Mieszanka paliwowa w samolocie (mixture)

Mieszanka – do czego służy czerwona manetka w samolocie? Jak dostosować mieszankę do mocy silnika i do wysokości? Czy symulator lotu może pomóc zrozumieć działanie mieszanki?

Kropla paliwa

Zacznijmy od pojedynczej kropli paliwa. Spalimy ją w silniku. Ale to za chwilę. Jest bardzo mała. Waży setne części grama, a jej objętość mierzymy w setnych częściach mililitra. Około stu zmieściłoby się na łyżeczce do herbaty.

Kropla za chwilę trafi do cylindra, a w nim zapali się pod wpływem iskry. Ale znów wybiegam naprzód.

Najpierw kroplę trzeba zmieszać z powietrzem. Na tym etapie rozważań nie będzie miało znaczenia, czy stanie się to w gaźniku, czy dzięki pracy wtryskiwaczy. Tak czy inaczej kropla paliwa trafia w strumień pędzącego powietrza. Do cylindra jeszcze kawałek – na tym odcinku kropla paruje i tworzy z powietrzem mieszankę.

Potem otworzy się zawór, tłok opadnie zasysając mieszankę, a zawór ponownie się zamknie utrzymując mieszankę w cylindrze podczas suwu sprężania, kiedy tłok idzie w górę.

Chwilę przed zakończeniem sprężania na świecach przeskoczą iskry – mieszanka się zapali. Ogień początkowo będzie się rozprzestrzeniał powoli. Z prędkością 10 metrów na sekundę. Później przyspieszy do 45 metrów na sekundę.

W końcu spaliny rozprężą się popychając tłok podczas suwu pracy. Energia przenoszona jest na wał korbowy, dalej na śmigło.

Samolot leci.

Ilustracja: FAA (public domain)

Kiedy opary benzyny się zapalą?

Spalanie to reakcja między reduktorem (w opisywanym przypadki paliwem – benzyną) a utleniaczem (tlenem w powietrzu). Aby spalanie zachodziło spełnione muszą być określone warunki. Jednym z nich będzie odpowiedni skład mieszanki paliwa z powietrzem.

Spalanie całkowite

Zacznijmy od spalania całkowitego, czyli sytuacji w której spaleniu ulegnie cały podany tlen i całe podane paliwo. Mieszanka, która pozwoli na takie spalanie (czyli mieszanka stechiometryczna), dla benzyny lotniczej została określona na 14,7:1 (licząc stosunek masy powietrza do masy paliwa).

14,7:1 odpowiada 0,068 jeśli liczyć ten stosunek w drugą stronę – masę paliwa do powietrza – w tekście będę posługiwał się jednym i drugim sposobem opisywania mieszanki. Oba te sposoby znajdziecie również w literaturze, więc warto z grubsza pamiętać wartości wyrażone obiema metodami.

Tę mieszankę można zmieniać na dwa sposoby. Zwiększając udział powietrza w mieszance, prowadzimy do sytuacji, w której spaleniu ulegnie całe paliwo, ale pozostanie niespalony tlen. W tym przypadku stosunek powietrza do paliwa będzie większy niż 14,7:1. Taką mieszankę nazwiemy ubogą (jak uboga w paliwo). Po angielsku lean mixture.

Manipulując ilością paliwa i powietrza w drugą stronę uzyskamy mieszankę, w której stosunek powietrza do paliwa będzie niższy niż 14,7:1. Cały tlen w powietrzu zostanie spalony, ale nie całe podane paliwo zostanie spalone. Taką mieszankę nazwiemy bogatą (do zapamiętania bogatą w paliwo). Po angielsku rich mixture.

Nie każda mieszanka podtrzyma spalanie (lub w ogóle pozwoli na spalanie). Tu odwołam się do doświadczenia czytelnika, świadomy że nieco upraszczam temat i trywializuję. Opisane przykłady pomogą zrozumieć problem tym, którzy do końca nie wierzą w abstrakcyjne opisy zjawisk.

Przykład pierwszy (brak tlenu) to typowa sytuacja kiedy rozpalamy ogień (ognisko na przykład). Paliwa mamy pod dostatkiem, coś tam się tli, ale płomień nie rośnie. Więc dmuchamy. Właśnie dodaliśmy powietrza (tlenu). Ogień pali się radośnie.

Drugi przykład (mieszanka bardzo uboga) to niefortunna sytuacja, w której próbujemy uruchomić zapalarkę gazową na wietrze – kojarzę to z zapalaniem zniczy na grobach. Lekko wieje, więc ilość gazu wokół iskrownika jest niewielka. Choć iskrownik działa – płomienia nie ma. Osłonięcie palnika (mniej powietrza) pozwoli uruchomić urządzenie.

Mieszanka bogata i uboga (rich / lean)

Skoro wiemy, że mieszanka stechiometryczna to 14,7:1, to jak bardzo można zubożyć lub wzbogacić mieszankę benzyny lotniczej z powietrzem zanim spalanie ustanie?

Testy pokazują, że spalanie nie zachodzi przy mieszance uboższej niż 25:1. W praktyce jednak granicą funkcjonowania silnika tłokowego będzie 20:1. W przypadku mieszanki bogatej granicą jest 8:1. Silnik będzie pracował w przedziale od 20:1 do 8:1 i tym zakresem będę się do końca tego tekstu zajmował.

Zamiennie będą się tu pojawiały dwa sposoby podawania stosunku powietrza do paliwa (powietrze do paliwa / paliwo do powietrza). Poniżej odpowiedniki dla wartości granicznych:

  • 20:1 = 0,05
  • 14,7:1 = 0,68
  • 8:1 = 0,125

Mieszanka a moc silnika

Na pierwszy rzut oka spalanie całego paliwa powinno dać sytuację idealną i maksymalną moc. W praktyce eksploatacji silnika spalinowego nie jest to takie proste.

Wróćmy do opisu działania silnika. Suw ssania – mieszanka przez otwarty zawór zasysana jest do cylindra. Teraz nas powinny zainteresować kolejne dwa suwy – sprężanie i praca. Przy 2400 obrotów na minutę suwy sprężania i pracy trwają po 1/80 sekundy. 12,5 milisekund. To krótko – mrugnięcie okiem, tak dla porównania, trwa 300-400 milisekund.

W suwie sprężania interesują nas przede wszystkim końcówka. Ostatnie kilkanaście stopni obrotu wału. Sprężanie jeszcze potrwa, ale już pojawia się iskra (w silniku lotniczym dwie iskry z dwóch świec, z dwóch niezależnych iskrowników). W tym momencie brakuje jeszcze 20-35 stopni do pozycji zwrotu zewnętrznego tłoka (Zwrot Zewnętrzny – ZZ to pozycją, w której tłok jest w najwyższej pozycji na ilustracji, po angielsku top dead center – TDC; dalej będę pisał w skrócie ZZ / TDC).

Ilustracja: FAA (public domain)

Kolejne kilkanaście stopni to opóźnienie zapłonu – w tym momencie następuje zapłon mieszanki (to trwa!). Kolejny etap, a dalej jesteśmy kilka stopni przed ZZ / TDC to początek propagacji płomienia. W cylindrze zaczął się pożar, ale większość paliwa znajduje się (relatywnie) daleko od świecy. Pożar powoli przyspiesza.

Osiągnięcie przez cylinder zwrotu zewnętrznego (ZZ / TDC) to moment, w którym pożar nabiera prawdziwego rozpędu – czoło płomienia przesuwa się coraz szybciej, a ciśnienie w cylindrze gwałtownie rośnie napierając na tłok, który ustępuje zmierzając w kierunku zwrotu wewnętrznego (ZW – dolna pozycja na ilustracji – po angielsku bottom dead center – BDC; dalej będę pisał w skrócie ZW / BDC). Zanim płomień pochłonie całą mieszankę mija znów trochę czasu. Maksymalne ciśnienie wystąpi w okolicach 15 stopni za ZZ / TDC. To dobry punkt dla przeniesienia energii – geometria korbowodów jest w tym momencie bardziej korzystna niż wcześniej. Rozprężanie spalin zajmie resztę suwu pracy, spaliny oddadzą energię mechaniczną (suw pracy) i zostaną w następnym suwie (wydech) wypchnięte z cylindra.

Dlaczego opisuję to w kontekście mocy i mieszanki? Bo opisane wyżej spalanie będzie wyglądało różnie, w zależności od mieszanki. Im bogatsza (aż do 11:1), tym prędkość spalania będzie większa. Im uboższa – tym mniejsza. Zakładając stałe wyprzedzenie zapłonu (czyli sytuację typowego lotniczego silnika tłokowego bez FADEC) bogatsza mieszanka spowoduje szybszy wzrost ciśnienia, którego szczytowa wartość przypadnie bliżej ZZ / TDC. To przełoży się na większą moc.

Największą moc silnik tłokowy uzyska więc w przedziale mieszanki między 0,074 – 0,080 (13,5:1 – 12,5:1). Czyli przy mieszance bogatej (ale znajdującej się w tym przedziale). Mieszanka bogatsza niż 12,5:1 spowoduje spadek mocy. Ale może być korzystna z innych względów – o czym dalej.

Ilustracja: FAA (public domain)

Mieszanka a ekonomia

Wróćmy do opisu w poprzedniej części. Zapłon, opóźnienie zapłonu, wreszcie propagacja płomienia. Spalanie trwa, a będzie szybsze przy mieszance bogatej (w określonych granicach), a wolniejsze przy ubogiej. Co się zmieni, jeśli zubożymy mieszankę?

Przede wszystkim spadnie ilość paliwa. Będzie mniej spalin. A więc uwolnią mniej energii. Moc spadnie.

Poprzednio przyglądaliśmy się temu, jak rośnie ciśnienie. Tym razem rośnie wolniej. Osiągnie niższą wartość (mniej paliwa – energii), a wartość najwyższą osiągnie później, co będzie korzystne z punktu widzenia przeniesienia energii (geometria wału i korbowodów). Niższe również będzie ciśnienie wewnątrz cylindra przed osiągnięciem przez tłok ZZ / TDC – czyli mniej energii silnik zużyje na sprężanie.

Okazuje się, że najwięcej energii z określonej ilości paliwa osiągniemy w silniku tłokowym (znów – klasycznym, lotniczym, bez FADEC) przy mieszance o stosunku paliwa do powietrza 0,0625 (16:1).

Relacja mieszanki do mocy i do zużycia paliwa
Clamothe / Wikimedia / CC-BY-SA

To wartości idealne. Czy osiągalne? O tym dalej.

Jak zmierzyć mieszankę paliwową?

Brakuje wskaźnika, który pokazywałby skład mieszanki. Podane wcześniej wartości pochodzą z pomiarów laboratoryjnych. Szczęśliwie – prawidłowo przebiegająca reakcja spalania jest procesem przewidywalnym i powtarzalnym – mieszankę można więc określić pośrednio.

Wskaźnikiem mieszanki będą wskaźniki temperatury spalin i temperatury cylindrów.

Wykres przedstawia relację mocy (percent power), jednostkowe zużycie paliwa, czyli zużycie paliwa w relacji do mocy (specific fuel consumption) oraz temperatury: cylindrów (cylinder head temperature) i spalin (exhaust gas temperature).

Wykres pokazuje sytuację dla określonych (i niezmiennych) ciśnienia ładowania i obrotów (zakładając, że chodzi o silnik ze śmigłem o stałej prędkości obrotowej). Podane wartości temperatury są wartościami względnymi – wskazują zmianę w trakcie wzbogacania lub zubażania mieszanki.

Cessna 182 (A2A – Prepar3d)

Peak, Lean-of-Peak (LOP), Rich-of-Peak (ROP)

Opisując relację względem najwyższej temperatury instrukcje samolotów i pokazany wyżej wykres posługują się pojęciami Peak (najwyższa temperatura spalin) oraz Rich-of-PeakLean-of-Peak, co oznacza ustawienia mieszanki odpowiednio na bogatszą niż ta, która da wskazanie najwyższej temperatury i uboższą niż ta, która dała takie wskazanie.

EGT – Exhaust Gas Temperature

Najważniejszą wskazówką dla ustalenia mieszanki będzie temperatura spalin, którą w samolocie można odczytać ze wskaźnika Exhaust Gas Temperature (EGT) lub, w samolotach z turbosprężarką, ze wskaźnika Turbine Inlet Temperature (TIT).

EGT – lewa strona wskaźnika, CHT – prawa strona

Podczas zubażania mieszanki temperatura spalin będzie rosła aż do osiągnięcia wartości szczytowej (z angielskiego peak), a następnie będzie spadała.

Maksymalną moc osiągniemy w przedziale od 100 do 150 (stopni F) po stronie mieszanki bogatszej. Stąd zalecane przez instrukcje samolotów ustawienie mieszanki 125 stopni F Rich-of-Peak, co można przetłumaczyć na 125 stopni F bogatsza od ustawienia dającego najwyższą wartość temperatury spalin.

Osiągnięcie tej wartości wymaga zubażania mieszanki (dźwignia lub manetka do tyłu) do momentu kiedy na wskaźniku EGT zostanie zaobserwowana wartość najwyższa. Następnie wzbogacamy mieszankę (dźwignia lub manetka do przodu w większości samolotów), aż temperatura spadnie o 125 stopni F. Wskaźniki EGT mają na ogół podziałkę skalowaną co 25 stopni F – czyli maksymalną moc uzyskamy 5 podziałek poniżej peak.

Na poziomie morza i na niewielkiej wysokości taka mieszanka może być nieosiągalna – w takim przypadku należy zastosować najbogatszą możliwą (full rich – manetka lub dźwignia w skrajnym położeniu z przodu).

CHT – Cylinder Head Temperature

Nie wszystkie samoloty wyposażone są we wskaźnik EGT (a tym bardziej TIT), za to niemal wszystkie posiadają wskaźnik temperatury cylindrów. Zmiana mieszanki spowoduje zmianę ich temperatury, więc po tej zmianie będzie można odczytać wartość mieszanki.

Nie jest to jednak całkiem proste. Przede wszystkim temperatura cylindrów zmienia się przy zmianach mieszanki jedynie nieznacznie. Różnica między mieszanką najbardziej ekonomiczną a najwyższą wartością to 15 stopni Celsiusza. Podobna różnica (ale w stronę mieszanki bogatszej) będzie między najwyższą wartością temperatury cylindrów, a wskazaniem dla najwyższej mocy.

Dodatkowo – temperatura cylindrów zmienia się dużo wolniej niż temperatura spalin, więc na efekt zmiany trzeba będzie poczekać.

Zmiana może też być zależna od pozycji klapek regulujących chłodzenie (cowl flaps) – mniejsze zmiany zaobserwujemy przy otwartych, większe przy zamkniętych.

Warto wreszcie odnotować, że najwyższa temperatura cylindrów wystąpi przy innym ustawieniu mieszanki niż najwyższa temperatura spalin. Cylindry będą najcieplejsze mniej więcej w okolicy mieszanki stechiometrycznej.

Na koniec trzeba też pamiętać, że chłodzenie cylindrów zależy od prędkości lotu, więc przy zubażaniu mieszanki do mniejszej mocy nastąpi również spadek prędkości, a co za tym idzie – chłodzenie silnika będzie mniej efektywne.

Wszystko to razem sprowadza się do mniejszej użyteczności wskaźnika temperatury cylindrów. Ale może on pomóc, jeśli samolot nie ma lepszych instrumentów.

Do wątku wyboru i ustawiania mieszanki jeszcze wrócę.

Mieszanka a wysokość lotu

Jak powstaje mieszanka?

Wróćmy do kropli paliwa z początku tego artykułu. Jak się dostała do przewodów dolotowych cylindra? I co decyduje o jej rozmiarze?

Paliwo w lotniczym silniku tłokowym podawane jest na jeden z kilku sposobów. Klasycznie – w gaźniku, przed przepustnicą. Bardziej nowocześnie – wtryskiwaczami w dolocie do poszczególnych cylindrów – już za przepustnicą. Możliwe jest też instalowanie wtryskiwaczy bezpośrednio w cylindrach. Ta ostatnia możliwość dotyczy najnowocześniejszych silników w samolotach general aviation (z FADEC) i schyłkowej fazy rozwoju silników lotnictwa komunikacyjnego – pięćdziesięciopięciolitrowe Wright R-3350 Duplex-Cyclone korzystały z tego rozwiązania. Do typowych silników general aviation przez kilka dekad to rozwiązanie wejść nie umiało. Powody to temat na inny artykuł.

Rozwiązanie pierwsze – gaźnik. Wynalazek Gottlieba Daimlera z drugiej połowy XIX wieku. To na wypadek, gdybyście myśleli, że samolot to nowoczesna zabawka. Żeby zrozumieć sposób mieszania paliwa z powietrzem cofniemy się dalej – do osiemnastowiecznych Włoch i Szwajcarii. Tam Daniel Bernoulli sformułował równanie hydrodynamiki płynów idealnych. Równanie znajduje zresztą wiele zastosowań w lotnictwie – wnioski z niego wyciągnięte wyjaśniają dlaczego samolot lata. I pomagają doprowadzić paliwo do silnika.

Ciecz płynąc w rurze o zmieniającym się przekroju ma mniejsze ciśnienie na odcinku, gdzie przekrój jest mniejszy. Venturi (Włoch, jakieś 50 lat później, ale jeszcze w XVIII wieku) zaproponował praktyczne wykorzystanie tego równania. Kolejne sto lat przyniosło praktyczne projekty wykorzystania opisanego przez Bernoulliego i Venturiego efektu – wśród nich przepływomierz oparty bezpośrednio na koncepcji Włocha i gaźnik, który przyda się nam w samolocie.

Zwężka Venturiego. Wskaźniki pokazują prędkość i ciśnienie powietrza w trzech miejscach.
Ilustracja: FAA / public domain

Koncepcja jest prosta – powietrze przyspiesza przelatując przez zwężkę Venturiego. Niższe ciśnienie w zwężce powoduje wysysanie paliwa z dyszy. Im szybciej powietrze przepływa, tym więcej paliwa miesza się z powietrzem.

A tu już gaźnik (właściwie ta część gaźnika, która nas w tym momencie interesuje)
Ilustracja: FAA / public domain

Na podobnej zasadzie (choć w szczegółach jest to daleko bardziej skomplikowane) działa typowy w samolotach (z wyjątkiem tych z FADEC) układ wtryskowy. Zwężka służy tu tylko do pomiaru różnicy ciśnień i na podstawie tego odczytu wtryskiwacz podaje odpowiednią ilość paliwa. Regulator bierze też pod uwagę pozycję przepustnicy.

Gdzie w tym dźwignia lub manetka mieszanki? Steruje ona przepływem albo przez gaźnik, albo przez regulator wtryskiwaczy. Czyli od położenia manetki zależeć będzie jaki procent paliwa zostanie podany – w odniesieniu do tego, które silnik chciałby zassać.

A co jeśli samolot leci wysoko?

Tu sprawa się komplikuje. Mieszanka ustalana jest dzięki przepływowi powietrza przez zwężkę Venturiego. Mierzona jest jednak prędkość, a nie ilość. Im szybciej powietrze leci – tym więcej paliwa podajemy. Im wyżej samolot leci – tym mniej powietrza przelatuje przez zwężkę – ale zachowuje ono tą samą prędkość.

Dla określonych obrotów i położenia przepustnicy ilość podawanego paliwa będzie podobna niezależnie od wysokości. A ilość powietrza – odpowiednia do ciśnienia na zewnątrz – czyli im wyżej, tym mniejsza.

Wysokość a mieszanka

Ten fragment dotyczy silników wolnossących. Sytuacja silników wyposażonych w układy doładowania (sprężarka, turbosprężarka) będzie nieco bardziej skomplikowana.

Z ostatniego zdania poprzedniego akapitu wypływa jasny wniosek – im wyżej samolot leci (załóżmy roboczo stałe obroty i niezmienną pozycję przepustnicy) tym bogatsza będzie mieszanka.

Rozważmy sytuację modelową (faktyczne wyniki będą nieco różne, ze względu na to, że gaźnik nie jest aż tak precyzyjny). Samolot leci na małej wysokości. Manetka mieszanki w pozycji full rich – maksymalnie do przodu. Przy przykładowej regulacji gaźnika (lub układu wtrysku) dla full rich podawana będzie mieszanka ok. 0,074 (13,5:1). Jeśli ten samolot będzie się wznosił, to już na wysokości 5000 stóp gęstość powietrza spadnie o 14%. Czyli mieszanka ulegnie wzbogaceniu do 0,085 (11,6:1). Jeśli wznoszenie utrzyma się do 10 tysięcy stóp, czyli do wysokości, na której powietrze jest o 26% mniej gęste niż na poziomie morza – mieszanka ulegnie wzbogaceniu do 0,1 (10,0:1). Dalsze wznoszenie bez zmiany położenia manetki mieszanki (o ile w ogóle będzie możliwe przy spadającej mocy) pewnie skończy się na wysokości 14.500 stóp, kiedy stosunek paliwa do powietrza osiągnie 0,125 (8:1). Spalanie jeszcze będzie możliwe, ale moc spadnie radykalnie. To oczywiście wartość czysto teoretyczna i nie uwzględnia niuansów działania gaźnika, ale istotne jest to, że zauważalny spadek mocy silnika zacznie się już w okolicach 3000 stóp, kiedy mieszanka znajdzie się poza wspominanym wcześniej zakresem dla największej mocy – 0,074 – 0,080 (13,5:1 – 12,5:1). Dlatego instrukcje zawierają zalecenie, by mieszanka była zubażana powyżej 3000 stóp. Ta wartość nie jest przypadkowa – wynika wprost z szerokiego „wypłaszczenia” krzywej mocy w relacji do mieszanki. Kiedy wychodzimy poza ten płaski zakres – moc spada.

Z akapitu powyżej zapamiętaj wartość 3000 stóp. Pozostałe wartości są czysto teoretyczne i modelowe. Praktyczne zastosowanie mieszanki „full rich” na dużej wysokości w silniku wolnossącym jest poza środowiskiem symulatora mało prawdopodobne.

Dostosowanie mieszanki do wysokości

Powyżej 3000 stóp konieczne jest dostosowanie mieszanki odpowiednio do potrzeb, czyli oczekiwanej mocy i zaplanowanych parametrów pracy silnika. Dla maksymalnej mocy mieszanka nie powinna być bogatsza niż 125 stopni Rich-of-Peak (by uniknąć straty mocy w „zalanym” paliwem silniku – teoretycznie – bo czasem dodatkowe paliwo się przyda). Wybór bogatej lub ubogiej mieszanki omówię dalej – wartości będą wspólne dla każdej wysokości, jak już ustaliliśmy mieszanka regulowana jest w oparciu o oddalenie od peak, czyli najwyższej temperatury spalin. Nie posługujemy się tu wartościami bezwzględnymi.

Bogata mieszanka, uboga mieszanka – efekty i konsekwencje

Moc

Jeśli rozważamy moc w kontekście mieszanki, to muszę podkreślić, że chodzi zawsze o moc dla wybranych obrotów i dla wybranego ciśnienia ładowania. Przy tych dwóch parametrach ustawionych (obroty – dźwignią obrotów, ciśnienie ładowania – przepustnicą) moc regulujemy dalej mieszanką. Wyznacznikiem mocy (w niezmienionych inaczej warunkach) będzie osiągana prędkość.

Koncentruję się tutaj na przypadkach samolotów ze śmigłem stałoobrotowym (constant-speed propeller). W samolotach ze śmigłem o stałym skoku wraz ze spadkiem mocy spadnie prędkość i obroty.

100% mocy (jak podkreślałem – 100% dla określonych obrotów i ciśnienia ładowania) osiągniemy przy mieszance ustawionej w przedziale 0,074 – 0,080 (13,5:1 – 12,5:1).

Na dużej wysokości spadek mocy zauważymy zarówno przy mieszance zbyt bogatej (przy bogatszej niż 12,5:1) jak i przy ubogiej (uboższej niż 13,5:1).

Spalanie

Zacznijmy od najbardziej oczywistej konsekwencji używania bogatej mieszanki – jednostkowe spalanie (spalanie w relacji do mocy) rośnie. Często gwałtownie. Im bogatsza mieszanka – tym wyższe spalanie. W drugą stronę działa to oczywiście identycznie – uboższa – jednostkowe zużycie paliwa spada.

Teoretycznie najbardziej ekonomiczny byłby lot w obszarze LOP – Lean-of-Peak. Nie zawsze takie wartości są osiągalne, stąd wiele instrukcji zaleca dla najbardziej ekonomicznego lotu mieszankę ustawioną na najwyższą wartość temperatury spalin (Peak). Kiedy LOP jest dostępne, a kiedy nie i dlaczego nie – zastanowimy się później.

Dla przypomnienia – jeszcze raz wykres z instrukcji Lycoming – zwróć uwagę na Percent Power (% mocy) i Specific Fuel Consumption (jednostkowe zużycie paliwa)

Detonacje i przedwczesny zapłon

Detonacje i przedwczesny zapłon mieszanki niszczą silnik (detonacje wolniej, przedwczesny zapłon bardzo szybko). Oba te zjawiska mogą mieć podobne przyczyny, wśród których są: zbyt niską liczba oktanowa paliwa, bardzo wysoka temperatura cylindrów, zbyt wysokie ciśnienie mieszanki w cylindrze oraz temperatura mieszanki.

Spalanie detonacyjne to wg definicji spalanie, podczas którego następuje samozapłon części mieszanki w cylindrze po zapłonie (po iskrze). Detonacja oznacza, że fale ciśnienia przemieszczają się wewnątrz cylindra z prędkością większą niż prędkość dźwięku i z fatalnymi skutkami.

Przedwczesny zapłon, to sytuacja, w której samozapłon mieszanki następuje wcześniej niż iskra, co skutkuje skokiem ciśnienia w cylindrze jeszcze w fazie sprężania (przed ZZ / TDC). Już po krótkim czasie przedwczesny zapłon skutkować będzie przepalonymi tłokami, pękniętymi cylindrami i uszkodzeniami zaworów oraz świec.

Zakładając, że inne środki przeciwdziałania detonacjom i przedwczesnemu zapłonowi zostały zastosowane (samolot jest zatankowany paliwem odpowiedniej jakości, klapki chłodzenia cylindrów zostały otwarte), kolejnym narzędziem jest dostosowanie mieszanki.

Dodatkowe paliwo w mieszance studzi ją i zapobiega przedwczesnemu zapłonowi, a w przypadku bardzo bogatej mieszanki również spowalnia spalanie.

Dla ograniczenia niebezpieczeństwa przedwczesnego zapłonu i detonacji przy operacjach z dużą mocą mieszanka może być bogatsza niż zalecana dla największej mocy.

Poniższy wykres został sporządzony dla samolotów komunikacyjnych i wojskowych ze sprężarką, a często również turbosprężarką, czyli dla silników, które na ogół używają wysokooktanowego paliwa i z założenia mają bardziej wysilone silniki niż samoloty general aviation. W silnikach wolnossących wzbogacenie mieszanki do tego stopnia nie będzie na ogół potrzebne do bezpiecznej pracy silnika – nawet przy mocy startowej. Ale warto znać zasadę – dodatkowe paliwo w tym wypadku chroni silnik. Interpretując ten wykres należy jednak pamiętać, że chodzi tu o wartości mieszanki bogatszej niż typowa dla „best power”, a nie o każdy przedział ustawień.

Peak czy Lean-Of-Peak – ekonomia

Przypadek idealny

Wyobraźcie sobie układ idealny, w którym paliwo miesza się z powietrzem tworząc mieszankę doskonałą, w którym cząsteczki paliwa wymieszane są idealnie z cząsteczkami powietrza. W którym każdy cylinder zasilany jest dokładnie taką samą mieszanką. Jeśli wyobrazimy sobie taki silnik, to zubażając w nim mieszankę w końcu go wyłączymy – w którymś momencie paliwa w powietrzu będzie tak mało, że wszystkie cylindry przestaną pracować. W takim silniku najbardziej ekonomiczny lot będzie wykonany przy mieszance ustawionej blisko najniższego jednostkowego spalania – w przedziale od ponad stu do kilkadziesięciu stopni Lean-Of-Peak.

Przypadek daleki od ideału

Wariant przeciwny – silnik wyposażony w gaźnik. Wróćmy do opowieści o kropli paliwa z początku tego tekstu. Tylko tym razem kropel będzie sześć – tyle ile ten wyobrażony silnik ma cylindrów. Powietrze wpada przez wloty powietrza i filtr, następnie przyspiesza w zwężce Venturiego i wysysa paliwo (te nasze 6 kropel) z gaźnika. Potem mija przepustnicę (załóżmy, że otwartą zupełnie) i rozdziela się między przewody dolotowe sześciu cylindrów. Zagadka – jaka dokładnie mieszanka trafiła do każdego cylindra? Czy paliwo i powietrze zostało rozmieszane idealnie? Czy może jakaś część strumienia to niemal czyste powietrze, a gdzie indziej w kierunku cylindra pędzi sporo paliwa? Całkiem możliwe, że powietrze jest wymieszane bardzo nierówno.

W tym drugim wariancie mieszanka może być zubażana do pewnego momentu. Dalej pojawi się nierówna praca. To jeden z cylindrów (a może dwa? trzy? cztery?) przerywa pracę. A może nawet nie przerywa – ale zwróćcie uwagę na spadek mocy na granicy przedziału Best Economy Cruise – może po prostu jeden z cylindrów daje 95% mocy dla zadanych parametrów pracy, a drugi tylko 80%, a trzeci jeszcze mniej? Może zresztą (przy niedoskonałościach gaźnika) mieszanka zmienia się z każdym cyklem pracy silnika, a przy tak stromej krzywej mocy oznacza to zmiany po kilka %?

Instrukcja Lycominga IO-540, silnika, który napędza Cessnę 182, zaleca by w przypadku braku wskaźnika EGT zubażać mieszankę następującą metodą: (a) zubażać mieszankę z pozycji full rich, następnie (b) zubażać do miejsca, w którym silnik przestanie pracować równo, a na koniec (c) wzbogacić mieszankę tak, żeby zapewnić równą pracę silnika.

Porównajcie to, co zaleca Lycoming z opisem niedoskonałego silnika.

Ta sama instrukcja sugeruje, by w oparciu o wskazanie EGT zubażać mieszankę do osiągnięcia wartości peak – najwyższej temperatury spalin.

Różne wskaźniki, różne mieszanki

Wspomniana wyżej instrukcja dotyczy samolotu z gaźnikiem albo wtryskiem. Z pojedynczym wskazaniem EGT lub ze skomplikowanym monitorem. Bezpiecznie możemy założyć, że instrukcja dotyczy przypadku najgorszego (gaźnik, pojedynczy wskaźnik EGT). Można lepiej.

Tak wygląda zaawansowany monitor (Zdjęcie JPI)

Gaźniki mają różną budowę i na kilka różnych sposobów mieszają powietrze z paliwem – sam kształt i sposób pracy dyszy może się tu różnić i będzie wpływał na pracę silnika z ubogą mieszanką.

W silnikach gaźnikowych przepustnica znajduje się za gaźnikiem – ewentualne przymknięcie (nawet kilka stopni) zwiększy turbulencje w przewodach dolotowych i poprawi mieszanie się powietrza z paliwem.

Wtryskiwacze umieszczone są bezpośrednio przed cylindrami (na ogół). Podają paliwo pod ciśnieniem (lepsze parowanie wstrzykniętego pod ciśnieniem paliwa) i podają porcję paliwa dla każdego cylindra. To dobrze, choć dalej nie zagwarantowano identycznej mieszanki – ilość powietrza może się różnić.

Są jeszcze modyfikacje takie jak wtryskiwacze GAMI – w IO-550 oryginalne wtryskiwacze (identyczne dla każdego cylindra) zmienione są na trzy pary, co ma zapewnić idealne zrównoważenie mieszanki – odpowiednio do przepływu powietrza do tych par cylindrów.

Po drugiej stronie cylindra różne będą też instrumenty mierzące temperaturę spalin i cylindrów. W silnikach wolnossących typowy wskaźnik EGT pokazuje najwyższą wartość zarejestrowaną przez czujniki przy każdym cylindrze. W silnikach turbodoładowanych wskaźnik TIT pokazuje wypadkową (zmieszane powietrze) dla wszystkich cylindrów, co daje bardziej adekwatny obraz. Wskazanie temperatury cylindrów w obu przypadkach dotyczy maksymalnej wartości zarejestrowanej, ale wiele wskaźników nie mierzy temperatury wszystkich – niektóre mierzą temperaturę dwóch cylindrów, a inne tylko jednego.

I tu możliwe są poprawki. Zaawansowane monitory działania silników pokazują oddzielnie dane (EGT, CHT) dla każdego cylindra. Mogą również pokazywać trend i ostrzegać przed przekroczeniem niebezpiecznej temperatury cylindrów.

Tu jednak trzeba pamiętać, że nawet zaawansowane monitory zwykle opierają się na punktowym pomiarze temperatury cylindrów – a te mogą się wahać znacznie na obwodzie cylindra w zależności od przepływu powietrza.

Możliwości? LOP dobrze udokumentowane – w odpowiednim samolocie

Według danych dostępnych w sieci – operacje Lean-Of-Peak w locie z mocą do 75% w samolotach general aviation są możliwe, o ile spełnione są określone warunki – przede wszystkim o ile dystrybucja mieszanki między cylindrami jest równa i jeśli sprzęt monitorujący temperaturę spalin i cylindrów jest wiarygodny i precyzyjny.

Trudno mówić o LOP lub ROP w przypadku samolotu w ogóle niewyposażonego we wskaźnik EGT (lub TIT). Zubażanie do momentu pojawienia się nierównej pracy i następnie wzbogacanie mieszanki da równą pracę silników, ale pilot nie będzie świadomy miejsca, na krzywej mocy, spalania i temperatur, w którym się znajduje.

Inaczej będzie w samolocie wyposażonym w wysokiej jakości skalibrowane wtryskiwacze i w sprzęt monitorujący (co najmniej wskaźniki EGT i CHT, na ogół monitor EGT i CHT dla każdego cylindra).

Zyski z operacji LOP? Straty?

Poza korzyścią ekonomiczną operacje LOP dadzą niższe temperatury cylindrów i niższe ciśnienie w cylindrach podczas spalania mieszanki. Oprócz niższego ciśnienia skok ciśnienia będzie odsunięty nieco dalej, mniejszy będzie też wzrost ciśnienia w cylindrze przed ZZ / TDC („górną” pozycją tłoka).

Po stronie strat podawano wyższą temperaturę spalin, co miało się przekładać na ryzyko szybszego zużycia zaworów. Lycoming jednak wycofał broszurę, która podnosiła ten argument. Wydaje się więc, ze argumentacja ta została obalona.

Ryzyko wiąże się przede wszystkim z używaniem ubogiej mieszanki przy dużej mocy (moc startowa, czy szerzej – mocy powyżej 75% mocy nominalnej silnika). W takich sytuacjach rośnie ryzyko przedwczesnego zapłonu i detonacji. Należy więc pamiętać, że poprawnie wykonywane operacje LOP to wyłącznie sytuacja lotu na wysokości przelotowej i z odpowiednią do wysokości przelotowej mocą. I że ich wykonywanie powinno wiązać się z odpowiednim monitorowaniem stanu silnika – w szczególności z monitorowaniem temperatury cylindrów, która będzie głównym czynnikiem ryzyka (wyższa temperatura = słabsze cylindry, a także wyższa temperatura = większe prawdopodobieństwo detonacji i przedwczesnego zapłonu).

Jak ustawić mieszankę w samolocie?

Omówienie powyżej miało pozwolić zrozumieć co się dzieje w silniku. Poniżej wnioski.

Mieszanka do startu

Na poziomie morza – Full Rich – mieszanka bogata, a tłumacząc dosłownie – w pełni bogata. Na poziomie morza – dźwignia przesunięta maksymalnie do przodu.

Powyżej 3000 – odpowiednio do wysokości. I tu sytuacja się znów komplikuje. Odpowiednio, czyli jak? Jeśli samolot wyposażony jest w odpowiednio wyskalowany przepływomierz paliwa – najlepiej zubażać mieszankę przy maksymalnych obrotach na początku rozbiegu do wysokości wskazanej na przepływomierzu (jak na ilustracji).

Jeśli takiego instrumentu brakuje – konieczne jest zubażanie na wyczucie – również podczas rozbiegu. Dobrze w tym wypadku zdecydowanie cofnąć dźwignię, a następnie ponownie ją przesunąć do przodu. Warto pamiętać (po to był przydługi wstęp), że „full power” to zakres ustawień mieszanki, więc idealna precyzja nie jest tu konieczna. Oczywiście lepiej nabierać wprawy na wysoko położonym lotnisku z długim pasem, a nie na jakimś małym górskim lądowisku.

Niektóre poradniki sugerują regulację mieszanki według wskaźnika CHT przy pełnej mocy podczas postoju przed startem na dużej wysokości (powyżej 3000 stóp). Inne poradniki zwracają uwagę, że takie działania obciążają silnik i zwiększają ryzyko awarii.

Oczywiście, niezależnie od wysokości, do startu maksymalne obroty i maksymalne ciśnienie ładowania – otwarta przepustnica (w samolotach ze sprężarkami – maksymalne ciśnienie ładowania odpowiednio do ograniczeń w instrukcji).

Wznoszenie

Do 3000 stóp – full rich. Powyżej – odpowiednio do wysokości, według wskaźnika EGT, ale tu trzeba pamiętać, że podczas wznoszenia mieszanka zmienia się dynamicznie (coraz bogatsza wraz ze wzrostem wysokości).

Wskaźnik EGT jest idealną pomocą podczas wznoszenia – najwygodniej po prostu zubażać mieszankę odpowiednio do wskazania EGT tuż po starcie (powiedzmy na 1000 stóp). Zapamiętujemy tę wartość i trzymamy się jej podczas wznoszenia, aż do redukcji mocy na wysokości przelotowej (wtedy zubażamy mieszankę odpowiednio do lotu na wysokości przelotowej).

Ustawienia mocy do wznoszenia? W samolocie general aviation często nie ma ograniczenia czasowego użycia maksymalnej mocy startowej. W takim wypadku otwarta przepustnica i pełne obroty. Ewentualnie obroty zredukowane o 100 lub 200 dla ograniczenia hałasu przy początkowym wznoszeniu. Redukcja ciśnienia ładowania nastąpi samoczynnie wraz ze wzrostem wysokości.

W samolotach, które mają ograniczenia maksymalnej mocy startowej (np. do 5 minut) – taka moc nie dłużej niż wyznaczono. Tekst traktuje przede wszystkim o samolotach general aviation, w których zwykle to 5 minut wystarczy do osiągnięcia wysokości, na której moc będzie już ograniczona (niższe ciśnienie powietrza = niższe ciśnienie ładowania = mniejsza moc). Jeśli nie wystarczy – redukujemy moc odpowiednio do zaleceń instrukcji, a następnie trzymamy stałe EGT po redukcji.

Inna metoda – jeśli samolot jest wyposażony w przepływomierz paliwa, a instrukcja podaje konkretne wartości dla różnych wysokości podczas wznoszenia – można regulować mieszankę wg takich danych i przepływomierza.

Przy wznoszeniu na dużą wysokość (kilkanaście tysięcy stóp) w pewnym momencie może się okazać, że utrzymywanie stałej temperatury spalin spowodowało zubożenie mieszanki do Lean-of-Peak. Na tej wysokości moc będzie na tyle mała (w samolocie bez sprężarki), że nie powinno to być groźne. Ale i tak, w tej sytuacji warto poszukać aktualnego Peak i ustawić mieszankę na ROP.

Lot na wysokości przelotowej

Odpowiednio do teorii wyjaśnionej wyżej lub odpowiednio do instrukcji samolotu lub instrukcji silnika. Wspominam te trzy możliwości, bo same instrukcje często nie są zgodne ze sobą.

Ta część dotyczy tylko lotu z mocą do 75% mocy nominalnej. Dla większych wartości należy używać mieszanki bogatej.

Weźmy na przykład zalecenie zubażania mieszanki aż do wystąpienia nierównej pracy silnika, a następnie wzbogacenie jej do uzyskania równej pracy. Nie jest powiedziane, czy będzie to Peak, czy Reach-of-Peak, czy Lean-of-Peak. Ta sama instrukcja (cały czas jestem przy instrukcji silnika IO-540) sugeruje Peak. Ale już instrukcja samolotu, który ma zamontowany IO-540 może podawać wartość rekomendowaną – 50 stopni ROP (instrukcja Cessny 182). W tym samym momencie instrukcja tego właśnie samolotu może podawać zalecaną moc w tabelach dla mocy przelotowej na Peak albo gdzieś pomiędzy Peak a 50 stopni ROP.

Tych sprzeczności będzie sporo, więc dobrze wiedzieć jaka teoria za tym ustawieniem stoi i dopasować odpowiednie wartości do samolotu. I w skrócie – w samolocie z bardzo równą dystrybucją mieszanki i dobrym sprzętem pomiarowym powinno być możliwe osiągnięcie nawet 100 stopni LOP. W samolocie z gorszym wyposażeniem – okolic Peak (również nieznacznie po stronie LOP).

Zniżanie

Zniżając wzbogacaj mieszankę odpowiednio do zmian wysokości. Nierówna praca silnika będzie znakiem, że mieszanka jest zbyt uboga dla danej wysokości.

Tu warto pamiętać, że przedłużone zniżanie ze zbyt bogatą mieszanką na niskich obrotach prowadzi do osadzania nagaru na świecach – to może być nieprzyjemne zaskoczenie na końcu długiego podejścia na małej mocy, jeśli trzeba wykonać go around.

Lądowanie

Mieszanka jak do startu – full rich na poziomie morza lub zubożona odpowiednio do wysokości, na której znajduje się lotnisko (powyżej 3000 stóp).

Kołowanie

Lean for ground operations. Zubażać, ale jak? Wszystkie sugestie, z którymi się spotkałem są jasne – zubażać agresywnie. Tak by temperatura w cylindrach była wysoka i by nagar nie osadzał się na świecach.

Dodatkowo – agresywne zubażanie ma zapobiegać sytuacji, w której z częściowo zubożoną mieszanką pilot podejmie próbę startu – intensywne zubażanie spowoduje wyczuwalnie nierówną pracę silnika przy zwiększeniu mocy. Częściowe zubożenie może jedynie ograniczyć moc, co wydłuży start i obniży prędkość wznoszenia (co może mieć w określonych sytuacjach fatalne skutki).

Mieszanka w symulatorach lotu?

Opiszę sposób, w jaki mieszanka paliwowa jest symulowana w wiodących symulatorach i w dodatkach do tych symulatorów. I tu pamiętajcie – liczy się zestaw symulator + dodatek. Sam symulator jest tylko platformą, w której różne zjawiska mogą być symulowane poprawnie, niepoprawnie lub mogą w ogóle nie być symulowane.

Nie posiadam wszystkich dodatków dla P3D, nie posiadam wielu dla XPlane. Opisuję tu tylko te, z którymi mam doświadczenie.

Z różną skrupulatnością podchodziłem do różnych samolotów. Jeśli wartości odbiegały od zakładanych – nie spędzałem nad samolotem wielu godzin. Jeśli precyzyjnie oddawały założenia – szukałem obszarów, w których mógłbym znaleźć błąd. Czasem trwało to wiele godzin!

Prepar3d + samoloty A2A

Zacznę od wariantu najlepszego – przetestowałem samoloty general aviation wydane przez A2A Simulations dla Prepar3d’a. I jestem zachwycony!

Jeden z samolotów testowych

Jeden z testów zacząłem na 2000 stóp. Cessna 182. 73% mocy zgodnie z instrukcją. Przy 2000 RPM (obrotów na minutę) i 26 cali MP (Manifold Pressure – ciśnienia ładowania) powinienem widzieć spalanie na poziomie 12,7 galona na godzinę. Wynik: Prędkość – 152 węzły z kompletem akcesoriów przyspieszających samolot (uszczelnienia klap, owiewki na wszystkich kołach, eksperymentalne śmigło). Po usunięciu tych dodatków samolot utrzymywał ok 140 węzłów – o 6 więcej niż powinien wg instrukcji, co uważam za tolerancję bardzo dobrą (prawdopodobnie niższą niż różnice między samolotami w rzeczywistości).

Wykonałem następnie serię zmian ustawień mieszanki. Na wysokości 2000 stóp przy wspomnianych wyżej obrotach i MP uzyskałem następujące wartości (porównuję konfigurację „opływową”, więc prędkości będą wysokie).

Podaję kolejno mieszankę, spalanie, prędkość (czyli de facto moc) i zasięg na 1 galonie paliwa – czyli de facto jednostkowe zużycie paliwa (mila = mila morska). Prędkość odczytałem z GPSa przy bezwietrznej pogodzie (czyli są to KTAS – węzły prędkości rzeczywistej). Pogoda – zgodnie z dokumentacją atmosfery standardowej ICAO.

  • 100 ROP, 15,5 gph, 153 węzły, 9,87 mili na galon
  • 50 ROP, 13,8 gph, 152 węzły, 11,01 mili na galon
  • 20 ROP, 12,6 gph, 152 węzły, 12,06 mili na galon
  • Peak EGT, 11,3 gph, 148 węzłów, 13,10 mili na galon
  • 14 LOP, 10,7 gph, 145 węzłów, 13,55 mili na galon

Omówmy te wyniki. Największą moc uzyskałem z mieszanką full rich, co dało (po sprawdzeniu) wartość 100 ROP. Bogatszej mieszanki ustawić nie mogłem (manetka wciśnięta). W przedziale 20 ROP – 50 ROP prędkość utrzymywała się na 152 węzłach. Niemal maksymalna moc, a spalanie znacznie niższe. Ten przedział 20 ROP – 100 ROP to wspomniane wcześniej „wypłaszczenie” krzywej mocy. Zmieniamy ilość paliwa, ale dodatkowe paliwo nie jest spalane (nie uwalnia energii) – służy przede wszystkim do chłodzenia silnika.

I to widać również w wartościach temperatury cylindrów:

  • 100 ROP, 15,5 gph, 153 węzły, 364 C
  • 50 ROP, 13,8 gph, 152 węzły, 374 C
  • 20 ROP, 12,6 gph, 152 węzły, 377 C
  • Peak EGT, 11,3 gph, 148 węzłów, 371 C
  • 14 LOP, 10,7 gph, 145 węzłów, 365 C

Zwróćcie uwagę na trzy pierwsze wartości. Różnica – 2,9 galona. Te 2,9 galona paliwa przekształciliśmy w 1 węzeł prędkości więcej i w temperaturę cylindrów o 13 stopni niższą.

W przedziale 20 ROP – 50 ROP widać, że dodatkowe paliwo służy niemal wyłącznie chłodzeniu silnika – temperatura cylindrów spadła o 3 stopnie kosztem dodatkowego 1,2 galona na godzinę.

Potwierdza się też publikowana przez podręczniki krzywa temperatury cylindrów. Maksymalna gdzieś w przedziale 20-50 ROP. Peak – już niższa.

Testy trwały na tyle długo, że wartości temperatury cylindrów są wiarygodne (każda konfiguracja była testowana przez 10-15 minut przed zapisaniem danych – paliwo było uzupełniane między kolejnymi próbami, żeby zachować stałą masę – MTOW).

Test powtórzyłem na kilku wysokościach i z różnymi ustawieniami mocy. Ten sam test wykonałem też w innych samolotach. Pierwszy test – w Bonanzie – możecie zresztą obejrzeć na kanale youtube. W kolejnych testach (nauczony wnioskami z Bonanzy) poprawiłem metodę – robiłem dłuższe przeloty (samolot leciał – ja czytałem książkę – co 10 minut dzwonił budzik – zapisywałem dane, zmieniałem konfigurację i wracałem do lektury).

Zobaczmy jeszcze dane dla 9000 stóp. Znów Cessna 182, znów wersja opływowa (więc szybsza niż w instrukcji), MP 20 cali, 2000 RPM.

  • 250 ROP, 15,8 gph, 133 węzły, 8,42 mili na galon (manetka wepchnięta do oporu – full rich)
  • 200 ROP, 14,6 gph, 138 węzłów, 9,45 mili na galon
  • 125 ROP, 12,6 gph, 142 węzły, 11,27 mili na galon
  • 100 ROP, 11,6 gph, 142 węzły, 12,24 mili na galon
  • 50 ROP, 10,4 gph, 142 węzły, 13,65 mili na galon
  • Peak, 9,1 gph, 135 węzłów, 14,84 mili na galon
  • 6 LOP, 8,5 gph, 132 węzły , 15,53 mili na galon

Tu widać nawet więcej. Spadek mocy (prędkości!) przy 200 i 250 Rich-of-Peak. Najwyższą moc w „płaskim” przedziale stosunku mocy do mieszanki (50 ROP – 125 ROP). A potem spadek mocy, ale zdecydowanie najlepsze wartości jednostkowego zużycia paliwa (najbardziej ekonomiczny lot).

W samolotach A2A testowałem również zubażanie mieszanki do kołowania. Agresywne zubożenie mieszanki powodowało (zgodnie z poradami Johna Deakina – patrz „źródła”) problemy przy starcie – dzięki temu miałem pewność, że nie wystartuję z ubogą mieszanką. Samoloty innych developerów nie dały tego efektu.

Zubażanie mieszanki w obszar LOP z czasem (w spodziewanym momencie) powodowało nierówną pracę silnika. Nierówność rosła w miarę zubażania mieszanki (znów – odpowiednio do opisu zachowania realnych silników).

Tylko z jednym testem w samolotach A2A miałem wyraźny problem – zachowanie z mieszanką full rich na bardzo dużej wysokości. Silnik zachowuje moc. Nie wiem, czy to kwestia niepoprawnej symulacji w tym obszarze eksploatacji (poza normalnym, a nawet nietypowym obszarem eksploatacji w rzeczywistości), czy jakieś zachowanie regulatora trysku, którego nie zrozumiałem. Ponieważ jest to obszar poza normalną eksploatacją w rzeczywistości – nie udało mi się znaleźć żadnych opisów jak powinno być. Także moje wątpliwości w tym zakresie są oparte jedynie na przypuszczeniach.

Nie wspomniałem wcześniej, że samoloty A2A symulują również spalanie detonacyjne, przedwczesny zapłon i inne uszkodzenia silnika, więc niepoprawne ustawienie mieszanki będzie miało konsekwencje.

Wnioski z A2A w P3D

Samoloty symulują działanie mieszanki rewelacyjnie. Potwierdzają się idealnie wartości, których należy oczekiwać po lekturze podręczników i instrukcji silników. Temperatura spalin rośnie w przedziale, w którym powinna, spada tam gdzie powinna. Tak samo temperatura cylindrów i spalanie. Moc – w każdym przedziale dopasowana do oczekiwań.

Samoloty A2A nie mają wyrafinowanych urządzeń monitorujących i nie mają wtrysków GAMI (na forum było kilka dyskusji, w których proszono o nie jako o opcję). Zgodnie z takim wyposażeniem – samoloty te nie powinny być szczególnie sprawne w przedziale Lean-of-Peak. I jak widać – nie są. Na różnych wysokościach uzyskałem wartości rzędu 6 LOP, 14 LOP. Rekordowo podczas testów dochodziłem do ok 20. To bardzo dobrze odzwierciedla działanie kolektora dolotowego IO-540, który nie gwarantuje równej dystrybucji powietrza i mieszanki.

Jestem pod wrażeniem.

Prepar3d – Commander (Carenado instalowany wraz z P3D – dawniej płatny)

Tu się dzieją dziwne rzeczy, ale jakaś symulacja jest. Na wysokości 3000 stóp zubażanie mieszanki najpierw powoduje wzrost spalania (dlaczego?!) bez zmiany mocy, następnie spalanie spada. W okolicach 100 LOP moc spada na tyle, że prędkość w warunkach testowych spadła ze 113 do 105 węzłów. 200 LOP daje spalanie o 40% mniejsze niż Peak i prędkość 90 węzłów.

Na wysokości 10000 stóp – samolot wymaga poważnego zubożenia mieszanki.

Wnioski – zmiany są zbyt gwałtowne, powiązanie z mocą niemal nie istnieje – szczególnie w obszarze ROP.

Prepar3d – DHC-2 Beaver (Milviz – płatny)

Test na 8000 stóp. 2000 obrotów. Ciśnienie ładowania 25 cali. Tym razem notuję IAS (bo nie mam GPSa w tym samolocie).

Kolejno – mieszanka (w relacji do Peak), spalanie, prędkość (KIAS), temperatura cylindrów.

  • Full rich – 17 gph, 89 kias, 352 C
  • 200 ROP, 20,5 gph, 96 kias, 344 C
  • 125 ROP, 23,8 gph, 104 kias, 335 C
  • Peak 1348, 20,5 gph, 101 kias, 338 C
  • 100 LOP, 19,4 gph, 100 kias, 339 C
  • 280 LOP, 11 gph, 88 kias, 356 C

Wnioski. Mieszanka w dość przypadkowy sposób wpływa na moc. Spadek zużycia paliwa przy mieszance full rich nie jest prawidłowy.

Brak powiązania między mieszanką a temperaturą cylindrów. Niestety CHT jest tu jedynym wskaźnikiem ustawienia mieszanki, więc przy błędnych wskazaniach – jesteśmy pozbawieni jakiegokolwiek narzędzia, które pomogłoby ustawić ekonomiczną mieszankę. Ustawienie mocy – całkiem na wyczucie.

Strata mocy w obszarze Rich-of-Peak – ok. Czyli trzeba zubażać przy wznoszeniu. I to w sumie jedyna zaleta symulacji mieszanki w tym samolocie, bo już operacje 280 LOP przy tak niskim spalaniu w porównaniu do Peak to niestety fantazja. Problem w tym, że lecąc nie będziemy wiedzieli kiedy uzyskamy 280 LOP.

Problemem jest również kontrola mieszanki – 20 pozycji dźwigni to zdecydowanie za mało, żeby precyzyjnie zubażać mieszankę.

W testach korzystałem z zewnętrznego Data Monitora, żeby wyciągnąć odpowiednie wartości.

X-Plane 11 – Cessna 172 (+REP)

Testy w XP wykonałem w domyślnej C172 i w rozszerzonej dodatkiem Reality Expansion Pack. Nie widzę istotnych różnic w symulacji mieszanki między nimi. Poniżej rezultaty.

Test na 2000 stóp zgodnie z instrukcją powinniśmy mieć:

  • 2000 stóp
  • 2200 obrotów
  • 8,5 gph
  • 112 KTAS

Mamy:

  • 2000 stóp
  • 2200 obrotów
  • 7 gph (mieszanka full rich – bez zubażania do tej wysokości)
  • 104 KTAS

Wskaźnik EGT leży na dole skali. Zaczynam szukać wartości Peak.

  • Peak, 2200 obrotów, 5 gph, 101 KTAS
  • 125 LOP, 3,9 gph, 94 KTAS
  • 230 LOP, 3,6 gph, 89 KTAS

Dla porządku dodajmy, że rzeczywista C172 może zmniejszyć prędkość do ok. 90 KTAS na 2000 stóp. Ale pali wtedy 5,9 galona na godzinę. Prawie dwukrotna różnica jeśli dobrze zubożyć mieszankę…

Zmiany temperatury cylindrów między skrajnymi ustawieniami mieszanki sprowadzają się do kilku stopni. Należy odnotować, że zmiany są poprawne (w sensie kierunku zmian – mam wątpliwości co do skali).

Zubażanie z wysokością oczywiście pomaga – na 14,5 tysiącach stóp mogę zubożyć mieszankę tak, by osiągnąć 98 koni mechanicznych. Zubażam wg XP Data Output. Wskaźnik EGT nie pokazuje nic.

Wnioski z Cessny 172 w X-Plane 11

Ogólny kierunek zmian mocy i temperatury cylindrów jest poprawny. Kłopotem tego samolotu są oderwane od rzeczywistości wartości – na ogół za duża moc, zbyt niskie spalanie. Operacje LOP możliwe w zakresie, który nie byłby możliwy w rzeczywistości – ale badałem to tylko dzięki Data Output X-Plane, ponieważ wskaźnik EGT nic nie pokazywał.

X-Plane 11 – Beech Baron (instalowany wraz z XP 11)

Tu sytuacja jest wręcz komiczna. Symulator pozwala zubożyć mieszankę do aż do poziomu kilkudziesięciu stopni C temperatury spalin (wg Data Monitor XP 11 temperatura spalin tuż za cylindrami wynosiła 68 stopni C – przy typowych wartościach w okolicach tysiąca i wyżej – często grubo wyżej). Tak – nie pomyliłem się. Słownie sześćdziesiąt osiem stopni – temperatura po spalaniu benzyny… Można by rękę włożyć w takie spaliny. W rzeczywistości – bardzo odradzam.

Czyli możemy latać Baronem spalając 7 galonów benzyny na godzinę – na małej wysokości. Dodajmy, że moc będzie zaskakująco wysoka – 180 koni mechanicznych z każdego silnika. Według instrukcji 9 galonów na godzinę daje 120 koni mechanicznych w konfiguracji dla mocy przelotowej. 180 koni mechanicznych wymaga spalenia niemal 13 galonów. Znów – prawie dwukrotna różnica.

Z drugiej strony – trendy zmian (wzrost i spadek EGT odpowiednio do mocy, oraz wzrost i spadek CHT odpowiednio do mocy) są poprawne. Po prostu skala tych zmian jest zła.

Symulacja mieszanki w wiodących symulatorach – podsumowanie

Jak zwykle w przypadku samolotów w symulatorach – nie można upraszczać rozważania do „ten symulator jest lepszy”. W testowanych przeze mnie dodatkach P3D ma ewidentną przewagę – dla tej platformy kupiłem najlepsze na rynku samoloty (A2A Simulations w segmencie general aviation). W tym przypadku (A2A) samolot świetnie się nadaje do nauki – można w nim eksperymentować i potwierdzać to, czego uczymy się z książek.

W przypadku X-Plane sprawdziłem samoloty wbudowane w symulator oraz dodatek Reality Expansion Pack, który powinien był zmieniać parametry pracy silnika. Wyniki mnie zawiodły. Nie posiadam, więc nie testowałem dodatków, które są najwyżej oceniane (np. Cessny 172 Airfoil Labs).

W przypadku X-Plane i mniej zaawansowanych samolotów w P3D (Milviz i domyślne) symulowana wszędzie jest konieczność (i sens) zubażania mieszanki wraz ze wzrostem wysokości. O zubażaniu w celu oszczędzenia paliwa za bardzo nie ma mowy, bo samoloty te niezbyt dobrze zmieniają zużycie paliwa wraz ze zmianą mieszanki. Symulacja ustawiania mieszanki według wskazań przyrządów też jest trudna – przyrządy często nie działają poprawnie.

Czytelnicy i widzowie kanału czasami pytają dlaczego latam przede wszystkim samolotami A2A i PMDG (w przypadku pasażerskich). Właśnie dlatego.

Biorę podręcznik, uczę się, a potem testuję zachowanie w symulatorze. U innych developerów bardzo często zderzam się ze ścianą – uproszczenia nie pozwalają pobawić się symulacją bardziej zaawansowanych elementów latania. Choć po zastanowieniu się… czy planowanie paliwa jest takim zaawansowanym elementem?

Jeśli doszedłeś do tego miejsca, to masz za sobą około 6,5 tysiąca słów, czyli jakieś 18-22 stron. Napisanie zajęło 25 godzin, nie licząc testów i czasu spędzonego na lekturze podręczników przed rozpoczęciem prac.

Ten artykuł powstał dzięki wsparciu bloga przez czytelników i widzów kanału CalypteAviation na youtube. Na ten konkretny tekst złożyło się wsparcie:

– Tomasza
– Macieja
– Mariusza
– M
– Andrzeja


O croudfundingu wspierającym rozwój bloga przeczytasz więcej w zakładce:
Wspieraj CalypteAviation

Źródła

Pisząc ten tekst korzystałem z następujących pozycji:

  • „The Aircraft Engine And Its Operation” – podręcznik Pratt & Whitney
  • John Deakin – artykuły z serii Pelican’s Perch w serwisie Avweb
  • „Aviation Maintenance Technician Handbook–Powerplant” – podręcznik FAA
  • Operator’s Manual Lycoming O-540, IO-540 Series – instrukcja silników
  • „Podręcznik pilota samolotowego” Jerzy Domicz i Lech Szutowski
  • „Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge” – podręcznik FAA

a także z instrukcji samolotów (Pilot Operations Handbook):

  • Cessna 172
  • Cessna 182
  • Beechcraft Bonanza V35B
  • Beechcraft Baron 58
  • Piper Comanche

Pomocne były wyjaśnienia na forum pprune.org, a także dane z testów wtryskiwaczy GAMI (dostępne na advancedpilot.com).