Por que os motores a dois tempos são quase desconhecidos na aviação?

Várias questões:

Como você mencionou, alto consumo de combustível específico. Sobre o de turboélices, mas sem a confiabilidade. Se você vai morar com esse SFC, pode usar turbinas.

Má confiabilidade. Eles são muito sensíveis ao ajuste e ao tempo. Um motor de aeronave a pistão de curso 4 funcionará com todo tipo de coisa errada. Lóbulos de cames desgastados até quase nubs. Guias soltas da válvula. Compressão horrível. Eles podem ter leituras de compressão que farão com que a maioria dos mecânicos os aterre, mas ainda terão potência nominal (a Continental fez testes para descobrir isso). Eles são muito "sub-ajustados", como um trator ou um motor industrial. Você quer isso na aviação. A única coisa que fará o motor de um avião de curso 4 explodir em seu rosto é algo como uma haste lançada de um mancal girado ou um cilindro que se abre, e que requer manutenção inadequada ou negligência criminal na grande maioria dos casos. Os cursos 2, no mundo ultraleve, onde são amplamente utilizados, têm reputação de abandonar a qualquer momento (o único motor de avião de curso 2 que chega perto da confiabilidade do curso 4 é o Rotax 582 - mas apenas próximo, e eles são somente confiável por algumas centenas de horas).

Os cursos 2 requerem manivelas pressionadas juntas com rolamentos de esferas, pois precisam depender da lubrificação do óleo misturado à carga de combustível. Portanto, você não pode ter uma manivela forjada de peça única (os radiais escapam com rolamentos principais de esferas, mas há apenas um ou dois manobras de manivela, e eles ainda têm lubrificação com óleo dedicada). Com o único óleo proveniente do que é diluído no combustível em um curso 2, a lubrificação do anel do pistão é marginal e a vida útil do anel é baixa.

O que nos leva à longevidade. Embora tenha um TBO oficial de horas 2000, se você tomar um cuidado decente, um Lycoming O-320 executará as horas 3-4000. Os mancais lisos em um curso 4 só veem desgaste na inicialização; há zero desgaste quando são pressurizados porque não há contato metal com metal, e se você nunca o desligasse e trocasse o óleo em movimento, os rolamentos teoricamente durariam para sempre. Os rolamentos de esferas lubrificados com óleo diluído têm uma vida útil finita e isso e os anéis mal lubrificados limitam a longevidade. Você nunca sonharia com um derrame 2 que durasse tanto tempo em qualquer galáxia neste universo.

Os cursos 2 são populares no mundo ultraleve quase totalmente porque são baratos e têm uma relação potência / peso superior. Você quase pesa o poder de uma turbina e tem um custo mínimo, e vale a pena viver com essa confiabilidade ruim. Os ultraleves escapam com isso, porque eles batem na direção da 30 mph e não da 70.

O problema é que muitos dos problemas estão na configuração e não podem ser projetados. Combine com uma empresa que é conservadora por necessidade, porque sua vida depende do conservadorismo e não é surpresa.

A principal razão pela qual existem poucos motores de aeronaves a curso 2 é provavelmente a razão pela qual existem poucos motores a gasolina 2 acima do 125cc em geral: eles têm baixa eficiência de combustível e baixas emissões. Você observa que os motores de aeronaves ainda usam combustível com chumbo e sugere que essa é uma preocupação maior, mas as preocupações mencionadas acima exacerbam a poluição por chumbo, devido aos maiores requisitos de combustível e às emissões de combustível não queimado. Você diz que isso pode ser resolvido com um bom design, mas com custo e complexidade. Depois de um certo período de tempo tentando projetar um cilindro de curso 2 que não ignore a mistura de combustível / ar da porta de entrada para a porta de escape, você desiste e cria um curso de 4. Ele pesa mais, mas o uso reduzido de combustível compensa a penalidade de peso para qualquer coisa que voe a uma distância maior que uma ultraleve.

Os motores a diesel 2 geralmente têm uma relação potência / peso muito baixa para a aviação, mas com muito sucesso em outros campos. O combustível é injetado apenas quando o pistão está em uma posição elevada, de modo que o motor ingere apenas ar fresco no coletor de admissão e, se alguns desviam para o escapamento, não desperdiçam combustível.

https://en.wikipedia.org/wiki/Category:Aircraft_piston_engines lista os motores de dois tempos 79, mais da metade do número de motores radiais no 146, obviamente tão significativos, e por alguma razão os motores Junkers mencionados são listados como diesel, mas não no curso 2.

Os problemas mencionados pelo OP e outros respondedores são peculiares a alguns mecanismos específicos que não são comparáveis ​​entre si e, principalmente, não pertencem a aplicativos de acionamento prop. Ninguém projetaria uma substituição de curso de um 2 de um Lycoming como descrito. Ficaria muito semelhante e ser configurado de forma muito semelhante ao curso 4. A questão é energia específica e consumo específico de combustível de uma unidade de propulsão a uma determinada despesa de capital e despesa operacional. A densidade de potência não é muito motivadora e pode ser muito menor do que a desejada no setor automotivo, por exemplo.

Um golpe 2 seria um pouco mais complicado, pois seria necessário um soprador para gerenciar a carga de ar. Teria essencialmente o mesmo sistema de óleo e sistema de combustível que o golpe 4. Pode usar válvulas de gatilho na cabeça para entrada e saída, ou pode usar portas. Existem pelo menos variações básicas do 10 sobre como entrar, acender e apagar o escapamento de um golpe do 2. Mas apenas três ou quatro merecem consideração séria aqui. E provavelmente não há diferença suficiente entre os que se preocupam no que diz respeito a essa questão, então vamos assumir um soprador de raízes que alimenta o ar de carga de um motor com válvula de válvula. Talvez seja injeção direta ou injeção indireta.

O consumo específico de combustível favorece o curso 2 em uma grande variedade de tamanhos e velocidades, mas provavelmente não nessa escala pequena. Provavelmente é uma lavagem do tamanho de um Lycoming. A economia no atrito interno excede as perdas do soprador para cilindros maiores. Mas para uma aeronave leve, o soprador não seria tão bom assim. Os grupos geradores que operam em rpms comparáveis ​​ainda favorecem os cursos 4.

Um dos maiores fatores que afetam o peso é a taxa de compressão. Como podemos trocar densidade de potência por potência específica, temos CR grande e baixa e paredes finas. Isso diminui o peso, especialmente quando você não pode executar altas rpms no início. Pode ser aqui que o golpe do 2 perde sua vantagem. É bom quando você precisa de energia, leve e pequena, mas se você não precisar da parte pequena, não há muita vantagem. Será um pouco menor, mas não necessariamente mais leve, quando construído para acionar o mesmo suporte.

O tipo de projeto de cilindro e arquitetura de mecanismo que você deseja é quase inteiramente determinado pelo aplicativo, não se você estiver executando um curso 2 ou um curso 4. Na maioria das vezes, você pode tomar qualquer golpe 4 e convertê-lo em um golpe 2 sem tantos problemas. Um amigo meu começou a converter motores Cadillac 500 cid em motores de arranque 2 quando tinha 14 anos de idade. Ele comprou uma casa e construiu uma loja de máquinas quando ele era 16.

Então, eu diria que não há nenhuma razão real para não desenvolver um curso 2 para aeronaves pequenas, mas nenhuma de suas noções preconcebidas sobre as diferenças entre os dois tipos se refere a este aplicativo. Acho que a dinâmica do ar de admissão pode ser mais difícil de gerenciar (leia mais caro e exige manutenção intensiva) no golpe 2 em comparação com o golpe 4. O requisito de energia razoavelmente fixa a rpm razoavelmente constante, dadas condições de carga bastante variadas, é um problema muito diferente do enfrentado pelo setor automotivo, que tem condições de carga constante e requisitos variados de potência e rpm.

Como os motores de cilindro 1 não são potentes o suficiente

Os motores de curso 2 acontecem com o cilindro no ponto morto inferior. O gás de escape é empurrado para fora do cilindro pelo ar de admissão, que é bombeado ativamente no cilindro. Isso é chamado limpeza.

Motores de curso 2, como você os imagina, use o cárter para uma bomba de ar. O pistão que desce comprime o ar no cárter e, quando a porta de entrada é exposta, ocorre a eliminação.

Adivinhe quantos cilindros você pode ter em um motor de curso 2. ONE.

Como se você tem cilindros 2, o volume de ar do cárter não muda e não pode ser utilizado como bomba. (Bem, se é exatamente dois, você pode usar uma manivela de nível 180 para que ambos atinjam de uma só vez, mas isso derrota todas as vantagens de dois cilindros.)

Os cilindros 2 + requerem sopro

Com os cilindros 2 ou mais, o cárter é inútil como bomba porque o volume do cárter não muda. (No lado positivo, você pode usar um sistema de lubrificação normal e não precisa mais misturar o óleo do ciclo 2; é claro que agora mais complexidade surgiu).

Você deve usar um bomba de ar de algum tipo para realizar a limpeza. Então agora você adicionou um monte de complexidade. E pior, o ventilador terá um desempenho muito ruim em altitude.

"Ah, nós sabemos a solução! Vamos usar um turbocompressor". Ótimo garoto, mas como você vai começar? O motor precisa ser acionado em todas as velocidades, mesmo durante a partida - para que um turbo seja inútil em configurações de baixa potência. Você precisa de um embreagem de rodagem ao motor pode acionar mecanicamente o turbocompressor em baixas velocidades / partida. Mais complexidade.

Além disso, se a entrada e a exaustão são ambas as portas do lado do cilindro, isso cria alguns problemas sérios com o desgaste do anel e a carbonização. Além disso, a forma engraçada do pistão (para fazer o ar fluir da maneira correta) complexifica bastante a queima de combustível e limita a compressão máxima. Em breve, à medida que o mecanismo do ciclo 2 aumentar, você precisará mover a entrada ou o escape para válvulase, devido a anéis e carbonização, as válvulas de escape fazem mais sentido do que a entrada. Então agora você está de volta onde começou com válvulas na cabeça do cilindro.

No entanto, a ingestão portas têm seus próprios problemas: a mistura combustível / ar entrará em contato direto com os anéis do pistão e o combustível não evaporado tenderá a lavar o óleo nos anéis, aumentando o desgaste do anel e diluindo o óleo. Isso não é um problema para um diesel, pois ele injeta diretamente no cilindro.

Então parabéns. Você tem um mecanismo poderoso o suficiente para substituir um Continental ou Lycoming e possui

• Uma bomba de óleo
• Cames e válvulas de escape
• Um ventilador
• Injeção direta para resolver o problema de lavagem do anel

Então isso é uma falha de simplicidade.

Não há nada inerentemente inferior nos motores a dois tempos que os impeça de serem usados ​​em carros ou aeronaves.

Conforme declarado pela OP, os cursos 2 têm muitas propriedades que devem ter valor nas aeronaves, particularmente a maior relação potência / peso da geração de um golpe de energia a cada revolução. Eles pode também foram projetados para simplicidade e baixa contagem de peças móveis, como um cortador de grama: sem válvulas, exceto portas, pré-misture combustível e óleo sem uma bomba de óleo separada, resultando em um motor com baixo consumo específico de combustível e alta contagem de poluição. Mas é claro que para carros e aeronaves modernos, esse design não será usado. Por exemplo, de este artigo (2nd resposta):

In a two stroke the transfer ports and exhaust ports are open at the same time. At some engine speeds, portions of the fuel mix go straight from the transfer ports out the exhaust without being burned. This leads to high fuel consumption and the ejection of unburned hydrocarbons. A solution is to use direct injection in which fuel is injected into the cylinder only after the ports close. This drastically reduces both problems.

The other source of pollution comes from the total loss lubrication in which unburned two-stroke oil passes directly out the exhaust ports. A solution is to replace the total oil loss system with full crankcase lubrication as found in four-stroke engines. To do this, the crankcase can no longer be used for scavenging, therefore a supercharger needs to be used for supplying the scavenging air.

Então, um motor de dois tempos não projetado para simplicidade e baixo custo, não terá combustível não queimado nem exaustão de óleo com perda total. Ele ainda terá o dobro da potência de quatro tempos comparáveis. E ainda terá uma quantidade menor de peças do que um quatro tempos com um cárter de óleo e um compressor. Alguns exemplos:

1. A imagem acima é de um artigo no NYTimes, com um design moderno de um motor de automóvel de curso 2. Com válvulas em vez de portas. Com uma taxa de compressão que pode variar: menor compressão da gasolina devido à prevenção de batidas, alta compressão do diesel para maior eficiência do ciclo de Carnot.
2. O Junkers Jumo 205 mencionado no OP era um diesel de curso 2 com orifícios de admissão e escape, com um arranjo inteligente que permitia um melhor timing do ciclo de combustível / escape. Projetado e fabricado nos 1930s (!). Então abandonado, de acordo com Este artigo por causa dos dois virabrequins conectados a uma hélice, criando complexidade, além disso, ele teve que ser instalado verticalmente para acomodar o sistema de remoção de óleo.
3. Diesel diesel de curso 2, com injetores, válvulas e um layout de pistão duplo, usado e operado por décadas.

Então, por que os dois tempos não são mais usados ​​para propulsão de aeronaves?

• O setor de aviação é super conservador e os novos desenvolvimentos levam muito tempo e investimentos para serem aceitos no mainstream. Como ilustrado pelo Insolvência da Thielert - se a aplicação de tecnologia de motores diesel madura a aeronaves GA resultar em falência, onde isso deixaria as empresas desenvolvendo uma nova tecnologia de curso 2 ?. Um novo motor de pistão 2, a ser desenvolvido, seria usado para aeronaves menores, que simplesmente não podem gerar receitas e números para um retorno significativo do investimento. O desenvolvimento de gasolina de tamanho de aeronave de carro / GA 2-stroke foi interrompido há muitas décadas, enquanto o 4-stroke continuou sendo refinado.
• Lá is uma limitação inerente à tecnologia de dois tempos: há muito menos tempo para expulsar os gases de escape e aspirar combustível, porque cada curso é um golpe de energia. Isso limita o volume do cilindro ou o volume máx. RPM. Não é um problema para os motores diesel, os motores a diesel operam a uma velocidade muito baixa da 150. A gasolina a quatro tempos não tem essa limitação. O diesel pode funcionar com taxas de compressão super altas, gerando uma quantidade enorme de torque por curso, a gasolina não. Portanto, os cursos 2 a gasolina têm uma limitação de potência por cilindro. O que também pode ser resolvido com a nova tecnologia - outra saga da Thielert?