Domanda:
Perché i motori a pistoni degli aeromobili bruciano carburante a una velocità maggiore rispetto a un motore di automobile comparabile?
N Klosterman
2017-01-04 08:10:56 UTC
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Non ho mai capito perché i motori degli aerei a pistoni bruciano una quantità di carburante così elevata per periodo di tempo rispetto ai motori delle automobili.

Qualcuno può approfondire questo?

So che un C172M brucerà ~ 5-9 + gph a 2200-2550 RPM tra 2k-12k piedi in base alla POH. Questo dà un'idea decente del consumo di carburante in un intervallo di giri molto ristretto a varie altitudini. Secondo la POH, è arrivata con un Lycoming 0-320-E2D. Wikipedia afferma che lo 0-320 fornisce 150-160 CV utilizzando un motore da 5,23 litri.

La mia macchina invece ha un motore da 2 litri a 4 cilindri. A 70 mph con la marcia più alta a ~ 2300 giri / min, ottiene circa 30 mpg per 2,33 gph calcolati. Per me le velocità autostradali a regime costante forniscono condizioni del motore paragonabili a quelle della fase di crociera del volo.

5,23 l / 2 l = 2,61

2,61 * 2,33 mpg = ~ 6 gph

L'analisi di base è valida? La cilindrata maggiore è il fattore principale nella differenza di consumo di carburante tra i due? Considero questa cifra di ~ 6 gph abbastanza vicina ai 5-10 gph elencati nella POH per un tale calcolo del tovagliolo se l'analisi è più o meno corretta.

Questo porta a una domanda successiva: C'è un motivo per la grande cilindrata e i bassi HP? Per fare un confronto, un motore per camion da 5,7 litri degli anni '70 produceva 250 CV per un guadagno di 100 CV per 0,47 litri di cilindrata aggiuntiva rispetto al Lycoming. Non sono in alcun modo molto informato sui motori, ma immagino che la risposta risieda nei compromessi ingegneristici per rendere il motore più leggero o con un materiale diverso per l'uso in aviazione o per rapporti di compressione più elevati per il carburante. Qualsiasi input dettagliato sarebbe apprezzato.

So che per gli aerei sono stati utilizzati motori Volkswagen e Subaru. Sebbene la mia ricerca sia stata molto leggera, sembra ancora che il consumo di carburante sia nella stessa gamma.

Tornando alla mia macchina contro il C172M, o l'EcoTec contro Lycoming, 173 CV a 5500 giri / min per l'EcoTec e ipotizzando un consumo di carburante lineare (molto probabilmente falso) basato sul regime,

5500 rpm / 2300 rpm = 2,39

2,39 * 2,33 gph (@ 2300 rpm) = 5,56 gph

per HP comparabili.

Se la mia analisi fornita qui è vicino alla vera risposta, allora penso di aver chiarito il mio malinteso scrivendo questa domanda. Tuttavia, vorrei che qualcuno più esperto di queste cose (possibilmente un A&P che è anche un riduttore) si collegasse e verificasse o illuminasse la mia analisi.

Grazie!

I commenti non sono per discussioni estese; questa conversazione è stata [spostata in chat] (https://chat.stackexchange.com/rooms/75272/discussion-on-question-by-n-klosterman-why-do-piston-engines-in-aircraft-burn- fu).
Dieci risposte:
#1
+26
jamesqf
2017-01-04 10:48:05 UTC
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Come altri hanno notato, i motori degli aeroplani e dei motori delle automobili hanno cicli di lavoro molto diversi. Il motore di un aereo normalmente funziona a piena potenza per alcuni minuti durante il decollo & climb, quindi a una grande frazione del massimo durante il volo livellato, che può durare per ore, e viene ridotto solo durante la discesa e l'atterraggio.

Il motore di un'auto, al contrario, funziona a piena potenza solo per pochi secondi, mentre ad esempio acceleri su quella superstrada sulla rampa, quindi verrà ridotto per produrre la piccola frazione di piena potenza necessaria per mantenere l'autostrada velocità di crociera¹. Poiché la potenza erogata è proporzionale al carburante consumato², il motore dell'auto consuma molto meno carburante. Anche se potrebbe essere valutato per produrre gli stessi HP massimi del motore dell'aereo, durante il normale funzionamento produce HP molto inferiori per la maggior parte del suo tempo di funzionamento. Puoi vederlo in funzione se guidi un'auto con un indicatore del consumo di carburante in tempo reale. Ad esempio, il mio ibrido Insight mostra ~ 25 mpg durante l'accelerazione o la scalata di montagne (utilizzando quasi la massima potenza), ma 75 mpg o più in crociera su un livello interstatale.

Nota inoltre che l'effettivo risparmio di carburante di un aereo non è molto diverso da dire il tuo SUV medio. Non ho più le cifre esatte, ma una volta ho calcolato che il mio Cherokee 180 aveva circa 18 mpg. Quando ritieni che la velocità sia doppia e che nei viaggi più lunghi puoi ridurre la distanza effettiva percorsa andando in linea retta invece di dover seguire le strade, il confronto non è poi così male.

¹Questo, per inciso, questo è il motivo per cui le auto ibride possono utilizzare l'assistenza elettrica per ottenere mpg molto migliori: il motore a gas può essere abbastanza grande per una crociera efficiente, mentre l'accelerazione è fornita dal motore elettrico.

² In prima approssimazione. È molto più complicato nel mondo reale. Cerca le mappe BSFC se sei curioso.

"... poi verrà ridotto per produrre la piccola frazione di piena potenza necessaria per mantenere la velocità di crociera in autostrada" - Presumo che tu non sia mai stato in Germania? ;)
@falstro sembra che tu non sia mai stato neanche in Germania. Sebbene l'autostrada tedesca sia famosa per non avere limiti di velocità, il traffico impedisce più di brevi sprint quasi tutto il tempo. ;)
@AndréStannek Giusto, ecco perché guido di notte ... Ma in ogni caso, mantenere una velocità di 90-100 mph di solito non è impossibile, il che è uno sforzo notevole per i motori delle auto rispetto al più indulgente 60-70.
Punto @falstro preso: D
@falstro Mantenere i 90 mph è davvero così grande per un motore di un'auto? Sono abbastanza sicuro di poter mantenere quella velocità nella mia macchina con meno del 50% di potenza del motore e la mia ha solo un motore medio (circa 140 CV, IIRC), niente di speciale. Non guido così velocemente molto spesso, ma a volte ne ho avuto bisogno e non ho notato regimi particolarmente alti. Guido a 75-80 mph abbastanza spesso e questo utilizza forse 1/3 della potenza del motore disponibile.
@reirab ovviamente ciò dipenderebbe dal motore. Ho guidato diverse auto che non erano in grado di mantenere quella velocità. E sì, non è scientifico, ma se confronto il chilometraggio del gas che guida attraverso la Germania, con quello di altri paesi, un'Audi Q3 guadagna 150 miglia di raggio una volta attraversato il confine. Oh, e perde anche un po 'meno petrolio. Quindi sì, la resistenza aggiuntiva sta sicuramente facendo funzionare il motore ...;) E sì, sono una persona laica, non so come questo influenzi la longevità del motore. Era inteso più come un'osservazione umoristica.
Le velocità dell'autostrada @falstro: sono in genere meno efficienti, anche trascurando la resistenza aggiuntiva. Il motivo è legato a cose come il cambio e quelle mappe BSFC, che devi essere un ingegnere automobilistico per capire davvero. (E io non lo sono.) Ma i motori IC producono i loro HP massimi (e HP / efficienza del carburante) a un particolare regime. Per un motore di aeroplano, potrebbe essere di circa 2700 RPM; per un motore di automobile, questo è probabilmente combinato con il cambio per fornire una crociera efficiente a circa 65 mph.
#2
+21
Peter Kämpf
2017-01-04 14:44:40 UTC
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Stai confrontando le mele con le arance.

Fai girare il motore della tua auto a tutto gas e misura di nuovo. Il motore dell'aereo avrà un bell'aspetto in confronto.

I moderni motori delle auto ottimizzano il consumo di carburante con il controllo elettronico del motore, in modo che la miscela carburante / aria e la fasatura delle candele e delle valvole possano essere regolate condizione. I motori degli aerei sono tecnicamente ancora bloccati negli anni '50 e molto più semplici, il che aiuta a renderli più affidabili. Ciò significa anche che a carichi parziali il motore dell'auto è molto efficiente. Tuttavia, una volta azionata alla massima potenza o in prossimità di essa, tutta l'efficienza viene gettata fuori bordo e i parametri sono impostati per la sopravvivenza.

Quando fai funzionare il motore della tua auto a tutto gas, utilizzerà una miscela più ricca di per utilizzare l'energia di evaporazione del carburante per raffreddare il cilindro. Lo stesso vale per il motore di aviazione, dove la miscela è controllata impostando una temperatura dei gas di scarico desiderata (EGT). Tuttavia, il motore dell'aviazione è progettato per funzionare continuamente alla massima potenza o quasi, quindi il suo sistema di raffreddamento sarà più adeguato, mentre il motore della tua auto avrà bisogno di un raffreddamento relativamente maggiore dall'evaporazione del carburante perché il suo sistema di raffreddamento è troppo piccolo per il funzionamento continuo a piena potenza .

Sono curioso del "più affidabile". La maggior parte dei motori automobilistici oggigiorno supera facilmente il limite di 5000 ore senza alcun tipo di ispezione di 100 ore o revisione di 1000 ore. Mi sembra abbastanza affidabile.
@MartinArgerami I motori a pistoni degli aerei possono superare le 4000-6000 ore con poco più della manutenzione dell'olio e della pulizia delle candele. Dipende da come funzionano i motori. Se vedo un motore per aeromobili che arriva solo a 1000 ore, so che non ha funzionato correttamente, ha volato pochissimo all'anno o ha sofferto di problemi di produzione dal momento in cui è stato assemblato.
@MartinArgerami, l'ispezione di 100 ore e le revisioni di 1000 ore sono perché hai bisogno di un'affidabilità molto maggiore dai motori degli aerei e questo perché in un'auto se il motore si spegne, accosti e chiami un carro attrezzi, ma in un aereo, soprattutto singolo- motore uno, sei in una difficoltà.
@MartinArgerami lo stesso motore dell'auto * in modo affidabile * supererebbe le 5000 ore se, come discusso, funzionasse a piena potenza la maggior parte del tempo?
#3
+9
johannes
2017-01-04 20:09:46 UTC
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RPM e cilindrata non sono sufficienti per determinare la potenza creata o il carburante consumato da un motore. Devi anche considerare la posizione dell'acceleratore.

Metti la tua Saab in folle e prova a mantenere i 2300 giri / min. Quanto devi spingere l'acceleratore? Non molto lontano. Guida la tua Saab su una montagna ripida e cerca di mantenere 2300 RPM. Quanto devi spingere l'acceleratore? A seconda di quanto sia ripida la salita, potresti non essere in grado di mantenere i 2300 giri / min a tutto gas e devi scalare le marce!

Il parametro aggiuntivo che devi considerare è la pressione assoluta del collettore del motore.

A bassa potenza, la piastra dell'acceleratore è per lo più chiusa. Quando la valvola di aspirazione si apre e il cilindro scende, può solo aspirare un po 'd'aria attraverso questa limitazione. Questa aspirazione genera un forte vuoto parziale. Un motore adeguatamente miscelato introdurrà una piccola quantità di carburante per bruciare correttamente con questa piccola quantità di aria, e bruciare questa quantità minore di carburante con la minore quantità di aria produce una piccola quantità di gas di scarico, spingendo debolmente il cilindro verso il basso. Ma in folle, questa debole spinta è tutto ciò che serve per mantenere i 2300 giri / min.

Ad alta potenza, la piastra dell'acceleratore è aperta. Quando la valvola di aspirazione si apre e il cilindro scende, può aspirare molta aria attraverso questa valvola a farfalla aperta. Genera solo un vuoto debole, perché è facile per l'aria di fluire. Un motore adeguatamente miscelato deve introdurre molto carburante per bruciare con questa grande quantità di aria, e bruciare tutto questo carburante e aria genera molta pressione e spinge verso il basso potentemente sul cilindro. In folle, questa forte spinta farebbe correre il motore a una velocità molto più veloce di 2300 giri / min o, con la resistenza di una collina o di un'elica, potrebbe mantenere i 2300 giri / min.

La crociera in autostrada richiede meno potenza rispetto alla crociera in aereo. La tua auto ha una bassa pressione del collettore / forte depressione / acceleratore chiuso in autostrada, mentre il Lycoming ha una pressione del collettore alta / debole vuoto / acceleratore aperto, come indicato dal loro diverso consumo di carburante!

#4
+3
Jim Horn
2017-06-13 05:04:30 UTC
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Alcune osservazioni:

La resistenza aerodinamica (parassita) è proporzionale alla velocità al quadrato. La potenza per superarla è proporzionale alla velocità di trascinamento, quindi è proporzionale alla velocità al cubo . Per andare due volte più veloce devi spingere 4 volte più forte al doppio della velocità, richiedendo 8 volte la potenza. E 8 volte il consumo di carburante. Ma con il doppio della distanza, ottenendo 1/4 dell'MPG, a parità di tutto il resto. Ecco perché le auto sportive legali più veloci, capaci di 200-250 MPH, necessitano di motori da quasi 1000 HP (750 kW) e ottengono meno di 5 MPG quando lo fanno.

Sì, i motori degli aerei sono a bassa tecnologia rispetto ai moderni motori per auto . Inoltre generalmente guidano le loro eliche direttamente piuttosto che attraverso una trasmissione a ingranaggi. Quindi devono funzionare a bassi RPM e non possono ottenere HP elevati per unità di volume. La mia Honda V45 Sabre del 1982 aveva un motore 45 in ^ 3 da 84 CV, ma poteva funzionare a 10000 giri / min.

A causa dei bassi regimi del motore, una testa a due valvole consente un flusso d'aria sufficiente quando c'è tempo per farlo. (l'efficienza volumetrica è buona o migliore della maggior parte dei motori per auto a 4 valvole). Allo stesso modo, la potenza utilizzata per spingere le aste di comando, i bilancieri e le valvole viene restituita dalle molle delle valvole: hanno il tempo di farlo.

Perché non far funzionare motori piccoli e veloci con ingranaggi? Eliche e motori hanno vibrazioni torsionali incredibili che non vediamo nelle auto a causa dei volani e dell'inerzia del veicolo (e della mancanza di eliche!). Quei carichi e le potenziali risonanze hanno distrutto molti, molti tentativi di far funzionare tali soluzioni. Sì, i progetti possono essere resi abbastanza rigidi e resistenti da essere affidabili. Il problema è il costo e il peso aggiunti che vanificano l'intera ragione per seguire quella strada.

Quindi, in breve, la maggior parte dei motori degli aeromobili ha un consumo di carburante specifico (quantità di carburante per cavallo (o KW) all'ora) simile alla maggior parte dei motori delle automobili. Questi ultimi sono in qualche modo migliori grazie alla moderna iniezione di carburante, fasatura variabile delle valvole, controllo dell'accensione, raffreddamento ad acqua che consente un controllo della temperatura stretto e tolleranze meccaniche e così via. Ma per la loro tecnologia più vecchia, i motori degli aerei si avvicinano notevolmente. È così che ho visto gli aerei Rutan 2 posti volare per centinaia di miglia con due a bordo a circa 140 MPH + mentre superavano i 40 MPG (c.f. cafefoundation.org).

Vuoi un consumo di carburante ancora migliore? Vai a carburante pesante (diesel). I motori delle superpetroliere hanno BSFC che si avvicinano a 0,16 o giù di lì (contro aeromobili raffreddati ad aria da 0,45 a 0,5; motori UAV a due tempi da 0,68 in su).

#5
+2
Greg Taylor
2017-01-05 18:24:52 UTC
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Un altro fattore in questa equazione è la resistenza. La resistenza aumenta esponenzialmente con la velocità, richiedendo una quantità non lineare di maggiore potenza per mantenere una velocità maggiore. Esegui di nuovo il test di 70 mph nella tua auto a 140 mph (una velocità di crociera molto più realistica per il 172 usato nel tuo esempio) e vedi quanto carburante in più consumi all'ora. Sarà molto più del doppio.

#6
+1
T. Henley
2017-01-05 02:44:38 UTC
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Ci sono molte variabili coinvolte: i rapporti di compressione, il funzionamento di una miscela di aria / carburante magra fa bene al mpg ma fa girare il motore a temperature elevate, miscele di carburante / aria più ricche rendono le temperature della testa del motore più fresche, su un aereo che è davvero importante. Gli aerei viaggiano ad altitudini più elevate con aria più rarefatta (contenuto di ossigeno). I motori degli aerei sono ottimizzati per un intervallo di giri molto più ristretto di un'automobile. Inoltre, una volta che un'auto raggiunge una velocità specifica, richiede meno potenza per sostenere quella velocità rispetto a un aereo che non fornisce solo il mantenimento della velocità, ma anche la portanza necessaria per superare il peso dell'aereo.

#7
+1
CrossRoads
2018-03-28 00:24:01 UTC
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Il mio aereo ha un motore da 360 pollici cubi (poco meno di 5,9 litri, 4 grandi cilindri raffreddati ad aria), genera 180 CV a livello del mare e molto meno a 6-8-10 mila piedi. È un'elica a passo variabile, quindi immagino si potrebbe paragonare a una trasmissione.

"Peso a secco dello 0-360, inclusi carburatore, caricatori, cablaggio dell'accensione, deflettori del motore, candele, trasmissione tachimetrica, avviamento e generatore o alternatore, gamme da 282 lbs a 290 lbs. "

Essere AL all'esterno (semicarter motore e corpi dei cilindri (con camicie in acciaio) aiuta a mantenerlo leggero. Nessun radiatore, pompa dell'acqua, guaina per la circolazione dell'acqua attraverso .

Brucia 10 gph e naviga a 145, quindi 14,5 mpg. Non buono come il mio turbodiesel 2L BWM da 180 cv, ottenendo circa 42 mpg in autostrada, ma con una media di solo 60 miglia orarie sulla distanza con fermate di pedaggio & traffico & rigido.

Sono riuscito da vicino a Buffalo a vicino a Boston in 2:15 (buon vento in coda a 10.500 piedi), mentre lo stesso viaggio non è mai stato sotto le 7:30. Preferisco volare !

#8
  0
Urquiola
2017-01-11 00:44:17 UTC
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Come spiegato in un articolo intitolato: "La lotta al potere, o perché i motori delle auto non volano", che descrive in dettaglio il processo di adattamento di un V-8 per auto per l'utilizzo nell'aereo bimotore Lancair Tigress, motori per auto da strada raramente hanno una potenza erogata solo non vicina al 100% del suo massimo teorico, ma vengono per lo più utilizzati al 10% -20%, ben il 33% della loro potenza nominale massima, e questo, anche se una maggiore apertura della farfalla usa, come negli aeroplani, equivale a una migliore efficienza volumetrica, una migliore MEP e una migliore efficienza meccanica, è il motivo per cui i motori degli aeroplani usano più carburante all'ora, il modo standard dell'aviazione per misurare il consumo di carburante, la velocità degli aeroplani da crociera è di circa il 50-60% di potenza massima, rispetto a un'auto, espressa in mpg o lit / 100 km; in una strada pianeggiante e con una velocità inferiore a 100 km / h, un'auto utilizza meno del 10% della potenza disponibile del motore. Saluti, + Salut †

#9
  0
rick
2017-06-07 04:57:14 UTC
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Nessuna persona ha menzionato il gioco pistone / cilindro dei motori raffreddati ad aria e la temperatura operativa più bassa che porta a inefficienza di espansione e perdite dovute al blowby. In secondo luogo, la coppia massima è dove un motore alternativo sviluppa la massima efficienza e la maggior parte dei motori automobilistici e aeronautici sono più o meno uguali in questo senso. La persona che afferma che la resistenza all'aria è un esponenziale [quadrato] è corretto. Questa relazione e la maggiore velocità di un aereo è in gran parte il motivo per cui consumano più carburante è corretto. Poiché le auto superano i 100 km / h, l'efficienza dei consumi diminuisce drasticamente.Rick in Canada Atlantico

Questo potrebbe essere pubblicato meglio come commento poiché non offre una risposta molto dettagliata alla domanda e affronta anche altri post. Quando avrai una reputazione sufficiente, potrai [commentare] (https://aviation.stackexchange.com/help/privileges/comment) su altri post.
#10
-1
Danny Maiorani
2017-06-12 06:19:54 UTC
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Poiché molti di loro sono giganteschi come 8 litri per qualche motivo.

Quell'articolo sul perché i motori delle auto non volano è BS, le cose sono cambiate molto in 20 anni, Cessna costruiva diesel motori delle dimensioni di un'auto.

Sono terribilmente inefficienti, 2 valvole per cilindro, camma a ingranaggi che ruba potenza, magneti azionati da ingranaggi che rubano potenza, punterie piatte che rubano potenza, un gioco delle valvole che può variare perché non ha altre impostazioni oltre al cambio della lunghezza del tubo dell'asta.

Design della camera di combustione inefficiente, motore pesante ....



Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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