Hallo zusammen!

Kürzlich mit Freund während Sinkflug diskutiert:

Wenn ich meinen Motor im Reiseflug schön auf z.B. 65% einstelle bei z.B. 2400 rpm und gehe in den Sinkflug indem ich z.B. auf 500ft/min nach vorne trimme geht die Drehzahl z.B. auf 2500 rpm hoch.

Habe ich durch die höhere Drehzahl jetzt auch eine andere Leistungsabgabe (lt. POH ist z.B. 2500 rpm 75%) oder nicht?

Thx

P = M * n

Wenn der Ladedruck gleich bleibt, weil der Gashebel nicht zurück genommen wird, dann steigt die Leistung etwas an. Das Handbuch gibt allerdings die Leistungen und Drehzahlen für Horizontalflug. Die Leistung hier steigt daher nur um ca. 4 %.

Nein, beim Auto hast Du ja im Schubbetrieb bergab wenn die Drehzahl hoch geht auch keine höhere Leistung. Die Stellung der Drosselklappe ändert sich ja nicht - und in diesem Fall treibt der Prop ja "den Motor an".

Leistung ist bei den Kolbenmotoren bei verarmtem Gemisch ziemlich genau proportional zum Kraftstoffdurchfluss.

Die MP/RPM-Kombinationen aus dem Handbuch beziehen sich auf den Geradeausflug.

Nein, beim Auto hast Du ja im Schubbetrieb bergab wenn die Drehzahl hoch geht auch keine höhere Leistung

Nicht ganz richtig - auch Bremsleistung ist Leistung: Ein Motor, der im Leerlauf bei 1000 rpm läuft, gibt weniger Leistung ab als einer, der mit 3000 rpm beim Bergabfahren bremst. Wie viel das ist, lässt sich in der Tat mit

P = Md * n

berechnen. Allerdings zeigt dieses Gedankenexperiment schön, dass Md nicht nur von der Stellung der Drosselklappe bzw. dem Ladedruck abhängt. Deshalb halte ich die Berechnung von Andreas K, der (stimmt's?) einfach Md konstant gelassen und die beiden Drehzahlen ins Verhältnis gesetzt hat, nur näherungsweise für korrekt.

: Leistung ist bei den Kolbenmotoren bei verarmtem Gemisch ziemlich genau proportional zum Kraftstoffdurchfluss

Stimmt, aber was passiert z.B. bei einem Vergasermotor und Festprop, wenn man -ceteris paribus- in den Bahnneigungsflug geht? Drehzahl und FF gehen hoch, weil pro Zeiteinheit mehr Luft und mehr Kraftstoff angesaugt wird.

Man könnte als Gedankenexperiment den Propeller kürzen. Weniger Widerstand, deswegen höhere Drehzahl möglich, bis sich die Kurven der Leistungsabgabe des Motors (steigt mit der Drehzahl linear) und des Leistungsbedarfs des Propellers (steigt kubisch) wieder schneiden. Das tun sie jetzt aber beim Leistungsdiagramm weiter rechts, bei den höheren Drehzahlen und höheren Leistungen.

Nicht ganz richtig - auch Bremsleistung ist Leistung: Ein Motor, der im Leerlauf bei 1000 rpm läuft, gibt weniger Leistung ab als einer, der mit 3000 rpm beim Bergabfahren bremst. Wie viel das ist, lässt sich in der Tat mit

P = Md * n

berechnen.

Ich glaube, ihr solltet erst mal genau festlegen, was ihr mit Motorleistung meint. Mit der "handelsüblichen" Definition von Motorleistung hättet ihr nämlich "bewiesen", dass es physikalisch unmöglich ist, dass ein Propeller Windmilled!

Wenn ich die Treibstoffversorgung nämlich abstelle (und die Drosselklappe offenlasse bzw. diese in der Praxis auch im geschlossenen Zustand nicht hundertprozentig dicht ist), dann kann der Motor ja gar keine Leistung mehr abgeben. Da der Ladedruck aber nicht 0 werden kann, muss bei keiner Leistung nach obiger Formel die Drehzahl aber immer Null sein.

Das Argument "Bremsleistung ist auch Leistung" stimmt in so fern nicht, als dass diese keine abgegebene sondern eine aufgenommene Leistung ist. Wenn man diese in die Definition mit einbezieht, dann wäre beim windmilling die Motorleistung tatsächlich negativ - dann muss es aber eine Leistungseinstellung geben, bei der die Motorleistung genau 0 ist (nämlich dann, wenn die durch die Verbrennung erzeugte Leistung exakt dem Widerstand entspricht).

Mit der "handelsüblichen" Definition von Motorleistung hättet ihr nämlich "bewiesen", dass es physikalisch unmöglich ist, dass ein Propeller Windmilled!

Wieso?

Wenn ich die Treibstoffversorgung nämlich abstelle (und die Drosselklappe offenlasse bzw. diese in der Praxis auch im geschlossenen Zustand nicht hundertprozentig dicht ist), dann kann der Motor ja gar keine Leistung mehr abgeben. Da der Ladedruck aber nicht 0 werden kann, muss bei keiner Leistung nach obiger Formel die Drehzahl aber immer Null sein.

Wo steckt in dieser Formel der Ladedruck? Im Schubbetrieb (egal ob windmillender Prop oder bergabfahrendes Auto) kann ich ein Drehmoment an der Kurbelwelle messen, dieses mit der Winkelgeschwindigkeit multiplizieren und erhalte eine Leistung. Die in dem Fall als Wärme abfällt.

Wenn man diese in die Definition mit einbezieht, dann wäre beim windmilling die Motorleistung tatsächlich negativ - dann muss es aber eine Leistungseinstellung geben, bei der die Motorleistung genau 0 ist

Die Leistung ist nie "negativ". Jede Spritzugabe erhöht das Moment an der Kurbelwelle und damit die Leistung.

Die Einstellungen für Zero Thrust finden sich bei vielen Twins im AFM / POH. Zero Thrust bedeutet, die Leistung so zu regeln, dass der Widerstand dem eines stehenden Propellers entspricht. Da der sich drehende Propeller auch Reibung erzeugt, muss hierzu der Motor mit (geringer) positiver Leistung arbeiten.

Weniger Ladedruck als Zero Thrust ist negative Thrust. Der Wind treibt den Propeller an und nicht umgekehrt. Bei noch weiter reduziertem Ladedruck nimmt der Motor die vom Wind erzeugte und um den Propellerwirkungsgrad verminderte Leistung vom Propeller auf und verwandelt sie über Drosselverluste und Reibung in Wärme. Der Motor arbeitet dann mit negativer Leistung.

Ein Motor hat positive Leistung bei einem Ladedruck, der höher liegt als der für Leerlauf benötigte Ladedruck. Darunter negative Leistung (Schubbetrieb).

Jetzt vermischen wir aber Begriffe, oder? Schub und Wellenleistung sind unterschiedliche Dinge.

Ein drehender Propeller hat einen Luftwiderstand (immer!), der höher ist als im gefeatherten Zustand - deswegen gibt es die „Zero Thrust“-Settings bei Twins. So weit, so klar.

Oben schreibst Du doch selbst, dass die Leistung im Beispiel des OP um 4% steigt, nur durch den Übergang in den Bahnneigungsflug. Steht das nicht im Widerspruch zu Deinem letzten Post?

Im Schubbetrieb (egal ob windmillender Prop oder bergabfahrendes Auto) kann ich ein Drehmoment an der Kurbelwelle messen, dieses mit der Winkelgeschwindigkeit multiplizieren und erhalte eine Leistung. Die in dem Fall als Wärme abfällt.

Diese Leistung kommt aber nicht vom Motor, sondern vom Propeller! Wenn Du zwei Motoren an einer gemeinsamen Kurbelwelle montierst geben ja nicht beide die doppelte Leistung ab, nur weil das Drehmoment an der Kurbelwelle dann doppelt so hoch ist.

Insbesondere die Inhaber "höherer" Lizenzen denken hier glaube ich viel zu kompliziert. Betrachten wir nochmals die Ausgangslage: SEP, Fixprop. Termini wie "feathern" und "MP" können wir also bei Seite legen.

Zunächst schauen wir uns den Prop an. Zum einfacheren Verständnis will ich einige Vereinfachungen treffen:

• Der Wirkungsgrad des Motors (Spritfluss -> Wellenleistung) sei bei 2400 U/min und 2500 U/min identisch
• Der Luftdruck um das Flugzeug sei unveränderlich und in allen betrachteten Situationen identisch.
• Es herrscht Windstille.
• Wir nehmen ein vereinfachtes, symmetrisches Prop-Profil im laminaren Bereich, d.h. Anstellwinkel proportional zu Auftriebsbeiwert proportional zu Widerstandsbeiwert.

Aus diesen beiden Punkten ergibt sich, dass die Wellenleistung P konstant bleibt. Warum erhöht sich also die Drehzahl?

Ein Fixprop hat einen fixen Einstellwinkel, sagen wir einfach mal 12°. Schauen wir uns nun 3 Szenarien an, wobei jedesmal 65% Leistung setzen. Bei fixem Luftdruck sind 65% gleichzusetzen mit einer bestimmten Position des Gashebels und einem bestimmten Spritfluss, d.h. einer bestimmten Wellenleistung.

Am Boden, bei 0kt, beträgt der Anströmwinkel 0° (er liegt in der Prop-Ebene), d.h. der Anstellwinkel liegt bei 12°. Dieser hohe Anstellwinkel führt zu einem hohen Vortriebsbeiwert und damit zu einem hohen Widerstand, der durch ein hohes Moment kompensiert werden muss. P ist fix, M ist hoch, n muss klein sein. Die Drehzahl wird sich nun wohl bei 2200 U/min einpendeln.

Im Horizontalflug bei 90kts beträgt der Anströmwinkel (geschätzt, nicht gerechnet) 6°. Als Anstellwinkel bleiben damit 12° - 6° = 6° übrig. Diese 6° erzeugen einen geringeren Vortriebsbeiwert und somit einem geringeren Widerstandsbeiwert. Daher ist weniger Moment nötig, es gilt wieder P = M * n mit P = const, somit steigt die Drehzahl n.

Und damit ist auch klar, was im Sinkflug bei 110kts passiert. Anströmwinkel steigt auf 7°, Anstellwinkel sinkt auf 5°. Vortriebsbeiwert sinkt, Widerstandsbeiwert sinkt, notwendiges Moment sinkt, P = M * n mit P = const, daher steigt die Drehzahl n.

Somit wäre die Frage der Propeller-Drehzahl geklärt.

Davon völlig unabhängig ist zu betrachten ist die Frage, wie viel Schub der Propeller tatsächlich abgibt. Ein Fixprop ist auf eine bestimmt Motordrehzahl und eine Fluggeschwindigkeit hin optimiert. Dort hat der seinen idealen Arbeitspunkt und erzeugt für eine gegebene Leistung P den maximalen Vortrieb (bzw. den minimalen Widerstand). Nehmen wir einfach mal an, die 2400 U/min und 90kts bei 65% Leistung (Szenario Horizontalflug) wären der ideale Arbeitspunkt. Dann würde der Prop im Sinkflug weniger Vortrieb erzeugen, da er durch die höhere Drehzahl mehr Widerstand erzeugt.

Anschaulich kann man sich auch den Extremwert betrachten. Sagen wir, bei 180kts beträgt der Anströmwinkel 12°. Der Anstellwinkel ist damit 0° und der Prop "schneidet" durch die Luft (symmetrischer Prop) ohne Vortrieb zu erzeugen. Die Drehzahl wird sehr stark steigen und die die gesetzte Leistung geht komplett für den parasitären Widerstand drauf, der durch die Bewegung des Props durch die Luft erzeugt wird.

Soweit meine physikalische Interpretation. Ich freue mich auf Diskussion und Ergänzungen!

Grüße
Johannes

Habe ich durch die höhere Drehzahl jetzt auch eine andere Leistungsabgabe (lt. POH ist z.B. 2500 rpm 75%) oder nicht?

... einmal ganz praktisch ...

Meiner Meinung nach - ja, die Leistung wird steigen.

Durch die höhere Drehzahl entsteht auch ein höherer Unterdruck im Ansaugtrakt. Dieser höhere Unterdruck bewirkt, dass die angesaugte Kraftstoffmenge ansteigen sollte. Höhere Drehzahl, zusammen mit mehr Kraftstoff ergibt eine höhere Leistung.

Solltest du während des Reiseflugs auf Best Economy geleant haben, dann ergibt sich noch ein weiterer Effekt. Die Luft wird mit abnehmender Höhe natürlich dichter, d.h. dem Motor wird mehr Sauerstoff für den Verbrennungsvorgang zugeführt.

Alles in allem sollte man schon aufpassen, dass der Motor nicht in den Detonationsbereich kommt. Das bedeutet aber eine Anreicherung des Gemischs wird notwendig ... resultierend in noch höherer Leistung.

Ja, ich bin auch ein Freund von Höhe in Geschwindigkeit umsetzen. Allerdings bedeutet dann Sinken auch eine Anreicherung des Gemisches.

Nein, die Leistung bleibt gleich, aber die anströmende Luft erhöht die Drehzahl des Props. Der Kolben liefert Verbrennungsenergie und überträgt diese an die Kurbelwelle, in völliger Unkenntnis der Verhältnisse ausserhalb. Durch den Sinkflug erhöht sich natürlich dann langsam der MP, was aber allmählichen der Erhöhung des Aussendrucks geschuldet ist und nicht der anströmenden Luft.

Nein, die Leistung bleibt gleich, aber die anströmende Luft erhöht die Drehzahl des Props.

Dann mußt Du nur noch erkären, warum der Motor bei gleichem "Lade"druck bei zwei verschiedenen Drehzahlen die gleiche Leistung abgibt (wenn im Leistungsdiagramm eg unter Vollast die Leistung zwischen diesen Drehzahlen steigt).

Und irgendwann werden die Ventilfedern, die auf eine maximale Drehzahl von -zumeist- 2700 rpm ausgelegt sind, nicht mehr in der Lage sein, die Ventile schnell genug zu schliessen. Dann berühren die Kolben die nicht schnell genug wieder schliessenden Ventile...... (deshalb erfanden die Italiener irgendwann die desmodromische Steuerung :-)

deshalb erfanden die Italiener irgendwann die desmodromische Steuerung :-)

... und kaum einer konnte die richtig einstellen. Wenn ich mich recht erinnere, dann war das ein Problem hinsichtlich Zuverlässigkeit bei den ganzen Ducatis. Aber wär fährt schon Ducati, weil er ein zuverlässiges Moped haben will :-)

Ist eine Überdrehzahl bei den Flugzeugmotoren nicht für eine bestimmte Zeit erlaubt? Dann würde ich darauf tippen, dass nicht die Ventilfedern der limitierende Faktor sind.

Ventilfedern haben kein Problem mit 9000 RPM und mehr, reine Auslegungssache. Es gibt aber viele Gründe, warum ein Flugkolbenmotor nicht überdreht werden darf.

Die Maintenance Manuals legen fest, welche Maßnahmen erforderlich sind, je nach Höhe und Dauer der Überdrehung.

Nein, die Leistung bleibt gleich, aber die anströmende Luft erhöht die Drehzahl des Props. Der Kolben liefert Verbrennungsenergie und überträgt diese an die Kurbelwelle, in völliger Unkenntnis der Verhältnisse ausserhalb.

Das stimmt nicht, natürlich hat eine Erhöhung der Drehzahl durch eine andere Anströmung des Propellers einen Einfluss auf die abgegebene Leistung des Motors. Es ändert sich neben anderen Dingen auch der Liefergrad im Zylinder.

spannende Diskussion, ohne Anspruch auf Wissen!!: der vergleich mit dem Constant speed: wenn ich die Drehzahl (durch Pitch Änderung des Prop) erhöhe, erhöht sich die Leistung. Beim Fix Prop ändere ich den Prop Pitch durch Sinkflug (? stimmt das?), jedenfalls die Drehzahl durch Manipulation am Prop und nicht am Motor. Dann müsste sich die Leistung auch erhöhen... leider ist es manchmal so, dass es mit Wissen anders ist als es scheint, mir im Moment aber so plausibel.....

Dann mußt Du nur noch erkären, warum der Motor bei gleichem "Lade"druck bei zwei verschiedenen Drehzahlen die gleiche Leistung abgibt (wenn im Leistungsdiagramm eg unter Vollast die Leistung zwischen diesen Drehzahlen steigt).

Bist Du sicher, dass der Satz so stimmen kann ?

Der Ladedruck wird durch die Stellung der Drosselklappe und die Drehzahl bestimmt. Reduzierung des Ladedrucks bei gleichbleibender Drehzahl verringert den Druck auf dem Zylinder und damit das Drehmoment. Drehmoment x Drehzahl ist Leistung, dh. es gibt bei Flugzeugen mit CS Prop unterschiedliche Kombinationen aus Drehzahl und Drehmoment für gleiche Leistung.

Reduzierst Du die Drehzahl ohne Betätigung der Drosselklappe, erhöhst Du den Ladedruck geringfügig (beim Conti z.B. bei Reduktion von 2500 auf 2300 RPM um ca. 0,5 MP), weil die Zylinder, vereinfacht ausgedrückt, weniger Luft hinter der Drosselklappe abtransportieren, wodurch die Differenz zwischen Aussendruck (vor der Drossel) und Innendruck (hinter der Drossel, dort wo der Ladedruckanzeiger angeschlossen ist) sinkt.

Das hat aber keine Auswirkung auf die abgegebene Leistung, denn dafür müsstest Du gleichzeitig die Drosseklappe öffnen oder der Aussendruck müsste steigen, was er z.B. während des Sinkfluges ja auch tut.

Leitet der TE einen Sinkflug ein, mag dies zunächst zwar die Drehzahl des Props durch anströmende Luft erhöhen, und der Ladedruck mag geringfügig sinken (reziprok zu oben, es wird mehr Luft hinter der Drossel abtransportiert), aber die Leistung verändert sich eben nicht.

Natürlich erhöht sich mit dem Sinkflug der AUSSENdruck, so dass auch im Ansaugtrakt der Druck steigt. Dadurch steigt der Ladedruck, und dies erhöht in der Tat auch die Leistung, soweit ich das sehe, so dass man dann ab und zu nachregeln muss.

Aber es hat nichts mit der anströmenden Luft zu tun, und das war ja glaube ich die Frage.

Der Ladedruck wird durch die Stellung der Drosseklappe bestimmt.

Das stimmt bei einem Saugmotor nur dann, wenn die Drehzahl konstant bleibt. Dreht man allerdings bei gleicher Stellung der Drosselklappe die Motorwelle durch eine äussere Kraft schneller, dann reduziert sich der Ladedruck. Bremst man sie durch eine äussere Kraft ab, dann erhöht er sich. Um wie viel jeweils ist von vielen Faktoren abhängig.

Drehmoment x Drehzahl ist Leistung, dh. es gibt bei Flugzeugen mit CS Prop unterschiedliche Kombinationen aus Drehzahl und Drehmoment für gleiche Leistung.

Reduzierst Du die Drehzahl ohne Betätigung der Drosselklappe, erhöhst Du den Ladedruck geringfügig (beim Conti ca. 0,5 MP), weil die Zylinder, vereinfacht ausgedrückt, weniger Luft hinter der Drosselklappe abtransportieren, wodurch die Differenz zwischen Aussendruck (vor der Drossel) und Innendruck (hinter der Drossel, dort wo der Ladedruckanzeiger angeschlossen ist) sinkt.

Das hat aber keine Auswirkung auf die abgegebene Leistung, denn dafür müsstest Du gleichzeitig die Drosseklappe öffnen.

Klingt für mich wie ein Widerspruch

Wenn Du meinen Post zu Ende liest, und nicht nur einen Satz herauskopieren würdest, könntest Du lesen, dass ich exakt das auch geschrieben habe :)

Bei einem fixen Prop erhöht sich die Drehzahl durch anströmende Luft. Dadurch sinkt der Ladedruck im Ansaugsystem, weil mehr Luft abtransportiert wird. Venturiprinzip.

Die Leistung wird aber nicht verändert, woher soll die denn kommen ? Die kann ja nur durch eine Veränderung der Drosselklappenstellung kommen.

Oder eben durch die Erhöhung des Aussendruckes, durch das Sinken in höhere Luftdichte. Das erhöht die Leistung, denn jetzt wird mehr Luft in den Ansaugtrakt gelangen.

Beim Fix Prop ändere ich den Prop Pitch durch Sinkflug (? stimmt das?)

Wie wird denn der Sinkflug gestaltet?

1. Nase runter -> Drehzahl geht hoch, Geschwindigkeit geht hoch -> Der Winkel der anströmenden Luft am Propeller wird sich ändern. Aber im Rahmen von Limitierungen in Drehzahl und Geschwindigkeit wird die Änderung wohl gering ausfallen. Es findet im Prinzip ein Ausgleich zwischen höherer Geschwindigkeit und höherer Drehzahl statt.
2. Drehzahl runter -> Nase bleibt, Geschwindigkeit bleibt -> Der Winkel der anströmenden Luft wird sich ändern, aus meiner Sicht in einem größeren Rahmen, als unter 1. Der ausgleichende Faktor der dann hier geringeren Geschwindigkeit fehlt.

Ok, aber 1. Glaube ich nicht, dass diese Absenkung nur „geringfügig“ ist - sie ist hier sehr relevant und 2. erklärst Du nicht, warum die Leistung sich nicht ändert (insb. Dann, wenn die Absenkung des Ladedrucks nur geringfügig wäre).

Die Leistung wird aber nicht verändert, woher soll die denn kommen ? Die kann ja nur durch eine Veränderung der Drosselklappenstellung kommen.

Warum braucht es eine Veränderung der Drosselklappenstellung, um die Leistung zu ändern? Die abgegebene Wellenleistung des Motors (bzw. Allgemein einer Wärmekraftmaschine) ist eine Funktion aus der entstehenden Verbrennungsenergie und dem Wirkungsgrad des Motors.
Wenn wir erst mal annehmen, dass der Wirkungsgrad des Motors sich nicht ändert (was auf Grund der höheren inneren Reibung bei höherer Drehzahl eine Näherung ist), dann hängt die Leistung direkt von der Verbrennungsenergie ab.
Diese wiederum ist eine Funktion des Massestroms des Verbrennungsgases und der Verbrennungseffizienz. Letztere wird - wenn das Gemisch konstant gehalten wird - auch im Wesentlichen konstant bleiben.

Wenn ich einen Motor von aussen an der Kurbelwelle drehe, dann steigt bei gleicher Drosselklappenstellung der Massestrom des Verbrennungsgases (kann man sich am Grenzfall des vorher unbewegten Motors schnell überlegen).

Würde der Ladedruck konstant bleiben, dann käme durch die höhere Drehzahl ein höherer Massestrom and Verbrennungsgemisch pro Zeiteinheit in den Zylinder, was bei gleicher Verbrennungseffizienz zu einer Leistungssteigerung führt. Das wäre ein sehr einfacher Fall und bei Turbomotoren die den Ladedruck über den Turbo konstant halten gegeben.

Jetzt sinkt beim Saugmotor der Ladedruck aber (meiner Meinung nach mehr als geringfügig). Diese Senkung hat wieder eine Leistungsreduktion zur Folge.

Die Frage ist also: Ist die Leistungsreduktion durch sinkenden größer, gleich oder kleiner als die Leistungserhöhung durch steigende Drehzahl.