Ограничения

Различные приложения имеют разные ограничения:

• Авиация: очень легкий вес, высокая надежность
• Морской пехотинец: очень высокая выносливость
• Автомобильный: умеренно легкий вес, отзывчивый
• Мотоцикл: очень легкий, очень компактный, очень отзывчивый

Разные эпохи технологий дают разные решения из-за дополнительных ограничений, всегда ограниченных современными технологиями:

• Эпоха пионеров: заставьте это работать
• Эпоха Первой и Второй мировых войн: как можно быстрее
• Послевоенная эпоха: дальше, быстрее, лучше
• Эпоха топливного кризиса: максимально эффективно

Авиадвигатели

Речь идет об оптимизации количества цилиндров по отношению к рабочему объему на цилиндр для двигателей, используемых в авиации. Это сужает область применения до «поршневых двигателей внутреннего сгорания» (плюс двигатель Ванкеля как особый случай).

Очевидно, что ракетные, реактивные, газотурбинные и электрические двигатели не имеют цилиндров, а паровые двигатели никогда (успешно) не применялись в самолетах.

Количество цилиндров и рабочий объем цилиндров — два из бесчисленных параметров, которые входят в конструкцию любого двигателя. Оба могут быть использованы для увеличения выходной мощности.

Увеличение мощности

Выходная мощность двигателя может быть увеличена либо за счет количества цилиндров, либо за счет увеличения рабочего объема цилиндра (или того и другого).

Каждое изменение параметров вызывает усиление или потерю определенных желаемых характеристик. Они перечислены ниже в разделах (N), (n), (D) и (d).

• Увеличение количества цилиндров означает выигрыш (N) и потерю (n)
• увеличение рабочего объема цилиндра означает увеличение (D) и потерю (d)

Добавить цилиндры проще, чем увеличить размер цилиндра. Геометрия цилиндра не меняется. Одни и те же детали двигателя могут использоваться несколько раз в одной и той же конструкции двигателя (блоки цилиндров, головки цилиндров или полные блоки цилиндров).

Сдвиг компромисса

Начиная с одной конфигурации двигателя, одинаковая выходная мощность может быть достигнута за счет

• выигрыш (N) и (d) и проигрыш (n) и (D) или
• приобретение (n) и (D) и проигрыш (N) и (d).

Причины увеличения количества цилиндров (N)

• Крутящий момент напрямую зависит от количества цилиндров.
• Увеличение отношения поверхности к объему выгодно для двигателей с воздушным охлаждением.
• Увеличьте мощность: добавление цилиндров проще, чем увеличение размера цилиндра. Геометрия цилиндра не меняется. Одинаковые детали двигателя могут использоваться несколько раз в одной и той же конструкции двигателя (блоки цилиндров, головки цилиндров или полные блоки цилиндров).
• Улучшение баланса сил и импульсов
• Уменьшить время между рабочими ударами
• Уменьшить влияние неисправного цилиндра
• Улучшить равномерность распределения крутящего момента по скорости вращения.
• Обеспечьте более гибкий и распределенный форм-фактор

_{Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major , 28-цилиндровый, 28 л, 3500 л.с., 2700 об/мин, выпуска 1944-1955 гг.}

Причины уменьшения числа цилиндров (n)

• Простота: меньше движущихся частей повышает надежность, снижает потребность в обслуживании, тем самым повышая доступность.
• Включить более компактный форм-фактор

_{Mercedes 1 цилиндр, 1,5 кВт, 720 об/мин, 84 кг, 1888 года постройки.}

Причины увеличения рабочего объема цилиндра (D)

• Увеличение мощности за счет крутящего момента

_{BMW IIIa, 6-цилиндровый, 19,1 л, 200 л.с., 1400 об/мин, 1917 года постройки.}

Причины уменьшения рабочего объема цилиндра (d)

• Меньший рабочий объем означает меньшие поршни, более короткие штоки или и то, и другое. В любом случае меньший рабочий объем обеспечивает более высокую скорость вращения и более высокое ускорение.
• Меньшая камера сгорания уменьшит время, необходимое для расширения пламени (только бензин, а не дизель). Это позволяет увеличить скорость вращения.
• Клапаны ограничивают поток газа в цилиндр и из него. Клапаны зависят от отношения поверхности к объему. Цилиндры меньшего размера легче наполнять и опорожнять через клапаны, что обеспечивает более высокую скорость вращения.
• При заданной степени сжатия цилиндры меньшего размера должны выдерживать меньшую общую силу, что обеспечивает более легкую конструкцию двигателя (меньший вес).

_{JPX PUL 212, 1 цилиндр, 212 см³, 11 кВт, 6000 об/мин.}

Примечания

• Радиальные двигатели относятся к эпохе Первой и Второй мировых войн. Большинство из них имели воздушное охлаждение. Для двигателей с воздушным охлаждением имеет значение отношение поверхности к объему. Поэтому очевидно увеличение количества цилиндров вместо рабочего объема на цилиндр.

• Самолеты во время Первой и Второй мировых войн должны были быть максимально быстрыми и мощными для атаки и защиты. Не было веских причин переходить на менее 6 цилиндров.

• Четырехтактные двигатели отлично работают с 1, 2 и 3 цилиндрами. Они используются на парапланах с двигателем и соответственно на сверхлегких самолетах.

• Некоторые номера цилиндров предпочтительнее из соображений симметрии

  • 6, 8, 4 для рядных двигателей
  • нечетные числа (в ряду) для радиальных двигателей

• Создание радиальных двигателей с четным числом цилиндров вполне возможно, хотя четное число цилиндров в одном ряду нежелательно. Многорядные радиальные двигатели с четным числом цилиндров использовались на многих самолетах.

• Разработчики автомобильных двигателей предпочитают 0,5 л на цилиндр как идеальный компромисс.

• Для создания мощных поршневых двигателей потребовалось бы большое количество цилиндров, но сейчас этот сегмент занят реактивными двигателями.

• Существуют радиальные двигатели с числом цилиндров менее 5. Вот радиальный 3-цилиндровый, построенный в 1930 году в США:

Ваши рассуждения верны, если масса двигателя не важна. На кораблях используются огромные двигатели , потому что увеличение количества цилиндров сверх 8 будет иметь меньшую отдачу с точки зрения сглаживания пульсаций крутящего момента, а большие цилиндры помогают повысить эффективность. Но самолету необходимо снизить массу двигателя.

Двухтактный дизельный двигатель Wartsila-Sulzer RTA96-C с турбонаддувом во время сборки ( источник изображения ). Его размер делает этот двигатель чрезвычайно эффективным: его 14-цилиндровая версия развивает мощность 108 920 л.с. при 102 об/мин и имеет тепловой КПД более 50%. Удельный расход топлива составляет всего 0,260 фунта/л.с./час. Но он весит 2600 тонн!

Мощность двигателя является произведением крутящего момента и скорости . Чтобы максимизировать мощность двигателя, скорость должна быть максимально высокой. Увеличение размера цилиндра ограничит скорость, с которой может работать двигатель, из-за скорости процесса сгорания внутри камеры сгорания. Если диаметр цилиндра становится слишком большим, фронт пламени, исходящий от свечи зажигания, не пройдет достаточно далеко, чтобы сжечь большую часть топлива к тому времени, когда поршень снова опустится. Только добавление большего количества цилиндров увеличит мощность при сохранении постоянной скорости двигателя.

Вот сравнение авиадвигателей времен Первой мировой войны с отличного сайта enginehistory.org . Обратите внимание, как показатели диаметра и скорости коррелируют обратно пропорционально (Austro-Daimler 120 был довоенной конструкции, и позже его скорость увеличилась):

Графическое сравнение: Austro-Daimler показан с характеристиками более поздней версии.

Цитата из связанного PDF ( enginehistory.org ):

Однако большой диаметр цилиндра расширил верхний предел цилиндра авиационного двигателя. Надлежащее охлаждение и эффективность использования топлива требуют как можно более полного сгорания топливно-воздушной смеси, и это полное сгорание требует времени, чтобы фронты пламени, движущиеся по камере сгорания от соответствующих точек воспламенения, встретились. Таким образом, скорость четырехтактного авиадвигателя с большим диаметром цилиндра фактически ограничивается скоростью сгорания топливно-воздушной смеси, которая для данного цилиндра и смеси является постоянной, и, таким образом, усилиями по увеличению выходной мощности путем увеличения скорость двигателя с цилиндром большого диаметра может привести к неполному сгоранию, перегреву и детонации.

Другие ограничения скорости двигателя, такие как нагрузки на шатуны или адекватное заполнение и промывка цилиндров, могут быть решены путем использования материалов более высокой прочности и большего количества клапанов на цилиндр, соответственно, но когда указан тип топлива, жесткое ограничение скорости двигателя это отверстие цилиндра. Таким образом, единственный способ увеличить мощность без ущерба для соотношения мощности и веса — это добавить больше цилиндров.

Другие уже упоминали масштабирование объема по сравнению с масштабированием поверхности. Однако наиболее важной частью поверхности является площадь клапана.

Когда вы увеличиваете цилиндр в 2 раза, вы получаете в 8 раз больше объема, но только в 4 раза больше клапанов. Это означает, что тот же объем цилиндра теперь обслуживается клапаном в 2 раза меньшей площади. Эта область определяет, насколько быстро вы можете заполнить и опустошить цилиндр. Это означает, что вам нужно снизить обороты. Поскольку большее число оборотов означает большую мощность, это означает, что вы получаете убывающую отдачу: вдвое больший цилиндр будет выдавать менее чем в два раза большую мощность.

С другой стороны, добавление еще одного цилиндра почти идеально линейно: удвоение количества цилиндров означает удвоение мощности.

Вы сами сказали это с отношением площади поверхности к объему. Вы должны отводить тепло от цилиндров, и если они слишком большие, вы не сможете сделать это эффективно. Также трудно добиться равномерного, полного и быстрого сгорания по мере увеличения объема.

Многое уже было сказано, но я бы добавил следующее:

• Большее смещение означает более тяжелые поршни с более высокой инерцией. Это ограничивает число оборотов и создает серьезные нагрузки на компоненты двигателя. Чтобы выдерживать эти нагрузки, другие компоненты должны быть более жесткими и, следовательно, более тяжелыми.

• Власть есть продукт импульса и оборотов. Увеличение числа оборотов дает мощность быстрее, и это более простой способ получить больше мощности (до определенной степени), чем увеличение импульса. Для повышения оборотов следует использовать более легкие внутренние детали. Насколько я знаю, в авиационных приложениях, в отличие от автомобилей, более высокие обороты предпочтительнее, чем более высокий импульс. Вам не так нужна мощность на низких оборотах, как в автомобиле.

• Чем больше рабочий объем одного цилиндра, тем сложнее добиться равномерного смесеобразования и эффективного полного сгорания. Именно поэтому в автомобильном двигателестроении 4-цилиндровые двигатели чаще всего ограничиваются 2,0-2,5 л, 6-цилиндровые - 3-3,3 л, 8-цилиндровые - 4-5 л и так далее. Это удерживает объем на цилиндр на определенном разумном уровне (0,5 л/цилиндр).

• Предел объема на цилиндр также определяется скоростью сгорания. На высоких оборотах может оказаться, что сгорание не заканчивается, когда рабочий такт завершен, поэтому пламя вырывается из цилиндров и в конечном итоге расплавляет клапаны. Как вариант, двигатель вообще не сможет разогнаться выше определенных оборотов. Эту проблему можно было бы частично свести на нет за счет раннего зажигания и двойных свечей зажигания, но опять же это не так эффективно, как сохранение хорошего соотношения объем/цилиндр.

При большем количестве цилиндров ход поршня так синхронизирован, что, когда один цилиндр сжимается, другой выдает мощность, и так далее. Это гарантирует, что выходная мощность (или средний крутящий момент, как будет показано на Т-тета-диаграмме) останется постоянной при полном вращении кривошипа. Кинетическая энергия, запасенная в маховике, пропорциональна его массе (фактически моменту инерции массы). Если двигателю требуется меньше энергии от маховика для тактов сжатия, то КЭ, требуемый для хранения в маховике, будет меньше. Да и маховик можно было сделать легче .

Самолетам нужно экономить вес. Другими словами: ему нужен двигатель с высоким соотношением мощности и веса. Мощность, производимая цилиндром, пропорциональна площади поверхности поршня (если давление остается прежним). Итак, если вы разделите все размеры цилиндра двигателя на 2, вырабатываемая мощность будет в 4 раза меньше, но вес цилиндра будет в 8 раз меньше. Следовательно, соотношение мощность/вес в два раза выше. Вот почему самолеты предпочитают двигатели с большим количеством маленьких цилиндров двигателям с несколькими большими цилиндрами. В инженерии это называется «размерный анализ», см. https://en.wikipedia.org/wiki/Dimensional_analysis .

Ранняя авиация основывалась не на всех этих научных или инженерных концепциях, а на том, что, как они обнаружили, работало. Многие первые производители авиационных двигателей в основном пришли из автомобильной промышленности, и они взяли то, что, как они знали, работало, и удвоили его, чтобы удовлетворить требования по мощности (от 6 до v12). Почему они, как правило, не упрощали и не уменьшали количество цилиндров, вероятно, во многом были связаны с надежностью (больше цилиндров, больше избыточности). Британцы и американцы из альянса разработали первые во время войны концепции реактивных двигателей, но сосредоточились на более практичных технологиях; что бы вы хотели испытать летать?

В дополнение к тому, что здесь уже было сказано, есть ограничение скорости поршня, у высокооборотистых двигателей более короткий ход кривошипа. Фронт пламени и, следовательно, поршень могут перемещаться только с такой скоростью, огромные двигатели, такие как лодки, имеют огромные броски, двигатели с низкими оборотами, но имеют такие же максимальные скорости поршня, как и автомобильные двигатели.

Почему бы не сделать такой же ход кривошипа, но с поршнями действительно большого диаметра? хорошо, это можно сделать, но только до определенного момента, слишком широкий и коленчатый вал становится слишком слабым, и двигатель становится действительно широким.