Varför bränner kolvmotorer i flygplan bränsle till en högre hastighet än en jämförbar bilmotor?

Som andra har noterat har flygmotorer och bilmotorer mycket olika arbetscykler. En flygplansmotor körs typiskt med full effekt under några minuter under start och start. klättra, sedan vid en stor bråkdel av max under nivåflygning, som kan varar i timmar, och endast smutsas tillbaka under avstigning och landning.

En automatisk motor arbetar däremot bara med full effekt i några sekunder, eftersom du till exempel accelererar upp den motorvägen på rampen, så kommer den att smutsas tillbaka för att producera den lilla fraktionen full kraft som behövs för att behålla motorvägsfartygshastigheter¹. Eftersom effekten är proportionell mot bränsleförbrukat², använder din bilmotor mycket mindre bränsle. Även om det kan bli betygsatt att producera samma högsta HP som flygplansmotor, producerar den i normal drift mycket lägre HP under den stora delen av sin driftstid. Du kan se detta i drift om du kör en bil med en realtidsbränsleförbrukningsmätare. Till exempel visar min Insight-hybrid ~ 25 mpg när du accelererar eller klättrar berg (med nära full effekt), men 75 mpg eller bättre kryssning på en nivå mellanstatliga.

Notera också att den faktiska bränsleekonomin hos ett flygplan inte är så mycket annorlunda än att säga din genomsnittliga SUV. Jag har inte exakta siffror längre, men jag beräknade en gång att min Cherokee 180 fick cirka 18 mpg. När man ser att det går dubbelt så fort och på längre resor kan förkorta det faktiska avståndet som reste genom att gå i en rak linje istället för att följa vägarna, är jämförelsen inte så illa.

¹Detta är av en orsak, varför hybridbilar kan använda elektrisk hjälp för att få mycket bättre mpg - gasmotorn kan vara tillräckligt stor för effektiv kryssning, medan accelerationen tillhandahålls av elmotorn.

²Till en första approximation. Det är mycket mer komplicerat i den verkliga världen. Sök upp BSFC-kartor om du är nyfiken.

RPM och förskjutning är inte tillräckliga för att bestämma den kraft som skapas eller bränsle som förbrukas av en motor. Du måste också överväga gaspositionen.

Sätt din Saab i neutral och försök hålla 2300 RPM. Hur långt måste du trycka på gaspedalen? Inte så långt. Kör Saab upp ett brant berg och försök hålla 2300 RPM. Hur långt måste du trycka på gaspedalen? Beroende på hur brant kullen är, kanske du inte kan hålla 2300 RPM vid full gas och behöver nedskiftning!

Den extra parameter som du behöver tänka på är motorens manifoldens absoluta tryck.

Vid låg effekt är gasreglaget oftast stängt. När inloppsventilen öppnar och cylindern sänker, kan den bara suga lite luft genom denna begränsning. Denna sug genererar ett starkt partiellt vakuum. En ordentligt blandad motor kommer att införa en liten mängd bränsle för att bränna korrekt med denna lilla mängd luft och bränna den här mindre mängden bränsle med mindre mängd luft ger en liten mängd avgas, svagt tryckande på cylindern. Men i neutral är detta svaga tryck allt som krävs för att bibehålla 2300 RPM.

Vid hög effekt är gasspjället öppen. När inloppsventilen öppnar och cylindern sänker, kan den suga mycket luft in genom denna öppna gasreglage. Det genererar bara ett svagt vakuum eftersom det är lätt för luften att strömma in. En ordentligt blandad motor behöver introducera mycket bränsle för att brinna med den här stora mängden luft och bränna allt detta bränsle och luft genererar mycket tryck och trycker ner kraftigt på cylindern. I neutralt läge skulle detta kraftiga tryck leda till att motorn löper mycket snabbare än 2300 varv per minut, eller med motstånd på en kulle eller propeller kan det hålla 2300 varv / min.

Kryssning på motorvägen kräver mindre kraft än kryssning i ett flygplan. Din bil har ett lågtryckstryck / starkt vakuum / sluten gasreglage på motorvägen, medan Lycoming har ett högtryckstryck / svagt vakuum / öppet gas, vilket indikeras av deras olika bränsleförbrukning!

Några observationer:

Aerodynamisk (parasit) dragning är proportionell mot hastighet kvadrerad. Kraft för att övervinna den är proportionell mot drastiderna hastighet - så är det proportionellt med hastigheten kubad . För att gå dubbelt så fort måste du trycka 4 gånger så hårt vid två gånger hastigheten, vilket kräver 8 gånger kraften. Och 8 gånger bränslet brinner. Men med dubbelt avståndet, vilket ger 1/4 MPG, allt annat är lika. Därför behöver de snabbaste lagliga sportbilarna, som kan klara 200-250 MPH, ha nästan 1000HP (750kW) motorer och få mindre än 5MPG när de gör det.

Ja, flygmotorer är lågteknologiska jämfört med moderna bilmotorer. De driver i allmänhet sina propellrar direkt i stället för genom en växellåda transmission. Så de måste springa vid låga varvtal och kan inte få hög HP per volymenhet. Min 1982 Honda V45 Saber hade en 84 HP 45 in ^ 3-motor men kunde köra vid 10000 varv per minut.

På grund av låga motorvarvtal ger ett tvåventilhuvud massor av luftflöde, eftersom det finns tid för att det ska hända (volymetrisk effektivitet är lika bra eller bättre än de flesta 4 motorhuvudmotorer). På samma sätt returneras kraften som används för att trycka puffarna, rockarna och ventilerna av ventilfjädrarna - de har tid att göra det.

Varför inte springa små, snabba motorer med växellåda? Propellrar och motorer har fantastiska vridningsvibrationer som vi inte ser i bilar på grund av svänghjul och fordonets tröghet (och brist på propellrar!). Dessa laster och potentiella resonanser har förstört många, många försök att göra sådana lösningar. Ja, mönster kan vara hårda och starka för att vara tillförlitliga och ha. Problemet är den extra kostnaden och vikten som besegrar hela anledningen till att gå den vägen.

Så kort sagt - de flesta flygplanmotorer har en specifik bränsleförbrukning (bränsle per hästkrafter (eller kW) per timme) som liknar de flesta motormotorer. De senare är något bättre på grund av modern bränsleinsprutning, variabel ventiltid, tändstyrning, vattenkylning med tät temperaturreglering och mekaniska toleranser och liknande. Men för deras äldre tech kommer flygplansmotorerna anmärkningsvärt nära. Så har jag sett Rutan 2-platsflygplan flyga hundratals mil med två ombord på ca 140MPH + samtidigt som de får över 40 MPG (cf. cafefoundation.org).

Vill du ha ännu bättre bränsleförbrukning? Gå tungt bränsle (diesel). Motorerna i supertankar har BSFCs närmar sig .16 eller så (jämfört med luftkylda flygplan 0,45 till 0,5, UAV tvåtaktsmotorer 0,68 upp).

Det finns många variabler involverade: kompressionsförhållanden, kör en magert luft \ bränsleblandning är bra för mpg men gör en motor körning varmare, rikare bränsle / luftblandningar gör kylare motorhuvud temps på ett luftfartyg som är väldigt viktigt. Flygplan kör på högre höjder med tunnare luft (syreinnehåll). Flygplanmotorer är optimerade för ett mycket smalare RPM-område än en bil. Även när en bil når en viss hastighet krävs det mindre hästkraft för att bibehålla den hastigheten än ett flygplan som inte bara ger snabb underhåll men också hissen är nödvändig för att övervinna flygviktens vikt.

Inte en person nämnde de luftkylda motorerna kolv / cyl clearance och det lägre op temp som leder till expansions ineffektivitet och förluster från blowby. För det andra är maximalt vridmoment där en fram och återgående motor utvecklar maximal effektivitet och de flesta bil- och flygmotorer är ungefär lika i detta avseende. Den person som anger drag från luftmotstånd är en exponentiell [kvadrat] är korrekt. Det förhållandet och flygplanets högre flyghastighet är till stor del varför de bränner mer bränsle är korrekt. Eftersom bilar kör mycket över 100kph sjunker bränsleeffektiviteten kraftigt. Rick i Atlantic Canada

Eftersom många av dem är freaking giant som 8 liter av någon anledning.

Den artikeln om varför bilmotorer inte flyger är BS, saker har förändrats mycket på 20 år, Cessna byggde dieselmotorer i dem.

De är fruktansvärda, 2 ventiler per cylinder, växeldrivna kameror som driver kraft, växelstyrda magneter robuste, plana tappet-lyftare som robberar, ett ventilspärr som kan variera eftersom det inte har någon annan inställning än att ändra pushrod rörlängd.

Ineffektiv förbränningskammardesign, tung motor ....