Каковы некоторые различия между поршневыми двигателями, используемыми в самолетах и ​​автомобилях?

Двигатель типичного легкого самолета (скажем, Cessna 172 или Piper Cherokee) имеет много общего с двигателем классического VW Beetle 1960-х годов (Type 1) : оба двигателя представляют собой горизонтально оппозитные четырехтактные четырехцилиндровые бензиновые двигатели с искровым зажиганием. двигатели. Их детали даже имеют схожую металлургию и примерно одинаковую частоту отказов.
На самом деле, если вы удалите коробку передач и установите систему зажигания от магнето, вы, по сути, получите один из нескольких «авиационных двигателей Volkswagen» , которые популярны на экспериментальном рынке и доказали свою надежность при хорошем обслуживании.

Сертифицированные авиационные двигатели (Lycoming и Continental, которые вы найдете в наших гипотетических Piper или Cessna) имеют несколько других особенностей, которых нет в двигателе Volkswagen: они имеют двойную систему зажигания (два магнето, две свечи зажигания на цилиндр) для резервирования на случай, если один выходит из строя, а масляный поддон рассчитан как минимум на удвоенный объем масла, необходимый для безопасной работы. Как правило, у них также есть ручное управление смесью, позволяющее пилоту обеднять топливно-воздушную смесь во время набора высоты (VW Beetle обычно не поднимался слишком высоко над уровнем моря, и когда они это делали, местный механик мог регулировать смесь в зависимости от высоты). гараж, потому что эти автомобили, вероятно, будут оставаться на относительно большой высоте большую часть своей жизни - у самолетов есть раздражающая привычка много подниматься и опускаться, поэтому необходимо либо ручное управление смесью, либо карбюратор с компенсацией высоты ).

Так чем же объясняется разница в цене? Три вещи: сертификация FAA, объем и ответственность.

Двигатели, сертифицированные FAA, стоят немалых денег: производитель должен тщательно документировать свою конструкцию и методы производства, а также убедиться, что двигатель соответствует конструктивным требованиям и может пройти испытания, описанные в FAR 33 . Выполнение (и документирование) всего этого для удовлетворения FAA – непростая задача, и это увеличивает стоимость конечного продукта.

Следующей проблемой является объем: в качестве награды за соблюдение Части 33 и сертификацию вашего двигателя у вас теперь есть возможность продать свой двигатель. На очень маленький рынок. Поршневых самолетов гораздо меньше, чем автомобилей, и хотя поршневые авиационные двигатели часто «изнашиваются» в течение срока службы планера, большинство владельцев ремонтируют свои двигатели, а не заменяют их целиком. В результате объемы производства новых двигателей относительно невелики (а при относительно оживленной конкуренции на рынке капитального ремонта производителю даже не гарантирован значительный объем этого бизнеса). Как и в случае с любым другим продуктом, при небольшом объеме цена повышается, чтобы обеспечить прибыль.

Ответственность является последним (и, вероятно, самым важным) фактором, влияющим на ценообразование: Джейн К. Пилот летит на своей новенькой, только что сошедшей с конвейера Cessna с двумя детьми и семейной собакой, когда двигатель выходит из строя. Она не может совершить успешную посадку, и все умирают, после чего ее обезумевший и обезумевший муж Джон немедленно подает в суд на механика, который последним работал над самолетом, Cessna (изготовивший планер) и Lycoming (изготовивший двигатель).
Чтобы иметь дело с такого рода громким и дорогостоящим мероприятием, требуется солидная юридическая команда (стоимость которой заложена в каждый проданный двигатель), и, поскольку производитель принимает на себя значительный риск, цена немного увеличивается. обеспечить уравновешивающее вознаграждение (прибыль).

Итак, чтобы ответить на ваши маркированные вопросы, которые я в значительной степени проигнорировал в объяснении выше:

• Ожидается ли, что детали авиационных двигателей будут иметь меньше шансов выйти из строя?
  У нас может быть такое ожидание, учитывая цену, но на самом деле они, вероятно, так же надежны, как и любой другой хорошо обслуживаемый двигатель с воздушным охлаждением конструкции 1960-х годов. Современный автомобильный двигатель имеет ряд конструктивных и технологических преимуществ перед типичным поршневым авиационным двигателем, и если мы оснастим их двойными независимыми системами зажигания и обеспечим их техническое обслуживание, как у авиационных двигателей, они вполне могут превзойти авиационные двигатели по надежности. (Конечно, современный автомобильный двигатель также весит намного больше, чем типичный авиационный двигатель, поэтому придется потратить некоторые деньги, чтобы сделать его легче, не жертвуя при этом надежностью.)

• Что сделано для того, чтобы двигатель работал при экстремальных температурах/высотах/плотностях воздуха?
  Удивительно мало: добавление управления смесью для карбюратора, двойных независимых систем зажигания и здорового веса в значительной степени покрывает это.

• Нужно ли вносить изменения, чтобы поршневой двигатель мог работать в перевернутом положении (в крене)?
  Да (топливные и смазочные системы должны быть рассчитаны на работу с нулевыми/отрицательными перегрузками в течение длительного периода времени), но ваш типичный поршневой авиационный двигатель не предназначен для работы в перевернутом положении: пилотажные авиационные двигатели немного отличаются зверь, и стоят они чуть дороже своих непилотажных собратьев.

• Какие компоненты авиационного и автомобильного поршневых двигателей различаются (магнетос и свечи зажигания, масляная система)?
  Самая большая разница между двигателем VW 1960-х годов на классическом Beetle и Lycoming O-320 2015 года — это система зажигания с двойным магнето. Остальные детали во многом идентичны или, по крайней мере, аналогичны: свечи зажигания выглядят как свечи зажигания, цилиндры выглядят как цилиндры, карбюраторы выглядят как карбюраторы и т.
   д . например, магнето, масляный насос, карбюратор, стартер и т. д.

Чтобы добавить еще несколько аспектов к ответу voretaq7:

У авиационных двигателей совсем другая рабочая точка, чем у автомобильных двигателей. Это делает невозможным просто подключить автомобильный двигатель к самолету.

1. Авиационные поршневые двигатели имеют макс. 2700 об/мин. Поскольку они обычно напрямую соединены с гребным винтом, более высокая скорость двигателя снизит эффективность гребного винта. Легкие самолеты теперь оснащены небольшими поршневыми двигателями с редуктором, которые развивают скорость до 5000 об/мин, но ваши обычные Cessna или Piper по-прежнему будут иметь обычный двигатель без редуктора. Обратите внимание, что Rolls-Royce Merlin , которому уже почти 80 лет, работал со скоростью 3000 об/мин.

2. Авиационные двигатели работают с номинальной производительностью в течение нескольких часов. Круизная настройка обычно составляет от 65% до 75% от максимальной мощности, в то время как ваш обычный автомобильный двигатель будет видеть такую ​​настройку мощности только в течение нескольких секунд за раз. Даже при движении по автобану автомобильный двигатель большую часть времени может выдавать 30% своей максимальной мощности или меньше.

3. Автомобильные двигатели теперь имеют достаточное компьютерное управление: точка зажигания, смесь и (в некоторых случаях) фаза газораспределения могут быть отрегулированы для конкретной рабочей точки. Все эти параметры либо фиксированы, либо, в случае смешения, требуют ручной корректировки в самолете.

Пункты 1 и 3 означают, что нельзя напрямую сравнивать автомобильные и авиационные двигатели с одинаковой номинальной выходной мощностью. Более высокая скорость двигателя и лучшая адаптация приводят к гораздо более высокой номинальной мощности автомобильных двигателей, но пункт 2 означает, что номинальная мощность не может быть обеспечена при использовании в самолете. Если автомобильный двигатель продолжительное время работает вблизи своей номинальной мощности, ему требуется более совершенная система охлаждения. Но даже в этом случае его детали не рассчитаны на такие нагрузки и выйдут из строя раньше, чем соответствующие детали авиадвигателя.

Однако из-за гораздо большего количества работающих автомобильных двигателей у нас есть гораздо более точные данные о поведении всех деталей в течение длительного времени, и на их оптимизацию тратится гораздо больше усилий в области исследований и разработок. При эксплуатации по назначению автомобильные двигатели теперь намного надежнее авиационных двигателей без редуктора, даже несмотря на то, что в них больше деталей (см. пункт 3 выше). По сути, незаряженные поршневые авиадвигатели — это живые музейные экспонаты. Одной из причин является гораздо меньший размер рынка новых авиационных двигателей, а другой причиной является очень обширная работа по сертификации, которая необходима, прежде чем новый разработанный двигатель можно будет использовать в самолете. Это необходимо для обеспечения низкого уровня отказов, но в то же время фактически остановило технический прогресс, просачивающийся на авиационные поршневые двигатели на полвека.

Электронные системы зажигания позволяют двигателю любого современного автомобиля работать в перевернутом виде, но масляной системе нужна гравитация, чтобы масло собиралось и поддерживалось в циркуляции. В течение короткого времени современные автомобильные двигатели не нуждались в модификации, чтобы работать в перевернутом виде, нужно было только адаптировать топливную систему.

Экстремальные температуры, на которые испытывают автомобильные двигатели, более суровы, чем у двигателей самолетов. Ожидается, что автомобильные двигатели будут работать на любой высоте, поэтому они рассчитаны на одинаковые изменения плотности. Только в крайних случаях двигатель самолета будет летать выше самых высоких дорог .

• Регулирование

• Юристы и

• Размер рынка

поднять цены на авиационные двигатели. Если бы предполагалось, что они будут работать в экстремальных условиях окружающей среды, на которые рассчитаны автомобильные двигатели, они были бы еще дороже .

Один момент, который, кажется, отсутствует в отличных ответах, предоставленных до сих пор, - это нагрев углеводов. Обледенение карбюратора является проблемой для большинства, если не для всех карбюраторных самолетов. Все маленькие самолеты, на которых я летал (Cessna 152/162/172), имеют ручной регулятор нагрева карбюратора . Когда вы включаете его, воздухозаборник двигателя переключается на воздух, подогретый выхлопными газами. Это предназначено для таяния льда, который может блокировать карбюратор, или для предотвращения образования льда в первую очередь.

Отсутствие или очень ограниченный контроль выбросов на самолетах, по крайней мере, по сравнению с новыми автомобилями.

Авиадвигателям тяжело приходится с ударным охлаждением. Крейсерская скорость на 75% мощности в течение нескольких часов, затем нажмите на дроссельную заслонку и быстро спуститесь. Шоковое охлаждение может привести к поломке двигателей. Автомобильные двигатели не проживут очень долго. Это все равно, что запустить автомобильный двигатель на полную мощность на динамометрическом стенде в течение пары часов (как будто автомобильный двигатель переживет этот первый шаг, LOL), а затем облить его ледяной водой из пожарного шланга, как если бы вы достали плиту из духовки. бросьте в ледяную воду для мытья посуды, она разобьется. Даже тщательно спроектированные авиационные двигатели имеют с этим проблемы.

Что касается паровой пробки топливного насоса на двигателях с впрыском топлива, самолеты примерно так же плохи, как автомобили 80-х годов. В большинстве случаев это не является серьезной проблемой для большинства самолетов, но иногда в жаркий летний день довольно сложно ввести жидкий газ в двигатель, чтобы запустить его. Наземные транспортные средства решают эту проблему, заставляя нефтеперерабатывающий завод смешивать зимний или летний газ, но самолеты могут летать из Арктики в тропики за несколько часов, поэтому для самолетов это не так просто.

Большинство самолетов имеют несколько топливных баков, обычно выбираемых вручную. Многие пилоты погибли из-за того, что слишком легкомысленно переключались с одного танка на другой в обстоятельствах, когда отказ был бы фатальным. Очень немногие автомобили или грузовики имеют более одного бензобака. Трубопровод топливного бака может быть чрезвычайно сложным на более крупных самолетах.

Авиационное топливо не смешивается с этанолом, поэтому вода не смешивается с этанолом, как это происходит в автомобильном топливе типа E90. Это означает, что во время предполетной подготовки из баков выливается немного (например, из чашки) топлива до тех пор, пока из топливных баков не перестанет течь вода. Вы не должны просто выливать это топливо на землю, чтобы оно испарилось, но...

Нет ничего лучше автомобильного стандарта ОДБ-II для самолетов. На всех самолетах, которые в настоящее время летают, нет универсальной розетки, где все когда-либо созданные компьютерные тестовые наборы могли обмениваться данными с компьютером двигателя о характеристиках двигателя. Такие вещи ДЕЙСТВИТЕЛЬНО существуют для конкретных двигателей и конкретных самолетов, но не существует универсального мирового стандарта для испытательных наборов двигателей и компьютеров двигателей в самолетах.

Многие авиационные двигатели имеют воздушное охлаждение, и характеристики производительности нередко различаются так, что задние цилиндры нагреваются сильнее, чем передние, потому что они находятся в воздухе, нагретом цилиндрами перед ними. Люди, привыкшие к автомобильным двигателям с водяным охлаждением, иногда удивляются этому.

Часто винты с переменным шагом приводятся в действие давлением моторного масла. Обычно трансмиссии легковых и грузовых автомобилей используют специальную трансмиссионную жидкость в трансмиссиях и гидроусилителях руля и тормозов. Я думаю, что некоторые (все?) мотоциклы используют моторное масло в своих трансмиссиях. Существуют гребные винты с изменяемым шагом, в которых используется гидравлика, а не моторное масло.

Автомобильные двигатели нагревают автомобиль с помощью циркулирующей воды. Авиационные двигатели с воздушным охлаждением обычно нагревают самолет с помощью теплообменника от выхлопных газов. Очевидно, что утечка была бы довольно опасной.

Существует стереотип, что все автомобили используют всесезонное моторное масло, а все самолеты – односортное. Это строго ложно, но достаточно верно, достаточно часто, чтобы это считалось фактом.

(Я редактирую, чтобы добавить в мета-комментарий, что все автомобильные двигатели 2015 года практически одинаковы, а уровень разнообразия самолетов и авиадвигателей значительно выше. Если вы посмотрите на случайный автомобиль 2015 года, его конструкция, вероятно, примерно идентична любому другому. случайно выбранная машина 2015 года.но вроде все самолеты разные.поэтому легко говорить про автомобильные двигатели,а трудно прибить авиационные)

Самолет тянется по воздуху коленчатым валом двигателя, а автомобильные двигатели не предназначены для того, чтобы какая-либо нагрузка давила или тянула кривошип.
Большинство, если не все авиационные двигатели, имеют большой упорный подшипник, чтобы справиться с этим, поэтому при переоборудовании автоматических двигателей используется редуктор с упорным подшипником для тяги / толкания самолета, или, если прямой привод, замените подшипники в двигателе на один, предназначенный для справиться с задействованными силами.

Другим важным отличием автомобильных и авиационных двигателей является кривая мощности: значения мощности и крутящего момента авиационного двигателя проходят почти параллельными линиями, тогда как в большинстве автомобильных двигателей пик крутящего момента приходится на диапазон низких оборотов, а пик мощности — на диапазон высоких оборотов (для остановки). вождение в движении, изменение скорости и т. д.). Двигатель самолета работает больше как стационарное приложение, как если бы вы работали с генератором или ирригационным насосом и т. д.
Если бы автомобильный двигатель использовался таким образом, его срок службы намного превышал бы срок службы большинства авиационных двигателей. Почему? Воздушное охлаждение против жидкостного охлаждения. Двигатель с жидкостным охлаждением постоянно поддерживает постоянную температуру. Двигатель с воздушным охлаждением - нет. Вы не станете свидетелем пикирования с большой высоты на самолете авиации общего назначения, когда вы отключаете мощность и направляете нос на землю. Если бы вы попытались это сделать, то, скорее всего, у вас бы заклинило несколько клапанов, когда вы попытались бы вернуться с питанием. Может превратиться в плохой день.

И последнее: я не верю, что современному хорошо спроектированному двигателю нужны две системы зажигания. За все годы моих полетов я ни разу и никогда не слышал ни о каком отказе зажигания. Когда пилот разгоняется перед взлетом и проверяет магнитолу, причина, по которой вы получаете падение на 50 об/мин, заключается в том, что эта камера сгорания не очень хорошо спроектирована. Вам не нужны два магнето.
Одно можно сказать наверняка о любой силовой установке, будь то автомобиль или самолет: чем меньше у вас движущихся частей, тем лучше вы будете. Как указывалось ранее, производители авиационных двигателей сдерживаются затратами на получение STC из правил FAA. Что в свою очередь тормозит развитие. Многие новые идеи пришли от толпы домостроителей.

Мои полномочия стали самым молодым Master Tech ASE, когда мне было 20 лет. Я был механиком в звании сержанта в армии США, я VW и Audi Master Tech, и я модифицирую карты искры, топлива и наддува в заводских ECM. Так что я хорошо знаком со всеми цифрами и прочим.

Во-первых, современный автомобильный двигатель НАМНОГО более надежен и эффективен, чем эти авиационные двигатели. Я думаю, что, поскольку EPA не распространяется на этих парней, им не нужно было повышать их эффективность.

Я погуглил характеристики Lycoming IO 540 и нашел их довольно жалкими. Мотор 8,7 литров, работающий на 100-м бензине, выдающий 300 л.с.!?! Степень сжатия 8, УБИВАНИЕ топлива тоже только из-за размера рабочего объема.

Двигатель представляет собой смесь старых, неэффективных, механически ненадежных деталей, которые требуют сложного обслуживания, а затем новых высокопроизводительных технологий.

Например, он имеет верхний распределительный вал с прямым приводом, который отбирает л.с. Клапанный механизм ДРЕВНИЙ и неаккуратный.

Он также работает с системой впрыска топлива, похожей на Bosch L и K Jetronic и CIS Motronic. Итак, вместо электрических форсунок у вас есть армированные стальные шланги с отверстием на впуске, которые идут к распределителю топлива, который изменяет давление топлива, модулируя плунжер.

VW, Audi, BMW, Porsche, Volvo, ETC использовали эту систему в 80-х и начале 90-х годов. Когда он работает, он работает хорошо, но схема подачи топлива не очень хорошая, и, по моему опыту, форсунки забиваются и не поддаются очистке, а распределитель топлива может стоить пару тысяч с регулятором перепада давления. Мне было бы ОЧЕНЬ интересно увидеть образцы распыления одного из них. Как правило, они плохо герметизируются в закрытом состоянии, и топливо будет вытекать из наконечников, а не иметь хорошей твердой конической формы.

Кроме того, головки цилиндров имеют только 2 клапана на цилиндр, поэтому они определенно текут как дерьмо, и в зависимости от их размера, если они находятся близко к отверстию цилиндра, это может блокировать поток воздуха. Твердые распределительные валы толкателей, которые будут сплющены, если вы не используете масло с высоким содержанием цинка. Я подумал, что это вызвало проблемы, погуглил отказ толкателя Lycoming и, что вы знаете, истории об этом вместе с обновлением ролика.

Спуск кулачка с кривошипа с помощью шестерни вызывает силы люфта в подшипниках и паразитное трение в л.с., так же как и плоские толкатели, роликовые подъемники являются обязательными. Подъемники гидравлические, поэтому регулировка не требуется. Одна вещь меня напугала, они заставили вас опустить подъемник, чтобы сжать гидравлическую часть, а затем проверить зазор между толкателем подъемника и кулачком. Спецификация от 0,028 до 0,08 ... Можно подумать, что, может быть, потому что они гидравлические, это не имеет значения. Затем они заявляют, что если вы не соответствуете техническим требованиям, вы устанавливаете более длинный или более короткий толкатель, и будьте осторожны, потому что уменьшается зазор между клапаном и поршнем. АКА, если у вас зазор 0,028 и 0,08. Тогда один из ваших клапанов открывается на 0,052 дюйма больше, чем другой. Из-за этого цилиндры работают неравномерно.

ОДНАКО хорошо, двигатель имеет молибдено-никелевое покрытие на цилиндре, что снижает потери на трение поршня и кольца, современные автомобили только начали использовать это. Он давно используется в гонках. Молибден используется в тех маслах, уменьшающих трение, которые вы видите в рекламе, и они смешивают его со сталью для повышения обрабатываемости.

В остальном это очень похоже на Beetle во ВСЕХ плохих отношениях. Разборный корпус двигателя, который может протекать, съемные трубки толкателя, которые необходимо установить и загерметизировать между блоком и головкой, течь, неравномерная температура в цилиндрах.

Также есть много неизвестных, например, насколько близко они соответствуют заводским поршням и шатунам по разнице в весе, чтобы сбалансировать их как можно лучше?

Ни в коем случае этот двигатель не может быть надежнее современного автомобиля, который почти все регулирует. Скоро в автомобилях будут электрические соленоиды для управления клапанами, они уже делают это на тестовых автомобилях. Это позволит бесступенчато регулировать подъем и перекрытие. Как только это происходит, распределительные валы устаревают вместе с ремнем ГРМ или цепью.

В этом двигателе слишком много металла на металле, нерегулируемые, изнашиваемые детали. Вы НЕ МОЖЕТЕ заставить цилиндры выдавать примерно одинаковую мощность из-за различий в толкателях и разницы температур. Любой, кто когда-либо был в Beetles, знает о печально известной проблеме расплавления 3-го цилиндра. Разница температур между цилиндрами приводит к существенно разной выходной мощности и балансу цилиндров.

У меня было много клиентов BMW Volkswagen, которые проехали более 300 000 миль на своих оригинальных двигателях без каких-либо проблем, и у меня были порядочные ребята с пробегом около полумиллиона за восемь лет владения магазином. Я не думаю, что могу сказать, что я когда-либо видел один двигатель. сбой, который не был вызван пренебрежением, таким как утечка охлаждающей жидкости или отсутствие замены ремня ГРМ. Хреновое масло.

Что касается номеров частей крутящего момента, которые люди слушают на скорости 60 миль в час на автостраде, определение нагрузки крутящего момента с помощью ECM обычно больше похоже на 20-25%, если бы вы могли переназначить компьютер двигателя, как я могу, он с турбонаддувом, вы могли бы вызвать Boost и набить ниже, чем с завода.

Я бы нашел способ запустить его от кулачков ремня ГРМ. Но ваши двигатели - шутка, мои сестры 03 Jetta 1.8 Turbo выдает 300 лошадиных сил на колеса со стандартным Turbo. Нет причин иметь этот большой V8, который весит тонну и не производит никакой мощности. Машина моей сестры проезжает 20 миль на галлоне при хорошем вождении.

Ваши двигатели пропустили все обновления, которые должны были сделать автопроизводители, чтобы не отставать от расхода топлива, например, работа распределителя требует лошадиных сил, полусферическое сгорание Камеры добавляют лошадиную силу, регулируемые фазы газораспределения добавляют лошадиные силы турбонагнетатели с отдельными трубами, которые полностью отделены от турбо, чтобы группа импульсов выхлопа добавляла лошадиных сил.

У меня еще нет лицензии, но я летал пару раз, и я, честно говоря, немного испугался, прежде чем пошел и взял свой первый урок, но я был поражен тем, насколько дерьмовой была технология на Cessna 172 и как она в основном выглядит. как автомобильная технология 1940-х годов.

Я бы использовал дизельный двигатель VW или 2.0 Turbo, который можно найти в модели 05 и выше, это гольф и A3.

2.0 T имеет непосредственный впрыск бензина, как и дизель, из-за этого, а впрыск топлива прямо в верхней мертвой точке позволяет вам использовать экстремальные значения наддува и опережения зажигания. Буквально не хватает времени до искры, чтобы бензин взорвался. Эти двигатели работают на шоссе с соотношением воздух-топливо 16:1. Они также делают их запасом на 210 лошадиных сил, а с одной лишь настройкой они получают 300 и более.

Качественные автомобильные электрические системы или абсолютно ничего опасного, они избыточны, и единственное, что будет препятствовать работе одной боковой линии, - это плохой датчик коленчатого вала или неисправная запятая топливного насоса, если вы используете джоулевые датчики коленчатого вала и двойные топливные насосы. беспокоиться о.

Итак, взгляните на это здесь. Это динамометрический стенд 1,8 т, и он мягкий. Если вы возьмете редуктор 2:1, вы получите 200 л.с. при 3000 об/мин.

Я не понимаю, может быть, это как причина, по которой двигатели грузовиков должны быть 6-, 8-цилиндровыми или более, потому что им нужно увеличить размер подшипника, размер штока и усилие для нагрузки?

Но я провел массу вычислений, похоже, он не находится под ОЧЕНЬ большой нагрузкой.

Так или иначе, Cessna делала дизельные двигатели размером с легковой автомобиль, которые казались прекрасными.

Я думаю, что это старая гвардия не чувствует себя комфортно с компьютерами... Я должен скоро получить компенсацию. Может быть, я соберу себе Цессну из одного :)