Contraintes

Différentes applications ont des contraintes différentes:

• Aviation: très léger, très fiable
• Marine: très haute endurance
• Automobile: moyennement légère, réactive
• Moto: très légère, très compacte, très réactive

Différents âges technologiques donnent des solutions différentes en raison de contraintes supplémentaires , toujours limité par la technologie alors contemporaine:

• L'ère des pionniers: faites-le fonctionner
• L'époque de la Première / Seconde Guerre mondiale: aussi vite que possible
• Après-guerre: plus loin, plus vite, mieux
• Période de crise du carburant: aussi efficace que possible

Moteurs aéronautiques

La question porte sur la optimisation du nombre de cylindres par rapport au volume de déplacement par cylindre pour les moteurs utilisés pour l'aviation. Cela réduit la portée aux "moteurs à piston alternatif à combustion interne" (plus le moteur Wankel comme cas très particulier).

Évidemment, les fusées, les jets à impulsions, les moteurs à turbine et les moteurs électriques n'ont pas de cylindres et les moteurs à vapeur n'ont jamais été (avec succès) utilisés dans les avions.

Le nombre de cylindres et la cylindrée sont deux des innombrables paramètres qui entrent dans la conception de n'importe quel moteur. Les deux peuvent être utilisés pour augmenter la puissance de sortie.

Augmentation de puissance

La puissance de sortie d'un moteur peut être augmentée soit par le nombre de cylindres, soit en augmentant la cylindrée (ou les deux ).

Chaque changement de paramètres entraîne le gain ou la perte de certaines caractéristiques recherchées. Ceux-ci sont énumérés ci-dessous sous (N), (n), (D) et (d).

• Augmenter le nombre de cylindres signifie gagner (N) et perdre (n)
• Augmenter le déplacement du cylindre signifie gagner (D) et perdre (d)

Ajouter des cylindres est plus facile que d'augmenter la taille du cylindre. La géométrie du cylindre ne change pas. Des pièces de moteur identiques peuvent être utilisées plusieurs fois dans la même conception de moteur (bancs de cylindres, culasses ou blocs moteurs complets).

Changement de compromis

À partir d'une configuration de moteur, la même puissance de sortie peut être obtenue en

• gagner (N) et (d), et perdre (n) et (D) ou
• gagner (n) et (D), et perdre (N) et (d).

Raisons pour augmenter le nombre de cylindres (N)

• Le couple évolue directement avec le nombre de cylindres
• L'augmentation du rapport surface / volume est avantageuse pour les moteurs refroidis par air
• Augmenter la puissance: ajouter des cylindres est plus facile que d'augmenter la taille du cylindre. La géométrie du cylindre ne change pas. Des pièces de moteur identiques peuvent être utilisées plusieurs fois dans la même conception de moteur (bancs de cylindres, culasses ou blocs moteurs complets)
• Améliorer l'équilibre des forces et des moments
• Réduire le temps entre les puissances courses
• Diminuer l'impact d'un cylindre défaillant
• Améliorer la planéité de la distribution du couple sur la vitesse de rotation.

• Permettre une forme plus flexible et plus distribuée facteur

  

  _{Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major , 28 cylindres, 28 l , 3500 ch, 2700 tr / min, construction 1944-1955.}

Raisons de diminuer le nombre de cylindres (n)

• Simplicité: moins de pièces mobiles améliorent la robustesse, diminuent le besoin de service, augmentant ainsi la disponibilité.

• Activer un facteur de forme plus compact

  

  _{Mercedes 1 cylindre, 1,5 kW, 720 tr / min, 84 kg, construite en 1888.}

Raisons de augmenter la cylindrée (D)

• Augmenter la puissance grâce au couple

  

  _{BMW IIIa, 6 cylindres, 19,1 l, 200 ch, 1400 tr / min, construite en 1917. sous>}

Raisons pour diminuer la cylindrée (d)

• Une plus petite cylindrée signifie des pistons plus petits, des tiges plus courtes ou les deux. Dans tous les cas, une plus petite cylindrée permet une vitesse de rotation plus élevée et une accélération plus élevée.
• Une chambre de combustion plus petite augmentera le temps nécessaire à l'expansion de la flamme (essence uniquement, pas diesel). Cela permet une vitesse de rotation plus élevée.
• Les vannes limitent le flux de gaz entrant et sortant du cylindre. Les vannes sont soumises au rapport surface-volume. Les petits cylindres sont plus faciles à remplir et à vider à travers les soupapes, ce qui permet une vitesse de rotation plus élevée.

• À un taux de compression donné, les petits cylindres doivent supporter moins de force totale, ce qui permet une structure de moteur plus légère ( moins de poids).

  

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

Notes

• Les moteurs radiaux appartiennent à l'ère WW I / II. La plupart étaient refroidis par air. Pour les moteurs refroidis par air, le rapport surface / volume est important. Par conséquent, augmenter le nombre de cylindres au lieu de la cylindrée par cylindre est une évidence.
• Les avions pendant la Seconde Guerre mondiale devaient être aussi rapides et puissants que possible pour attaquer et se défendre. Il n'y avait aucune bonne raison d'opter pour moins de 6 cylindres.
• Les moteurs à quatre temps fonctionnent parfaitement avec 1, 2 et 3 cylindres. Ce sont des parapentes motorisés utilisés ou des avions ultra-légers.

• Certains numéros de cylindres sont plus préférables pour des raisons de symétrie

  • 6, 8, 4 pour les moteurs en ligne
  • nombres impairs (par ligne) pour les moteurs radiaux

• La construction de moteurs radiaux avec un nombre pair de cylindres est bien possible, bien qu’un nombre pair dans une rangée nous n'est pas préférable. Des moteurs radiaux à plusieurs rangées avec un nombre de cylindres pair ont été utilisés dans de nombreux avions.

• Les développeurs de moteurs automobiles préfèrent 0,5 l par cylindre comme compromis idéal.
• Un nombre élevé de cylindres serait nécessaire pour construire des moteurs à pistons de haute puissance, mais ce segment est maintenant occupé par les moteurs à réaction.

• Il existe des moteurs radiaux de moins de 5 cylindres. Voici un 3 cylindres radial, construit en 1930 aux USA:

  

Votre raisonnement est correct si la masse du moteur n'est pas importante. Les navires utilisent d'énormes moteurs, car l'augmentation du nombre de cylindres au-delà de 8 aura des rendements décroissants en termes de lissage des ondulations de couple, et des cylindres plus gros contribuent à augmenter l'efficacité. Mais les avions doivent réduire la masse du moteur.

Moteur diesel turbocompressé à deux temps Wartsila-Sulzer RTA96-C lors de l'assemblage (image source). Sa taille rend ce moteur extrêmement efficace: sa version 14 cylindres produit 108 920 ch à 102 tr / min et un rendement thermique de plus de 50%. La consommation de carburant spécifique n'est que de 0,260 lb / ch / heure. Mais il pèse 2600 tonnes!

La puissance du moteur est le produit du couple et de la vitesse. Pour maximiser la puissance du moteur, la vitesse doit être maintenue aussi élevée que possible. L'augmentation de la taille des cylindres limitera la vitesse à laquelle le moteur peut fonctionner en raison de la vitesse du processus de combustion à l'intérieur de l'espace de combustion. Si le diamètre du cylindre devient trop grand, le front de flamme provenant de la bougie d'allumage n'aura pas parcouru assez loin pour avoir brûlé la plupart du carburant au moment où le piston descendra à nouveau. Ajouter seulement plus de cylindres augmentera la puissance tout en gardant la vitesse du moteur constante.

Voici une comparaison des moteurs d'avion de la Première Guerre mondiale sur l'excellent site enginehistory.org. Notez la corrélation inverse entre les chiffres d'alésage et de vitesse (l'Austro-Daimler 120 était une conception d'avant-guerre et a connu des augmentations de vitesse ultérieures):

Comparaison graphique, l'Austro-Daimler est présenté avec les spécifications d'une version ultérieure.

Citation du PDF lié ( enginehistory.org):

Le grand diamètre d'alésage, cependant, a poussé la limite supérieure d'un cylindre de moteur d'avion. Un refroidissement et une efficacité énergétique adéquats nécessitent une combustion aussi complète que possible du mélange air-carburant et cette combustion complète nécessite que les fronts de flamme se déplacent à travers le chambre de combustion à partir de leurs points d'allumage respectifs avoir le temps de se réunir. La vitesse d'un moteur d'avion à quatre temps avec un gros alésage de cylindre est donc effectivement limitée par la vitesse de combustion du mélange air-carburant qui pour un cylindre et un mélange donnés est une constante et donc des efforts pour augmenter la puissance en puissance en augmentant le régime d'un moteur avec un cylindre de grand alésage peut entraîner une combustion incomplète, une surchauffe et une détonation.

Autres limites de régime du moteur comme les charges sur les bielles ou le remplissage et le rinçage adéquats des cylindres peut être traité en utilisant des matériaux de résistance supérieure et plus de soupapes par cylindre, respectivement, mais lorsque le type de carburant est donné, la limite stricte du régime du moteur est l'alésage du cylindre. Donc, le seul moyen d'augmenter la puissance sans nuire au rapport puissance / poids est d'ajouter plus de cylindres.

Lorsqu'un cylindre grossit—

Le principe du cube carré stipule que son volume croît plus vite que sa surface.— Wikipédia

Pression et masse:

La réduction du nombre de cylindres augmente la quantité de force par cylindre et par point d'attache au vilebrequin.

Depuis la surface n'évolue pas aussi vite, toutes les pièces du moteur devront faire face à des pressions beaucoup plus importantes - force sur la zone.

Le moteur avec la même puissance et moins de cylindres sera plus lourd et plus difficile à refroidir.

Peut-il être construit? Absolument.

Volera-t-il bien? Non. Parce que ce sera beaucoup trop lourd.

Vous trouvez d'énormes cylindres dans les applications où le poids n'est pas un problème, comme sur les navires.

Rationalisation:

( Source) Les petits cylindres s'intègrent bien dans une forme aérodynamique fine.

Vous l'avez dit vous-même avec le rapport surface-volume. Vous devez évacuer la chaleur des cylindres, et s'ils sont trop gros, vous ne pouvez pas le faire efficacement. Il est également difficile d'obtenir une combustion uniforme, complète et rapide à mesure que le volume augmente.

D'autres ont déjà mentionné la mise à l'échelle du volume par rapport à la mise à l'échelle de la surface. Cependant, la partie la plus importante de la surface est la zone de la valve.

Lorsque vous redimensionnez un cylindre 2 fois, vous obtenez 8 fois plus de volume, mais seulement 4 fois plus de soupapes. Cela signifie que le même volume du cylindre est maintenant desservi par une surface de soupape 2 fois plus petite. Cette zone détermine la vitesse à laquelle vous pouvez remplir et vider le cylindre. Cela signifie que vous devez baisser le régime. Comme plus de régime signifie plus de puissance, cela signifie que vous obtenez des rendements décroissants: deux fois plus gros cylindre fournira moins de deux fois plus de puissance.

L'ajout d'un autre cylindre, en revanche, est presque parfaitement linéaire: deux fois plus les cylindres signifient deux fois plus de puissance.

La plupart a déjà été dit, mais j'ajouterais ce qui suit:

• Plus de déplacement signifie des pistons plus lourds qui ont une plus grande inertie. Cela limite le régime et produit de sérieuses charges sur les composants du moteur. Pour résister à ces charges, les autres composants doivent être plus rigides et donc plus lourds.

• La puissance est le produit de l'élan et des révolutions. Augmenter la vitesse de rotation donne de la puissance plus rapidement et c'est un moyen plus facile d'obtenir plus de puissance (dans une certaine mesure) plutôt que d'augmenter l'élan. Pour augmenter le régime, des pièces internes plus légères doivent être utilisées. AFAIK, dans les applications aéronautiques, contrairement à l'automobile, un régime plus élevé est préféré à un momentum plus élevé. Vous n'avez pas autant besoin de puissance à bas régime que dans une voiture.

• Plus un cylindre a de cylindrée, plus il est difficile d'obtenir une formation uniforme du mélange et combustion efficace et complète. C'est pourquoi, dans les moteurs automobiles, les moteurs à 4 cylindres sont le plus souvent limités à 2,0-2,5 litres, 6 cylindres - à 3-3,3 L, 8 cylindres - jusqu'à 4-5 litres, et ainsi de suite. Cela maintient le volume par cylindre à un certain niveau raisonnable (0,5 l / cylindre).

• La limite de volume par cylindre est également déterminée par la vitesse de combustion. À régime élevé, il se peut que la combustion ne soit pas terminée lorsque la course de puissance est terminée, de sorte que la flamme jaillit des cylindres et finit par fondre les vannes. En variante, le moteur ne pourra pas du tout accélérer au-dessus d'un certain régime. Ce problème pourrait être partiellement annulé par un allumage précoce et des bougies doubles, mais encore une fois, ce n'est pas aussi efficace que de conserver un bon rapport volume / cylindre.

Avec plus de cylindres, les courses sont tellement chronométrées que, lorsqu'un cylindre se comprime, un autre donne de la puissance, et ainsi de suite. Cela garantit que la puissance de sortie (ou le couple moyen, comme le montre un diagramme T-thêta) restera constante sur la rotation complète de la manivelle.L'énergie cinétique stockée dans le volant est proportionnelle à sa masse (en fait le moment d'inertie de masse). Si le moteur nécessite moins d'énergie du volant pour les courses de compression, K.E. nécessaire pour être stocké dans le volant est inférieur. Et le volant pourrait être plus léger .

Les avions doivent économiser du poids. En d'autres termes: il veut un moteur avec un rapport puissance / poids élevé. La puissance produite par un cylindre est proportionnelle à la surface du piston (si la pression reste la même). Ainsi, si vous divisez toutes les dimensions d'un cylindre moteur par 2, la puissance produite est 4 fois plus petite, mais le poids du cylindre est 8 fois plus petit. Le rapport puissance / poids est donc deux fois plus élevé, raison pour laquelle les avions préfèrent les moteurs avec beaucoup de petits cylindres à un moteur avec quelques gros cylindres. En ingénierie, cela s'appelle «analyse dimensionnelle», voir https://en.wikipedia.org/wiki/Dimensional_analysis

Early aviation was not based on very much on all these scientific or engineering concepts, but based on what they found worked. Many early aviation engine manufacturers primarily came from automotive industry, and they took what they knew worked, and doubled it to meet power requirements (flat 6 to v12). Why they tended to not simplify and reduce the number of cylinders probably had a lot to do with reliability (more cylinders, more redundancies). The British, and by alliance Americans, had the first jet engine concepts of the war but focused on more practical technology; which would have you wanted to test fly?