Warum hat der Piper Cherokee (PA-28-140) Motor trotz des sehr großen Hubraums so wenig PS?

Ich bin mir sicher, dass diese Frage für viele andere Flugzeugmotoren gelten könnte, aber ich betrachte speziell den Piper Cherokee PA-28-140.

Überraschenderweise scheint es, dass der verwendete Motor, der Lycoming O-320 , ~320 Kubikzoll Hubraum hat, aber nur 150 PS leistet.

Beim Vergleich der Pferdestärken pro Kubikzoll Hubraum (CID) ist das Verhältnis ziemlich niedrig. Wir haben die Technologie (und haben sie bereits in den 50er, 60er Jahren usw. in Fahrzeugen eingesetzt), um einen besseren Wirkungsgrad als das zu erreichen.

Warum ist dieser Motor (und vielleicht andere Modelle) so ineffizient?

Es scheint ein allgemeines Muster zu geben, das mir aufgefallen ist, dass kleine GA-Flugzeugtriebwerke dazu neigen, 1 PS pro 2 Kubikzoll Hubraum zu erzeugen. Dies ist nicht allzu weit von diesem typischen Muster entfernt.
Denken Sie daran, dass der IO-320 ein 4-Zylinder- 5,24 -Liter- Motor ist, das ist ein riesiger 4-Zylinder mit einem Verdichtungsverhältnis (maximal für diese Motorserie) von 9:1 (oder so niedrig wie 7:1). Automotoren verwenden Verdichtungsverhältnisse zwischen 10:1 und 15:1 (oder höher für Dieselmotoren).
Denn die Motordrehzahl ist begrenzt. Automotoren haben leicht die doppelte Drehzahl eines Flugzeugkolbenmotors, sodass sie aus demselben Hubraum die doppelte Leistung erbringen können. Fügen Sie Turboaufladung hinzu und die Lücke wird noch größer.

Antworten (4)

Flugzeugtriebwerke laufen während des gesamten Fluges mit nahezu maximaler Drehzahl. Ein Auto hingegen nutzt nicht das volle Drehzahlspektrum, außer in Schüben. 1

Wenn ein Automotor wie ein Flugzeugmotor verwendet wird, wird er nicht lange halten.

Ein Flugmotor ist also bei gleichem Hubraum robuster , schwerer und schwächer (PS), liefert aber auch ein höheres Drehmoment (große Zylinder). 2

Formel-1-Motoren haben einen kleinen Hubraum, sind sehr leicht und liefern dennoch fast 1.000 PS. Aber sie halten auch nicht lange. Etwa 15 Stunden Rennen und Trainingseinheiten.

Weiterführende Literatur: Machen Automotoren gute Flugzeugmotoren?

1 Kolbenflugzeuge laufen mit nahezu maximaler Drehzahl, weil sie kein Getriebe haben und brauchen .

2 Legierungen und Technologie der gleichen Ära .

Ich fand den Artikel nicht sehr überzeugend. Es beginnt damit, dass Automotoren nicht geeignet sind, fährt damit fort, dass wir eigentlich nicht wissen, was passieren würde, wenn wir einen Automotor in ein Flugzeug einbauen, und endet mit einigen erfolgreichen Beispielen von Herstellern, die es trotzdem getan haben ...
Ich bin mir nicht sicher, ob ich das Argument für die konstante Drehzahl nahe der maximalen Drehzahl auch sehr überzeugend finde. Ich bin kein Ingenieur, aber ich würde annehmen, dass es viel schwieriger ist, einen Motor effizient und robust zu machen, wenn er über einen weiten Drehzahlbereich betrieben werden muss, als wenn Sie grundsätzlich von einer konstanten Drehzahl ausgehen können.
„Aber [Formel-1-Motoren] halten auch nicht lange. Etwa 15 Stunden Renn- und Trainingseinheiten.“ Früher war das richtig, aber das aktuelle F1-Motorreglement erlaubt jedem Fahrer nur 4 "Power Units" (Motor + andere Komponenten) pro Saison, sodass jede Einheit durchschnittlich fünf GP-Wochenenden (drei Trainings, ein Qualifying) durchhalten muss Sitzung und ein Rennen). Noch ein kurzes Leben, aber länger als gedacht.
@leftaroundabout Es geht nicht so sehr um konstante Drehzahl, sondern um eine konstant hohe Drehzahl. Die mittlere Drehzahl eines Flugzeugmotors liegt näher an seiner maximalen Drehzahl als bei einem Automotor.
@curious_cat: naja, ja. Ich wage jedoch zu behaupten, dass es sinnvoller wäre zu argumentieren, dass der O-320 eine viel niedrigere Höchstdrehzahl hat und daher nicht so viel Leistung erzeugen kann wie ein vergleichbar großer Automotor . Die geringere spezifische Leistung liegt nicht daran , sondern obwohl er mit konstanter Drehzahl nahe der Maximaldrehzahl arbeitet.
"Wenn ein Automotor genauso genutzt würde wie ein Flugzeugmotor" Hier ist die Sache: Es wäre nicht so. // Der Lycoming O-320 ist ein 5,2-Liter-Motor, der 150 PS bei 2700 U/min leistet. Ein 2011er Mustang GT mit einem 5,0-Liter-Motor leistet 380 PS bei 600 U/min. Er leistet etwa 200 PS im Leerlauf . Es spielt keine Rolle, ob ein Automotor nicht die ganze Zeit mit maximaler Drehzahl laufen kann, wie es ein Flugzeugmotor tut. Ein Automotor hat mehr PS, muss also nicht mit maximaler Drehzahl laufen. Eine normale Autobahn-Cruising-Drehzahl von etwa 3000-4000 ist mehr als ausreichend. Die Verwendung eines kleineren Turbo- oder Kompressormotors wäre noch besser.
@ymb1 Ich finde es unhöflich, ohne Erklärung abzustimmen. Beiträge, die ich für falsch halte, lehne ich ab und hinterlasse einen Kommentar, wo das Problem liegt. Wenn es keine bessere Antwort gäbe, würde ich mir selbst eine einfallen lassen. Glücklicherweise hat Tom bereits eine Antwort gegeben, die ein bisschen Sinn macht, also habe ich dafür gestimmt. Verwenden Sie meinen Kommentar, um Ihre Antwort zu verbessern, oder tun Sie es nicht.
Eine weitere Möglichkeit, Ihre Antwort zu verbessern: Sie haben 3 von 4 Ihrer Absätze damit verbracht, über die Unterschiede in der Drehzahl zu sprechen und wie sich dies auf die Lebensdauer des Motors auswirkt. Der andere Absatz ist robuster, schwerer, schwächer und drehmomentstärker. Wenn Sie antworten, geht es um Drehmoment, vielleicht sollten Sie darauf eingehen, warum das wichtig ist. Machen Sie zumindest den Drehmomentteil fett anstelle der Drehzahlteile ...
Eine Sache, die ich vergessen habe zu erwähnen, ist, dass der Lycoming etwa halb so schwer ist wie der Mustang 5.0. Das ist eine große Gewichtsreduzierung und ein Vorteil, der wahrscheinlich nicht ignoriert werden sollte.
Tatsächlich hat der Lycoming O-320 bei 2700 weniger Drehmoment als der Mustang bei jeder Drehzahl. vansairforce.com/community/showthread.php?t=46423 Wenn die Zahlen des Typen stimmen.

Ein Grund dafür ist nicht so sehr , dass Sie einen Hubkolbenmotor mit höherer Leistung oder besserem Wirkungsgrad bauen können , sondern dass er dies mit einer sehr hohen Zuverlässigkeit über längere Zeiträume tun kann . Die meisten Automotoren werden im Durchschnitt bei 20 % Leistung mit sehr kurzen höheren Ausgangsleistungen betrieben, wohingegen Flugzeugmotoren routinemäßig bei 65–85 % Leistung betrieben werden und bei diesen Leistungseinstellungen eine durchschnittliche Zeit zwischen Überholungen von etwa 2000 Stunden erwartet wird. Um dies zu erreichen, arbeiten die meisten Flugmotoren mit niedrigeren Drehzahlen und viel größerem Hubraum als herkömmliche Automotoren.

Flugzeugtriebwerke arbeiten mit diesen hohen Leistungspegeln, weil sie so wenig Strom erzeugen, oder? Wenn Sie die pro Hubraum abgegebene Leistung verdoppeln oder verdreifachen (so dass sie dem Niveau eines Automotors entspricht), müssten sie nur mit 20 % Leistung betrieben werden.
Was passiert mit den ungenutzten 80 % in einem Auto? Das selbe hier. Was meinst du damit, dass die Dinge nicht kostenlos sind? Entweder Sie haben einen effizienten Motor und nutzen nur einen Bruchteil seiner Leistung. Oder Sie haben einen ineffizienten Motor, der mit maximaler Leistung läuft. Das Drehmoment ist im Allgemeinen bei niedrigen Drehzahlen am niedrigsten. Am höchsten etwa in der Mitte des Leistungsbands, dann verjüngt es sich. HP ist größtenteils linear, fällt aber nach dem Peak schnell ab. Sehen Sie sich die Leistungskurven für einige Motoren an: services.edmunds-media.com/image-service/media-ed/ximm/… .
Sie betrachten dieses Problem völlig falsch; Es ist nicht so, dass ein Automotor die anderen 80 % der verfügbaren Leistung „verschwendet“. Es muss einfach nicht mit diesen höheren Leistungseinstellungen betrieben werden. Ein Auto mit einem 240-PS-Motor muss also nur 40-60 PS während des typischen Betriebs auf öffentlichen Straßen bei sanktionierten Autobahngeschwindigkeiten verbrauchen. Und obwohl ein typischer Automotor bei etwa 6000-7000 U / min rotiert, arbeitet er während der Fahrt normalerweise mit 2000-3000 U / min. Je schneller der Motor läuft, desto stärker werden seine Teile beansprucht und desto kürzer ist die Lebensdauer.
Es ist auch viel wichtiger, dass ein Flugzeugmotor zuverlässiger ist als ein Automotor, da die Folgen eines Motorschadens für ein Flugzeug schlimmer sind als für ein Auto.

Ein moderner Flugzeugpropeller muss so konstruiert sein, dass die Spitzengeschwindigkeit weniger als Überschall beträgt, um Probleme mit Lärm und Leistung zu vermeiden. Die meisten Propeller für kleine Flugzeuge haben einen Durchmesser von etwa 6 Fuß und sind daher auf etwa 2700 U / min begrenzt. Der Motorkonstrukteur kann somit die Kurbelwelle direkt mit dem Propeller verbinden und die Motordrehzahl auf etwa 2700 U/min begrenzen oder ein Zwischengetriebe verwenden, um höhere Kurbelwellendrehzahlen zu ermöglichen.

Da der Propeller eine sehr hohe Rotationsträgheit hat und sich mit konstanter Geschwindigkeit drehen möchte, während der Motor bei jeder Umdrehung in wenigen Impulsen Leistung liefert, kann der Verschleiß eines Getriebes ziemlich extrem sein. Daher ist ein schnelllaufender Motor plus robustes Getriebe den zusätzlichen Aufwand gegenüber einer einfacheren Direktantriebslösung oft nicht wert. (siehe „Continental Tiara“ und „Porsche PFM 3200“)

Da die Motorleistung proportional zum Produkt aus Drehmoment und Drehzahl ist, erzeugt der langsamer drehende Motor natürlich weniger Leistung für einen gegebenen Hubraum. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, dass langsamer drehende Direktantriebseinheiten im Vergleich zu Getriebeeinheiten oft genauso leicht und langlebiger für eine bestimmte Leistung sind.

Als Referenz: Ein Autorad mit 2 Fuß Durchmesser bei 60 mph/~100 km/h hat etwa 840 U/min. Bei 100 km/h, 1400 U/min. (Laut Googles Hit auf eine Quora-Frage; ich habe die Mathematik nicht überprüft, aber diese klingen vernünftig). Die Trägheit des Autos hat also einen geringeren mechanischen Vorteil für den Antriebsstrang als eine Stütze für seinen Antriebsstrang. (Ich nehme an, es gibt andere große Unterschiede im Antriebsstrang, von denen ich nichts weiß. Schwungräder von Automotoren helfen dabei, oder?).
@PeterCordes (840 / Minute) * pi * 2 Fuß in mph – ja, das funktioniert. Und 24 Zoll ist ein angemessener Reifendurchmesser.
Ich denke, dieses Argument ist viel sinnvoller als das von ymb1: Die spezifische Leistung ist niedrig, weil die Drehzahl niedrig ist (absolut gesagt), nicht weil sie im Verhältnis zum Nennmaximum des Motors hoch ist.
Nun, die Wahrheit ist, dass viele Flugzeuge Hochgeschwindigkeitsmotoren verwenden, die herunter übersetzt sind, um einen Propeller anzutreiben. Nehmen Sie zum Beispiel ein PWAC PT-6 Turboprop-Triebwerk: Die Leistungsturbine arbeitet typischerweise mit 4500 U/min und treibt ein Untersetzungsgetriebe mit einer Leistung von 2000-2200 U/min an die Stütze an. PT-6 haben mehr als 4 Millionen Flugstunden absolviert und sind sehr zuverlässig. Der Rotax 912 ist ein weiterer Hochgeschwindigkeits-Hubkolbenmotor, der bei Ultraleichtflugzeugen und LSAs beliebt ist und ein Untersetzungsgetriebe für seinen Wellenausgang verwendet. Die Zuverlässigkeit des Getriebes ist kein Problem, wenn es richtig ausgelegt ist.
Sie können Getriebe sicher so konstruieren, dass sie zuverlässig sind (insbesondere wenn sie ein einzelnes, festes Untersetzungsverhältnis bieten). Ich möchte jedoch anmerken, dass 4500 U / min für Automobilstandards nicht besonders schnell sind. Es ist die meiste Zeit schneller als ein typischer Automotor, aber die rote Linie eines vernünftigen Hochleistungsautomotors liegt normalerweise näher bei sieben- oder achttausend U / min (und F1-Autos können ungefähr 12.000 erreichen).
@CarloFelicione Ich denke, Toms Punkt war, dass die Ungleichmäßigkeit des Drehmoments eines Kolbenmotors (kombiniert mit der Rotationsträgheit eines Propellers) ein Problem für das Getriebe darstellt. Das ist offensichtlich kein Problem für einen Turboprop. Ich stimme jedoch zu, dass dies auch bei einem modernen Kolbenmotor kein allzu großes Problem sein sollte, insbesondere bei einem Motor, der auf mehr Zylindern mit höherer Drehzahl läuft.

Drehzahl, Drehzahl, Drehzahl. Wenn Sie 1.000 PS aus 1,5 l herausholen möchten, fahren Sie es mit 10.000 U / min. Ein früheres Poster verwies darauf, dass die Geschwindigkeit der Propellerspitze ein begrenzender Faktor sei - das stimmt. Es gibt jedoch Flugzeugmotoren mit Getriebe, die es dem Motor ermöglichen, mit höheren Drehzahlen zu laufen, ohne die Stütze zu überdrehen. Diese haben den gleichen Hubraum wie ihre Brüder ohne Getriebe, leisten aber aus dem einfachen Grund, dass sie mehr Kraftstoff / Luft verbrennen und mehr Wärme erzeugen, mehr PS. Sie sind auch teurer in der Wartung und werden bei größeren Zwillingen gesehen, wo sie billiger bleiben als das Hinzufügen eines weiteren Motors.

Nicht direkt mit Pferdestärken verbunden, aber das Design von Klimaanlagenmotoren hat ein größeres Verhältnis von Bohrung zu Hub als Automotoren - typischerweise 4:3, während Automotoren näher am Quadrat oder mit noch längerem Hub sind.

Sie werden selten einen Hub sehen, der länger ist als die Bohrung eines modernen Automotors, und 4: 3 ist auch nicht besonders selten / aus der Reihe. Sogar Lkw-Motoren können im gleichen Bereich liegen (z. B. hatte GMC früher einen 430-CID-Motor mit einem Hub von 3,47 Zoll und einer Bohrung von 4,44 Zoll).
Warum hat der Piper Cherokee (PA-28-140) Motor trotz des sehr großen Hubraums so wenig PS?
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