Einschränkungen

Unterschiedliche Anwendungen haben unterschiedliche Einschränkungen:

• Luftfahrt: sehr leicht, sehr zuverlässig
• Marine: sehr hohe Ausdauer
• Automobil: mäßig leicht, reaktionsschnell
• Motorrad: sehr leicht, sehr kompakt, sehr reaktionsschnell

Unterschiedliche Technologiealter ergeben unterschiedliche Lösungen aufgrund zusätzlicher Einschränkungen, die immer durch die damals aktuelle Technologie begrenzt sind:

• Pionierzeit: damit es funktioniert
• Ära des 1./2. Weltkriegs: so schnell wie möglich
• Nachkriegszeit: weiter, schneller, besser
• Zeit der Kraftstoffkrise: So effizient wie möglich

Flugzeugmotoren

Die Frage bezieht sich auf die Optimierung der Zylinderzahl im Verhältnis zum Hubraum pro Zylinder für Motoren, die in der Luftfahrt eingesetzt werden. Damit wird der Geltungsbereich auf „Hubkolben-Verbrennungsmotoren“ (plus den Wankelmotor als Sonderfall) eingeengt.

Offensichtlich haben Raketen, Pulsjets, Turbinen- und Elektromotoren keine Zylinder, und Dampfmaschinen wurden nie (erfolgreich) in Flugzeugen eingesetzt.

Zylinderzahl und Hubraum sind zwei von unzähligen Parametern, die in die Konstruktion eines jeden Motors einfließen. Beide können verwendet werden, um die Ausgangsleistung zu erhöhen.

Leistungssteigerung

Die Leistungsabgabe eines Motors kann entweder durch die Anzahl der Zylinder oder durch Erhöhen des Zylinderhubs (oder beides) erhöht werden.

Jede Änderung von Parametern bewirkt den Gewinn oder Verlust bestimmter gewünschter Eigenschaften. Diese sind weiter unten unter (N), (n), (D) und (d) aufgeführt.

• Eine Erhöhung der Zylinderzahl bedeutet Gewinn (N) und Verlust (n)
• Vergrößern des Hubraums bedeutet Gewinnen (D) und Verlieren (d)

Das Hinzufügen von Zylindern ist einfacher als das Erhöhen der Größe des Zylinders. Die Zylindergeometrie ändert sich nicht. Identische Motorteile können mehrfach im gleichen Motordesign (Zylinderbänke, Zylinderköpfe oder komplette Motorblöcke) verwendet werden.

Tradeoff-Verschiebung

Ausgehend von einer Motorkonfiguration kann die gleiche Leistungsabgabe erreicht werden

• gewinnen (N) und (d) und verlieren (n) und (D) oder
• gewinnen (n) und (D) und verlieren (N) und (d).

Gründe zur Erhöhung der Zylinderzahl (N)

• Das Drehmoment skaliert direkt mit der Anzahl der Zylinder
• Für luftgekühlte Motoren ist eine Erhöhung des Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisses vorteilhaft
• Erhöhen Sie die Leistung: Das Hinzufügen von Zylindern ist einfacher als das Erhöhen der Größe des Zylinders. Die Zylindergeometrie ändert sich nicht. Identische Motorteile können mehrfach im gleichen Motordesign verwendet werden (Zylinderbänke, Zylinderköpfe oder komplette Motorblöcke)
• Verbessern Sie den Ausgleich von Kräften und Impulsen
• Reduzieren Sie die Zeit zwischen den Krafthüben
• Verringern Sie die Auswirkungen eines defekten Zylinders
• Verbessern Sie die Flachheit der Drehmomentverteilung über der Drehzahl.
• Ermöglichen Sie einen flexibleren und stärker verteilten Formfaktor

_{Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major , 28-Zylinder, 28 l, 3500 PS, 2700 U/min, gebaut 1944-1955.}

Gründe zur Reduzierung der Zylinderzahl (n)

• Einfachheit: Weniger bewegliche Teile verbessern die Robustheit, verringern den Wartungsbedarf und erhöhen dadurch die Verfügbarkeit.
• Ermöglichen Sie einen kompakteren Formfaktor

_{Mercedes 1 Zylinder, 1,5 kW, 720 U/min, 84 kg, Baujahr 1888.}

Gründe zur Hubraumerhöhung (D)

• Leistung steigern durch Drehmoment

_{BMW IIIa, 6-Zylinder, 19,1 l, 200 PS, 1400 U/min, Baujahr 1917.}

Gründe zur Verringerung des Hubraums (d)

• Kleinere Verdrängung bedeutet kleinere Kolben, kürzere Stangen oder beides. In jedem Fall ermöglicht ein kleinerer Hubraum eine höhere Drehzahl und eine höhere Beschleunigung.
• Eine kleinere Brennkammer verringert die für die Flammenausdehnung erforderliche Zeit (nur Benzin, kein Diesel). Dies ermöglicht eine höhere Drehzahl.
• Die Ventile begrenzen den Gasstrom in und aus dem Zylinder. Die Ventile unterliegen dem Oberflächen-Volumen-Verhältnis. Kleinere Zylinder lassen sich leichter über die Ventile füllen und entleeren, was eine höhere Drehzahl ermöglicht.
• Bei einer gegebenen Kompressionsrate müssen kleinere Zylinder einer geringeren Gesamtkraft standhalten, was eine leichtere Motorstruktur (weniger Gewicht) ermöglicht.

_{JPX PUL 212, 1 Zylinder, 212 cm³, 11 kW, 6000 U/min.}

Anmerkungen

• Sternmotoren gehören zur Zeit des 1./2. Weltkriegs. Die meisten von ihnen waren luftgekühlt. Bei luftgekühlten Motoren ist das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen wichtig. Daher liegt es auf der Hand, statt des Hubraums pro Zylinder die Anzahl der Zylinder zu erhöhen.

• Flugzeuge während des Ersten und Zweiten Weltkriegs mussten so schnell und schlagkräftig wie möglich sein, um anzugreifen und zu verteidigen. Es gab keinen guten Grund, weniger als 6 Zylinder zu wählen.

• Viertaktmotoren funktionieren perfekt mit 1, 2 und 3 Zylindern. Es handelt sich um gebrauchte Motorgleitschirme bzw. Ultraleichtflugzeuge.

• Bestimmte Zylinderzahlen sind aus Symmetriegründen eher vorzuziehen

  • 6, 8, 4 für Reihenmotoren
  • ungerade Zahlen (pro Reihe) für Sternmotoren

• Der Bau von Sternmotoren mit einer geraden Anzahl von Zylindern ist gut möglich, obwohl eine gerade Anzahl in einer Reihe nicht wünschenswert ist. In vielen Flugzeugen wurden mehrreihige Sternmotoren mit gerader Zylinderzahl geflogen.

• Automotorenentwickler bevorzugen 0,5 l pro Zylinder als idealen Kompromiss.

• Um Hochleistungs-Kolbenmotoren zu bauen, wäre eine hohe Zylinderzahl erforderlich, aber dieses Segment wird jetzt von Strahltriebwerken besetzt.

• Es gibt Sternmotoren mit weniger als 5 Zylindern. Hier ein Stern-3-Zylinder, Baujahr 1930 in den USA:

Ihre Argumentation ist richtig, wenn die Motormasse nicht wichtig ist. Schiffe verwenden riesige Motoren , da eine Erhöhung der Anzahl der Zylinder über 8 hinaus sich in Bezug auf die Glättung der Drehmomentwelligkeit verringert, und größere Zylinder helfen, die Effizienz zu steigern. Aber Flugzeuge müssen die Masse des Triebwerks niedrig halten.

Wartsila-Sulzer RTA96-C Zweitakt-Dieselmotor mit Turbolader während der Montage ( Bildquelle ). Seine Größe macht diesen Motor überaus effizient: Seine 14-Zylinder-Version leistet 108.920 PS bei 102 U/min und hat einen thermischen Wirkungsgrad von über 50 %. Der spezifische Kraftstoffverbrauch beträgt nur 0,260 lbs/PS/Stunde. Aber es wiegt 2600 Tonnen!

Die Motorleistung ist das Produkt aus Drehmoment und Drehzahl . Um die Motorleistung zu maximieren, muss die Drehzahl so hoch wie möglich gehalten werden. Eine Erhöhung der Zylindergröße begrenzt die Drehzahl, mit der der Motor betrieben werden kann, aufgrund der Geschwindigkeit des Verbrennungsprozesses innerhalb des Verbrennungsraums. Wenn der Zylinderdurchmesser zu groß wird, ist die von der Zündkerze ausgehende Flammenfront nicht weit genug gewandert, um den größten Teil des Kraftstoffs zu verbrennen, wenn sich der Kolben wieder nach unten bewegt. Nur das Hinzufügen von mehr Zylindern erhöht die Leistung, während die Drehzahl des Motors konstant bleibt.

Hier ist ein Vergleich von Flugzeugtriebwerken aus dem Ersten Weltkrieg von der ausgezeichneten Seite enginehistory.org . Beachten Sie, wie die Zahlen für Bohrung und Geschwindigkeit umgekehrt korrelieren (der Austro-Daimler 120 war ein Vorkriegsdesign und sah spätere Geschwindigkeitssteigerungen):

Grafischer Vergleich, der Austro-Daimler wird mit den Spezifikationen einer späteren Version gezeigt.

Zitat aus dem verlinkten PDF ( enginehistory.org ):

Der große Bohrungsdurchmesser stieß jedoch an die obere Grenze eines Flugmotorzylinders. Eine angemessene Kühlung und Kraftstoffeffizienz erfordern eine möglichst vollständige Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, und diese vollständige Verbrennung erfordert, dass den Flammenfronten, die sich von ihren jeweiligen Zündpunkten über die Brennkammer bewegen, Zeit gegeben wird, sich zu treffen. Die Drehzahl eines Viertakt-Flugmotors mit großer Zylinderbohrung ist somit tatsächlich durch die Verbrennungsrate des Kraftstoff-Luft-Gemisches begrenzt, die für einen gegebenen Zylinder und ein gegebenes Gemisch eine Konstante ist, und somit durch die Bemühungen, die Ausgangsleistung durch Erhöhen zu erhöhen Die Drehzahl eines Motors mit einem Zylinder mit großer Bohrung kann zu unvollständiger Verbrennung, Überhitzung und Detonation führen.

Andere Begrenzungen der Motordrehzahl wie Belastungen der Pleuelstangen oder ausreichende Zylinderfüllung und -spülung können durch die Verwendung von Werkstoffen mit höherer Festigkeit bzw. mehr Ventilen pro Zylinder behoben werden, aber wenn die Art des Kraftstoffs gegeben ist, die harte Grenze für die Motordrehzahl ist die Bohrung des Zylinders. Die einzige Möglichkeit, die Leistung zu erhöhen, ohne das Leistungsgewicht zu beeinträchtigen, besteht darin, mehr Zylinder hinzuzufügen.

Andere haben bereits die Volumenskalierung im Vergleich zur Oberflächenskalierung erwähnt. Der wichtigste Teil der Oberfläche ist jedoch die Ventilfläche.

Wenn Sie einen Zylinder zweimal skalieren, erhalten Sie 8-mal so viel Volumen, aber nur 4-mal größere Ventile. Das bedeutet, dass das gleiche Volumen des Zylinders jetzt von einer 2-mal kleineren Ventilfläche bedient wird. Dieser Bereich bestimmt, wie schnell Sie den Zylinder füllen und entleeren können. Das bedeutet, dass Sie die Drehzahl herunterdrehen müssen. Da mehr Drehzahl mehr Leistung bedeutet, bedeutet dies, dass Sie abnehmende Erträge erhalten: Ein doppelt so großer Zylinder liefert weniger als doppelt so viel Leistung.

Das Hinzufügen eines weiteren Zylinders ist dagegen fast perfekt linear: Doppelt so viele Zylinder bedeuten doppelt so viel Leistung.

Sie haben es selbst mit dem Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis gesagt. Sie müssen die Hitze aus den Zylindern herausbekommen, und wenn sie zu groß sind, können Sie das nicht effektiv tun. Es ist auch schwierig, mit zunehmender Lautstärke eine gleichmäßige, vollständige und schnelle Verbrennung zu erreichen.

Das meiste wurde schon gesagt, aber ich würde folgendes hinzufügen:

• Mehr Hubraum bedeutet schwerere Kolben, die eine höhere Trägheit haben. Dies begrenzt die Drehzahl und erzeugt ernsthafte Belastungen für Motorkomponenten. Um diesen Belastungen standzuhalten, müssen andere Bauteile steifer und damit schwerer sein.

• Kraft ist das Produkt aus Schwung und Revolutionen. Eine Erhöhung der Drehzahl liefert schneller Leistung und es ist einfacher, mehr Leistung (bis zu einem gewissen Grad) zu erzielen, als den Schwung zu erhöhen. Um die Drehzahl zu erhöhen, sollten leichtere Innenteile verwendet werden. AFAIK, in Flugzeuganwendungen werden im Gegensatz zu Automobilen höhere Drehzahlen gegenüber einem höheren Impuls bevorzugt. Sie benötigen im unteren Drehzahlbereich nicht so viel Leistung wie in einem Auto.

• Je mehr Hubraum ein Zylinder hat, desto schwieriger ist es, eine gleichmäßige Gemischbildung und eine effektive, vollständige Verbrennung zu erreichen. Aus diesem Grund sind in Kraftfahrzeugmotoren 4-Zylinder-Motoren meistens auf 2,0 bis 2,5 Liter begrenzt, 6-Zylinder auf 3-3,3 Liter, 8-Zylinder auf 4-5 Liter und so weiter. Dies hält das Volumen pro Zylinder auf einem bestimmten vernünftigen Niveau (0,5 l/Zylinder).

• Die Volumengrenze pro Zylinder wird auch durch die Verbrennungsgeschwindigkeit bestimmt. Bei hohen Drehzahlen kann es vorkommen, dass die Verbrennung nach Abschluss des Arbeitstakts noch nicht beendet ist, sodass Flammen aus den Zylindern schießen und schließlich Ventile schmelzen. Als Variante wird der Motor überhaupt nicht in der Lage sein, über bestimmte Drehzahlen hinaus zu beschleunigen. Dieses Problem könnte teilweise durch Frühzündung und Doppelzündkerzen aufgehoben werden, aber auch dies ist nicht so effektiv wie das Aufrechterhalten eines guten Volumen/Zylinder-Verhältnisses.

Bei mehr Zylindern sind die Hübe so zeitlich abgestimmt, dass, wenn ein Zylinder komprimiert, ein anderer Kraft abgibt, und so weiter. Dadurch wird sichergestellt, dass die Ausgangsleistung (oder das mittlere Drehmoment, wie in einem T-Theta-Diagramm dargestellt) über die gesamte Umdrehung der Kurbel konstant bleibt. Die im Schwungrad gespeicherte kinetische Energie ist proportional zu seiner Masse (eigentlich Massenträgheitsmoment). Wenn der Motor weniger Energie vom Schwungrad für Kompressionshübe benötigt , ist KE , das im Schwungrad gespeichert werden muss, geringer. Und das Schwungrad könnte leichter gemacht werden .

Flugzeuge müssen Gewicht sparen. Mit anderen Worten: Er will einen Motor mit einem hohen Leistungsgewicht. Die von einem Zylinder erzeugte Leistung ist proportional zur Oberfläche des Kolbens (bei gleichem Druck). Wenn Sie also alle Abmessungen eines Motorzylinders durch 2 teilen, ist die erzeugte Leistung 4x kleiner, aber das Gewicht des Zylinders ist 8x kleiner. Dadurch ist das Leistungsgewicht doppelt so hoch. Deshalb bevorzugen Flugzeuge Motoren mit vielen kleinen Zylindern gegenüber einem Motor mit wenigen großen Zylindern. In der Technik wird dies als "Dimensionsanalyse" bezeichnet, siehe https://en.wikipedia.org/wiki/Dimensional_analysis

Die frühe Luftfahrt basierte nicht sehr auf all diesen wissenschaftlichen oder technischen Konzepten, sondern auf dem, was sie als funktionierend empfanden. Viele frühe Hersteller von Flugmotoren kamen hauptsächlich aus der Automobilindustrie, und sie nahmen das, von dem sie wussten, dass es funktioniert, und verdoppelten es, um die Leistungsanforderungen zu erfüllen (Flat 6 bis v12). Warum sie nicht dazu neigten, die Anzahl der Zylinder zu vereinfachen und zu reduzieren, hatte wahrscheinlich viel mit Zuverlässigkeit zu tun (mehr Zylinder, mehr Redundanzen). Die Briten und die Amerikaner der Allianz hatten die ersten Strahltriebwerkskonzepte des Krieges, konzentrierten sich jedoch auf praktischere Technologien. was hättest du testen wollen?

Zusätzlich zu dem hier bereits Gesagten gibt es eine Kolbendrehzahlbegrenzung, Hochdrehzahlmotoren haben kürzere Kurbelhübe. Die Flammenfront und damit der Kolben können sich nur so schnell bewegen, riesige Motoren wie Boote haben große Wurfweiten, Motoren mit niedriger Drehzahl, aber ähnliche maximale Kolbengeschwindigkeiten wie Automotoren.

Warum nicht den Kurbelhub gleich machen, aber Kolben mit wirklich großem Durchmesser haben? naja das geht, aber nur bis zu einem gewissen punkt, zu breit und die kurbelwelle wird zu schwach und der motor wird richtig breit.