Vincoli

Diverse applicazioni hanno diversi vincoli:

• Aviazione: molto leggera, altamente affidabile
• Marina: altissima resistenza
• Automotive: moderatamente leggero, reattivo
• Motocicletta: molto leggero, molto compatto, molto reattivo

Diverse età tecnologiche producono soluzioni diverse a causa di vincoli aggiuntivi , sempre limitata dall'allora tecnologia contemporanea:

• Era dei pionieri: fallo funzionare
• Era della prima e seconda guerra mondiale: il più velocemente possibile
• Era del dopoguerra: più lontano, più veloce, migliore
• Era della crisi del carburante: il più efficiente possibile

Motori per aerei

La domanda riguarda il ottimizzazione del numero di cilindri rispetto al volume di cilindrata per cilindro per i motori utilizzati per l'aviazione. Questo restringe l ' ambito ai "motori a pistoni alternativi a combustione interna" (più il motore Wankel come caso molto speciale).

Ovviamente, razzi, getti a impulsi, motori a turbina e i motori elettrici non hanno cilindri e i motori a vapore non sono mai stati utilizzati (con successo) negli aerei.

Il numero di cilindri e la cilindrata sono due degli innumerevoli parametri che rientrano nella progettazione di qualsiasi motore. Entrambi possono essere utilizzati per aumentare la potenza in uscita.

Aumento di potenza

La potenza in uscita di un motore può essere aumentata tramite il numero di cilindri o aumentando la cilindrata (o entrambi ).

Ogni modifica dei parametri causa il guadagno o la perdita di alcune caratteristiche desiderate. Questi sono elencati di seguito in (N), (n), (D) e (d).

• Aumentare il numero di cilindri significa guadagnare (N) e perdere (n)
• aumentare la cilindrata significa guadagnare (D) e perdere (d)

Aggiungere cilindri è più semplice che aumentare le dimensioni del cilindro. La geometria del cilindro non cambia. Parti del motore identiche possono essere utilizzate più volte nello stesso design del motore (bancate, testate o blocchi motore completi).

Spostamento di compromesso

Partendo da una configurazione del motore, è possibile ottenere la stessa potenza di uscita

• guadagnando (N) e (d), e perdere (n) e (D) o
• guadagnare (n) e (D) e perdere (N) e (d).

Motivi per aumentare il numero di cilindri (N)

• La coppia è direttamente proporzionale al numero di cilindri
• L'aumento del rapporto superficie / volume è vantaggioso per i motori raffreddati ad aria
• Aumenta la potenza: aggiungere cilindri è più facile che aumentare le dimensioni del cilindro. La geometria del cilindro non cambia. Parti del motore identiche possono essere utilizzate più volte nello stesso design del motore (bancate, testate o blocchi motore completi)
• Migliora il bilanciamento di forze e momenti
• Riduci il tempo tra la potenza corse
• Diminuisce l'impatto di un cilindro guasto
• Migliora la planarità della distribuzione della coppia sulla velocità di rotazione.

• Abilita una forma più flessibile e distribuita fattore

  

  _{Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major , 28 cilindri, 28 l , 3500 hp, 2700 rpm, costruito nel 1944-1955.}

Motivi per diminuire il numero di cilindri (n)

• Semplicità: meno parti in movimento migliorano la robustezza, diminuiscono la necessità di assistenza e quindi aumentano la disponibilità.

• Abilita un fattore di forma più compatto

  

  _{Mercedes 1 cilindro, 1,5 kW, 720 giri / min, 84 kg, costruito nel 1888.}

Motivi per aumentare la cilindrata (D)

• Aumentare la potenza attraverso la coppia

  

  _{BMW IIIa, 6 cilindri, 19,1 l, 200 CV, 1400 giri / min, costruita nel 1917. sub>}

Motivi per diminuire la cilindrata del cilindro (d)

• Cilindrata minore significa pistoni più piccoli, steli più corti o entrambi. In ogni caso, una cilindrata minore consente una maggiore velocità di rotazione e una maggiore accelerazione.
• Una camera di combustione più piccola aumenterà il tempo necessario per l'espansione della fiamma (solo benzina, non diesel). Ciò consente una maggiore velocità di rotazione.
• Le valvole limitano il flusso di gas in entrata e in uscita dal cilindro. Le valvole sono soggette al rapporto superficie-volume. I cilindri più piccoli sono più facili da riempire e svuotare attraverso le valvole, consentendo una maggiore velocità di rotazione.

• A un dato rapporto di compressione, i cilindri più piccoli devono sopportare una forza totale inferiore, consentendo una struttura del motore più leggera ( meno peso).

  

  _{JPX PUL 212, 1 cilindro, 212 cm³, 11 kW, 6000 giri / min. sub >}

Note

• I motori radiali appartengono all'era della prima e seconda guerra mondiale. La maggior parte di loro era raffreddata ad aria. Per i motori raffreddati ad aria, il rapporto superficie / volume è importante. Pertanto è ovvio aumentare il numero di cilindri anziché la cilindrata per cilindro.
• Durante la prima e la seconda guerra mondiale gli aerei dovevano essere il più veloci e potenti possibile per attaccare e difendere. Non c'erano buoni motivi per scegliere meno di 6 cilindri.
• I motori a quattro tempi funzionano perfettamente con 1, 2 e 3 cilindri. Vengono utilizzati parapendio a motore rispettivamente ultraleggeri.

• Alcuni numeri di cilindro sono più preferibili per motivi di simmetria

  • 6, 8, 4 per i motori in linea
  • numeri dispari (per riga) per motori radiali

• È possibile costruire motori radiali con un numero pari di cilindri, anche se un numero pari in una riga non è preferibile. Motori radiali a più file con numero di cilindri pari sono stati utilizzati su molti aerei.

• Gli sviluppatori di motori automobilistici preferiscono 0,5 litri per cilindro come compromesso ideale.
• Sarebbe necessario un numero elevato di cilindri per costruire motori a pistoni ad alta potenza, ma questo segmento è ora occupato dai motori a reazione.

• Esistono motori radiali con meno di 5 cilindri. Ecco un 3 cilindri radiale, costruito nel 1930 negli Stati Uniti:

  

Il tuo ragionamento è corretto se la massa del motore non è importante. Le navi utilizzano motori enormi, perché aumentando il numero di cilindri oltre 8 si avranno rendimenti decrescenti in termini di attenuazione delle ondulazioni di coppia e cilindri più grandi aiutano ad aumentare l'efficienza. Ma gli aerei devono mantenere bassa la massa del motore.

Motore diesel a due tempi turbo Wartsila-Sulzer RTA96-C durante il montaggio (immagine fonte). Le sue dimensioni rendono questo motore estremamente efficiente: la sua versione a 14 cilindri produce 108.920 CV a 102 giri / min e ha un'efficienza termica superiore al 50%. Il consumo di carburante specifico è di soli 0,260 libbre / CV / ora. Ma pesa 2600 tonnellate!

La potenza del motore è il prodotto di coppia e velocità. Per massimizzare la potenza del motore, la velocità deve essere mantenuta più alta possibile. L'aumento delle dimensioni del cilindro limiterà la velocità alla quale il motore può funzionare a causa della velocità del processo di combustione all'interno dello spazio di combustione. Se il diametro del cilindro diventa troppo grande, il fronte di fiamma proveniente dalla candela non avrà viaggiato abbastanza lontano da aver bruciato la maggior parte del carburante nel momento in cui il pistone si abbassa di nuovo. Solo l'aggiunta di più cilindri aumenterà la potenza mantenendo costante la velocità del motore.

Ecco un confronto dei motori degli aerei della prima guerra mondiale dall'eccellente sito enginehistory.org. Nota come le cifre per la noia e la velocità si correlano inversamente (l'Austro-Daimler 120 era un progetto prebellico e ha visto aumenti di velocità successivi):

Confronto grafico, l'Austro-Daimler viene mostrato con le specifiche di una versione successiva.

Citazione dal PDF collegato ( enginehistory.org):

Il grande diametro del foro, tuttavia, spingeva il limite superiore di un cilindro di un motore aeronautico. Un raffreddamento e un'efficienza del carburante adeguati richiedono una combustione il più completa possibile della miscela aria-carburante e questa combustione completa richiede che i fronti di fiamma si muovano attraverso camera di combustione dai rispettivi punti di accensione avere il tempo di incontrarsi. La velocità di un motore aeronautico a quattro tempi con un grande alesaggio del cilindro è quindi effettivamente limitata dalla velocità di combustione della miscela aria-carburante che per un dato cilindro e miscela è una costante e quindi gli sforzi per aumentare la potenza in uscita aumentando la velocità di un motore con un cilindro di grande diametro può provocare una combustione incompleta, surriscaldamento e detonazione.

Altri limiti alla velocità del motore come carichi sulle bielle o riempimento e lavaggio adeguati dei cilindri può essere gestito utilizzando rispettivamente materiali di maggiore resistenza e più valvole per cilindro, ma quando viene fornito il tipo di carburante, il limite rigido per la velocità del motore è l'alesaggio del cilindro. Quindi l'unico modo per aumentare la potenza senza danneggiare il rapporto peso / potenza è aggiungere più cilindri.

Quando un cilindro diventa più grande—

Il principio del cubo quadrato afferma che il suo volume cresce più velocemente della sua superficie .— Wikipedia

Pressione e massa:

La riduzione del numero di cilindri aumenta la quantità di forza per cilindro e per punto di attacco all'albero motore.

Poiché la superficie area non scala così velocemente, tutte le parti del motore dovranno far fronte a pressioni molto maggiori - forza sull'area.

motore con la stessa produzione di energia e meno cilindri sarà più pesante e più difficile da raffreddare.

Può essere costruito? Assolutamente.

Volerà bene? No. Perché sarà troppo pesante.

Trovi cilindri enormi in applicazioni in cui il peso non è un problema, come sulle navi.

Razionalizzazione:

( Fonte) I cilindri piccoli si adattano perfettamente a una forma aerodinamica sottile.

L'hai detto tu stesso con il rapporto superficie-volume. Devi far uscire il calore dai cilindri e se sono troppo grandi non puoi farlo in modo efficace. È anche difficile ottenere una combustione uniforme, completa e rapida all'aumentare del volume.

Altri hanno già menzionato il ridimensionamento del volume rispetto al ridimensionamento della superficie. Tuttavia, la parte più importante della superficie è l'area della valvola.

Quando si ridimensiona un cilindro 2 volte, si ottiene un volume 8 volte maggiore ma solo valvole 4 volte più grandi. Ciò significa che lo stesso volume della bombola è ora servito da un'area della valvola 2 volte più piccola. Quest'area determina la velocità con cui è possibile riempire e svuotare il cilindro. Ciò significa che devi abbassare il numero di giri. Poiché più giri / min significa più potenza, ciò significa che si ottengono rendimenti decrescenti: il doppio del cilindro grande fornirà meno del doppio della potenza.

L'aggiunta di un altro cilindro, d'altra parte, è quasi perfettamente lineare: il doppio della i cilindri significano il doppio della potenza.

La maggior parte è già stata detta, ma aggiungerei quanto segue:

• Più cilindrata significa pistoni più pesanti che hanno un'inerzia maggiore. Questo limita il numero di giri e produce carichi pesanti sui componenti del motore. Per resistere a questi carichi, altri componenti devono essere più rigidi e quindi più pesanti.

• La potenza è il prodotto di quantità di moto e rivoluzioni. L'aumento del regime di giri produce potenza più velocemente ed è un modo più semplice per ottenere più potenza (in una certa misura) piuttosto che aumentare la quantità di moto. Per aumentare il numero di giri, è necessario utilizzare parti interne più leggere. Per quanto ne so, nelle applicazioni aeronautiche, a differenza del settore automobilistico, è preferibile un RPM più elevato rispetto a uno slancio più elevato. Non hai bisogno di potenza ai bassi regimi come in un'auto.

• Maggiore è la cilindrata di un cilindro, più difficile è ottenere una formazione uniforme della miscela e combustione efficace e completa. Questo è il motivo per cui nei motori a 4 cilindri per motori automobilistici il più delle volte si limita a2,0-2,5 litri, a 6 cilindri - a 3-3,3L, a 8 cilindri - fino a 4-5 litri e così via. Ciò mantiene il volume per bombola a un certo livello ragionevole (0,5 l / bombola).

• Il limite di volume per cilindro è determinato anche dalla velocità di combustione. A regimi elevati può accadere che la combustione non sia terminata quando la corsa è completa, quindi la fiamma si alza dai cilindri e alla fine scioglie le valvole. Come variante, il motore non sarà affatto in grado di accelerare oltre un determinato numero di giri. Questo problema potrebbe essere parzialmente risolto dall'accensione anticipata e dalle doppie candele, ma anche in questo caso non è efficace quanto mantenere un buon rapporto volume / cilindro.

Con più cilindri, le corse sono così temporizzate che, quando un cilindro si sta comprimendo, un altro emette potenza e così via. Ciò garantisce che la potenza in uscita (o coppia media, come verrà mostrato in un diagramma T-theta) rimarrà costante durante la rotazione completa della manovella. L'energia cinetica immagazzinata nel volano è proporzionale alla sua massa (in realtà momento di inerzia di massa). Se il motore richiede meno energia dal volano per le corse di compressione, K.E. richiesto da immagazzinare nel volano è inferiore. E il volano potrebbe essere reso più leggero .

Gli aerei devono risparmiare peso. In altre parole: vuole un motore con un elevato rapporto potenza / peso. La potenza prodotta da un cilindro è proporzionale alla superficie del pistone (se la pressione rimane la stessa). Quindi, se dividi tutte le dimensioni di un cilindro del motore per 2, la potenza prodotta è 4 volte inferiore, ma il peso del cilindro è 8 volte inferiore. Il rapporto peso / potenza è quindi due volte più alto, ecco perché gli aerei preferiscono motori con molti cilindri piccoli rispetto a motori con pochi cilindri grandi. In ingegneria questa è chiamata "analisi dimensionale", vedere https://en.wikipedia.org/wiki/Dimensional_analysis

La prima aviazione non si basava molto su tutti questi concetti scientifici o ingegneristici, ma si basava su ciò che avevano scoperto funzionava. Molti dei primi produttori di motori per aviazione provenivano principalmente dall'industria automobilistica e presero ciò che sapevano funzionava e lo raddoppiarono per soddisfare i requisiti di alimentazione (da 6 a 12 v12). Il motivo per cui tendevano a non semplificare e ridurre il numero di cilindri probabilmente aveva molto a che fare con l'affidabilità (più cilindri, più ridondanze). Gli inglesi, e per alleanza americani, ebbero i primi concetti di motore a reazione della guerra, ma si concentrarono su una tecnologia più pratica; quale avresti voluto provare a volare?