Restricciones

Diferentes aplicaciones tienen diferentes restricciones:

• Aviación: peso muy ligero, muy fiable
• Marina: muy alta resistencia
• Automotriz: peso moderadamente ligero, receptivo
• Motocicleta: muy ligera, muy compacta, muy sensible

Diferentes edades tecnológicas producen diferentes soluciones debido a restricciones adicionales, siempre limitadas por la tecnología contemporánea de entonces:

• Era pionera: haz que funcione
• Era de la Primera/II Guerra Mundial: lo más rápido posible
• Era de posguerra: más lejos, más rápido, mejor
• Era de la crisis del combustible: lo más eficiente posible

Motores de avión

La pregunta es sobre la optimización del número de cilindros versus el volumen de desplazamiento por cilindro para motores utilizados para aviación. Esto reduce el alcance a los "motores de pistones alternativos de combustión interna" (más el motor Wankel como un caso muy especial).

Obviamente, los cohetes, los chorros de pulsos, los motores de turbina y los motores eléctricos no tienen cilindros, y las máquinas de vapor nunca se usaron (con éxito) en los aviones.

El número de cilindros y la cilindrada son dos de los innumerables parámetros que intervienen en el diseño de cualquier motor. Ambos se pueden utilizar para aumentar la potencia de salida.

Aumento de potencia

La potencia de salida de un motor se puede aumentar mediante el número de cilindros o mediante el aumento de la cilindrada del cilindro (o ambos).

Cada cambio de parámetros provoca la ganancia o pérdida de ciertas características deseadas. Estos se enumeran más adelante en (N), (n), (D) y (d).

• Aumentar el número de cilindros significa ganar (N) y perder (n)
• aumentar el desplazamiento del cilindro significa ganar (D) y perder (d)

Agregar cilindros es más fácil que aumentar el tamaño del cilindro. La geometría del cilindro no cambia. Las piezas de motor idénticas se pueden utilizar varias veces en el mismo diseño de motor (bancos de cilindros, culatas de cilindros o bloques de motor completos).

cambio de compensación

A partir de una configuración de motor, se puede lograr la misma potencia de salida

• ganando (N) y (d), y perdiendo (n) y (D) o
• ganando (n) y (D), y perdiendo (N) y (d).

Razones para aumentar el número de cilindros (N)

• El par escala directamente con el número de cilindros
• El aumento de la relación superficie-volumen es ventajoso para los motores enfriados por aire.
• Aumente la potencia: agregar cilindros es más fácil que aumentar el tamaño del cilindro. La geometría del cilindro no cambia. Las piezas de motor idénticas se pueden usar varias veces en el mismo diseño de motor (bancos de cilindros, culatas de cilindros o bloques de motor completos)
• Mejorar el equilibrio de fuerzas y momentos.
• Reducir el tiempo entre golpes de potencia
• Disminuir el impacto de un cilindro defectuoso
• Mejorar la uniformidad de la distribución del par sobre la velocidad de revolución.
• Habilite un factor de forma más flexible y más distribuido

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

Razones para disminuir el número de cilindros (n)

• Simplicidad: menos partes móviles mejoran la robustez, disminuyen la necesidad de servicio y, por lo tanto, aumentan la disponibilidad.
• Habilite un factor de forma más compacto

_{Mercedes 1 cilindro, 1,5 kW, 720 rpm, 84 kg, construido en 1888.}

Razones para aumentar la cilindrada (D)

• Aumentar la potencia a través del par

_{BMW IIIa, 6 cilindros, 19,1 l, 200 hp, 1400 rpm, construido en 1917.}

Razones para disminuir la cilindrada del cilindro (d)

• Un desplazamiento más pequeño significa pistones más pequeños, varillas más cortas o ambos. De cualquier manera, un desplazamiento más pequeño permite una mayor velocidad de revolución y una mayor aceleración.
• Una cámara de combustión más pequeña disminuirá el tiempo requerido para la expansión de la llama (solo gasolina, no diesel). Esto permite una mayor velocidad de revolución.
• Las válvulas limitan el flujo de gas dentro y fuera del cilindro. Las válvulas están sujetas a la relación superficie-volumen. Los cilindros más pequeños son más fáciles de llenar y vaciar a través de las válvulas, lo que permite una mayor velocidad de revolución.
• A una tasa de compresión dada, los cilindros más pequeños tienen que soportar menos fuerza total, lo que permite una estructura de motor más liviana (menos peso).

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

notas

• Los motores radiales pertenecen a la era WW I/II. La mayoría de ellos estaban refrigerados por aire. Para los motores enfriados por aire, la relación superficie-volumen es importante. Por lo tanto, es obvio aumentar el número de cilindros en lugar de la cilindrada por cilindro.

• Los aviones durante la Primera y Segunda Guerra Mundial tenían que ser lo más rápidos y poderosos posible para atacar y defender. No había ninguna buena razón para optar por menos de 6 cilindros.

• Los motores de cuatro tiempos funcionan perfectamente con 1, 2 y 3 cilindros. Se utilizan parapentes con motor respectivamente aviones ultraligeros.

• Ciertos números de cilindros son más preferibles por razones de simetría.

  • 6, 8, 4 para motores en línea
  • números impares (por fila) para motores radiales

• Es muy posible construir motores radiales con un número par de cilindros, aunque no es preferible un número par en una fila. En muchos aviones se han volado motores radiales de varias filas con un número par de cilindros.

• Los desarrolladores de motores de automóviles prefieren 0,5 l por cilindro como compensación ideal.

• Se necesitaría una gran cantidad de cilindros para construir motores de pistón de alta potencia, pero este segmento ahora está ocupado por motores a reacción.

• Existen motores radiales de menos de 5 cilindros. Aquí hay un motor radial de 3 cilindros, construido en 1930 en los EE. UU.:

Su razonamiento es correcto si la masa del motor no es importante. Los barcos usan motores enormes , porque aumentar la cantidad de cilindros más allá de 8 tendrá rendimientos decrecientes en términos de suavizar las ondas de par, y los cilindros más grandes ayudan a aumentar la eficiencia. Pero los aviones necesitan mantener baja la masa del motor.

Motor diésel de dos tiempos turboalimentado Wartsila-Sulzer RTA96-C durante el montaje ( fuente de la imagen ). Su tamaño hace que este motor sea sumamente eficiente: su versión de 14 cilindros produce 108.920 CV a 102 rpm y tiene una eficiencia térmica superior al 50%. El consumo específico de combustible es de solo 0,260 lbs/hp/hora. ¡Pero pesa 2600 toneladas!

La potencia del motor es el producto del par y la velocidad . Para maximizar la potencia del motor, la velocidad debe mantenerse lo más alta posible. El aumento del tamaño del cilindro limitará la velocidad a la que puede funcionar el motor debido a la velocidad del proceso de combustión dentro del espacio de combustión. Si el diámetro del cilindro crece demasiado, el frente de llama que se origina en la bujía no habrá viajado lo suficiente como para quemar la mayor parte del combustible cuando el pistón vuelva a bajar. Solo agregando más cilindros aumentará la potencia mientras mantiene constante la velocidad del motor.

Aquí hay una comparación de los motores de aviones de la Primera Guerra Mundial del excelente sitio enginehistory.org . Tenga en cuenta cómo las cifras de diámetro y velocidad se correlacionan inversamente (el Austro-Daimler 120 era un diseño anterior a la guerra y experimentó aumentos de velocidad posteriores):

Comparación gráfica, se muestra el Austro-Daimler con las especificaciones de una versión posterior.

Cita del PDF vinculado ( enginehistory.org ):

El gran diámetro interior, sin embargo, empujó el límite superior de un cilindro de motor aeronáutico. El enfriamiento adecuado y la eficiencia del combustible requieren una combustión lo más completa posible de la mezcla de aire y combustible y esta combustión completa requiere que los frentes de llama que se mueven a través de la cámara de combustión desde sus respectivos puntos de ignición tengan tiempo para encontrarse. Por lo tanto, la velocidad de un motor aeronáutico de cuatro tiempos con un cilindro de gran diámetro está limitada por la tasa de combustión de la mezcla de aire y combustible que para un cilindro y una mezcla dados es una constante y, por lo tanto, los esfuerzos para aumentar la potencia de salida aumentando la velocidad de un motor con un cilindro de gran diámetro puede resultar en una combustión incompleta, sobrecalentamiento y detonación.

Otros límites a la velocidad del motor, como las cargas en las bielas o el llenado y lavado adecuados de los cilindros, pueden solucionarse utilizando materiales de mayor resistencia y más válvulas por cilindro, respectivamente, pero cuando se indica el tipo de combustible, el límite estricto para la velocidad del motor es el diámetro interior del cilindro. Entonces, la única forma de aumentar la potencia sin dañar la relación potencia/peso es agregar más cilindros.

Otros ya han mencionado la escala de volumen frente a la escala de superficie. Sin embargo, la parte más importante de la superficie es el área de la válvula.

Cuando escala un cilindro 2 veces, obtiene 8 veces más volumen pero solo válvulas 4 veces más grandes. Esto significa que el mismo volumen del cilindro ahora se sirve con un área de válvula 2 veces menor. Esta área determina qué tan rápido puede llenar y vaciar el cilindro. Esto significa que tienes que bajar las rpm. Como más rpm significa más potencia, eso significa que obtiene rendimientos decrecientes: el cilindro dos veces más grande entregará menos del doble de potencia.

Agregar otro cilindro, por otro lado, es casi perfectamente lineal: el doble de cilindros significa el doble de potencia.

Tú mismo lo dijiste con la relación entre el área de la superficie y el volumen. Tienes que sacar el calor de los cilindros, y si son demasiado grandes no puedes hacerlo de manera efectiva. También es difícil lograr una combustión uniforme, completa y rápida a medida que aumenta el volumen.

La mayoría ya se dijo, pero agregaría lo siguiente:

• Más desplazamiento significa pistones más pesados ​​que tienen mayor inercia. Esto limita las RPM y produce cargas importantes en los componentes del motor. Para soportar estas cargas, otros componentes deben ser más rígidos y, por lo tanto, más pesados.

• La potencia es el producto del impulso y las revoluciones. Aumentar la tasa de rpm produce potencia más rápido y es una forma más fácil de obtener más potencia (hasta cierto punto) en lugar de aumentar el impulso. Para aumentar las RPM, se deben emplear piezas internas más ligeras. AFAIK, en aplicaciones aeronáuticas, a diferencia de la automoción, se prefieren RPM más altas a un impulso más alto. No necesita energía en el extremo de bajas revoluciones tanto como en un automóvil.

• Cuanta más cilindrada tiene un cilindro, más difícil es lograr una formación uniforme de la mezcla y una combustión completa y eficaz. Es por eso que en los motores de automóviles, los motores de 4 cilindros se limitan con mayor frecuencia a 2.0-2.5 litros, 6 cilindros - a 3-3.3L, 8 cilindros - hasta 4-5 litros, etc. Esto mantiene el volumen por cilindro a un cierto nivel razonable (0,5 l/cilindro).

• El límite de volumen por cilindro también está determinado por la velocidad de combustión. En RPM altas, puede resultar que la combustión no termine cuando se completa la carrera de potencia, por lo que la llama se dispara desde los cilindros y eventualmente derrite las válvulas. Como variante, el motor no podrá acelerar en absoluto por encima de ciertas RPM. Este problema podría ser parcialmente anulado por el encendido temprano y las bujías dobles, pero nuevamente, esto no es tan efectivo como mantener una buena relación volumen/cilindro.

Con más cilindros, las carreras están tan sincronizadas que, cuando un cilindro se comprime, otro entrega potencia, y así sucesivamente. Esto asegura que la potencia de salida (o par medio, como se muestra en un diagrama T-theta) permanecerá constante durante la rotación completa de la manivela. La energía cinética almacenada en el volante es proporcional a su masa (en realidad, momento de inercia de la masa). Si el motor requiere menos energía del volante para las carreras de compresión, la KE requerida para almacenarse en el volante es menor. Y el volante podría hacerse más ligero .

Los aviones necesitan conservar el peso. En otras palabras: quiere un motor con una alta relación potencia/peso. La potencia producida por un cilindro es proporcional al área de superficie del pistón (si la presión permanece igual). Entonces, si divide todas las dimensiones de un cilindro de motor por 2, la potencia producida es 4 veces menor, pero el peso del cilindro es 8 veces menor. Por lo tanto, la relación potencia/peso es el doble. Por eso los aviones prefieren motores con muchos cilindros pequeños a un motor con pocos cilindros grandes. En ingeniería esto se llama 'análisis dimensional', consulte https://en.wikipedia.org/wiki/Dimensional_analysis

La aviación temprana no se basó mucho en todos estos conceptos científicos o de ingeniería, pero se basó en lo que encontraron que funcionó. Muchos de los primeros fabricantes de motores de aviación provenían principalmente de la industria automotriz y tomaron lo que sabían que funcionaba y lo duplicaron para cumplir con los requisitos de potencia (flat 6 a v12). Por qué tendieron a no simplificar y reducir la cantidad de cilindros probablemente tuvo mucho que ver con la confiabilidad (más cilindros, más redundancias). Los británicos, y por alianza los estadounidenses, tenían los primeros conceptos de motores a reacción de la guerra, pero se centraron en una tecnología más práctica; ¿Cuál te hubiera gustado probar volar?

Además de lo que ya se ha dicho aquí, hay un límite de velocidad del pistón, los motores de altas revoluciones tienen recorridos de manivela más cortos. El frente de la llama y, por lo tanto, el pistón solo pueden viajar tan rápido, los motores grandes como los barcos tienen grandes tiros, motores de bajas revoluciones, pero tienen velocidades máximas de pistón similares a las de los motores de automóviles.

¿Por qué no hacer que la manivela tire de la misma manera pero que tenga pistones de gran diámetro? bueno, eso se puede hacer, pero solo hasta cierto punto, demasiado ancho y el cigüeñal se vuelve demasiado débil y el motor se vuelve realmente ancho.