Von Charles Blouin
Dynamometer sind hervorragende Werkzeuge zur Messung der Motorleistung. Durch Anlegen einer kontrollierten Last an den Motor können Dynos das Motormoment, die Drehzahl und die Leistung charakterisieren.
Aber ist dies der einzige Weg, um ein umfassendes Verständnis der Motorleistung zu erhalten?
Wir wollten wissen, ob es möglich ist, die Motorleistung ohne ein herkömmliches Bremsdynamometer, stattdessen mit einem Motor-Propeller-Schubprüfstand, abzubilden.
(Spoiler-Warnung: Es ist tatsächlich möglich.)
Inhaltsverzeichnis:
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Versuchsaufbau
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Motorleistungskonsum-Diagramm
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Motoreffizienz-Diagramm
1. Versuchsaufbau
Wir haben unseren Flight Stand 15 Schubprüfstand verwendet, um die Motorleistung in Bezug auf Drehmoment, Drehzahl, Leistung und mehr zu messen.
Wir haben 6 verschiedene Propeller verschiedener Marken am Motor installiert und sie als Lasten für unseren Test verwendet. Ihre Größen waren wie folgt:
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11”
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16”
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18”
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22”
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26”
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30”
Abbildung 1: Flight Stand Schubprüfstand mit Testmotor und Propellern
Wir haben einen automatisierten Stufentest mit 10 Gashebel-Inkrementen von 1150 bis 2000 µs entworfen und den Test mit jedem Propeller durchgeführt.
Die Daten wurden mit der Flight Stand-Software aufgezeichnet und anschließend als .CSV exportiert.
Die Motordiagramme wurden mit einem Google Colab-Notebook erstellt, das Python ausführt. Der Code kann eingesehen und mit Ihren eigenen Motorleistungsdaten-Dateien wiederverwendet werden. Um Ihre eigenen Daten zu verwenden, müssen Sie dieselben Einheiten und Spaltentitel verwenden wie in der exportierten Datei oder den Code an Ihre bevorzugte Einheit anpassen.
Abbildung 2: Automatisierter Stufentest in der Flight Stand-Software
2. Motorleistungskonsum-Diagramm
Vier Variablen werden im Diagramm unten dargestellt. Die x-Achse zeigt die Drehzahl in U/min, während die y-Achse das Drehmoment in Nm zeigt. Das Konturdiagramm stellt die modellierte Leistung dar. Die Punkte stellen die tatsächlich gemessenen Datenpunkte dar, und ihre Farbe stellt die Differenz zwischen der Messung und dem Modell dar.
Ein Polynom dritten Grades wurde auf die Daten angewendet, um den elektrischen Leistungsverbrauch zu modellieren. Die Vorhersagen werden durch die farbigen Bereiche im Diagramm dargestellt, wobei jeder Bereich einen Bereich von 25 W darstellt.
Die Farbe der Datenpunkte stellt den Fehler zwischen dem vom Modell vorhergesagten Wert und dem gemessenen Wert der elektrischen Leistung in Watt dar. Der maximale Fehler des Modells betrug 0,8 Watt bei 150 gemessenen Watt, also 0,5 %.
Abbildung 3: Diagramm des Motorleistungskonsums
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3. Motoreffizienz-Diagramm
Das unten dargestellte Motoreffizienz-Diagramm wurde aus dem Leistungsdiagramm des vorherigen Abschnitts abgeleitet.
In diesem Diagramm stellt jeder farbige Bereich die vorhergesagte Motoreffizienz in % dar, wobei jeder Bereich einen Bereich von 2 % einnimmt.
Bei sehr niedrigen Effizienzen von <50 % betrug der Messfehler bis zu 3 Prozentpunkte, was zu erwarten ist, da die gemessene Leistung und das Drehmoment in diesen Bereichen ziemlich niedrig sind. Bei höheren Effizienzen, bei denen der Motor während des Fluges normalerweise arbeitet, war der Fehler viel vernachlässigbarer, <1 Prozentpunkt für Effizienzen im Bereich von 74-86 %.
Abbildung 4: Motoreffizienz-Diagramm
4. Modellvalidierung
Bei der Erstellung der Leistungsmodelle wurde der 18" Propeller absichtlich aus dem Datensatz ausgeschlossen, um die Genauigkeit des Modells mit unabhängigen Testdaten zu überprüfen.
Das Modell wurde unter Verwendung von Messungen der anderen fünf Propeller entwickelt und anschließend verwendet, um die Motorleistung an den mit dem 18" Propeller gemessenen Betriebspunkten vorherzusagen. Die vorhergesagten Werte wurden mit den tatsächlichen Messungen verglichen, um festzustellen, wie genau das Modell das physikalische Verhalten des Motors darstellt, anstatt einfach nur die Daten anzupassen, die für seine Entwicklung verwendet wurden.
Dieser Ansatz hilft auch, ein potenzielles Overfitting zu identifizieren, bei dem ein Modell den ursprünglichen Datensatz gut anpasst, aber neue Messungen nicht genau vorhersagen kann.
Da der 18" Propeller in den Bereich der für die Entwicklung des Modells verwendeten Propellergrößen fällt, bewertet dieser Test seine Fähigkeit, die Motorleistung zwischen bekannten Betriebsbedingungen vorherzusagen. Die Ergebnisse zeigten, dass die vorhergesagte Motoreffizienz über den größten Teil des getesteten Bereichs weniger als 1 Prozentpunkt von den gemessenen Werten abwich.
Die Abbildung unten zeigt das Motorleistungskonsum-Diagramm, wobei die gemessenen Datenpunkte des 18" Propellers zum Vergleich hinzugefügt wurden.
Abbildung 5: Diagramm des Motorleistungskonsums mit den Datenpunkten des sechsten Propellers (18"), die hinzugefügt wurden.
Fazit
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es tatsächlich möglich ist, die Motorleistung und -effizienz ohne ein herkömmliches Bremsdynamometer abzubilden. Wir konnten Daten aus unserem Flight Stand Schubprüfstand und ein Polynom dritten Grades verwenden, um den Motorleistungskonsum und die Effizienz zu modellieren und Diagramme zu erstellen, um die Leistung in noch nicht getesteten Konfigurationen vorherzusagen.
Um mehr über die Motorcharakterisierung zu erfahren, sehen Sie sich unseren Artikel an: Wie und warum man das Motormoment misst