Por que os motores de pistão não possuem silenciadores?

Hoje, a maioria das aeronaves GA na Europa tem silenciadores, para que possam superar os requisitos de ruído cada vez mais rigorosos. Aqui está um montado em um Cessna 172 ( source ):

Historicamente, os silenciadores eram considerados como uma desvantagem porque reduzem o desempenho do motor aumentando pressão de retorno . Ao bloquear parcialmente o fluxo de escape, o silenciador aumenta a pressão do cilindro no último curso ascendente do ciclo (o curso de escape), de modo que ele enfrenta mais resistência ao movimento para cima. Além disso, mais dos gases queimados permanecem no cilindro, portanto, uma menor mistura ar-combustível pode ser ingerida no próximo ciclo. No máximo, em aeronaves com um cockpit aberto, um tubo foi instalado para conduzir os gases de exaustão para longe do piloto. Abaixo está uma imagem de uma Mercedes D.IIIa em um Fokker D VII ( fonte ):

No entanto, o vôo noturno tornaria a aeronave facilmente detectável por suas chamas de exaustão; assim, na Segunda Guerra Mundial, os tubos foram adicionados à pilha de exaustão para evitar a detecção óptica. Abaixo está uma foto de um Avro Lancaster com Bristol Hercules motores ( fonte ):

A nossa melhor compreensão dos motores de pistão agora permite projetar silenciadores que não causam muita perda de potência e no caso de um silenciador de ressonância sintonizado você obtém mais potência na velocidade de projeto porque uma onda de pressão refletida chegará do silenciador em a porta de escape apenas quando as válvulas fecham e aumentam a pressão do cilindro. No entanto, dadas as baixas velocidades de RPM dos nossos antigos motores de pistão de aviação, esses silenciadores precisam ser grandes e os projetos de fuselagem igualmente antigos não têm espaço para eles. Então, na aviação, os silenciadores ainda estão causando uma perda de energia.

Mesmo nos aviões dos EUA projetados nos anos 40 e 50, os aviões mais comuns têm silenciadores.

Mooney faz.

E o sempre popular Cessna 172

A resposta direta à pergunta que você fez é que normalmente há muito mais separação entre uma aeronave operacional e quase qualquer outra pessoa que possa ouvi-la, então o barulho simplesmente não importa tanto quanto um carro freqüentemente opera dentro de, digamos, um metro de outros carros e pedestres, e freqüentemente a apenas algumas dezenas de metros de casas, escritórios, hospitais, etc.

Apenas por exemplo, uma câmara de expansão sintonizada simples parece mais ou menos como dois cones com suas extremidades grandes soldadas. Isso ajuda a aumentar a produção de energia de forma bastante simples.

Quando o valor de exaustão do motor abre, a exaustão começa a fluir para fora da porta de escape (sendo empurrada rapidamente pelo pistão). Isso significa que temos um fluxo de escape bastante denso se afastando da porta de escape a uma velocidade razoavelmente alta.

Quando a porta de escape se fecha, esse gás de escape continua se afastando da porta, deixando um vácuo parcial atrás dela.

Em um sistema de exaustão "aberto", o ar atmosférico flui para preencher o vácuo muito rapidamente, então, no momento em que a porta de exaustão se abre novamente, o gás de exaustão precisa "empurrar" o ar para fora do caminho. a porta.

Com um sistema de exaustão sintonizado, temos um tubo (de algum tipo) perto da porta de escape para evitar que o ar da atmosfera apenas encha o vácuo próximo à porta. A câmara de expansão de cone duplo faz mais do que isso: ela foi projetada para que o denso gás de escape seja refletido na extremidade mais distante da câmara e de volta para a porta. Ele volta para a extremidade do porto da câmara, e volta novamente, então agora está se afastando da porta de escape.

O que estamos atirando é que o vácuo parcial atrás do gás de escape denso é apenas fora da porta de escape do motor apenas como a válvula de escape abre. Quando isso acontece, esse vácuo parcial está realmente ajudando a "sugar" o próximo "pacote" de gás de escape para fora da câmara de combustão.

Como isso ajuda a reduzir o ruído: o ruído do escape é basicamente por causa dos "pacotes" de gás de escape comprimido seguido de ar rarefeito logo em seguida. Com a câmara sintonizada, estamos deixando o próximo pacote de exaustão comprimido "encher" naquele vácuo parcial. Como resultado, o gás que sai do escape tem uma pressão muito mais consistente.

Por que isso é particularmente aplicável às aeronaves: principalmente porque em uma aeronave a velocidade do motor é muito mais previsível na maioria das vezes. Diferentemente de algo como um carro, a maioria das aeronaves é basicamente projetada em torno de uma velocidade de cruzeiro e gasta a maior parte do tempo operando dentro de uma faixa estreita de RPMs, portanto é muito fácil projetar uma câmara de expansão para essa velocidade, com pouca consideração. para outras velocidades.

As hélices geralmente usam uma RPM alta o suficiente para que as pontas das pás ultrapassem a velocidade do som. Já notou que um avião é extremamente alto para decolar, mas muito quieto no pouso? As pontas de lâmina supersônica faziam pequenos booms sonoros.

Nosso ouvido ouve um som de 'rosnado furioso'. Não o motor, não o tempo todo. É por isso que um adereço de 5 pás é um pouco mais silencioso do que um adereço de duas pás, cada um correndo com o mesmo empuxo. O suporte de duas pás precisa de uma rotação mais alta, isso empurra as pontas para além da barreira do som. Um suporte de 5 pás corre a baixa rotação, menos barras sónicas.

OK, o ponto é este: se a sua hélice é capaz de fazer barulho que excede muito o ruído do motor, por que silenciar o motor? Sim, um avião em vôo reto e nivelado não é tão silencioso quanto um carro, mas a coisa está literalmente a quilômetros de distância do ouvido desprotegido mais próximo, portanto, menos necessidade de supressão de som do motor. Aqui em Seattle, onde parece que todo mundo tem um hidroavião, os regulamentos sobre contagem de lâminas estão entrando em vigor. 2 lâminas Não, muito barulho na decolagem. 3? OK melhor. Ainda alto em altas rotações. 5 ou 7? Yay! Nunca precise girar rápido o suficiente para operação supersônica. Alguns adereços mais recentes têm muitas lâminas estranhamente curvas e funcionam muito silenciosamente. Hélice silenciosa = hélice eficiente.

Os motores de avião são projetados para rodar próximo a WOT (aceleração máxima) em uma faixa estreita de RPM durante a maior parte do voo.

A correspondência do tamanho do pipe com o RPM é chamada de ajuste de exaustão , o que melhora o desempenho e a minha compreensão reduz o ruído.

Isso significa que a afinação do escapamento de cada cilindro deve ser simples, basicamente cortada no comprimento certo e deixada aberta seria melhor.

( Source ) Exemplo de ajuste de escape.