restrições

Aplicativos diferentes têm restrições diferentes:

• Aviação: muito leve, altamente confiável
• Marítimo: resistência muito alta
• Automotivo: moderadamente leve, responsivo
• Motocicleta: muito leve, muito compacta, muito responsiva

Diferentes idades da tecnologia produzem soluções diferentes devido a restrições adicionais, sempre limitadas pela tecnologia contemporânea:

• Era pioneira: faça funcionar
• Era da Primeira Guerra Mundial / Segunda: o mais rápido possível
• Era pós-guerra: mais, mais rápido, melhor
• Era da crise do combustível: o mais eficiente possível

Motores para aeronaves

A questão é sobre a otimização do número de cilindros versus o volume de cilindros por cilindro dos motores utilizados na aviação. Isso restringe o escopo a “motores de pistão alternativo de combustão interna” (mais o motor Wankel como um caso muito especial).

Obviamente, foguetes, jatos de pulso, motores a turbina e elétricos não têm cilindros, e os motores a vapor nunca foram utilizados (com sucesso) em aeronaves.

O número de cilindros e a cilindrada são dois dos inúmeros parâmetros que entram no design de qualquer motor. Ambos podem ser usados ​​para aumentar a potência.

Aumento de potência

A potência de um motor pode ser aumentada pelo número de cilindros ou pelo aumento da cilindrada (ou de ambos).

Cada alteração de parâmetros causa ganho ou perda de certas características desejadas. Estes estão listados mais abaixo em (N), (n), (D) e (d).

• Aumentar o número de cilindros significa ganhar (N) e perder (n)
• aumentar o deslocamento do cilindro significa ganhar (D) e perder (d)

Adicionar cilindros é mais fácil do que aumentar o tamanho do cilindro. A geometria do cilindro não muda. Peças de motor idênticas podem ser usadas várias vezes no mesmo design do motor (bancos de cilindros, cabeçotes ou blocos de motor completos).

Troca de trocas

A partir de uma configuração de motor, a mesma potência pode ser alcançada por

• ganho (N) e (d) e perda (n) e (D) ou
• ganhando (n) e (D) e perdendo (N) e (d).

Razões para aumentar o número de cilindros (N)

• O torque é escalonado diretamente com o número de cilindros
• Aumentar a relação superfície / volume é vantajoso para motores refrigerados a ar
• Aumente a potência: adicionar cilindros é mais fácil do que aumentar o tamanho do cilindro. A geometria do cilindro não muda. Peças de motor idênticas podem ser usadas várias vezes no mesmo projeto de motor (bancos de cilindros, cabeçotes ou blocos de motor completos)
• Melhore o equilíbrio de forças e momentos
• Reduza o tempo entre os golpes de força
• Diminuir o impacto de um cilindro com falha
• Melhore a planicidade da distribuição de torque sobre a velocidade da revolução.

• Ativar fator de forma mais flexível e mais distribuído

  

  _{Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major, Cilindro 28, 28 l, 3500 hp, 2700 rpm, construído 1944-1955.}

Razões para diminuir o número de cilindros (n)

• Simplicidade: menos peças móveis melhoram a robustez, diminuem a necessidade de manutenção e aumentam a disponibilidade.

• Ativar um fator de forma mais compacto

  

  _{Cilindro Mercedes 1, 1.5 kW, 720 rpm, 84 kg, construído 1888.}

Razões para aumentar o deslocamento do cilindro (D)

• Aumente a potência através do torque

  

  _{BMW IIIa, cilindro 6, 19.1 l, 200 cv, 1400 rpm, construído 1917.}

Razões para diminuir o deslocamento do cilindro (d)

• Deslocamento menor significa pistões menores, hastes mais curtas ou ambas. De qualquer forma, um deslocamento menor permite maior velocidade de rotação e maior aceleração.
• Uma câmara de combustão menor aumentará o tempo necessário para a expansão da chama (somente gasolina, não diesel). Isso permite maior velocidade de rotação.
• As válvulas estão limitando o fluxo de gás para dentro e para fora do cilindro. As válvulas estão sujeitas à proporção superfície-volume. Cilindros menores são mais fáceis de encher e esvaziar através das válvulas, permitindo maior velocidade de rotação.

• A uma determinada taxa de compressão, cilindros menores precisam suportar menos força total, permitindo uma estrutura mais leve do motor (menos peso).

  

  _{JPX PUL 212, cilindro 1, 212 cm³, 11 kW, 6000 rpm.}

Notas

• Os motores radiais pertencem à era da Segunda Guerra Mundial. A maioria deles era refrigerada a ar. Para motores refrigerados a ar, a relação superfície / volume é importante. Portanto, é óbvio aumentar o número de cilindros em vez do deslocamento por cilindro.
• As aeronaves durante a Segunda Guerra Mundial tinham que ser o mais rápido e poderoso possível para atacar e defender. Não havia boas razões para comprar menos que os cilindros 6.
• Os motores a quatro tempos funcionam perfeitamente com os cilindros 1, 2 e 3. Eles são usados ​​parapentes alimentados, respectivamente, aeronaves ultraleves.

• Certos números de cilindros são mais preferíveis a razões de simetria devidas

  • 6, 8, 4 para motores em linha
  • números ímpares (por linha) para motores radiais

• A construção de motores radiais com um número par de cilindros é bem possível, embora um número par em uma linha não seja preferível. Motores radiais de várias linhas com número par de cilindros foram pilotados em muitas aeronaves.

• Os desenvolvedores de motores automotivos preferem o 0.5 l por cilindro como o trade-off ideal.
• Uma alta contagem de cilindros seria necessária para a fabricação de motores a pistão de alta potência, mas esse segmento agora é ocupado por motores a jato.

• Existem motores radiais com menos de cilindros 5. Aqui está um cilindro 3 radial, construído 1930 nos EUA:

  

Seu raciocínio está correto se a massa do motor não for importante. Navios usam enormes motores, porque aumentar o número de cilindros além do 8 terá retornos decrescentes em termos de suavização das ondulações de torque, e cilindros maiores ajudam a aumentar a eficiência. Mas as aeronaves precisam manter a massa do motor baixa.

Wartsila-Sulzer RTA96-C turbo a diesel de dois tempos durante a montagem (foto fonte) Seu tamanho torna este mecanismo extremamente eficiente: sua versão do cilindro 14 produz o 108,920 hp a 102 rpm e tem uma eficiência térmica de mais de 50%. O consumo específico de combustível é de apenas 0.260 lbs / hp / hora. Mas pesa toneladas 2600!

A potência do motor é o produto de torque e velocidade. Para maximizar a potência do motor, a velocidade deve ser mantida o mais alta possível. O aumento do tamanho do cilindro limitará a velocidade com a qual o motor poderá funcionar devido à velocidade do processo de combustão dentro do espaço de combustão. Se o diâmetro do cilindro aumentar muito, a frente da chama originada pela vela de ignição não terá viajado o suficiente para queimar a maior parte do combustível no momento em que o pistão descer novamente. Somente a adição de mais cilindros aumentará a potência, mantendo a velocidade do motor constante.

Aqui está uma comparação dos motores de aeronaves da Segunda Guerra Mundial do excelente enginehistory.org local. Observe como os valores de furo e velocidade se correlacionam inversamente (o Austro-Daimler 120 era um projeto pré-guerra e viu aumentos de velocidade posteriores):

Comparação gráfica, o Austro-Daimler é mostrado com as especificações de uma versão posterior.

Citação do PDF vinculado (enginehistory.org):

The large bore diameter, however, pushed the upper limit of an aero-engine cylinder. Adequate cooling and fuel efficiency require a complete as possible combustion of the fuel-air mixture and this complete combustion requires that the flame fronts moving across the combustion chamber from their respective points of ignition be given time to meet. The speed of a four-stroke aero-engine with a large cylinder bore is thus actually limited by the rate of combustion of the fuel-air mixture which for a given cylinder and mixture is a constant and thus efforts to increase the output horsepower by increasing the speed of an engine with a large bore cylinder may result in incomplete combustion, over-heating and detonation.

Outros limites à velocidade do motor, como cargas nas bielas ou enchimento e descarga adequados do cilindro, podem ser tratados usando materiais de maior resistência e mais válvulas por cilindro, respectivamente, mas quando o tipo de combustível é fornecido, o limite rígido para a rotação do motor é o furo do cilindro. Portanto, a única maneira de aumentar a potência sem prejudicar a relação potência / peso é adicionar mais cilindros.

Quando um cilindro aumenta,

The square-cube principle states that its volume grows faster than its surface area.— Wikipedia

Pressão e massa:

Reduzir o número de cilindros aumenta a quantidade de força por cilindro e por ponto de fixação no virabrequim.

Desde a superfície área não escalar tão rápido, todas as peças do motor terão que lidar com pressões muito maiores-força sobre a área.

O motor com a mesma produção de energia e menos cilindros será mais pesado e mais difícil de esfriar.

Pode ser construído? Absolutamente.

Será que vai voar bem? Não. Porque será muito pesado.

Você encontra cilindros enormes em aplicações em que o peso não é um problema, como nos navios.

Simplificação:

(fonte) Cilindros pequenos se encaixam perfeitamente em uma forma aerodinâmica fina.

Você mesmo disse isso com a proporção de área de superfície / volume. Você precisa tirar o calor dos cilindros e, se eles forem grandes demais, não será possível fazê-lo com eficiência. Também é difícil obter uma combustão uniforme, completa e rápida à medida que o volume aumenta.

Outros já mencionaram a escala de volume vs escala de superfície. No entanto, a parte mais importante sobre a superfície é a área da válvula.

Quando você escala um cilindro 2 vezes, obtém o volume 8 × tanto quanto as válvulas 4 × maiores. Isso significa que agora o mesmo volume do cilindro é atendido pela 2 vezes a área da válvula menor. Esta área determina a rapidez com que você pode encher e esvaziar o cilindro. Isso significa que você precisa diminuir a rotação. Quanto mais rpm significa mais potência, isso significa que você obtém retornos decrescentes: o dobro do cilindro grande fornecerá menos que o dobro da potência.

Adicionar outro cilindro, por outro lado, é quase perfeitamente linear: o dobro dos cilindros significa duas vezes mais potência.

A maioria já foi dita, mas eu acrescentaria o seguinte:

• Maior deslocamento significa pistões mais pesados ​​e com maior inércia. Isso limita a rotação e produz cargas graves nos componentes do motor. Para suportar essas cargas, outros componentes precisam ser mais rígidos e, portanto, mais pesados.

• O poder é o produto do momento e das revoluções. Aumentar a taxa de rpm produz energia mais rapidamente e é uma maneira mais fácil de obter mais energia (até certo ponto) do que aumentar o impulso. Para aumentar a RPM, peças internas mais leves devem ser empregadas. AFAIK, em aplicações de aeronaves, diferentemente do setor automotivo, é preferível uma RPM mais alta do que um momento mais alto. Você não precisa de energia no final de baixa rotação, tanto quanto em um carro.

• Quanto maior o deslocamento de um cilindro, mais difícil é obter uma formação uniforme da mistura e uma combustão completa e eficaz. É por isso que no motor automotivo, os motores de cilindro 4 geralmente se limitam a litros 2.0-2.5, cilindro 6 - a cilindro 3-3.3L, 8 - até litros 4-5 e assim por diante. Isso mantém o volume por cilindro em um determinado nível razoável (0.5l / cilindro).

• O limite de volume por cilindro também é determinado pela velocidade de combustão. Em altas rotações, pode acontecer que a combustão não termine quando o curso de força estiver completo; portanto, a chama dispara dos cilindros e, eventualmente, derrete as válvulas. Como uma variante, o mecanismo não será capaz de acelerar acima de determinadas RPM. Esse problema pode ser parcialmente negado pela ignição antecipada e velas de ignição duplas, mas novamente isso não é tão eficaz quanto manter uma boa relação volume / cilindro.

Com mais cilindros, os cursos são tão cronometrados que, quando um cilindro está compactando, outro produz energia e assim por diante. Isso garante que a potência (ou torque médio, como será mostrado no diagrama T-theta) permanecerá constante durante a rotação completa da manivela. A energia cinética armazenada no volante é proporcional à sua massa (na verdade, momento de inércia da massa). Se o motor exigir menos energia do volante para movimentos de compressão, KE requeridos para ser armazenado no volante é menor. E volante poderia ser feito isqueiro .

Os aviões precisam economizar peso. Em outras palavras: ele quer um motor com uma alta relação potência / peso. A potência produzida por um cilindro é proporcional à área da superfície do pistão (se a pressão permanecer a mesma). Portanto, se você dividir todas as dimensões de um cilindro de motor por 2, a potência produzida é 4x menor, mas o peso do cilindro é 8x menor. Portanto, a relação potência / peso é duas vezes maior. É por isso que os aviões preferem motores com muitos cilindros pequenos a um motor com alguns cilindros grandes. Na engenharia, isso é chamado de 'análise dimensional', consulte https://en.wikipedia.org/wiki/Dimensional_analysis

A aviação inicial não se baseava muito em todos esses conceitos científicos ou de engenharia, mas no que eles achavam funcionado. Muitos dos primeiros fabricantes de motores de aviação vieram principalmente da indústria automotiva, e eles pegaram o que sabiam que funcionavam e dobraram para atender aos requisitos de energia (plana 6 para v12). Por que eles tendem a não simplificar e reduzir o número de cilindros provavelmente tem muito a ver com confiabilidade (mais cilindros, mais redundâncias). Os britânicos e os americanos da aliança tiveram os primeiros conceitos de motores a jato da guerra, mas concentraram-se em tecnologias mais práticas; qual você gostaria de testar voar?