¿La potencia de un motor de pistón diesel disminuye más lentamente con la altitud que con un motor AVGAS?

¡Bienvenido a la comunidad! Debido a que el Austro Engine AE-300 es un motor diesel (JetA/Kerosene y Diesel son muy similares), está equipado con un turbocargador. Los turbocompresores comprimen el aire de admisión del motor para mantener la densidad del aire a nivel del mar, de modo que el motor produzca toda su potencia a medida que asciende en un aire menos denso.

Hablando de motores de automóviles y camiones, los motores diésel a menudo están equipados con un turbocompresor para aumentar la presión del aire de admisión.

Tanto en automóviles como en aviones, los motores de pistón de gasolina no suelen estar equipados con un turbocompresor a menos que el motor esté instalado en un automóvil o avión de alto rendimiento donde el cliente paga más dinero para obtener más rendimiento. En los últimos años, algunos autos que no son autos de alto rendimiento han sido equipados con turbocompresores para obtener más rendimiento (un nivel promedio) de un motor muy pequeño.

Los turbocompresores son muy útiles para las aeronaves, ya que vuelan a altitudes donde el aire se vuelve menos denso, lo que reduce el rendimiento.

Al volar un avión con motor de gasolina sin turbocompresor, la pérdida en el rendimiento del motor se vuelve bastante notable cuando se asciende a 5000 pies. Si es un día caluroso con una altitud de alta densidad, la pérdida de rendimiento se producirá a una altitud aún más baja.

Un motor que no está equipado con un turbocompresor se denomina "de aspiración natural", lo que significa que "respira" de forma natural, no con un turbocompresor forzando el aire para un mejor rendimiento.

Una cosa interesante a tener en cuenta sobre el gráfico de rendimiento de altitud al que se vinculó es que están comparando su motor diésel equipado con turbocompresor AE-300 con el Lycoming IO-360. El Lycoming IO-360 no está turboalimentado. El IO-360 turbocargado se llama TIO-360 (T= Turbocargado, I= Combustible *Inyectado, O = Opuesto (diseño de motor horizontalmente opuesto).

El IO-360 sin turbocompresor es el motor de aviación general equivalente, típico y común para comparar el AE-300, en términos de potencia y rendimiento, pero no tiene un turbocompresor.
Por lo tanto, cuando asciende en aire más enrarecido, el motor recibe menos oxígeno y genera menos potencia, lo que resulta en una caída del rendimiento de altitud en el gráfico al que se vinculó.

Basado en el gráfico de motor Austro vinculado, creo que su pregunta es sobre aviones de hélice de aviación general en los que la hélice es impulsada por un motor de pistón, no sobre motores turbohélice donde la hélice es impulsada por una turbina a reacción, ¿es correcto?

No es porque sea un motor diésel, aunque es más probable que los diésel estén diseñados de esa manera.

El motor se llama "clasificación plana". Eso significa que su poder no está limitado simplemente por no poder quemar más combustible a un volumen de pistón y RPM dados, sino por la presión o temperatura máxima.

El controlador limita la cantidad de combustible que se puede inyectar en altitudes de densidad inferiores a 9000 pies para evitar exceder esos parámetros y dañar el motor. Sin eso, la curva de potencia tendría la misma pendiente que para el IO360, pero el motor tendría que ser mucho más pesado.

Pero en realidad no necesitas esa potencia a bajas altitudes. La resistencia es la misma a la misma velocidad aérea indicada, necesita el mismo empuje para mantener su velocidad de crucero óptima a cualquier altitud. Pero la potencia es el empuje multiplicado por la velocidad, es decir, la verdadera velocidad aerodinámica, por lo que a mayor altitud necesita más potencia para mantener la velocidad aerodinámica indicada. Entonces, al calificar el motor de forma plana, puede permitir un crucero más alto sin hacerlo mucho más pesado.

Ahora es más probable que los motores diésel tengan una clasificación plana.

• Solo los motores turboalimentados tienden a tener una clasificación plana. La clasificación plana básicamente significa limitar la presión del colector. Pero la presión ambiental siempre puede entrar en el motor y el motor siempre tiene que soportar eso. Por lo tanto, el límite siempre es más alto que la presión ambiental, lo que solo puede ocurrir en motores turboalimentados. Allí también es posible proteger el motor para que no exceda el límite de presión del colector agregando válvulas de descarga apropiadas en el turbocargador.

• Es más probable que los motores diésel sean turboalimentados. Los motores diesel inyectan combustible solo en el punto en que debería comenzar a quemarse, por lo que pueden tener relaciones de compresión altas y, de hecho, necesitan relaciones de compresión altas para alcanzar la temperatura de autoignición del combustible solo por compresión. Por otro lado, los motores de encendido por chispa tienen el combustible ya mezclado en el aire, por lo que no deben alcanzar esa temperatura, lo que limita su relación de compresión. Y la carga turbo aumenta la relación de compresión efectiva, por lo que los motores de encendido por chispa solo pueden ser turboalimentados en la medida en que el intercooler pueda evitar que la temperatura suba demasiado, mientras que los motores diésel pueden ser turboalimentados tanto como los cilindros estén diseñados para manejar.

Entonces, debido a que agregar un turbocompresor aumenta la potencia con menos peso que hacer que el motor sea más grande, todos los motores diésel tienen turbocompresor en estos días y lo han sido durante bastante tiempo. Y agregar un turbo más grande a un motor es un cambio relativamente pequeño que permite llevar la potencia máxima a una altitud de mayor densidad, por lo que una vez que el motor está turboalimentado, es el siguiente paso lógico.

Agregaría que los grandes motores de aviones de los años 40 y 50 tenían todos una clasificación plana, a menudo a más de 15,000 pies. Es decir, su curva de potencia tenía una forma similar a la que muestran para el AE300 a pesar de que eran motores encendidos por chispa.

Por ejemplo, los enormes ciclones Wright estaban limitados a una presión de colector de 54 inHg para el despegue y una presión de colector continua de 49 inHg, pero irían muy por encima de eso si cortases los aceleradores al nivel del mar. Y tenían un turbocompresor de segunda etapa que el ingeniero de vuelo solo encendía por encima de los 8.500 pies. En ese momento no había controladores electrónicos del motor, por lo que la tripulación tuvo que prestar mucha atención al manómetro del múltiple para evitar dañar los motores.

¡Todo se trata de la compresión de aire!

El gráfico que menciona muestra dos motores de pistón con engranajes diesel/jetfuel y un motor de pistón de transmisión directa avgas, el Lycoming IO360. Los gráficos de los dos motores diesel tienen una pendiente horizontal en altitudes más bajas, que de hecho es causada por un compresor de aire de admisión.

• D - Accionamiento directo
• G - Engranado (entre la hélice y el motor)
• N - Normalmente aspirado
• S - Sobrealimentado
• T - turboalimentado
• C - Carburado
• I - Inyección de combustible

La figura de arriba es la fig. 4-7a de Torenbeek, Synthesis of Subsonic Airplane Design, y compara diferentes configuraciones de motores de pistones avgas carburados con un desplazamiento constante del pistón. Como puede verse:

• solo el motor de pistón avgas de aspiración normal (como el Lycoming O360) tiene un rendimiento que disminuye continuamente con la altitud;
• el motor Geared Turbo tiene el mejor rendimiento en altitud, la mayor potencia en cualquier altitud.
• los motores Direct Drive están limitados por RPM más bajas debido a las RPM máximas de la hélice.

Lo interesante de los gráficos es lo que sucede en el lado derecho: todos desaparecen en 0% a 16,5 km de altitud. Por lo tanto, cuanto mayor sea la potencia inicial en el km 0, más pronunciada será la caída a cero en el km 16,5. Y creo que esta es la base de la pregunta OP.

• El Lycoming O360 es un motor de tracción directa de aspiración normal de 6 l y desarrolla 180 hp a 2700 rpm.
• El AE300 es un motor de engranajes turboalimentado de 2 l, 168 hp kW @ 2300 rpm hélice
• El Thielert/Continental Centurion es muy similar al AE300, con una potencia de salida certificada más baja.

Entonces, la pregunta es: ¿por qué los diésel no siguen la tendencia general que se muestra en el gráfico de Torenbeek? Esto se debe a la mejor eficiencia térmica de un motor diésel moderno con inyección common rail:

1. La relación de compresión es más alta que la de un motor avgas: el diésel no tiene efecto de detonación a alta compresión. Los motores Avgas que usan combustible de alto octanaje (100/130) pueden usar relaciones de compresión de 1:8 a 1:10, el motor tipo AE300 tiene una relación de compresión de 17:1 . Entonces, a cualquier altitud, la presión del aire circundante aumenta más en un motor diesel que en un motor Avgas.
2. Los diésel tienen inyección de combustible, lo que resulta en una combustión más eficiente. La inyección de combustible aumenta la potencia de salida a cualquier altitud en un pequeño porcentaje.