¿En qué se diferenciaría un nuevo motor de pistón de aviación general de "hoja limpia" con la última tecnología de los tipos Continental/Lycoming existentes?

Tengo entendido que los motores de pistón GA actuales de Continental y Lycoming se basan en un diseño de la década de 1960. Ha habido muchas mejoras evolutivas, pero solo dentro de las limitaciones de los diseños de 1960. Son de gran cilindrada (~1,5 l/cilindro), funcionan a RPM en el rango de mediados de la década de 2000 para que puedan hacer girar la hélice a velocidades óptimas sin usar una caja de cambios, y se enfrían por aire para ahorrar el peso y la complejidad de una refrigeración líquida. sistema.

¿Cómo sería hoy un motor de pistón GA completamente nuevo y diseñado desde cero? Teniendo en cuenta las mejoras masivas que se han realizado en todo tipo de motores a lo largo de los años en aplicaciones no aeronáuticas, para automóviles, trenes, barcos, generadores, etc.

¿Seguirían funcionando a RPM tan bajas? Sí, la confiabilidad y la durabilidad siguen siendo las principales preocupaciones, pero las tolerancias de fabricación son mucho más pequeñas ahora que en la década de 1960 (lo que posiblemente permita un funcionamiento confiable a RPM más altas), y ahora están montando cajas de cambios fijas en motores de turbina de aviones comerciales, por lo que agregan un La caja de cambios fija a un motor de pistón GA debería ser trivial.

¿Seguirían siendo enfriados por aire? Sí, aún puede ahorrar peso, pero posiblemente a costa de una resistencia de enfriamiento adicional y, definitivamente, a costa de una operación mucho más delicada que requiere que el piloto controle cuidadosamente las temperaturas del motor a lo largo de su ciclo de vuelo.

¿Seguirían estando en un arreglo de motor plano (plano 4, plano 6, etc.)? Me imagino que sí, no puedo imaginar una disposición alternativa de motor de pistón con las ventajas de suavidad, empaque y escalabilidad de la arquitectura plana. Los motores rectos son demasiado largos y los motores en V requieren muchos más cambios para escalar el número de pistones hacia arriba o hacia abajo.

¿Seguirían volando con combustible tipo gasolina encendido por chispa, o podría el encendido por compresión basado en combustible para aviones producir la densidad de potencia y la confiabilidad requeridas? Me doy cuenta de que el factor individual más importante en esta área podría ser la simple disponibilidad (o falta de ella) de combustibles, pero estoy hablando puramente desde una perspectiva de ingeniería. Supongamos que estamos hablando de América del Norte, donde tanto Avgas como Jet A están ampliamente disponibles, ¿cuál sería el combustible superior para los motores de pistón GA voladores?

¿Qué otras diferencias puede haber que no haya considerado?

Las bajas RPM no son tanto una función del motor como de la hélice. Las puntas de las hélices deben mantenerse subsónicas. Hay diseños de hojas limpias en los nuevos pistones diesel/JET-A que se están poniendo en algunos aviones.
@RonBeyer Sí, abordé el aspecto de la velocidad de la hélice de la ecuación, sin embargo, ¿no podrían simplemente agregar un engranaje fijo para permitir que el motor funcione a RPM mucho más altas? De acuerdo con los principios básicos del diseño del motor, las RPM más altas deberían permitir una mayor densidad de potencia... por supuesto, muchas desventajas potenciales, algunas de las cuales menciono...
Ciertamente no soy un experto en motores de aviación, pero me parece que hacer funcionar el motor a RPM más altas y luego reducir la salida a lo que se requiere para la hélice es simplemente una receta para quemar más combustible para cubrir la misma distancia. - No es una perspectiva atractiva. Mi auto tiene 5 marchas - a 2000 RPM en 3ra puedo hacer 55MPH, en 4ta 65MPH y en 5ta 75MPH. Puedo cambiar el engranaje para viajar más rápido con el mismo combustible por hora, pero no es así como funciona en un avión de apoyo. En todo caso, querrá que el motor gire más lento que la hélice para ahorrar combustible (dejando de lado otras consideraciones).
@FreeMan: La diferencia es que a velocidades de autopista, el motor de su automóvil produce solo una pequeña fracción de su potencia nominal (todo lo que se necesita para superar la fricción del aire y la resistencia a la rodadura). La mayor parte de la potencia potencial solo se utiliza para la aceleración. (Es por eso que los híbridos obtienen mejores millas por galón). El motor de un avión funciona a una gran fracción de la potencia máxima todo el tiempo.
Un diseño de hoja limpia es el Jet Engine, ¿no? Tbh, si tiene un sobrepeso de 100 libras, entonces el ahorro de costos real está justo debajo de sus narices.

Respuestas (4)

Tendría una caja de cambios entre el cigüeñal y la hélice. Eso es seguro.

Otros detalles muy probables serían:

  • árboles de levas en cabeza
  • cuatro válvulas por cilindro
  • refrigeración por agua al menos para las culatas
  • ignición electrónica
  • control de una sola palanca

Esto le permitiría funcionar constantemente a aproximadamente 4000 RPM y generar la misma potencia con un desplazamiento más pequeño. La consecuencia sería un motor central más compacto y ligero. En comparación con el motor de un automóvil, el sistema de refrigeración sería más capaz, por lo que el peso sería aún mayor que el del motor de un automóvil con la misma potencia nominal en el eje. Pero debería ser más ligero y permitir un carenado más aerodinámico que los actuales motores aeronáuticos de pistón.

El motor de vuelo Porsche (PFM 3200) era así, y por una razón. Sí, no superó a los motores más antiguos en términos de masa, pero era notablemente menos ruidoso. A partir de un diseño bóxer de seis cilindros anticuado, los ingenieros no pudieron optimizar completamente el motor para el propósito previsto.

Una vez que se instala una caja de cambios, tiene sentido reducir la velocidad de la hélice, por lo que el diámetro de la hélice instalada en ese motor sería un poco mayor que el de una hélice comparable en un motor convencional.

Una vez que Jet-A esté ampliamente disponible en los aeródromos de GA, también sería muy probable una versión diesel. Tenga en cuenta, sin embargo, que el peso del sistema de un motor de pistón (motor + accesorios + sistema de combustible + combustible) será mayor para un diésel en rangos cortos.

Gracias por estos detalles. Los cambios que menciona (árboles de levas en cabeza, cuatro válvulas por cilindro, encendido electrónico, control de una sola palanca) ¿son cosas que son imposibles de integrar como cambios evolutivos en los diseños Continental/Lycoming existentes? Con respecto a 4000 rpm, ¿es ese solo el límite actual para una operación confiable a largo plazo?
@Charles847: Los árboles de levas en cabeza y cuatro válvulas por cilindro ya se usaban en los motores aeronáuticos de la Segunda Guerra Mundial, por lo que no debería ser un problema integrarlos. La única barrera es la falta de competencia. El encendido electrónico y el control de una sola palanca también serían una obviedad para todos los diseñadores de motores decentes: el mismo problema. Los titulares están protegidos por un enorme muro de regulación que los vuelve perezosos. Las 4000 RPM son un compromiso conservador entre la vida útil del motor y el rendimiento, pero no tienen un límite fijo.
¿Por qué Jet-A en lugar de diésel automotriz simple y antiguo?
@jamesqf: Jet-A tiene una calidad específica. Por favor, lea esta respuesta para más detalles. No podría explicarlo ni la mitad de bien.
@PeterKämpf Por lo que he visto en este lugar, si dice que no podría explicarlo mejor, debe ser una muy buena respuesta.
@Peter Kämpf: Ese enlace realmente no explica por qué usarías Jet-A en un diesel GA. Para citar del enlace en sí, "no hay razón para quemar un combustible más estrictamente especificado (y, por lo tanto, más caro) cuando uno menos costoso está fácilmente disponible", el diésel viejo y simple obviamente funciona bastante bien en los diésel automotrices: ¿por qué no funcionaría? igual de bien en un motor diesel GA (bien diseñado)? Los problemas de índices de octanaje que se aplican a algunos motores de gasolina más antiguos no se aplicarían a un diésel de nuevo diseño.
Esta respuesta necesita explicar por qué para cada uno de los puntos. El agua se congela, se expande y se mueve cuando vuela. Las válvulas son para respirar y realmente brillan a altas revoluciones, incluso el doble de válvulas no significa el doble de flujo de aire. OHC No entiendo por qué eso es importante tampoco. ¿Por qué incluso tener una leva en primer lugar y simplemente ir directamente eléctrico o neumático?
@Mr.DemetriusMichael está bien, algunos detalles. El agua congelada en el sistema de refrigeración no debería ser un problema durante el funcionamiento, cuando la temperatura del agua de refrigeración suele ser > 90 °C. Al igual que con los automóviles, eso podría ser un problema como máximo cuando se estaciona en ambientes muy fríos (< -20°C). OHC para sincronizaciones de válvulas más precisas mientras se usa tecnología madura; más allá de eso, sí, ¿por qué no eléctrico o neumático? La cuestión es que la madurez tecnológica a menudo se mide en miles de kilohoras de operación (kOh) de experiencia de campo. No se donde estamos con electricos o neumaticos (F1.. unas horas..)

Se vería casi idéntico principalmente porque los motores están diseñados en torno a un caso de uso, no para actividades puramente de ingeniería. Es posible que vea algunas opciones de materiales diferentes, algunos cambios en las tuberías y el diseño del cabezal a medida que nuestra comprensión de estos temas ha mejorado y nuestras habilidades de producción han avanzado mucho, pero en última instancia, pocos cambios.

Deberías leer las respuestas aquí , y aquí . Son casi duplicados, pero se centran más en por qué los motores de los automóviles modernos no se utilizan en la aviación. Aunque en algunos casos lo son .

Los motores de pistón GA con cajas de engranajes reductoras se intentaron en los años 80 en el Mooney M20 PFM , y finalmente el proyecto fue un fracaso. Mooney pagó para reemplazar todos los motores con continentales.

Como @RonBeyer menciona en los comentarios, las bajas RPM son una función de la hélice, no del motor.

Los motores de aviones simplemente tienen un caso de uso diferente al de los motores de automóviles, lo que los ha mantenido más simples a lo largo de los años. El costo de la certificación (un factor muy importante en la aviación) también ha mantenido a raya la rápida innovación.

o podría la ignición por compresión basada en combustible para aviones producir la densidad de potencia y la confiabilidad requeridas

Algunos motores diésel de pistón modernos ya están certificados para funcionar con Jet A.

Este artículo lo dice lo mejor que puedo y vale la pena leerlo .

Algo que quizás se pasa por alto es que los motores de los aviones no están sujetos a las mismas regulaciones que los motores de los automóviles. Como tales, son, en algunos casos, más eficientes. Una cosa importante que afecta la eficiencia de los motores de los automóviles son los convertidores catalíticos y los silenciadores, algo que los aviones GA realmente no tienen. Como tal, nunca ha habido una razón para compensar la pérdida de rendimiento como resultado de las regulaciones.

También menciona "más confiables", los motores GA son bastante confiables y la FAA/NTSB ha informado que los accidentes relacionados con la mecánica tienen una tendencia general a la baja si miramos hacia atrás en la historia. Las prácticas industriales y de mecanizado modernas se pueden utilizar para fabricar motores antiguos de una manera más fiable y consistente.

Un aumento importante de la eficiencia que se ha realizado en tierra es la carga turbo. Si bien hay muchos aviones turbo, la actitud predominante en la aviación siempre ha sido mantener las cosas simples. Menos piezas significa menos fallas, por lo que simplemente hay un mercado más pequeño para un motor de avión turbo. No es que la tecnología sea un misterio para los fabricantes o los consumidores, es simplemente una complejidad no deseada.

Acabo de terminar de leer un artículo fascinante sobre el motor utilizado en su Mooney M20 PFM mencionado, y reconozco todas esas desventajas, pero parecen ser desventajas inherentes a la aplicación de motores optimizados para automóviles a la aviación, en lugar de desventajas inherentes a la aplicación. de la tecnología moderna de motores de pistón a los motores de aviación especialmente diseñados. ¿No deberían los avances en nuestro nivel tecnológico permitir motores de aviación que sean más pequeños, más livianos, más confiables, más eficientes, para la misma potencia, al igual que nuestros avances tecnológicos han permitido tales ganancias para motores automotrices, marinos y estacionarios?
Las respuestas vinculadas mencionan todas las razones no tecnológicas de las diferencias del motor, pero claramente implican que el nuevo diseño al menos usaría RPM más altas. Probablemente también usaría todo el control de la computadora, que ahora está bien probado en la operación de automóviles.
Esta no es la respuesta a la pregunta. no se trata del uso de un motor de automóvil en GA. Se trata de comparar el progreso que se ha producido en el sector de la automoción (que es enorme), con el que se ha producido en el sector GA.
Afirmar que se verían idénticos es como afirmar que los motores de los automóviles modernos se ven idénticos a los motores de los automóviles de los años 60, solo porque ya entonces fueron diseñados para el caso de uso de un automóvil.

De una fuente polacaFuente de imagen

Se vería como el motor GA moderno que ya está en producción, el Austro AE300 :

  • a base de motor de coche, en el caso del AE300 un Mercedes diesel.
  • refrigeración por agua.
  • una caja de cambios de reducción 1:1.69.
  • funcionando con diesel o queroseno (Jet A1).
No estoy seguro de eso. Mi suposición (fuerte) es que usan el AE300 como base porque entonces pueden ahorrar la mitad del desarrollo de ingeniería y las pruebas al depender de piezas probadas, como compensación para mantener bajos los costos de desarrollo, especialmente en un mercado de pequeño volumen, donde el desarrollo los costos juegan un papel más importante que en el mercado de producción en masa como la industria automotriz. Mi suposición es que, si tuviera un patrocinador dispuesto a pagar cualquier cosa, obtendría un diseño diferente.

Rotax fabrica motores GA modernos incluso para aplicaciones certificadas. Pero no difieren tanto como los motores de automóviles de los motores de aviación, ya que funcionan y tienen diferentes requisitos. https://www.flyrotax.com/produkte/detail/rotax-915-is-isc.html

¿En qué se diferenciaría un nuevo motor de pistón de aviación general de "hoja limpia" con la última tecnología de los tipos Continental/Lycoming existentes?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v