzinventil.

Der Unterschied besteht darin, dass Motoren mit Fremdzündung (Otto-Zyklus) den Kraftstoff im Ansaugkrümmer mit Luft mischen und ihn dann mit Zündkerzen zünden. Und ein solches Gemisch zündet nur, wenn es nahe genug am stöchiometrischen Verhältnis liegt, dem Verhältnis, bei dem der gesamte Kraftstoff genau mit dem gesamten verfügbaren Sauerstoff reagiert. Wenn zu viel Luft oder zu viel Kraftstoff vorhanden ist, absorbiert der Überschuss die Wärme, wodurch verhindert wird, dass sich das Gemisch ausreichend erhitzt und die Flamme sich nicht ausbreitet. Der Motor muss also das richtige Gemisch erzeugen, und sein Druck wird begrenzt, um die Leistung zu reduzieren.

Im Gegensatz dazu saugen Diesel- (Dieselzyklus) und Turbinenmotoren (Brayton-Zyklus) Luft mit jedem verfügbaren Druck an und spritzen den Kraftstoff an einem Punkt in die Druckluft ein, an dem er sich an dem Punkt selbst entzündet, an dem sich das Spray aus der Düse ausreichend mit Luft vermischt – weil die Luft in Dieseln allein durch die Kompression heiß genug ist und weil die Flamme in Turbinen kontinuierlich ist. Luftüberschuss ist also kein Problem und muss daher nicht dosiert werden. Nur der Kraftstoff wird dosiert, es gibt also nur einen Hebel.

Ältere Ottomotoren verwenden Vergaser. Dies induziert den Kraftstoff einfach aufgrund des Druckabfalls, der durch ein Venturi im Ansaugkrümmer erzeugt wird. Aber sie müssen mit der Höhe angepasst werden. Die beste Erklärung, die ich gefunden habe, ist, dass die Luftdichte mit dem Druck abnimmt, die Dichte des Kraftstoffs jedoch nicht. Während die Kraftstoffschale den richtigen Druck spürt, spritzt sie dennoch relativ mehr Kraftstoff ein, wenn die Luftdichte abnimmt. Dazu muss das Gemisch im Steigflug angepasst werden, da es sonst zu fett wird und der Motor ausgeht.

Motoren mit Einspritzung, einschließlich solcher mit „Druckvergasern“, die eine einfache Art der indirekten Einspritzung sind, handhaben dies korrekt, aber Sie möchten immer noch ein fetteres Gemisch für hohe Leistung verwenden, da der Motor mit etwas überschüssigem Kraftstoff kühler läuft, oder ein magereres Gemisch für Effizienz, da der Motor weniger Leistung hat, aber eine höhere Effizienz mit etwas Luftüberschuss. Eingespritzte Motoren haben also immer noch eine Gemischregelung.

Nur Motoren mit elektronischer Steuerung (ECU; auch FADEC genannt, Full Authority Digital Engine Computer) automatisieren dies vollständig (unter Verwendung eines fetteren Gemischs bei voller Leistung), aber das ist bei Kolbenflugmotoren selten, mit Ausnahme einiger experimenteller (selbstgebauter) Flugzeuge mit angepasst Automotoren.

Neuere Turbinen und Dieselmotoren haben normalerweise auch FADEC, aber das schützt hauptsächlich vor einem Abwürgen oder Überhitzen des Motors durch unvorsichtige Leistungsmanipulation. Und ältere Turbinen hatten bereits FCU, ein einfacheres und nicht so gutes elektromechanisches System mit demselben Zweck. Aber es gibt immer noch nur eine Variable, die es steuert, nicht zwei wie bei Ottomotoren.

Das Vormischen von Luft und Kraftstoff auf eine Weise, die eine manuelle Regulierung erfordert, ist nur bei älteren, meist vergaserten Benzin-Kolbenmotoren eine Sache. Die meisten Anwendungen haben diese Methode Ende des 20. Jahrhunderts durch Kraftstoffeinspritzung ersetzt.

Eine automatisierte Gemischregelung für Vergasermotoren – Feedback – wurde versucht, war aber nicht sehr zuverlässig. Mit der Kraftstoffeinspritzung könnte die Gemischregelung leicht automatisiert werden, und die meisten Einspritzmotoren verfügen über ein automatisiertes System zur Verwaltung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses.

Manuell gesteuerte Motoren haben in der allgemeinen Luftfahrt aufgrund von Vorschriften, die die Kosten für neue Konstruktionen in die Höhe trieben, Bestand. Neue Flugzeugdesigns, wie die meisten LSA (Light Sports Aircraft), neigen auch dazu, die manuelle Gemischregelung fallen zu lassen.

Dieselmotoren, Turboprops und Jets versorgen den Motor mit sauberer Luft und spritzen den Kraftstoff separat ein. In einem Jet ist Ihr Gashebel Ihr Gemischregler.

In einem Kolbenmotor saugt jeder Kolbenzyklus ein bestimmtes Luftvolumen an, in dem ein bestimmtes Kraftstoffvolumen verbrannt werden soll, wodurch den Gasen im Zylinder Wärme zugeführt wird. Im Idealfall reicht diese Luftmenge nur aus, um die beigemischte Kraftstoffmenge pro Zyklus vollständig zu verbrennen; das Kraftstoff-Luft-Gemisch ist idealerweise chemisch stöchiometrisch (kein Luftüberschuss, kein Kraftstoffüberschuss).

In der Praxis werden Abweichungen von der perfekten Stöchiometrie gewählt, um den Motor zufrieden zu stellen (überschüssiger Kraftstoff in einem fetten Gemisch, um Wärme abzuleiten und eine Überhitzung der Köpfe zu verhindern) oder um die Effizienz zu maximieren (Betrieb "xxx Grad F mager von der Spitze"). Der Pilot ist dafür verantwortlich, dieses Gemisch mit einer Gemischregelung zu verwalten.

Aber in einem Turbojet (zum Beispiel), der nicht im Otto-Zyklus, sondern im Brayton-Zyklus läuft, strömt immer überschüssige Luft durch den Motor, in den eine variable Kraftstoffmenge eingespritzt und in den Brennerrohren verbrannt wird. Mehr Kraftstofffluss bedeutet, dass bei Bedarf mehr Sauerstoff aus der überschüssigen Luft verbraucht wird, die durch den Motor strömt, was dem Gas mehr Wärme und damit mehr Schub und eine höhere Drehzahl des Motors hinzufügt, aber am Ende des Verbrennungsprozesses immer das Abgas enthält unverbrauchten Sauerstoff, da der Verbrennungsprozess des Motors in einer Umgebung mit überschüssigem Sauerstoff durchgeführt wird. Aus diesem Grund können Sie eine plötzliche Schuberhöhung erzielen, indem Sie mehr Kraftstoff direkt in das heiße Gas stromabwärts der Leistungsturbinenscheibe kippen, bevor Sie es aus der Abgasdüse ausstoßen, dh Nachverbrennung .

Wenn Sie jetzt versuchen würden, den Kraftstoff in die Brennkammern zu kippen, anstatt den gesamten verfügbaren Sauerstoff zu verbrauchen, würde die Turbinentemperatur sofort durch die Decke gehen und die Schaufeln würden schmelzen!

Es gibt also keine Mischungsregelung als solche, die vom Piloten eines Turbojets betätigbar wäre.

Beachten Sie, dass, wenn ein Turbojet wie ein Benzin-Ottomotor laufen würde, fast kein unverbrauchter Sauerstoff im Abgasstrom enthalten wäre und eine Nachverbrennung unmöglich wäre.

Weitere Informationen zur Funktionsweise finden Sie in der Antwort von Jan Hudec unten.

Bei einem Jet ist keine Gemischregelung erforderlich. In einem FADEC-Motor (Full Authority Digital Engine Control) misst der Computer den Kraftstoff. In einem Nicht-FADEC-Turbinentriebwerk ist die FCU (Fuel Control Unit) ein elektromechanisches Gerät, das den Kraftstoff gemäß Eingaben wie Drosselklappenstellung, Einlasstemperatur, Brennerdruck usw. dosiert.

Ich denke, Sie irren sich, dass Turboprops eine Gemischregelung haben. Ich habe keine Turbinen-TBM betrieben, aber weder die C-208 noch die T-34, beide mit PT6-Turbinen, hatten eine Gemischregelung. Der Hebel, an den Sie denken, ist wahrscheinlich der Kraftstoffzustandshebel. Es sieht ähnlich aus, erfüllt aber eine andere Funktion.

Die Frage ist nicht, dass Propellerflugzeuge Gemischregulierungen haben, sondern dass Kolbenmotoren normalerweise damit ausgestattet sind.

Der Grund ist denkbar einfach. Flugzeugtriebwerke verwalten das Kraftstoff-Luft-Gemisch mithilfe eines Systems, bei dem es sehr unwahrscheinlich ist, dass es zu einem katastrophalen Ausfall kommt: dem Piloten. Es gibt keinen Grund, warum ein Computer diese Funktion nicht übernehmen könnte, außer dem übermäßig komplizierten Zertifizierungsprozess (aus vielen guten Gründen), der die Kosten unerschwinglich macht.

Es gab Einhebel-Kolbenmotoren für Flugzeuge (der Fw190 aus der Zeit des Zweiten Weltkriegs fällt mir als frühes Beispiel ein), aber viel zu oft haben sie den Test der Marktbedingungen und der Zeit nicht bestanden. Heute kommen einige wenige Serien-Kolbenflugzeuge mit der nötigen Elektronik, um auf die Gemischregelung zu verzichten.

Der Grund dafür, dass Turbinentriebwerke diese Steuerungen automatisieren, liegt darin, dass die Toleranzen für akzeptable Kraftstoff/Luft-Gemische viel enger sind. In einem Kolbenmotor arbeiten Schlüsselkomponenten Hunderte von Grad unter ihrem Schmelzpunkt. Im Vergleich dazu könnte ein Turbinentriebwerk nur 50 Grad von dem Punkt entfernt sein, an dem die Dinge beginnen, ihre Duktilität dramatisch zu ändern. Während ein Mensch theoretisch in der Lage sein könnte, das Kraftstoff-Luft-Gemisch eines Turbinentriebwerks als Vollzeitbeschäftigung zu verwalten, ist die Wahrscheinlichkeit, dass menschliche Fehler teure Triebwerksschäden (oder Schlimmeres) verursachen, einfach zu hoch. Daher die Automatisierung.

Der Grund, warum Jets keine Mischungsregelungsoption haben, liegt darin, dass das Mischungsverhältnis nicht geändert werden muss. So etwas wie „Lean-of-Peak“ gibt es bei einem Jet nicht.

Im Gegensatz zu Kolbenmotoren, die Kraftstoff in einer Reihe von einzelnen Explosionen verbrennen, verbrennen Jets Kraftstoff in einer kontinuierlichen Flamme. Der Hauptantrieb hinter dieser Flamme ist ein ebenso kontinuierlicher Luftstrom durch den Strahl, der durch einen Kompressor und/oder die innere Form des Strahls verursacht wird. Deshalb muss dieser Fluss vorhanden sein, bevor Sie die Flamme entzünden können.

Sobald die Flamme brennt, ist es die Ausdehnung des Gases in der Flamme, die den Luftstrom aufrechterhält, ähnlich wie ein Turbolader in einem Auto durch den eigenen Abgasdruck des Motors angetrieben wird. Dadurch wird indirekt der Kraftstoffstrom mit dem Luftstrom in einem mehr oder weniger festen Verhältnis verknüpft.

Im Gegensatz zu Kolbenmotoren muss man bei Jets nicht unbedingt mit diesem Verhältnis herumspielen. Darüber hinaus kann dies sehr leicht zu einem katastrophalen Motorausfall führen. Ein Flammenausfall und ein Abwürgen des Kompressors sind eine viel größere Sache als beispielsweise ein eingefrorener Vergaser, ganz zu schweigen von den Risiken, die mit schmelzenden Lüfterflügeln verbunden sind.

Im Allgemeinen sind Strahltriebwerke ein sehr empfindlicher Ausdruck eines an sich einfachen und sehr heftigen Prinzips, während Kolbenmotoren ein ziemlich robuster Ausdruck eines vergleichsweise empfindlichen und komplizierten Prinzips sind. Aus diesem Grund dauerte die Entwicklung eines brauchbaren Düsentriebwerks nach seiner Erfindung so lange, während das Kolbentriebwerk praktisch vom ersten Tag an einsatzbereit war. So ist es möglich, die Leistung eines Kolbenmotors zu optimieren, indem man das Herstellerhandbuch umgeht, während der beste Weg, um eine optimale Leistung aus einem Jet herauszuholen, darin besteht, sich an das Handbuch zu halten, sowohl im Gebrauch als auch bei der Wartung.