Ograniczenia

Różne zastosowania mają różne ograniczenia:

• Lotnictwo: bardzo lekki, wysoce niezawodny
• Morski: bardzo wysoka wytrzymałość
• Motoryzacja: umiarkowanie lekki, responsywny
• Motocykl: bardzo lekki, bardzo kompaktowy, bardzo czuły

Różne epoki technologii dają różne rozwiązania ze względu na dodatkowe ograniczenia , zawsze ograniczona przez ówczesną technologię:

• Era pionierów: spraw, by działała
• Era I / II wojny światowej: tak szybko, jak to możliwe
• Era powojenna: dalej, szybciej, lepiej
• Era kryzysu paliwowego: tak wydajna, jak to możliwe

Silniki lotnicze

Pytanie dotyczy optymalizacja liczby cylindrów w zależności od pojemności skokowej na cylinder w silnikach lotniczych. To zawęża zakres do „tłokowych silników spalinowych tłokowych” (plus silnik Wankla jako bardzo szczególny przypadek).

Oczywiście rakiety, dysze impulsowe, napędzane turbiną i silniki elektryczne nie mają cylindrów, a silniki parowe nigdy (z powodzeniem) nie były używane w samolotach.

Liczba cylindrów i pojemność cylindra to dwa z niezliczonych parametrów, które mają wpływ na konstrukcję każdego silnika. Oba mogą być użyte do zwiększenia mocy wyjściowej.

Zwiększenie mocy

Moc wyjściową silnika można zwiększyć przez liczbę cylindrów lub przez zwiększenie pojemności cylindra (lub jedno i drugie ).

Każda zmiana parametrów powoduje uzyskanie lub utratę pewnych pożądanych cech. Są one wymienione poniżej w (N), (n), (D) i (d).

• Zwiększenie liczby cylindrów oznacza zyskanie (N) i utratę (n)
• zwiększenie pojemności cylindra oznacza zyskanie (D) i utratę (d)

Dodawanie cylindrów jest łatwiejsze niż zwiększanie rozmiaru cylindra. Geometria cylindra nie zmienia się. Identyczne części silnika mogą być używane wielokrotnie w tej samej konstrukcji silnika (banki cylindrów, głowice cylindrów lub całe bloki silnika).

Zmiana kompromisu

Zaczynając od jednej konfiguracji silnika, tę samą moc wyjściową można osiągnąć przez

• wzmocnienie (N) id), oraz tracąc (n) i (D) lub
• zyskując (n) i (D) oraz tracąc (N) i (d).

Powody aby zwiększyć liczbę cylindrów (N)

• Moment obrotowy skaluje się bezpośrednio z liczbą cylindrów
• Zwiększenie stosunku powierzchni do objętości jest korzystne w przypadku silników chłodzonych powietrzem
• Zwiększ moc: dodawanie cylindrów jest łatwiejsze niż zwiększanie rozmiaru cylindra. Geometria cylindra nie zmienia się. Identyczne części silnika mogą być używane wielokrotnie w tej samej konstrukcji silnika (banki cylindrów, głowice cylindrów lub całe bloki silnika)
• Popraw równowagę sił i momentów
• Skróć czas między zasilaniem uderzenia
• Zmniejsz wpływ uszkodzonego cylindra
• Popraw płaskość rozkładu momentu obrotowego w stosunku do prędkości obrotowej.

• Włącz bardziej elastyczną i bardziej rozproszoną formę czynnik

  

  _{Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major , 28-cylindrowy, 28 l , 3500 KM, 2700 obr / min, rok produkcji 1944-1955.}

Powody zmniejszenia liczby cylindrów (n)

• Prostota: mniej ruchomych części poprawia wytrzymałość, zmniejsza potrzebę serwisowania, a tym samym zwiększa dostępność.

• Włącz bardziej kompaktową obudowę

  

  _{Mercedes 1-cylindrowy, 1,5 kW, 720 obr / min, 84 kg, rok produkcji 1888.}

Powody zwiększyć pojemność cylindra (D)

• Zwiększyć moc przez moment obrotowy

  

  _{BMW IIIa, 6-cylindrowe, 19,1 l, 200 KM, 1400 obr / min, rok produkcji 1917. sub>}

Powody, dla których należy zmniejszyć pojemność cylindra (d)

• Mniejsza pojemność oznacza mniejsze tłoki, krótsze tłoczyska lub jedno i drugie. Tak czy inaczej, mniejsze przemieszczenie pozwala na większą prędkość obrotową i większe przyspieszenie.
• Mniejsza komora spalania wydłuża czas potrzebny do rozszerzenia płomienia (tylko benzyna, nie olej napędowy). Pozwala to na większą prędkość obrotową.
• Zawory ograniczają strumień gazu do iz cylindra. Zawory podlegają stosunkowi powierzchni do objętości. Mniejsze cylindry są łatwiejsze do napełniania i opróżniania przez zawory, co pozwala na większą prędkość obrotową.

• Przy danym stopniu sprężania mniejsze cylindry muszą wytrzymać mniejszą całkowitą siłę, co pozwala na lżejszą konstrukcję silnika ( mniejszy ciężar).

  

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

Uwagi

• Silniki radialne należą do epoki I / II wojny światowej. Większość z nich była chłodzona powietrzem. W przypadku silników chłodzonych powietrzem liczy się stosunek powierzchni do objętości. Dlatego zwiększenie liczby cylindrów zamiast przemieszczenia na cylinder jest oczywiste.
• Samoloty podczas I / II wojny światowej musiały być tak szybkie i potężne, jak to tylko możliwe, aby atakować i bronić. Nie było dobrego powodu, by wybrać mniej niż 6 cylindrów.
• Silniki czterosuwowe doskonale współpracują z 1, 2 i 3 cylindrami. Są to paralotnie z napędem lub samoloty ultralekkie.

• Niektóre numery cylindrów są bardziej preferowane ze względu na symetrię.

  • 6, 8, 4 dla silników rzędowych
  • liczby nieparzyste (w wierszu) dla silników promieniowych

• Budowanie silników promieniowych z parzystą liczbą cylindrów jest dobrze możliwe, chociaż jest to liczba parzysta w jednym rzędzie nas nie jest preferowane. Wielorzędowe silniki promieniowe o parzystej liczbie cylindrów były używane w wielu samolotach.

• Projektanci silników samochodowych preferują 0,5 l na cylinder jako idealny kompromis.
• Duża liczba cylindrów byłaby konieczna do zbudowania silników tłokowych o dużej mocy, ale ten segment jest obecnie zajmowany przez silniki odrzutowe.

• Istnieją silniki radialne z mniej niż 5 cylindrami. Oto 3-cylindrowy radialny, zbudowany w 1930 roku w USA:

  

Twoje rozumowanie jest poprawne, jeśli masa silnika nie jest ważna. Statki używają ogromnych silników, ponieważ zwiększenie liczby cylindrów powyżej 8 przyniesie malejące korzyści w zakresie wygładzania tętnień momentu obrotowego, a większe cylindry przyczynią się do zwiększenia wydajności. Jednak samoloty muszą utrzymywać niską masę silnika.

Wartsila-Sulzer RTA96-C turbodoładowany dwusuwowy silnik wysokoprężny podczas montażu (zdjęcie źródło). Jego rozmiar sprawia, że ​​silnik ten jest niezwykle wydajny: jego 14-cylindrowa wersja wytwarza 108 920 KM przy 102 obr./min i ma sprawność cieplną przekraczającą 50%. Specyficzne zużycie paliwa wynosi tylko 0,260 funta / KM / godzinę. Ale waży 2600 ton!

Moc silnika to iloczyn momentu obrotowego i prędkości. Aby zmaksymalizować moc silnika, prędkość należy utrzymywać na jak najwyższym poziomie. Zwiększenie rozmiaru cylindra ograniczy prędkość, z jaką może pracować silnik, ze względu na szybkość procesu spalania w przestrzeni spalania. Jeśli średnica cylindra jest zbyt duża, czoło płomienia pochodzące od świecy zapłonowej nie przemieści się wystarczająco daleko, aby spalić większość paliwa do czasu, gdy tłok ponownie się obniży. Tylko dodanie większej liczby cylindrów zwiększy moc przy zachowaniu stałej prędkości silnika.

Oto porównanie silników lotniczych z I wojny światowej z doskonałej strony enginehistory.org. Zwróć uwagę, jak dane dotyczące średnicy i prędkości są odwrotnie skorelowane (model Austro-Daimler 120 był konstrukcją przedwojenną i widział późniejsze wzrosty prędkości):

Porównanie graficzne, Austro-Daimler jest pokazany ze specyfikacjami późniejszej wersji.

Cytat z połączonego pliku PDF ( enginehistory.org):

Jednak duża średnica otworu spowodowała przesunięcie górnej granicy cylindra silnika lotniczego. Odpowiednie chłodzenie i oszczędność paliwa wymagają możliwie pełnego spalania mieszanki paliwowo-powietrznej, a to całkowite spalanie wymaga, aby czoła płomienia poruszały się po mają czas na spotkanie się komory spalania od ich odpowiednich punktów zapłonu. Prędkość czterosuwowego silnika lotniczego z dużym otworem cylindra jest więc w rzeczywistości ograniczona przez szybkość spalania mieszanki paliwowo-powietrznej, która dla danego cylindra i mieszanki jest stała, a tym samym wysiłki w celu zwiększenia mocy wyjściowej poprzez zwiększenie prędkość silnika z cylindrem o dużej średnicy może skutkować niepełnym spalaniem, przegrzaniem i detonacją.

Inne ograniczenia prędkości silnika, takie jak obciążenia korbowodów lub odpowiednie napełnienie i płukanie cylindra można sobie z tym poradzić, stosując odpowiednio materiały o większej wytrzymałości i większej liczbie zaworów na cylinder, ale gdy podaje się rodzaj paliwa, twardą granicą prędkości silnika jest otwór cylindra. Tak więc jedynym sposobem na zwiększenie mocy bez szkody dla stosunku mocy do masy jest dodanie większej liczby cylindrów.

Kiedy cylinder staje się większy -

Zasada kwadratu sześcianu mówi, że jego objętość rośnie szybciej niż jego powierzchnia. - Wikipedia

Ciśnienie i masa:

Zmniejszenie liczby cylindrów zwiększa siłę na cylinder i na punkt mocowania do wału korbowego.

Ponieważ powierzchnia nie skaluje się tak szybko, wszystkie części silnika będą musiały wytrzymać znacznie większe ciśnienie - siłę nad obszarem.

silnik o tej samej mocy i mniejszej liczbie cylindrów będzie cięższy i trudniejszy do chłodzenia.

Czy można go zbudować? Oczywiście.

Czy będzie ładnie latać? Nie. Ponieważ będzie o wiele za ciężki.

W zastosowaniach, w których waga nie stanowi problemu, np. Na statkach, znajdziesz ogromne cylindry.

Usprawnienie:

( Źródło) Małe cylindry dobrze pasują do cienkiego aerodynamicznego kształtu.

Sam powiedziałeś o stosunku powierzchni do objętości. Musisz wydobyć ciepło z cylindrów, a jeśli są zbyt duże, nie możesz tego zrobić skutecznie. Trudno jest również uzyskać równomierne, całkowite, szybkie spalanie wraz ze wzrostem objętości.

Inni wspominali już o skalowaniu objętości w porównaniu do skalowania powierzchni. Jednak najważniejszą częścią powierzchni jest obszar zaworu.

Kiedy przeskalujesz cylinder 2 razy, otrzymasz 8 razy większą objętość, ale tylko 4 razy większe zawory. Oznacza to, że ta sama objętość butli jest teraz obsługiwana przez 2 razy mniejszą powierzchnię zaworu. Ten obszar określa, jak szybko można napełniać i opróżniać butlę. Oznacza to, że musisz zmniejszyć obroty. Ponieważ więcej obrotów na minutę oznacza większą moc, oznacza to, że uzyskujesz malejące zwroty: dwa razy większy cylinder dostarczy mniej niż dwa razy więcej mocy.

Z drugiej strony dodanie kolejnego cylindra jest prawie idealnie liniowe: dwa razy więcej cylindry to dwa razy więcej mocy.

Większość już powiedziano, ale dodałbym, co następuje:

• Większe przemieszczenie oznacza cięższe tłoki, które mają większą bezwładność. Ogranicza to obroty i powoduje poważne obciążenia elementów silnika. Aby wytrzymać te obciążenia, inne komponenty muszą być sztywniejsze, a przez to cięższe.

• Moc jest iloczynem pędu i obrotów. Zwiększenie prędkości obrotowej daje moc szybciej i jest łatwiejszym sposobem na uzyskanie większej mocy (do pewnego stopnia) niż zwiększanie pędu. Aby zwiększyć obroty, należy zastosować lżejsze części wewnętrzne. AFAIK, w zastosowaniach lotniczych, w przeciwieństwie do motoryzacji, wyższe obroty są preferowane niż wyższy pęd. Nie potrzebujesz mocy przy niskich obrotach tak bardzo, jak w samochodzie.

• Im większą pojemność ma jeden cylinder, tym trudniej jest uzyskać jednorodną mieszankę i efektywne, całkowite spalanie. To dlatego w silnikach samochodowych silniki czterocylindrowe najczęściej ograniczone do 2,0-2,5 litra, 6-cylindrowe - do 3-3,3l, 8-cylindrowe - do 4-5 litrów i tak dalej. Utrzymuje to objętość na butlę na pewnym rozsądnym poziomie (0,5 l / butlę).

• Limit objętości na cylinder jest również określany przez prędkość spalania. Przy wysokich obrotach może się okazać, że spalanie nie jest zakończone po zakończeniu suwu pracy, więc płomień wystrzeliwuje z cylindrów i ostatecznie topi zawory. W wariancie silnik w ogóle nie będzie w stanie przyspieszyć do określonych obrotów. Ten problem może być częściowo rozwiązany przez wczesny zapłon i podwójne świece zapłonowe, ale znowu nie jest to tak skuteczne, jak utrzymanie dobrego stosunku objętości do cylindra.

Przy większej liczbie cylindrów skoki są tak zsynchronizowane, że gdy jeden cylinder się ściska, inny oddaje moc i tak dalej. Zapewnia to, że moc wyjściowa (lub średni moment obrotowy, jak pokazano na wykresie T-theta) pozostanie stała przez cały obrót korby. Energia kinetyczna zmagazynowana w kole zamachowym jest proporcjonalna do jego masy (a właściwie masowego momentu bezwładności). Jeśli silnik zużywa mniej energii z koła zamachowego do suwów sprężania, K.E. wymagana do przechowywania w kole zamachowym jest mniejsza. A koło zamachowe mogłoby być lżejsze .

Samoloty muszą oszczędzać na wadze. Innymi słowy: potrzebuje silnika o wysokim stosunku mocy do masy. Moc wytwarzana przez cylinder jest proporcjonalna do powierzchni tłoka (jeśli ciśnienie pozostaje takie samo). Tak więc, jeśli podzielimy wszystkie wymiary cylindra silnika przez 2, wytwarzana moc jest 4x mniejsza, ale waga cylindra jest 8x mniejsza. Stąd stosunek mocy do masy jest dwukrotnie wyższy, dlatego samoloty wolą silniki z dużą ilością małych cylindrów niż silnik z kilkoma dużymi cylindrami. W inżynierii nazywa się to „analizą wymiarową”, patrz https://en.wikipedia.org/wiki/Dimensional_analysis

Wczesne lotnictwo nie opierało się zbytnio na tych wszystkich koncepcjach naukowych lub inżynieryjnych, ale opierało się na tym, co okazało się skuteczne. Wielu wczesnych producentów silników lotniczych wywodziło się głównie z przemysłu motoryzacyjnego i wzięli to, co wiedzieli, że działa, i podwoili to, aby spełnić wymagania dotyczące mocy (od płaskiej 6 do v12). Dlaczego nie upraszczali i nie zmniejszali liczby cylindrów, prawdopodobnie miało to wiele wspólnego z niezawodnością (więcej cylindrów, więcej redundancji). Brytyjczycy i sojusznicy Amerykanie mieli pierwsze w tej wojnie koncepcje silników odrzutowych, ale skupili się na bardziej praktycznej technologii; który chciałbyś przetestować latać?