¿Por qué el motor Piper Cherokee (PA-28-140) tiene tan poca potencia a pesar de su gran cilindrada?

Estoy seguro de que esta pregunta podría aplicarse a muchos otros motores de aviones, pero específicamente estoy viendo el Piper Cherokee PA-28-140.

Sorprendentemente, parece que el motor utilizado, el Lycoming O-320 , tiene una cilindrada de ~320 pulgadas cúbicas pero solo genera 150 hp.

Al comparar los caballos de fuerza por pulgada cúbica de desplazamiento (CID), la relación es bastante baja. Tenemos la tecnología (y ya la usamos en vehículos en los años 50, 60, etc.) para lograr una eficiencia mejor que esa.

¿Por qué este motor (y quizás otros modelos) es tan ineficiente?

Parece haber un patrón general. He notado que los motores de aviones GA pequeños tienden a producir 1 hp por 2 pulgadas cúbicas de desplazamiento. Esto no está muy lejos de ese patrón típico.
Recuerde que el IO-320 es un motor de 4 cilindros y 5.24 L, es un enorme 4 cilindros, con una relación de compresión (máxima para esa serie de motores) de 9:1 (o tan baja como 7:1). Los motores de automóviles utilizan relaciones de compresión entre 10:1 y 15:1 (o más para los diésel).
Porque la velocidad del motor es limitada. Los motores de los automóviles tienen fácilmente el doble de RPM que un motor de pistón de aviación, por lo que pueden producir el doble de caballos de fuerza con el mismo desplazamiento. Agregue turboalimentación y la brecha se amplía aún más.

Respuestas (4)

Los motores de aviación funcionan a RPM casi máximas durante todo el vuelo. Un automóvil, por otro lado, no usa el espectro completo de RPM excepto en ráfagas. 1

Si el motor de un automóvil se utilizó de la misma manera que un motor de aviación, no durará mucho.

Entonces, un motor de aviación es más resistente , más pesado y más débil (hp) para el mismo desplazamiento, pero también proporciona un par mayor (cilindros grandes). 2

Los motores de Fórmula Uno tienen un desplazamiento pequeño, un peso muy ligero y, sin embargo, entregan cerca de 1000 hp. Pero tampoco duran mucho. Algo así como 15 horas de carreras y sesiones de práctica.

Lectura adicional: ¿Los motores de automóviles son buenos motores de avión?

Los aviones de 1 pistón funcionan casi a RPM máximas porque no tienen y no necesitan cajas de cambios .

2 aleaciones y tecnología de la misma época .

No encontré ese artículo muy convincente. Comienza afirmando que los motores de los automóviles no son adecuados, continúa diciendo que en realidad no sabemos qué sucedería cuando colocamos un motor de automóvil en un avión y concluye con algunos ejemplos exitosos de fabricantes que lo hicieron de todos modos...
Tampoco estoy seguro de encontrar muy convincente el argumento constante de RPM máximas . No soy ingeniero, pero supongo que es mucho más difícil hacer que un motor sea eficiente y resistente si tiene que operar en un amplio rango de velocidades, que si básicamente puede asumir RPM constantes.
"Pero [los motores de Fórmula Uno] tampoco duran mucho. Algo así como 15 horas de carreras y sesiones de práctica". Eso solía ser correcto, pero la regulación actual de motores de F1 permite que cada piloto tenga solo 4 "unidades de potencia" (motor + otros componentes) por temporada, por lo que cada unidad tiene que durar en promedio cinco fines de semana de GP (tres sesiones de práctica, una de calificación). sesión y una carrera). Todavía una vida corta, pero más larga de lo que suponías.
@leftaroundabout No se trata tanto de rpm constantes, sino más bien de altas rpm constantes. Las rpm medias del motor de un avión están más cerca de sus rpm máximas que las del motor de un automóvil.
@curious_cat: bueno, sí. Aunque me atrevo a decir que sería más pertinente argumentar que el O-320 tiene un régimen máximo de revoluciones mucho más bajo, por lo tanto, no puede producir tanta potencia como un motor de automóvil de tamaño comparable . La salida específica más baja no se debe a , sino a pesar de que opera a RPM casi máximas constantes.
"Si un motor de automóvil se utilizara de la misma manera que un motor de aviación" Aquí está la cosa: no sería así. // El Lycoming O-320 es un motor de 5.2L que genera 150 HP a 2700 RPM. Un Mustang GT 2011 con un motor de 5.0L genera 380 HP a 600 RPM. Hace alrededor de 200 HP EN RALENTÍ . No importa si el motor de un automóvil no puede funcionar a RPM máximas todo el tiempo como lo hace el motor de un avión. El motor de un automóvil tiene más HP, por lo que no tiene que funcionar a RPM máximas. Las RPM normales de crucero en carretera de alrededor de 3000-4000 son más que suficientes. Usar un motor turboalimentado o sobrealimentado más pequeño sería aún mejor.
@ymb1 Me parece de mala educación votar negativo sin dejar una explicación. Voto negativamente las publicaciones que creo que están mal y dejo un comentario sobre cuál es el problema. Si no hubiera una mejor respuesta, se me ocurriría una. Afortunadamente, Tom ya proporcionó una respuesta que tiene un mínimo de sentido, así que la voté a favor. Use mi comentario para mejorar su respuesta, o no lo haga.
Otra forma posible de mejorar su respuesta: Dedicó 3 de 4 de sus párrafos a hablar sobre las diferencias en RPM y cómo se relaciona con la longevidad del motor. El otro párrafo es más resistente, más pesado, más débil y con mayor torque. Si su respuesta es algo sobre el torque, tal vez debería explicar por qué eso es importante. Por lo menos, ponga en negrita la parte de torsión en lugar de las partes de RPM...
Una cosa que olvidé mencionar es que el Lycoming es aproximadamente la mitad de pesado que el Mustang 5.0. Esa es una gran reducción de peso y una ventaja que probablemente no debería ignorarse.
En realidad, el Lycoming O-320 tiene menos torque a 2700 que el Mustang a cualquier rpm. vansairforce.com/community/showthread.php?t=46423 Si los números de ese tipo son correctos.

Una razón no es tanto si puede construir un motor alternativo con mayor potencia o mejor eficiencia , sino si puede hacerlo con una confiabilidad muy alta durante períodos prolongados . La mayoría de los motores de automóviles funcionan en promedio al 20 % de potencia con salidas de potencia más altas muy breves, mientras que los motores de aviones funcionan de forma rutinaria al 65-85 % de potencia y se espera que tengan un tiempo medio entre revisiones de alrededor de 2000 horas con estos ajustes de potencia. Para lograr esto, la mayoría de los motores de aviación operan a velocidades más bajas y desplazamientos mucho mayores que los motores de automóviles tradicionales.

Los motores de las aeronaves funcionan a esos niveles de alta potencia porque producen muy poca potencia, ¿no? Si duplica o triplica la potencia que produce por desplazamiento (para que coincida con los niveles del motor del automóvil), solo necesitarían operar al 20% de potencia.
¿Qué sucede con el 80% no utilizado en un automóvil? Lo mismo aqui. ¿Qué quieres decir con que no las cosas no son gratis? O tienes un motor eficiente y solo usas una fracción de su potencia. O tiene un motor ineficiente que funciona a máxima potencia. El par es generalmente más bajo a bajas RPM. Más alto alrededor de la mitad de la banda de potencia, luego disminuye. HP es principalmente lineal, pero cae rápidamente después del pico. Mire las curvas de potencia de algunos motores services.edmunds-media.com/image-service/media-ed/ximm/… .
Estás viendo todo mal este problema; No es que el motor de un automóvil "desperdicie" el otro 80% de la potencia disponible; simplemente no necesita operar en esas configuraciones de mayor potencia. Por lo tanto, un automóvil con un motor de 240 hp solo necesita usar 40-60 hp durante la operación típica en vías públicas a velocidades autorizadas de autopista. Y aunque el motor de un automóvil típico marca el límite entre las 6000 y las 7000 rpm, generalmente funciona entre las 2000 y las 3000 rpm mientras conduce. Cuanto más rápido funcione el motor, más tensión estarán sujetas sus piezas y más corta será su vida útil.
También es mucho más crítico que el motor de un avión sea más confiable que el motor de un automóvil, ya que las consecuencias de una falla del motor son más nefastas para un avión que para un automóvil.

La hélice de un avión moderno debe diseñarse de modo que la velocidad punta sea inferior a la supersónica para evitar problemas de ruido y rendimiento. La mayoría de las hélices de aviones pequeños tienen aproximadamente 6 pies de diámetro y, por lo tanto, están limitadas a aproximadamente 2700 RPM. El diseñador del motor puede conectar el cigüeñal directamente a la hélice y limitar la velocidad del motor a unas 2700 rpm, o utilizar una caja de cambios intermedia para permitir velocidades más altas del cigüeñal.

Debido a que la hélice tiene una inercia rotacional muy alta y quiere girar a una velocidad constante mientras el motor suministra energía en unos pocos pulsos durante cada revolución, el desgaste de una caja de cambios puede ser bastante extremo. Como resultado, un motor de alta velocidad más una caja de cambios robusta a menudo no vale la pena por la complejidad adicional en comparación con una solución de transmisión directa más simple. (ver "Tiara continental" y "Porsche PFM 3200")

Por supuesto, como la potencia del motor es proporcional al producto del par y la velocidad de rotación, el motor de giro más lento produce menos potencia para un desplazamiento dado. Pero la experiencia ha demostrado que las unidades de transmisión directa de giro más lento suelen ser tan livianas y más duraderas para una potencia de salida determinada en comparación con las unidades con engranajes.

Como referencia: una rueda de automóvil de 2 pies de diámetro a 60 mph/~100 km/h tiene aproximadamente 840 rpm. A 100 mph, 1400 rpm. (Según el éxito de Google en una pregunta de quora; no verifiqué las matemáticas, pero suenan razonables). Entonces, la inercia del automóvil tiene menos ventaja mecánica en el tren motriz que la que tiene un puntal en su tren motriz. (Supongo que hay otras grandes diferencias en el tren motriz que no conozco. Los volantes del motor del automóvil ayudan con esto, ¿verdad?).
@PeterCordes (840 / minuto) * pi * 2 pies en mph , sí, eso funciona. Y 24" es un diámetro de neumático bastante razonable.
Creo que este argumento tiene mucho más sentido que el de ymb1: la salida específica es baja porque las RPM son bajas (absolutamente hablando), no porque sean altas en relación con el máximo nominal del motor.
Bueno, la verdad es que muchos aviones usan motores de alta velocidad que están reducidos para impulsar una hélice. Tomemos, por ejemplo, un motor turbohélice PWAC PT-6: la turbina de potencia normalmente funciona a 4500 RPM e impulsa una caja de cambios de reducción con una salida a la hélice de 2000-2200 RPM. Los PT-6 han registrado más de 4 millones de horas de vuelo y son muy confiables. El Rotax 912 es otro motor alternativo de alta velocidad, popular entre los ultraligeros y LSA, que utiliza una caja de cambios reductora para la salida del eje. La fiabilidad de la caja de cambios no es un problema si se diseña correctamente.
Sin duda, puede diseñar cajas de engranajes para que sean confiables (especialmente cuando proporcionan una relación de reducción única y fija). Sin embargo, me gustaría señalar que 4500 RPM no es particularmente rápido para los estándares automotrices. Es más rápido de lo que funciona un motor de automóvil típico la mayor parte del tiempo, pero la línea roja en un motor de automóvil de alto rendimiento razonable suele estar más cerca de siete u ocho mil RPM (y los autos de F1 pueden alcanzar alrededor de 12,000 o más).
@CarloFelicione Creo que el punto de Tom fue que la desigualdad del par motor de un motor de pistón (combinado con la inercia rotacional de una hélice) plantea un problema para la caja de cambios. Obviamente, eso no es un problema para un turbohélice. Aunque estoy de acuerdo en que tampoco debería ser un gran problema con un motor de pistón moderno, especialmente para uno que funciona con más cilindros con RPM más altas.

RPM, RPM, RPM. Si desea 1.000 HP de 1.5L, utilícelo a 10.000 rpm. Un cartel anterior hacía referencia a que las velocidades de punta de la hélice eran un factor limitante, cierto. Sin embargo, hay motores de aeronaves con engranajes que permiten que el motor funcione a RPM más altas sin sobreacelerar la hélice. Estos tienen el mismo desplazamiento que sus hermanos sin engranajes, pero generan más caballos de fuerza por la sencilla razón de que queman más combustible/aire y generan más calor. También son más caros de mantener y se ven en gemelos más grandes donde siguen siendo más baratos que agregar otro motor.

No está relacionado directamente con los caballos de fuerza, pero el diseño de los motores de A/C tiene una mayor relación entre diámetro y carrera que los motores para automóviles, generalmente 4:3, mientras que los motores para automóviles están más cerca de la cuadratura o incluso tienen una carrera más larga.

Rara vez verá una carrera más larga que el diámetro interior de un motor de automóvil moderno, y 4:3 tampoco es particularmente raro/fuera de línea. Incluso los motores de camiones pueden estar en el mismo rango (p. ej., GMC solía tener un motor 430 CID con una carrera de 3,47" y un diámetro interior de 4,44").
¿Por qué el motor Piper Cherokee (PA-28-140) tiene tan poca potencia a pesar de su gran cilindrada?
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