Dado un motor estándar de 6 cilindros, transmisión directa, opuestos horizontalmente como el Continental IO-550 o el Lycoming IO-540, las RPM máximas para esos motores son 2700 RPM. Eso se debe a que la velocidad de la punta de la hélice se mantiene por debajo del rango supersónico.
Pero, ¿qué impide que estos motores giren a RPM más altas para otro uso que no sea aeronáutico?
Estoy pensando si funcionarían hasta alrededor de 5000 RPM más o menos. ¿Quizás el mapeo de combustible debe modificarse? ¿Comenzará a flotar el tren de válvulas a esas RPM? La aplicación sería automotriz, por lo que la carga sería mucho, mucho menor desde el punto de vista del ciclo de trabajo que una aplicación aeronáutica: básicamente, 5000 RPM solo se verían durante uno o dos segundos a la vez bajo carga completa (o casi completa).
¿Hay algo más que me esté perdiendo? Me doy cuenta de que esta es una pregunta extraña, solo estoy haciendo algunos experimentos mentales.
Hay tres factores que limitan la posible velocidad de los motores de pistón:
Si el motor funciona demasiado rápido, 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. Esto pone un límite fundamental al crecimiento de la potencia de salida sobre la velocidad en los motores de pistón.
Además, si la velocidad relativa entre las piezas móviles es demasiado alta, la lubricación fallará y las piezas se sobrecalentarán rápidamente. Para funcionar a la velocidad más alta posible, los motores rotativos usaban aceite de ricino, lo que a su vez motivó a los primeros aviadores a usar bufandas largas sobre la boca para que su sistema digestivo no se viera comprometido al sentarse justo en la corriente de escape de su motor. Hoy en día, los lubricantes han mejorado pero aún establecen un límite claro a la velocidad máxima a la que puede funcionar un motor de pistón. El enfriamiento se puede administrar presurizando el sistema de enfriamiento y mejorando el rendimiento del radiador y la bomba, mientras que las cargas de inercia en los componentes del motor se pueden manejar con materiales livianos y de alta resistencia.
Reducir el diámetro interior permitirá una mayor velocidad antes de que el límite de encendido muerda, mientras que la reducción de la carrera reducirá las velocidades del pistón, lo que nuevamente permitirá una mayor velocidad del motor antes de que falle la lubricación. Un motor optimizado equilibrará ambos para que la posible velocidad pueda aprovecharse al máximo. Para el IO-360 y el IO-540, esas dimensiones son 5⅛" y 4⅜", respectivamente. Esto los sitúa por debajo de la última generación de grandes pistones de aviación y más cerca de los típicos motores de entreguerras .
Con velocidades más altas, las válvulas también deben moverse más rápido. Si la fuerza de los resortes de las válvulas no es suficiente para cerrar las válvulas lo suficientemente rápido, la compresión se verá afectada, lo que limitará las RPM y la potencia. Para reducir la inercia de cada válvula individual, el número de válvulas se puede duplicar o incluso triplicar.
No pude encontrar datos confiables sobre la velocidad del motor de los ganadores de la Reno Air Race , que debería acercarse a la velocidad máxima sensible del motor en esa clase de tamaño. Lo mejor que pude encontrar fueron las 3700 RPM del Jumo 213 E , un motor con un diámetro interior de 5,9" y una carrera de 6,5", por lo que supongo que usando buen combustible y lubricación, el Lycoming podría terminar entre 4000 y 4500 RPM. Soy escéptico de que se pueda extraer mucha energía útil a 5000 RPM y estoy seguro de que la vida útil a esta velocidad se medirá en minutos, no en horas.
El tamaño y el peso de los pistones serán un gran obstáculo. Con un diámetro interior de 5,25 pulgadas y una carrera de 4,25 pulgadas, los pistones son enormes y no cambian de dirección muy fácilmente; solo hay tantas G que puede colocar una forma tan grande en la parte superior e inferior de cada carrera antes de que el metal comience a deformarse. . Haz rebotar un paraguas abierto hacia arriba y hacia abajo muy rápido, y comenzarás a hacerte una idea.
La refrigeración también sería un factor importante para el uso no aeronáutico. Los motores de los aviones (más o menos correctamente) asumen que habrá un gran ventilador en el frente y/o más de 100 mph de flujo de aire. La refrigeración líquida permitiría que los cabezales mantuvieran una temperatura más constante, pero también añadiría peso y complejidad.
Si desea un motor de seis cilindros con revoluciones más rápidas que genere más de 100 hp y sea adecuado para uso automotriz, podría sugerir sacar un motor de un Honda Goldwing o Valkyrie. Sin embargo, dada la descripción editada, supongo que estás pensando en un corredor de carreras.
Estoy de acuerdo con las otras publicaciones, ya que los factores limitantes generales son fallas a altas revoluciones y el enfriamiento es un problema. Asumiendo que la confiabilidad no es una preocupación para usted... ¿cuál será el factor limitante?
Dejando a un lado la confiabilidad y el enfriamiento, nadie parece haber mencionado la restricción de admisión o el tren de válvulas.
El primer factor limitante será cuánto combustible puede ingerir y quemar su motor. Entonces, ¿el motor es normalmente aspirado o forzado? Los motores NA están limitados por la cantidad de combustible y aire que pueden aspirar. Por lo tanto: los carbohidratos, el múltiple de admisión, la leva y las válvulas deben poder fluir lo suficiente para producir la potencia que desea. La inducción forzada hace esto un poco más simple.
Pero a medida que aumentan las revoluciones para producir grandes números de HP, tocará el techo de cristal de cuán rápido puede funcionar su tren de válvulas. En algún momento, los resortes de las válvulas no podrán cerrarse a tiempo (lo que se conoce como rebote de la válvula) y simplemente permanecerán abiertos. Esto afecta las carreras de compresión y combustión y puede provocar que el pistón golpee la válvula poco tiempo seguido de ruidos muy desagradables.
Mi respuesta se dio con un motor aerodinámico estándar como punto de partida, pensando en las limitaciones que encontrarías a medida que aumentan las revoluciones. Cada limitación se puede superar, pero las soluciones se vuelven más complejas y costosas a medida que aumentan las revoluciones y persigue cifras de HP más altas.
No hay nada que lo limite físicamente, pero los motores están diseñados para funcionar de manera óptima en el rango dado, por lo que es posible que simplemente no funcionen muy bien. Por supuesto, siempre puede cambiar la sincronización de la leva, la sincronización de la chispa, etc. Para que conste, su funcionamiento del motor de avión del molino no es tan diferente de los primeros motores de automóviles planos enfriados por aire de Porsche / VW ( que incluso se usaron en aviones en un punto ). Necesitaría enfriarlo al menos parcialmente con un sistema de aceite y parcialmente con un ventilador de aire como lo hizo Porsche en sus autos anteriores a la era 996 si no desea aprovechar el enfriamiento por agua (y no es necesario). Para el récord, los motores refrigerados por aire de gran calibre pueden desarrollar una gran cantidad de caballos de fuerza y revoluciones muy altas si se construyen correctamente .
Por lo que vale, los motores de los aviones son mucho más caros que sus contrapartes automotrices no certificadas por la FAA y es mejor usar un motor de automóvil simplemente desde una perspectiva de costos.
Existen límites mecánicos para las rpm y límites de eficiencia volumétrica para las rpm del motor. Mecánico: Velocidad del pistón - pistón dañado, varilla Aceleración del pistón - falla de aleteo del anillo Flotador de la válvula - falla catastrófica de la válvula Aumentar las RPM resulta en temperaturas de aceite más altas Volumétrico: La capacidad de admisión de aire está limitada por: Límites de flujo de aire del sistema de admisión: caja de aire del carburador Tubos de admisión Colectores de admisión , y puertos, válvulas, diseño de leva y sincronización. Todas estas cosas determinan la cantidad de aire que el motor puede tomar y eso determina las rpm en las que el motor funcionará mejor. Se pueden encontrar más detalles buscando en un manual de banco de flujo de superflujo disponible de forma gratuita en la red.
Exceda los límites mecánicos y experimente fallas catastróficas. En el mundo de las carreras, a menudo encontré límites mecánicos excediéndolos. Exceda los límites volumétricos y vea pérdida de torque.
Uno podría idear un motor de avión de mayor velocidad y reducirlo para una operación de hélice subsónica. Eso es lo que hizo Porsche con su motor de avión PFM 3200 : tomó su 911 Flat Six y lo redujo. Si bien era un motor muy bueno, con aproximadamente el doble de HP que los seis planos de aviones de desplazamiento similar, y se usó para equipar el Mooney M20L, también era costoso de comprar y tenía un TBO bastante corto. Supuestamente, el PFM 3200 sonaba magnífico en el despegue.
Porsche salió del mercado en 2007 después de $75 millones en costos de desarrollo para producir y vender alrededor de 80 motores. Supuestamente, recompró todos los motores PFM 3200 en uso por motivos de responsabilidad.
Por el contrario, los Flat Sixes de Continental y Lycoming son motores de varilla de empuje mucho más simples y de giro más lento, construidos con énfasis en la confiabilidad, no en la relación potencia/peso. RPM bajas significa que no hay caja de cambios para reducir la marcha para la operación de apoyo, y no hay caja de cambios para mantener o fallar. Están destinados a funcionar a alta potencia durante largos períodos de tiempo sin fallar, a diferencia de los motores de automóviles que tienden a holgazanear a baja potencia, con una ráfaga ocasional de potencia máxima. La pérdida de potencia en un avión es un poco más grave que la pérdida de potencia en un automóvil, de ahí el énfasis en la confiabilidad.
Por lo tanto, si desea un motor de seis cilindros con muchos HP para uso no aeronáutico... no busque motores de avión, a menos que desee un motor que gire lentamente, que pueda usar durante una o dos horas con regularidad.
Niels responde a una vieja pregunta.
Los trenes de válvulas de varilla de empuje en motores grandes (clase de ~500 pulgadas cúbicas) se limitan a aproximadamente 5000 RPM. Ir más rápido que eso generalmente requiere una cámara superior y puede producir ~ 6000 RPM, pero más allá de eso, la masa recíproca tiende a hacer que el motor explote inesperadamente, por lo que para ir aún más rápido (y generar más potencia) reduce el tamaño del pistón y la carrera del cigüeñal y agregue más pistones para mantener el desplazamiento.
Entonces, en lugar de un motor de 6 cilindros, ahora tiene un motor de 10 cilindros, y puede hacer que ese monstruo gire más rápido con dos levas superiores en lugar de simples. Pero ahora se queda sin capacidad de lubricación en los cojinetes principales, por lo que rediseña el motor para los cojinetes principales de rodillos.
Ahora debe rediseñar los cabezales para obtener una mayor capacidad de rechazo de calor para no sobrecalentar los asientos de las válvulas de escape, lo que significa refrigeración por agua y quizás también refrigeración por aceite forzado.
Ahora, el motor requiere sobrealimentación para superar sus pérdidas de bombeo, por lo que se conecta un ventilador para que gire más rápido y genere más potencia... pero todo esto produce un gran problema, como sigue:
Cada revolución del cigüeñal desgasta un poco los anillos de pistón, los orificios, los componentes del tren de válvulas y los cojinetes del cigüeñal. La vida útil del motor está determinada por la cantidad de vueltas de manivela que puede acumular antes de alcanzar los límites de desgaste. Y esto significa que si reduce el motor para hacer girar la hélice la mitad de rápido, acumulará giros de manivela dos veces más rápido por hora de tiempo de vuelo y reducirá el TBO a la mitad, y ahora tiene que reacondicionar la caja de cambios y el sobrealimentador, así como los componentes internos del motor en 1000 horas en lugar de 2000 horas.
Los motores de carreras de resistencia pueden empujar a 7500 RPM o, a veces, a 10,000 RPM y producir mil caballos de fuerza o más de 500 pulgadas cúbicas, con un TBO de varios minutos (¡no es broma!) y modos de falla que agradan a la multitud (es decir, verdaderamente espectaculares). si cualquier pequeña cosa sucede a salir mal. Asi que...
La alta confiabilidad y la larga vida dictan que se minimicen las RPM y la complejidad del motor, por lo que en los motores de aviación de combustión interna usted se queda con pistones grandes, transmisión directa, aspiración natural y vive con medio caballo de fuerza por pulgada cúbica de desplazamiento al nivel del mar.
Pero, ¿qué impide que estos motores giren a RPM más altas para un uso que no sea aeronáutico?
Calentamiento excesivo.
Es importante recordar que los motores de las aeronaves deben ser lo suficientemente confiables para mantener suficiente velocidad aerodinámica para el vuelo . También es importante comprender que el empuje es proporcional al cuadrado de las RPM , por lo que el rango de RPM operativo no será tan amplio como el de una motocicleta o un automóvil.
es el arrastre de la hélice lo que limita las RPM.
Por ejemplo, una aeronave puede mantener un vuelo nivelado a 1500 rpm, pero duplica el requisito de torque de salida del motor a 2300 rpm para ascender.
Una solución más práctica para aumentar la potencia de salida es el turbocompresor , que permite muchos más caballos de fuerza a menos RPM, mientras que la motocicleta "Génesis" grita 12,000 RPM para generar 120 caballos de fuerza.
Usar un motor de avión para una aplicación de altas RPM es un poco como llevar un Clydesdale a la pista y competir contra un pura sangre. Generalmente no es una buena idea.
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