Utmagring av flygmotorer

En presentation över ämnet: "Utmagring av flygmotorer"— Presentationens avskrift:

1 Utmagring av flygmotorer
FFK Skavsta Ivan Hedin PPL, IR, CRI Aeroklubben i Göteborg

2 Fördelar med utmagring till ”bästa ekonomi” jämfört med fullt rik:
C:a en timmas längre flygtid på fulla tankar på 4000 fot med en 180 hk motor och 75% effektuttag. (Alla räckviddstabeller utgår från korrekt utmagring!) Tändstiften behöver inte rengöras och bytas så ofta. Smörjoljan håller sig renare. Minskad miljöbelastning. (NOx,HC, CO och CO2) Hos Aeroklubben i Göteborg innebär 1 liter minskad bränsleförbrukning per timma/flygplan en minskad bränslekostnad av SEK/år. Ovanstående fördelar enligt Lycoming förutom de två sista som är författarens egna tillägg.

3 Ur PPL-kursplanen: AMC FCL 1.125 (continued)
Exercise 4  Effects of controls  .  primary effects when laterally level and when banked .  further effects of aileron and rudder .  effects of: .  airspeed .  slipstream .  power .  trimming controls .  flaps .  other controls, as applicable .  operation of: .  mixture control .  carburettor heat .  cabin heating/ventilation 

4 Presentation gäller Piper och Cessna med fast propeller.
De allmänna principerna gäller även andra flygplan med fast propeller. Flygplanets handbok konsulteras.

5 Blandningsförhållande
Luft Viktsförhållande bränsle/luft. Blandningen är brännbar mellan den feta gränsen 1:8 och den magra gränsen 1:20. Utanför gränserna slocknar motorn. Bästa bränsleekonomi fås vid det kemiskt korrekta blandningsförhållandet 1:15 och bästa effekt fås vid ett något fetare blandningsförhållande där det extra bränslet kyler inkommande luften ytterligare med ökad luftdensitet som följd. Detta innebär att den insugna luftmassan ökar och ger möjlighet att tillsätta mer bränsle. Denna effektökning sker tills blandningen blir så fet att förbränningsverkningsgraden sjunker snabbare än effekttillskottet. Bränsleöverskottet kyler även förbränningsprocessen så att risken för knackning (lokala detonationer) elimineras. Även förbränningshastigheten påverkas av blandningsförhållandet så att magring från fet blandning ökar förbränningshastigheten så att knackning kan uppstå eftersom tändtidpunkten är konstant. Bränsle

6 Behovet att ”magra” Luft Bränsle
Vi ökande höjd minskar insugna luftmassan mycket snabbare än vad bränslemängden gör vilket rubbar blandningsförhållandet. Det är därför vi behöver gripa in manuellt för att återställa balansen. Ju högre densitetshöjd desto större obalans. Bränsle

7 Motortillverkarens åsikt
Lycoming: ”Normal marscheffekt för Lycomings sugmotorer är % av maxeffekten. För alla Lycomings sugmotorer gäller att piloten kan och skall magra ut motorn på alla höjder vid marscheffekter vid eller under 75 %. Så snart marscheffekt är etablerad skall utmagring till bästa ekonomi vara standardprocedur och ingen risk föreligger för motorskador.”

8

9 Oktantal

10 Även förbränningshastigheten påverkas av blandningsförhållandet så att magring från fet blandning ökar till en början förbränningshastigheten så att knackning kan uppstå eftersom tändtidpunkten är konstant. Kolven hinner då inte undan utan man får en onormal tryckökning som gör att återstående gasmassan spontantänder med hög flamfrontshastighet. 300 m/s jämfört med normal förbränning 30 m/s. En explosion! Risken för knackning ökar vid hög yttertemperatur och sotigt förbränningsrum där sotflagor kan bli glödande. De flesta av Lycomings motorer är certifierade för 91/96 oktan vilket betyder att 100LL ger betydande säkerhetsmarginal till knackning.

11 Diagrammet visar hur motorns bränsleförbrukning, effekt och temperaturer påverkas av blandningsförhållandet. Med specifik bränsleförbrukning menas förbrukningen per hästkraft och man ser en markant minskning då man går åt vänster, det magrare hållet, i diagrammet. (Visserligen är ingen 0-linje markerad så förändringen är inte så dramatisk som kurvan visar) Under magringen ser vi att avgastemperaturen (EGT) ökar tills vi ligger alldeles intill minimum förbrukning där den når sitt toppvärde ”Peak”. Detta toppvärde används som referenspunkt vid utmagring. På vägen mot EGT toppvärde har cylinderhuvudtemperaturen haft sitt toppvärde. Det beror på att blandningsförhållandet även påverkar förbränningshastigheten och den ökar då vi rört oss från det relativt rika blandningsförhållande som råder vid 100 % effekt. Motorn har fast tändtidpunkt och det innebär att snabbare förbränning ger ökad värmeexponering mot cylinderhuvudet eftersom kolven inte hinner så långt ner innan maximalt tryck och temperatur nås. Vid fortsatt magring sjunker förbränningshastigheten igen och därmed värmeexponeringen. Då man går från blandningsförhållandet för 100 % effekt åt det magra hållet sjunker effekten men förbrukningen minskar snabbare än effekten och det där förbrukningsvinsten ligger. Detta fortsätter tills blandningsförhållandet blir så magert att motorn snabbt tappar effekt. Åt feta hållet stör man också blandningsförhållandet så att motorn tappar effekt. Observera att diagrammets 0-punkt för bränsleförbrukning inte är inritad. De relativa skillnader blir inte på långa håll så stora som diagrammet visar om man inte tar hänsyn till detta.

12 Nya Piper Archer lll Prestandatabeller baseras på:
”Best economy mixture: Peak EGT.” För Archer lll anges också ”Best power mixture 100 ̊ F rich of peak EGT” att användas om man vill nå 75 % effekt i planflykt på högre höjder.

13 Piper Archer III Gult område anger behov av rikare blandning än vad som motsvarar ”Best Economy Mixture” Piper Archer III Diagrammet visar att all marscheffekt körs med ”Best economy mixture” utom vid 75 % effekt över 6500 fot då man behöver rika successivt till ”Best power mixture”. Det gula fältet visar var man behöver rika upp. Pipers prestandatabeller slutar visserligen på 7000 fot men det är med upprikning möjligt att ta ut 75 % till nära 8000 fot om så önskas. Ovanför 8000 fot går det inte längre att bibehålla 75 % effekt på grund av brist på luft.

14 Piper vid denna individs ”Peak Temperature” 1400 grader F
Piper vid denna individs ”Peak Temperature” 1400 grader F. Flyger man samma flygplanindivid lär man sig snart hur långt man direkt kan föra blandningsreglaget innan man behöver finjustera. Här strax innan man når ”X” i ”MIXTURE”. För sugmotorer finns ingen övre gräns för EGT. Avgassystemet kan aldrig bli för varmt såsom det kan bli för turbomotorer.” Peak temperatur” är bara en referenspunkt vars absoluta värde är ointressant.

15 Motordiagram för äldre Piper. (Exempelvis Archer ll)
Exempel på motorprestandadiagram där procent inte är procent. Typ av motorprestandadiagram för Piper Archer II och tidigare. Även Cadet och Warrior. Här finns bara motorinställningsvärden för bästa effekt. Från bästa effektinställningen sker magring till ”Peak” med åtföljande varvtalssänkning och en effektminskning som inte specificeras. Förbrukningsvärden vid ”Best Economy” kan därför inte jämföras mellan nya och gamla Piper flygplan eftersom de äldre körs på ett lägre effektuttag.

16 När procent inte är procent.
Peak Peak – 100 grader F 100% av valt effektuttag. Effekt Bästa effekt Bästa ekonomi För äldre Piper anges bara motorinställning för bästa effekt. Efter magring till bästa ekonomi har motorn ett lägre varvtal och avger inte längre den valda effekten, exempelvis 65% Med 100% menas 100% av valt effektuttag. Exempelvis 75% av 180 hk. För de äldre Piperflygplanen anges bara effekten med blandning och varvtal valt för bästa effekt vilket betyder 100 grader F på rika sidan av max avgastemperatur. Begreppet magrat för bästa ekonomi betyder för de äldre Piperflygplanen den effekt motorn avger efter magring till max avgastemperatur (peak). Någon efterjustering av varvtalet får ej ske. Det innebär att 75% effekt magrat för bästa ekonomi inte är 75% av motorns specificerade effekt utan något ospecificerat lägre effektuttag. Bränsleförbrukning och prestanda för nyare och äldre Piperflygplan är inte helt jämförbara. EGT Mager Rik

17 Cessnas prestandatabeller baseras på:
”Recommended lean mixture: 50 ̊ F rich of peak EGT” Cessna anger även att motorn kan köras på ”Best economy” som nås vid ”Peak EGT”. Bränsleförbrukningen vid ”Peak EGT”minskar med 4 % och farten med 3 knop jämfört med tabellvärdena. Förutsätter att man inte kompenserar för det varvtalsfall som uppstår då man magrar vidare från ”Recommended lean mixture”.

18 Cessna 172 R/SP Illustrerande klipp ur Cessnas POH

19 Cessna: ”Recommended lean 50 degrees rich of peak”
Cessna 172 med bränsleinsprutning. EGT= Exhaust Gas Temperature EGT-instrumentet visar läget vid 50 grader F från ”Peak”. Den gula referensnålen är ställd på ”Peak Temperature”. Resultatet blir ”Recommended lean” I samma instrument finns bränsleflödesmätaren som mycket pedagogiskt visar hur förbrukningen minskar i takt med att EGT ökar. Cessna: ”Recommended lean 50 degrees rich of peak”

20 Magring utan EGT Ur Cessnas POH:
Lycoming påpekar att magring tills motorn går ojämnt inte innebär att den knackar. Det är bara resultatet av ojämn bränslefördelning som gör att motorcylindern går för magert så att förbränningen störs eller helt upphör. Piper: Magra tills motorn går ojämnt och sedan rika tills motorn går jämnt.

21 Magring utan EGT forts. Cessna och Pipers metoder
25 to 50 RPM drop from peak RPM. (Cessna) Enrichment from roughness (Piper) Utgångsläge för både Cessna och Piper är att man väljer varvtal för avsett effektuttag vid en blandning som ger högsta varvtalet. Om man hos Piper magrar tills motorn går ojämnt och sedan rikar tills den går jämt så hamnar man i området för ”best economy”. Hos Cessna magrar man så att varvtalet minskar rpm. Därefter återställs varvtalet till det avsedda för effekten. Resultatet blir ”recommended lean”. Piper Archer III avviker från de äldre Piper-modellerna genom att man efter utmagringen återställer varvtalet till det tabellerade.

22 Cylindrarna flyger i lös formation!
Effekt EGT Spridningen är särskilt stor hos förgasarmotorer pga. ojämn bränslefördelning. Magring sker efter magraste cylindern. EGT-givaren placeras vid den erfarenhetsmässigt varmaste cylindern. Det är även denna cylinder som först indikerar effektförlust och därmed ojämn gång hos motorn vid överdriven magring. Mager Rik

23 65 eller 75 % i planflykt? Effektökning från 65 till 75 %:
Ökar farten med 6 % Ökar bränsleförbrukningen med 14 % Lycoming: Maximal motorlivslängd nås vid effektuttag av 65 % eller lägre.

24 Piper. Formell procedur för utmagring i planflykt på alla höjder.
Bestäm densitetshöjden (Tryckhöjd + temperatur) Välj varvtal som ger önskat effektuttag. Piper Archer lll: Magra till ”peak” dvs. EGT toppvärde. (Om motorn börjar gå ojämnt eller abrupt faller i varvtal räknas denna temperatur istället som peak och man fetar upp tills motorn går jämnt.) Finjustera sedan varvtalet för att nå önskat effektuttag Tidigare Piper magras till ”peak” såsom ovan för att sedan rikas till bästa effekt, 100 ̊ F från ”peak”, och varvtalet finjusteras. För bästa ekonomi magras sedan till ”peak” utan att efterjustera varvtalet.

25 Cessna. Formell procedur för utmagring i planflykt på alla höjder.
Bestäm densitetshöjden (Tryckhöjd + temperatur) Välj varvtal som ger önskat effektuttag. Magra till ”peak” dvs. EGT toppvärde. (Om motorn börjar gå ojämnt eller abrupt faller i varvtal räknas denna temperatur istället som peak och man rikar upp tills motorn går jämnt.) Efter ”peak” rikar man dessutom 50̊ F (två delstreck) för rekommenderad utmagring och justerar varvtalet. Nu är motorn inställd enligt prestandatabellerna. Om man önskar uppnå bästa ekonomi kan man magra tillbaka till ”peak”. (Varvtalet tillåts då sjunka något)

26 Motorvarvtal för 65 % effektuttag.
”Pressure altitude”, tryckhöjden avläses genom att ställa en höjdmätarens referenstryck på 1013 hPa. (Om man inte har extrema avvikelser från standardtrycket så begår man inte något större fel om man läser av höjdmätaren med aktuellt QNH) Ofta löser det sig självt genom att man på höjd ändå ligger flygnivå med standardinställning av höjdmätaren. Det är bara att läsa av yttertemperaturen och gå in i tabellen för att se vilket varvtal som gäller för den aktuella tryckhöjden.

27 I standardatmosfären avtar temperaturen med 2 grader C/ 1000 fot.
Tabell för val av motorvarv för att nå önskat effektuttag ”BHP” (Brake Horse Power) I standardatmosfären avtar temperaturen med 2 grader C/ 1000 fot. För att välja rätt kolumn för motorinställning får man själv beräkna avvikelsen från standardtemperaturen genom att jämföra aktuell avläst temperatur med vad temperaturen skulle varit i standardatmosfären. I standardatmosfären (ISA) avtar temperaturen med 2 grader C per /1000 ft. Exempelvis vid 6000 ft i ISA är temperaturen 15-2x6= 3 (grader C)

28 Procedur för utmagring i stigning
Piper: Fullt rik blandning upp till 9000 fot därefter magring till ”100 ̊ F rich of peak EGT”. Fart 76 knop. Cessna: Samma procedur som Piper men 3000 fot och fart knop. Lycoming: 5000 fot och därefter magring till jämn motorgång. (Rough operation due to over-rich fuel/air mixture is most likely to be encountered in carburated engines at altitude above 5000 feet.) Pipers rekommendation strider både mot naturlagarna och Lycomings åsikt. Piper har heller inte någon rekommendation att magra vid start från fält på högre höjder. Cessna anger att man skall magra till högsta varvtal vid start från fält på 3000 fots höjd. Lycoming anger vidare att före start vid höjder över 5000 fot skall motorn magras till högsta varvtal. Över 8000 fot kan man inte nå 75 % effektuttag enligt naturlagarna.

29 Utmagring under motorplané
Vid motorplané från högre höjder rekommenderas att motortemperaturen hålls uppe. Piper anger exempelvis 2500 rpm och 122 knop. Blandningen rikas successivt under sjunket och avslutas senast i trafikvarvet eller under slutlig inflygning. Normalt ingen förvärmning under motorplané om inte risk för förgasaris föreligger.

30 Motorplané med reducerat varvtal kyler motorn högst avsevärt
Motorplané med reducerat varvtal kyler motorn högst avsevärt. Om man dessutom rikar upp blandningen redan på hög höjd förflyttar man sig mot rika sidan av diagrammet där avgas- och cylindertemperatur ytterligare sänks. Att hålla uppe varvtalet till 2500 rpm är därför högst önskvärt om inte turbulens gör att man måste reducera farten under planén.

31 ”Det bästa kan vara en fiende till det goda.”

32 Utmagring till ”vardags”
Vid all flygning i planflykt på lägre höjd, ingen höjd är för låg: Så länge man inte överskrider 2400 rpm så kan man direkt magra till ”peak”. Gäller alla C152, 172 och PA28. Motorn skall dock gå jämnt. Klart! Vid denna motorinställning överskrider man 65 % effektuttag bara vid djup kyla. För distansflygning på flygnivå behöver man konsultera POH-s effekttabell och följa POH-s magringsförfarande för att få korrekta fart- och förbrukningsvärden som mer stämmer med driftfärdplanen. Vardagsutmagring är tänkt som ett alternativ till den POH-baserade utmagringen som är mer eller mindre knölig beroende på flygplantyp. Under devisen ”Det bästa kan vara en fiende till det goda” så riskerar man att inte magra ut för att det är för krångligt. POH-s anvisningar är helt enkelt för krångliga för de flesta piloter. Man skall kommunicera med passagerare och flygledning, navigera hålla höjd etc.och motorn snurrar ju faktiskt ändå. Detta ingen uppmaning att öka varvtalet från det man brukar köra på. Är man van vid exempelvis 2300 rpm så är det bara att fortsätta med det. Det ger bonuseffekt både på bränsleförbrukning och internt och externt buller. (Kvadratiskt förhållande mellan buller och motorvarv.) Varvtalet stämmer inte för C172R med 160 hk motorn. Ett lägre varvtal får väljas där.

33 Viktigt! Ge alltid fullt rik blandning innan fullgas ges oavsett höjd för att undvika termisk överbelastning. Risken minskar dock med ökande höjd. Över 8000 fot kan motorn inte överskrida 75 % effekt ens vid fullgas. All utmagring skall ske långsamt annars är risken stor att man passerar ”peak” in i det magra området utan att EGT-instrumentet hinner registrera det. Detta gäller främst motorer med bränsleinsprutning. Metodik för Piper: Vid fullgas använd hela handen för att skjuta fram både gas- och blandningsreglage samtidigt.

34 Alltför snabb utmagring
Verklig EGT ”peak” Avläst EGT ”peak” Med för snabb utmagring hinner EGT-mätaren inte visa verklig EGT ”peak” utan man hoppar över till den magra sidan och magrar till en avläst ”peak” som inte är korrekt. Mycket lätt att magra för fort på insprutningsmotorer så att man hamnar på en felaktig ”peak” på magra sidan av verklig ”peak”. Diagrammet visar att man når ett avläst (indikerat) värde hos EGT-mätaren där temperaturen vänder och som tolkas så att ”peak” har nåtts eftersom temperaturen sjunker vid vidare utmagring. Om man då rikar till det avlästa högsta värdet har man hamnat i en punkt på magra sidan om verklig ”peak”. Det beror på att Instrumentets termoelementet har en tröghet som gör att det inte hunnit registrera passagen av den verkliga temperaturtoppen. Förgasarmotorer börjar i regel gå ojämnt innan man kommer in i det magra området. Anvisning för bildvisningen: Klicka successivt fram tills skylten ”Avläst EGT peak” kommer fram. Ge tid för läsning och dina kommentarer innan det sista klicket som tar fram den gula pilen och kopplad text. Utmagring med för stora och snabba steg. Därför viktigt att sakta rika tillbaka för att förvissa sig om att det är verklig EGT ”peak” som noterats.

35 Luftförvärmning och utmagring
Lycoming: Reduceringen av maxeffekt blir c:a 15 % med full förvärmning inkopplad. 10 % pga. minskad luftdensitet. 3 % pga. uteblivet ramtryck (fartvindstryck) Därtill kan komma ytterligare en liten effektförlust pga. ett alltför rikt bränsle- luftförhållande då förvärmning sänker luftens densitet. Kompenseras med utmagring! Förgasarmotorer kan bli påtagligt tröga att svara på häftiga motorpådrag med inkopplad varmluft varför urkoppling av varmluften före pådrag rekommenderas vid behov av full effekt.

36 Luftförvärmning och utmagring forts.
Kommentar: Om man tvingas flyga med ständigt inkopplad luftförvärmning i planflykt så återställer man varvtalet så att motoreffekten bibehålls och magrar ut. Utmagringen återställer förbränningsverkningsgraden (effektiviteten). Trots alla rykten om stor ökning av bränsleförbrukningen i samband med förvärmning så finns inga uppgifter om detta i POH eller hos Lycoming. Inom bilmotorvärlden har man sett tendens till sjunkande förbrukning vid dellast i samband med luftförvärmning. Förklaringen till att man tom. skulle få lägre förbrukning med förvärmning kan förklaras med att trottlingsförlusterna minskar. När luftdensiteten minskar så måste man öppna gasspjället, trotteln, mera för att få samma motoreffekt. Öppnad trottel innebär att det undertryck som finns nedströms trotteln minskar. Undertrycket ger ett negativt arbete hos motorn eftersom kolven får suga in luft med större motstånd ju mer stängd trotteln är.

37 Jämförelse Piper Archer II och III
För båda modellerna gäller att de har Lycoming 180 hk motor och likadan propeller och samma flygplanmassa. Bränsleförbrukning i US gallon per h. Archer II Archer III Ökning i liter/h 55% bästa ekonomi 6,3 8,2 7,2 (30%) 65% bästa ekonomi 7,6 9,5 7,2 (25%) 75% bästa ekonomi 8,8 11,0 8,3 (25%) 75% bästa effekt 10,5 13,5 11,4 (29%) Här ges ett exempel på att man kan ifrågasätta tillförlitligheten hos flygplantillverkarens förbrukningsuppgifter. Några procent kan förklaras med att alla äldre Piper-modeller har ett annat utmagringsförfarande för bästa ekonomi. För 75%, bästa effekt är procedurerna lika. Statistisk uppföljning av AKG Piper-modeller visar ingen skillnad mellan Archer II och III.

38 Utmagring i stigning för den avancerade piloten.
Advanced Pilot Seminars rekommenderar: Notera EGT i stigning från marknivå och bibehåll denna temperatur under hela stigningen! Animation bifogas. Erfarenhet visar att det kan vara svårt att komma ihåg att notera temperaturen direkt efter start. Det är mycket annat som kan ta uppmärksamheten i anspråk.

39 Riktlinjer för utmagring under grundutbildningen
Målet är att hos eleven grundlägga en trygg rutin för utmagring.

40 När under utbildningen?
Magring från lektion 1. Instruktören gör magringen tills eleven har kapacitet att göra det själv.

41 Under vilka operativa faser?
Under stigning till högre höjder. Vid all planflykt av någon längre varaktighet. (Transportsträckor, väntlägen) Under plané från högre höjd. Ej i trafikvarv eller under ”slutlig inflygning”.

42 Hur skall det gå till? Under stigning enligt standardförfarande. (Över 3000 ft för Cessna respektive 5000 ft för Piper). Vid planflykt med EGT till ”peak” enligt det förenklade ”vardagsförfarandet” i den allmänna skolningen. Vid något tillfälle görs en formell utmagring enligt prestandatabell. Under motorplané med bibehållen effekt (max 2500 rpm) sker en successiv rikning till fullt rik senast vid slutlig inflygning eller i trafikvarvet.

43 Verkningsgrad Civilair L1P innehåller ett feltryck: Avgiven energi
_______________ Verkningsgrad= Tillförd energi Civilair L1P innehåller ett feltryck: Bästa verkningsgrad fås inte vid bästa effekt eftersom motorn behöver extra rik blandning vid detta effektuttag. Vid bästa verkningsgrad fås något lägre effekt men till en betydligt lägre förbrukning. ”Most bang for the buck”

44 Källor för utmagringsprocedurer
Respektive POH Textron Lycoming Operator´s Manual Textron Lycoming Service Instruction No. 1094D Advanced Pilots Seminars Oxford Aviation Training (ATPL Course) Korrespondens med Piper.

45 Dieselmotorer Ivan Hedin

46 Dieselmotor vs. bensinmotor
Överlägsen bränsleekonomi genom: Högre kompressionsförhållande Lägre värmeförluster Ingen trottel Ingen choke (Gäller bilar) Drivs med JET A1 i flygplanapplikationer.

47 Högre kompressionen ger minst 220 grader C som är nödvändigt för att bränslet skall självantända.

48

49 Insprutningstrycket är 1600 bar jämfört med en bensinmotor där det är ca 4 bar. Utvecklingen går mot 2000 bar.

50 Solenoid injector