I motori IC più efficienti sono i diesel di grandi dimensioni. All'estremo limite ci sono motori navali con un'efficienza termica migliore del 50%, con un consumo di carburante specifico di soli 0,260 lb / hp / ora o 158 g / kW-h. Ma anche i diesel per autocarri sovralimentati raggiungono un'efficienza termica superiore al 40% a carichi elevati ( questo studio NHTSA ne fornisce il 42%).

Gli aerodiesel hanno già raggiunto 220 g / kW-h con il Jumo 204 e 205 dei primi anni '30. Anche i moderni motori diesel Thielert (ora venduti da Continental) non sono certo migliori, dichiarando 214 g / kW-h. Anche il Napier Nomad, un diesel aerodinamico super e turbocompresso con la massima efficienza poiché il suo obiettivo di progettazione ha appena raggiunto 219 g / kW-h.

I motori a benzina partono da circa 240 g / kW-h; questo valore è raggiunto dal Lycoming IO-390 con iniezione di carburante. Senza iniezione di carburante, il consumo specifico sale a 260-280 g / kW-h, tipico di un Lycoming O-360 al 65% di potenza. Si noti che il Jumo 213, uno dei motori a pistoni più efficienti della Seconda Guerra Mondiale, raggiungeva già 260 g / kW-h anche con carburante a 87 ottani e un rapporto di compressione di soli 6,93: 1 punto di funzionamento favorevole. Advanced Innovative Engineering, che ha rilevato il motore Norton-Wankel, dichiara 310-350 g / kW-h per il loro 650CS con 120 PS.

Il confronto con i turboelica richiede un po 'di conversione della spinta in potenza. Questo è valido solo per una velocità di volo specifica. Se lo fai a velocità di crociera, i grandi turboelica Progress D27 e Europrop TP400 dichiarano un consumo di circa 240 g / kW-h. I turboelica più piccoli raramente raggiungono meno di 300 g / kW-h.

Per salvarti dal problema di cercare e convertire i dati nell'ultimo link, ecco un elenco selezionato:

• Allison 250 $ \; \; \; \; \; \; \; $ : 370 g / kW-h. Questo è il tipico motore di un piccolo elicottero.
• Garrett TPE331 $ \; \; $ : 310 g / kW-h. Questo è usato su piccoli turboelica come il Do-228 o il Merlin III.
• PWC 126A $ \; \; \; \; \; \; \; $ : 280 g / kW-h. Diventando più grandi - BAe ATP.
• Rolls-Royce Tyne: 237 g / kW-h. Questo è stato a lungo il più grande turboelica in Occidente e utilizzato su aerei come il Canadair 400 / CL-44.

Si prega di notare che quei turboelica si nutrono di cherosene mentre i motori a pistoni hanno bisogno di benzina. Ma basando il confronto su una base per massa, è valido perché le densità di energia di entrambe sono quasi identiche. I turboelica molto grandi sono efficienti quanto i motori a pistoni a benzina, ma i diesel hanno ancora un piccolo vantaggio.

Ora per i turbofan. Qui abbiamo la spinta che deve essere prima convertita in potenza moltiplicandola per la velocità di volo. Sarebbe assurdo confrontare il caso statico: qui per definizione i turboventilatori non producono energia. Per i pignoli: Sì, ho bisogno di guardare le velocità del gas davanti e dietro il motore, ma comunque, questo rende un confronto scarso: la maggior parte dei valori statici proviene da banchi di prova con tutti gli accessori rimossi e nessuna perdita per supporti motore e carenature. Userò invece le cifre in crociera fornite in questa risposta, utilizzando un consumo di carburante di $ b_f $ = 18 g / kN e una velocità di Mach 0,78, che equivale a una velocità di volo di 262 m / s a ​​11.000 m di altitudine. Moltiplicate per 3600 per un valore orario e dividete per 262 (le N sono al denominatore!) E arrivate a 247 g / kW-h. Quindi, di nuovo, molto simile ai buoni motori a benzina a pistoni ma non buoni come i diesel.

Ma ancora una volta questo confronto deve essere preso con il proverbiale grano di sale. Ora dobbiamo esaminare più da vicino la velocità. Il consumo specifico della spinta aumenta con la velocità e all'incirca raddoppia tra il case statico e la velocità di crociera per un moderno turbofan. Il GE-90 raggiunge 8 g / kN-s statico e 15 g / kN-s a Mach 0,8 - che sarebbe solo 209 g / kW-he sarebbe alla pari con i migliori diesel. Per confronto: le cifre installate per i moderni motori militari negli aerei supersonici sono 20 g / kN-s. E per quanto riguarda i turbojet assetati di carburante: il vecchio Jumo 004 raggiungeva 39 g / kN-s, appena il doppio con un rapporto di compressione di soli 3,3: 1. I veri consumatori di carburante erano l ' Argus 014 del V-1 con 107 g / kN-s in crociera.

Mentre i motori a turbina aumentano di efficienza con l'altitudine a causa dell'aria aspirata più fredda, il diagramma sottostante che confronta il Jumo 213 A con la versione J (sorgente) mostra un aumento del consumo specifico di potenza con l'altitudine. Nota che anche la velocità di volo aumenterà con l'altitudine e non viene data, quindi sospetto che ciò sia più dovuto alla maggiore velocità rispetto all'altitudine più elevata. Ancora una volta, questi sono dati del mondo reale da test di volo con il motore installato in un FW-190D ( fonte). Passare dal livello del mare a 10 km, che raddoppia all'incirca la velocità reale dell'aria, aumenta il consumo specifico del 20%.

Grafico di confronto tra Jumo 213 A e J. L'altitudine di volo è data in [km] lungo l'asse xe il consumo specifico lungo l'asse y destro. Moltiplicare per 1,34 per g / kW-h. La serie inferiore di linee è per il funzionamento a carico parziale tra 2100 e 2700 giri / min (versione A) rsp. 3000 RPM (versione J) mentre le linee di consumo superiori sono per il funzionamento alla massima potenza a 3000 RPM (versione A) rsp. 3400-3700 RPM (versione J), ​​parzialmente con iniezione di acqua-metanolo.

Come si confronta l'efficienza della turbina con i motori a combustione interna se tutta la potenza della turbina viene convertita in energia meccanica?

Quando si guarda alla conversione dall'energia chimica in energia meccanica: molto favorevolmente . I primi turbogetti avevano una bassa efficienza di spinta , non potevano convertire la potenza del loro generatore di gas in spinta in modo efficiente. Quando si confrontano le efficienze energetiche, partiamo dall'energia chimica nel carburante e non lavoreremo all'indietro rispetto alla spinta disponibile.

Se tutta la potenza del generatore di gas viene convertita in energia meccanica, stiamo parlando di turboalberi. Il modo migliore per confrontare solo l'efficienza del carburante del motore e non lasciarsi coinvolgere in una discussione sulla conversione della spinta è un elenco di potenza del freno motore che misura direttamente l'albero coppia ¹ applicata a un'elica, una ventola, un gruppo di ruote di camion, un'elica di navi ecc.

• Come si può vedere, un grande motore a turbina a gas come il GE LM6000 ( un motore turbofan di aeroplano convertito) è tra i motori più economici in circolazione, con un consumo di carburante specifico per i freni di 0,329 lbs / (hp * h) = 200 g / kWh = 42% di efficienza.
• I diesel possono ottenere efficienze di oltre il 50%, principalmente i grandi motori diesel a 2 tempi a basso numero di giri che generano un'enorme quantità di coppia. Il Wärtsilä-Sulzer RTA96-C funziona a 22-120 giri / min, il che sarebbe problematico per la propulsione di automobili e aeromobili.
• La più alta efficienza di tutte è il ciclo combinato con il 62,2%, una turbina a gas combinata con un turbina a vapore per utilizzare l'energia di scarico.

Il basso consumo specifico di carburante è per i motori a turbina a gas di grandi dimensioni, non si riducono bene a causa degli effetti dello strato limite: un motore più piccolo ha relativamente una circonferenza maggiore. Inoltre, funzionano in modo efficiente solo a piena potenza, i motori a pistoni hanno il vantaggio a una percentuale di giri inferiore.

Quindi più piccolo è il motore, più vantaggiose sono le circostanze per il motore a pistoni: si riducono molto più favorevolmente delle turbine a gas. Ma dato un volume sufficiente, le turbine a gas non sprecano affatto carburante.

Se un aereo montava la stessa identica elica su un motore a pistoni sovralimentato e su una turbina, e volava in condizioni identiche al stesso passo e numero di giri, quanto più carburante utilizzerebbe la turbina

Ora stiamo parlando di motori aeronautici e dovremmo lasciare fuori dal confronto i diesel per navi a 2 tempi a basso numero di giri non idonei. Inoltre, poiché le eliche e le condizioni di volo sono identiche, possiamo lasciare fuori dall'equazione l'intero meccanismo di conversione della spinta. Come accennato in precedenza, le dimensioni contano quando si parla di efficienza delle turbine a gas. Prendiamo 2 taglie:

1. Turboprop più grande.
   Il motore turboelica più grande in assoluto era il Kuznetsov NK-12, sviluppato subito dopo la seconda guerra mondiale. Un grande turboelica più moderno è l ' Europrop TP400, solo leggermente più piccolo, utilizzato per l'A400, ² con una potenza massima di 11.000 hp = 8.203 kW.

   

   • Consumo di carburante specifico della potenza dell'albero di crociera: 0,167 kg / kWh (0,275 lb / hp / h) = 51,5% di efficienza.
   • Consumo di carburante specifico della potenza propulsiva della crociera: 0,213 kg / kWh (0,350 lb / hp / h)

Ma si può vedere che il gas di grandi dimensioni i motori a turbina sono molto a basso consumo di carburante e non sono inferiori ai motori a pistoni in termini di parsimonia.

Non sono riuscito a trovare dati sul consumo di carburante su un motore a pistoni comparabile che eroga 11.000 CV. L'unico riferimento è a un motore da corsa di resistenza, che non è molto interessato al risparmio di carburante.

2. Motore a pistoni più grande prop

   Il più grande motore a pistoni mai prodotto è stato il Lycoming XR-7755, che produceva 5.000 hp con un risparmio di carburante di 0,38-.41lb / hp-ora, 231-249 g / kWh o 35,5-32,5% di efficienza. E questo con la tecnologia del 1947.

   Sempre degli anni '40: Allison T40 turboelica da 5.100 CV e consumo specifico di carburante a 0,63 lb / (lei * h) = 383 g / kWh = 22% di efficienza. Basso rapporto di compressione, nessun FADEC.

   Il Q400 ha due turbopropulsori PW150A da 5.000 hp ciascuno. Impossibile trovare l'SFC di questo moderno motore a turbina a gas. La Rolls Royce Tyne è degli anni '50 e non dispone della tecnologia più recente.

È difficile trovare motori a pistoni e turbine a gas equivalenti per un confronto equo:

• Tempo di sviluppo. I pistoni di Avgas furono molto sviluppati dopo la seconda guerra mondiale, in seguito si fermò lo sviluppo di grandi motori, ora utilizzati solo su aeroplani più piccoli. I turboprop ora hanno 3 assi, rapporto di compressione e temperature di ingresso molto elevati, FADEC.
• Potenza nominale del motore. Le turbine non si riducono bene e il confronto con la valutazione HP avrà una grande influenza sul risultato.

¹ : Il lordo la potenza erogata dal motore è la coppia Q all'albero moltiplicata per la velocità angolare $ \ Omega $ . Questa è la pura potenza del motore, l'albero (!) Horse Power delle specifiche del motore a pistoni. Per misurare la potenza lorda dell'albero, collegare uno smorzatore a correnti parassite all'albero di uscita e misurare gli ampere necessari per funzionare a $ \ Omega $ p costante >

² : Di Matti Blume - Opera propria, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid= 68573331

Veramente molto male. Ciò che fa risparmiare turboelica e turboalberi è potenza rispetto al peso, scorrevolezza e affidabilità. Se vuoi solo il massimo MPG e non devi passare al trans sonic, recip vince a mani basse.

Il consumo di carburante specifico del motore a pistoni è di circa 0,45 lbs / hp / hr per un motore a carburatore normalmente aspirato (quello la cifra proviene dalla tabella di potenza del mio motore Lycoming - non riesco a trovare una fonte in linea), scendendo da lì con iniezione di carburante e turbo / super ricarica. I diesel sono in basso .3s.

Le ricette più efficienti erano i radiali Wright Turbo Compound che avevano sia sovralimentazione che estrazione diretta della potenza dallo scarico (circa 300 CV sono stati recuperati dallo scarico della R3350 dalle due turbine di recupero di potenza) che erano inattivi negli alti da .3 a .4.

Turboprop? Peggio dei motori a benzina a due tempi. Da qualche parte intorno a 0,6 lb / hp / h o peggio (il PT-6 è .67), forse negli alti 5 su alcuni degli ultimi.

Questo è uno dei motivi perché non vedi tante conversioni di turbine su aeroplani come il DC-3. A parte il costo della conversione, è molto più economico funzionare, dal punto di vista del carburante, a gas.

Molto bene anche l'efficienza di Carnot è ciò che guida il limite teorico, e questo è determinato dalla temperatura della combustione. 1 - T_h / T_c (in Kelvin) Le turbine hanno camere di combustione molto calde (anche diesel, benzina in meno (a causa dei colpi)).

Quindi una turbina che funziona ad aria fredda avrà grandi prestazioni.

Nella generazione di elettricità le turbine a gas naturale GT a ciclo combinato (CCGT) accoppiate a una turbina a vapore raggiungono il 60% di efficienza in più. Solo le turbine (OCGT) hanno efficienze inferiori (34%), ma anche perché sono ottimizzate per una risposta più rapida ai prezzi dell'energia.