Wie würde sich ein neuer "clean sheet"-Kolbenmotor der Allgemeinen Luftfahrt mit der neuesten Technologie von bestehenden Continental/Lycoming-Typen unterscheiden?

Meines Wissens basieren aktuelle GA-Kolbenmotoren von Continental und Lycoming auf einem Design aus den 1960er Jahren. Es gab viele evolutionäre Verbesserungen, aber nur innerhalb der Grenzen dieser Designs aus den 1960er Jahren. Sie haben einen großen Hubraum (~1,5 l/Zylinder), laufen mit Drehzahlen im Bereich der Mitte der 2000er, sodass sie den Propeller ohne Verwendung eines Getriebes mit optimalen Geschwindigkeiten drehen können, und sie sind luftgekühlt, um das Gewicht und die Komplexität einer Flüssigkeitskühlung einzusparen System.

Wie würde ein von Grund auf neu konstruierter GA-Kolbenmotor heute aussehen? Berücksichtigt man die massiven Verbesserungen, die im Laufe der Jahre an allen Arten von Motoren in Anwendungen außerhalb der Luftfahrt vorgenommen wurden - für Autos, Züge, Boote, Generatoren usw.

Würden sie immer noch mit so niedrigen Drehzahlen arbeiten? Ja, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit sind immer noch wichtige Anliegen, aber die Fertigungstoleranzen sind heute um ein Vielfaches geringer als in den 1960er Jahren (was möglicherweise einen zuverlässigen Betrieb bei höheren Drehzahlen ermöglicht), und sie montieren jetzt feste Getriebe an Turbinentriebwerken von kommerziellen Verkehrsflugzeugen und fügen so ein hinzu Fixed-Getriebe an einem GA-Kolbenmotor sollte trivial sein.

Würden sie noch luftgekühlt sein? Ja, es kann immer noch Gewicht sparen, aber möglicherweise auf Kosten eines zusätzlichen Kühlwiderstands und definitiv auf Kosten eines viel kniffligeren Betriebs, der vom Piloten erfordert, die Motortemperaturen während des gesamten Flugzyklus sorgfältig zu überwachen.

Wären sie immer noch in einer Boxermotor-Anordnung (Flat 4, Flat 6 usw.)? Ich würde es mir vorstellen, aber ich kann mir keine alternative Kolbenmotoranordnung mit den Vorteilen der flachen Architektur in Bezug auf Laufruhe, Verpackung und Skalierbarkeit vorstellen. Gerade Motoren werden zu lang und V-Motoren erfordern viel mehr Änderungen, um die Anzahl der Kolben nach oben oder unten zu skalieren.

Würden sie immer noch mit funkengezündetem benzinartigem Treibstoff fliegen, oder könnte die Kompressionszündung auf der Basis von Düsentreibstoff die erforderliche Leistungsdichte und Zuverlässigkeit erzeugen? Mir ist klar, dass der größte Einzelfaktor in diesem Bereich die einfache Verfügbarkeit (oder deren Fehlen) von Kraftstoffen sein könnte, aber ich spreche nur aus technischer Sicht. Angenommen, wir sprechen über Nordamerika, wo sowohl Avgas als auch Jet A weit verbreitet sind, was wäre der bessere Kraftstoff für fliegende GA-Kolbenmotoren?

Welche anderen Unterschiede könnte es geben, die ich nicht berücksichtigt habe?

Die niedrige Drehzahl ist weniger eine Funktion des Motors als vielmehr des Propellers. Propellerspitzen müssen unter Schall gehalten werden. Bei den neuen Diesel/JET-A-Kolben, die in einige Flugzeuge eingebaut werden, gibt es Clean-Sheet-Designs.
@RonBeyer Ja, ich habe den Propellergeschwindigkeitsaspekt der Gleichung angesprochen, aber könnten sie nicht einfach einen festen Gang hinzufügen, damit der Motor mit viel höherer Drehzahl laufen kann? Nach den grundlegenden Konstruktionsprinzipien des Motors sollte eine höhere Drehzahl eine höhere Leistungsdichte ermöglichen ... natürlich viele potenzielle Nachteile, von denen ich einige erwähne ...
Ich bin mit Sicherheit kein Experte für Flugmotoren, aber es scheint mir, dass das Betreiben des Motors mit einer höheren Drehzahl und das anschließende Zurücksetzen der Leistung auf das, was für die Stütze erforderlich ist, einfach ein Rezept ist, um mehr Kraftstoff zu verbrennen, um die gleiche Entfernung zurückzulegen - keine verlockende Aussicht. Mein Auto hat 5 Gänge - bei 2000 U/min im 3. Gang kann ich 55 km/h fahren, im 4. 65 km/h und im 5. 75 km/h. Ich kann das Getriebe wechseln, um mit demselben Kraftstoff pro Stunde schneller zu reisen, aber so funktioniert es in einem Propellerflugzeug nicht. Wenn überhaupt, möchten Sie, dass sich der Motor langsamer dreht als die Stütze, um Kraftstoff zu sparen (andere Überlegungen beiseite).
@FreeMan: Der Unterschied besteht darin, dass Ihr Automotor bei Autobahngeschwindigkeit nur einen kleinen Bruchteil seiner Nennleistung erzeugt (alles, was zur Überwindung von Luftreibung und Rollwiderstand erforderlich ist). Der größte Teil der potenziellen Leistung wird nur zum Beschleunigen verwendet. (Deshalb erhalten Hybriden bessere mpg.) Ein Flugzeugmotor läuft die ganze Zeit mit einem großen Bruchteil der maximalen Leistung.
Ein Clean-Sheet-Design ist das Düsentriebwerk, oder? Tbh, wenn Sie 100 Pfund Übergewicht haben, dann liegen die wirklichen Kosteneinsparungen direkt vor Ihrer Nase.

Antworten (4)

Es hätte ein Getriebe zwischen der Kurbelwelle und dem Propeller. Das ist sicher.

Andere sehr wahrscheinliche Details wären:

  • obenliegende Nockenwellen
  • vier Ventile pro Zylinder
  • Wasserkühlung zumindest für die Zylinderköpfe
  • elektronische Zündung
  • Einhebelbedienung

Dies würde es ermöglichen, konstant mit etwa 4000 U / min zu laufen und die gleiche Leistung aus einem kleineren Hubraum zu erzeugen. Die Folge wäre ein kompakteres und leichteres Kerntriebwerk. Im Vergleich zu einem Automotor wäre das Kühlsystem leistungsfähiger, sodass das Gewicht immer noch höher wäre als das eines Automotors mit der gleichen Nennwellenleistung. Aber es sollte leichter sein und eine aerodynamischere Verkleidung ermöglichen als die aktuellen Kolbenflugmotoren.

Der Porsche-Flugmotor (PFM 3200) war so, und das aus einem Grund. Ja, es hat die älteren Motoren in Bezug auf die Masse nicht übertroffen, aber es war merklich leiser. Ausgehend von einem veralteten Sechszylinder-Boxer-Design konnten die Ingenieure den Motor nicht vollständig für seinen Einsatzzweck optimieren.

Sobald ein Getriebe eingebaut ist, ist es sinnvoll, die Propellerdrehzahl zu reduzieren, sodass der Durchmesser des an diesem Motor angebrachten Propellers etwas größer ist als der eines vergleichbaren Propellers an einem herkömmlichen Motor.

Sobald Jet-A auf Flugplätzen in GA weit verbreitet ist, wäre auch eine Dieselversion sehr wahrscheinlich. Beachten Sie jedoch, dass das Systemgewicht eines Kolbenmotors (Motor + Zubehör + Kraftstoffsystem + Kraftstoff) für einen Diesel auf kurze Reichweiten höher ist.

Danke für diese Details. Die von Ihnen erwähnten Änderungen – obenliegende Nockenwellen, vier Ventile pro Zylinder, elektronische Zündung, Einhebelsteuerung – sind das Dinge, die nicht als evolutionäre Änderungen in die bestehenden Continental/Lycoming-Designs integriert werden können? Bezüglich 4000 U/min, ist das nur die aktuelle Grenze für einen zuverlässigen Dauerbetrieb?
@Charles847: Obenliegende Nockenwellen und vier Ventile pro Zylinder wurden bereits in Flugzeugmotoren des Zweiten Weltkriegs verwendet, daher sollte es kein Problem sein, sie zu integrieren. Das einzige Hindernis ist der fehlende Wettbewerb. Elektronische Zündung und Einhebelsteuerung wären auch für jeden anständigen Motorenkonstrukteur ein Kinderspiel - dasselbe Problem. Die Amtsinhaber werden durch eine massive Regulierungsmauer geschützt, die sie faul macht. Die 4000 U/min sind ein konservativer Kompromiss zwischen Motorlebensdauer und Leistung, aber keine feste Grenze.
Warum Jet-A statt einfachem alten Autodiesel?
@jamesqf: Jet-A hat eine bestimmte Qualität. Bitte lesen Sie diese Antwort für Details. Ich konnte es nicht halb so gut erklären.
@PeterKämpf Nach dem, was ich an diesem Ort gesehen habe, muss es eine sehr gute Antwort sein, wenn Sie sagen, Sie könnten es nicht besser erklären.
@Peter Kämpf: Dieser Link erklärt nicht wirklich, warum Sie Jet-A in einem GA-Diesel betreiben würden. Um aus dem Link selbst zu zitieren: "Es gibt keinen Grund, einen strenger spezifizierten (und damit teureren) Kraftstoff zu verbrennen, wenn ein günstigerer leicht verfügbar ist." Einfacher alter Diesel funktioniert offensichtlich recht gut in Autodieseln: warum sollte es nicht funktionieren? genauso gut in einem (richtig ausgelegten) GA-Dieselmotor? Die Probleme der Oktanzahl, die für einige ältere Benzinmotoren gelten, würden für einen neu konstruierten Diesel nicht gelten.
Diese Antwort muss erklären, warum für jeden der Punkte. Wasser gefriert, dehnt sich aus und bewegt sich beim Fliegen. Ventile dienen der Atmung und glänzen bei hohen Drehzahlen, auch wenn doppelt so viele Ventile nicht gleich doppelt so viel Luftstrom bedeuten. OHC Ich verstehe auch nicht, warum das wichtig ist. Warum überhaupt eine Kamera haben und einfach elektrisch oder pneumatisch fahren?
@Mr.DemetriusMichael ok, einige Details. Einfrierendes Wasser im Kühlsystem sollte während des Betriebs kein Problem darstellen, wenn das Kühlwasser normalerweise > 90°C ist. wie bei Autos, dürfte das höchstens beim Parken in sehr kalten Umgebungen (< -20°C) ein Problem sein. OHC für schärfere Ventilsteuerungen bei Verwendung ausgereifter Technologie - darüber hinaus, ja, warum nicht elektrisch oder pneumatisch. Die Sache ist die, dass die technische Reife oft in Tausenden von Kilo-Betriebsstunden (kOh) Felderfahrung gemessen wird. Ich weiß nicht, wo wir mit Elektrik oder Pneumatik sind (F1 .. ein paar Stunden ..)

Es würde fast identisch aussehen, hauptsächlich weil die Motoren für einen Anwendungsfall entwickelt wurden, der nicht für rein technische Zwecke bestimmt ist. Möglicherweise werden Sie einige unterschiedliche Materialauswahlen, einige Änderungen in der Rohrleitung und im Kopfdesign feststellen, da sich unser Verständnis dieser Themen verbessert hat und unsere Produktionsfähigkeiten einen langen Weg zurückgelegt haben, sich aber letztendlich kaum ändern.

Sie sollten die Antworten hier und hier lesen . Sie sind fast Duplikate, konzentrieren sich jedoch mehr darauf, warum moderne Automotoren in der Luftfahrt nicht eingesetzt werden. Obwohl sie es in einigen Fällen sind .

Kolben-GA-Motoren mit Untersetzungsgetriebe wurden in den 80er Jahren auf dem Mooney M20 PFM versucht, letztendlich war das Projekt ein solcher Fehlschlag, den Mooney dafür bezahlte, alle Motoren durch Kontinentalmotoren zu ersetzen.

Wie @RonBeyer in den Kommentaren erwähnt, ist die niedrige Drehzahl eine Funktion des Propellers, nicht des Motors.

Flugzeugmotoren haben einfach einen anderen Anwendungsfall als Automotoren, was sie im Laufe der Jahre einfacher gehalten hat. Auch die Zertifizierungskosten (ein enormer Faktor in der Luftfahrt) haben die schnelle Innovation in Schach gehalten.

oder könnte die auf Düsentreibstoff basierende Kompressionszündung die erforderliche Leistungsdichte und Zuverlässigkeit erzeugen

Einige moderne Kolbendiesel sind bereits für den Betrieb mit Jet A zertifiziert .

Dieser Artikel sagt es so gut wie ich kann und ist es wert, gelesen zu werden .

Was vielleicht übersehen wird, ist, dass Flugzeugmotoren nicht den gleichen Vorschriften unterliegen wie Automotoren. Als solche sind sie in manchen Fällen sogar effizienter. Eine wichtige Sache, die sich auf die Effizienz von Automotoren auswirkt, sind Katalysatoren und Schalldämpfer, etwas, das GA-Flugzeuge nicht wirklich haben. Daher gab es noch nie einen Grund, den Leistungsverlust aufgrund von Vorschriften zu kompensieren.

Sie erwähnen auch "zuverlässiger", GA-Motoren sind ziemlich zuverlässig , und die FAA/NTSB hat berichtet, dass mechanisch bedingte Unfälle einen allgemeinen Abwärtstrend aufweisen, wenn wir auf die Geschichte zurückblicken. Moderne Bearbeitungs- und Industrieverfahren können verwendet werden, um alte Motoren zuverlässiger und konsistenter herzustellen.

Eine große Effizienzsteigerung, die am Boden realisiert wurde, ist die Turboaufladung. Obwohl es viele Turboflugzeuge gibt, war die vorherrschende Einstellung in der Luftfahrt schon immer, die Dinge einfach zu halten. Weniger Teile bedeuten weniger Ausfall, daher gibt es einfach einen kleineren Markt für Turbo-Flugzeugtriebwerke. Es ist nicht so, dass die Technologie den Herstellern oder den Verbrauchern ein Rätsel ist, es ist einfach eine unerwünschte Komplexität.

Ich habe gerade einen faszinierenden Artikel über den Motor gelesen, der in Ihrem erwähnten Mooney M20 PFM verwendet wird, und ich erkenne all diese Nachteile an, aber sie scheinen Nachteile zu sein, die der Anwendung von für die Automobilindustrie optimierten Motoren in der Luftfahrt innewohnen, und nicht Nachteile, die der Anwendung innewohnen von moderner Kolbenmotorentechnik bis hin zu speziell gebauten Flugmotoren. Sollten Fortschritte auf unserem Technologieniveau nicht kleinere, leichtere, zuverlässigere und effizientere Flugmotoren mit gleicher Leistung ermöglichen, so wie unsere technischen Fortschritte solche Fortschritte für Auto-/Schiffs-/stationäre Motoren ermöglicht haben?
Die verlinkten Antworten erwähnen alle nicht-technologischen Gründe für die Motorunterschiede, implizieren jedoch eindeutig, dass ein neues Design zumindest höhere Drehzahlen verwenden würde. Es würde wahrscheinlich auch die gesamte Computersteuerung verwenden, die jetzt im Automobilbetrieb gut erprobt ist.
Dies ist nicht die Antwort auf die Frage. Es geht nicht um die Verwendung eines Automotors in GA. Es geht darum, die Fortschritte im Automobilsektor (die enorm sind) mit denen im GA-Sektor zu vergleichen.
Zu behaupten, sie würden identisch aussehen, ist wie zu behaupten, dass moderne Automotoren identisch mit Automotoren aus den 60er Jahren aussehen, nur weil sie bereits damals für einen Anwendungsfall im Auto entwickelt wurden.

Aus polnischer QuelleBildquelle

Es würde wie der moderne GA-Motor aussehen, der bereits in Produktion ist, der Austro AE300 :

  • eine Pkw-Motorbasis, im AE300-Fall ein Mercedes-Diesel.
  • Wasserkühlen.
  • ein Untersetzungsgetriebe von 1:1,69.
  • Betrieb mit Diesel oder Kerosin (Jet A1).
Nicht sicher, dass. Meine (starke) Vermutung ist, dass sie den AE300 als Basis verwenden, weil sie dann die Hälfte der technischen Entwicklung und Tests einsparen können, indem sie sich auf bewährte Teile verlassen, als Kompromiss, um die Entwicklungskosten niedrig zu halten, insbesondere in einem Markt mit kleinem Volumen, wo Entwicklung Kosten spielen eine größere Rolle als in Massenproduktionsmärkten wie der Automobilindustrie. Meine Vermutung ist - wenn Sie einen Sponsor hätten, der gerne etwas zahlt - würden Sie ein anderes Design bekommen

Rotax baut moderne GA-Motoren sogar für zertifizierte Anwendungen. Aber sie unterscheiden sich nicht so sehr wie Automotoren von Flugmotoren, da sie funktionieren und andere Anforderungen haben. https://www.flyrotax.com/produkte/detail/rotax-915-is-isc.html

Wie würde sich ein neuer "clean sheet"-Kolbenmotor der Allgemeinen Luftfahrt mit der neuesten Technologie von bestehenden Continental/Lycoming-Typen unterscheiden?
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