Eficiência térmica
Qualquer estudo de motores e potência envolve a consideração do calor como fonte de energia. O calor produzido pela queima da gasolina nos cilindros provoca uma rápida expansão dos gases no cilindro, e isso, por sua vez, movimenta os pistões e gera energia mecânica. Há muito se sabe que o trabalho mecânico pode ser convertido em calor e que uma determinada quantidade de calor contém a energia equivalente a uma certa quantidade de trabalho mecânico. Calor e trabalho são teoricamente intercambiáveis e mantêm uma relação fixa um com o outro. O calor pode, portanto, ser medido em unidades de trabalho (por exemplo, ft-lb), bem como em unidades de calor. A unidade térmica britânica (BTU) de calor é a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de 1 libra de água em 1 ° F. É equivalente a 778 pés-lb de trabalho mecânico. Um quilo de combustível de petróleo, quando queimado com ar suficiente para consumi-lo completamente, libera cerca de 20.000 BTU, o equivalente a 15.560.000 pés-lb de trabalho mecânico. Essas quantidades expressam a energia térmica do combustível em unidades de calor e trabalho, respectivamente.
A razão entre o trabalho útil realizado por um motor e a energia térmica do combustível que ele usa, expressa em trabalho ou unidades de calor, é chamada de eficiência térmica do motor. Se dois motores semelhantes usam quantidades iguais de combustível, o motor que converte em trabalho a maior parte da energia do combustível (maior eficiência térmica) fornece a maior quantidade de potência.
Além disso, o motor com maior eficiência térmica tem menos calor residual para descartar nas válvulas, cilindros, pistões e sistema de refrigeração do motor. Uma alta eficiência térmica também significa baixo consumo específico de combustível e, portanto, menos combustível para um voo de uma determinada distância com uma determinada potência. Assim, a importância prática de uma alta eficiência térmica é tripla, e constitui uma das características mais desejáveis no desempenho de um motor aeronáutico.
Do total de calor produzido, 25 a 30 por cento são utilizados para produção de energia, 15 a 20 por cento são perdidos no resfriamento (calor irradiado das aletas do cabeçote), 5 a 10 por cento são perdidos na superação do atrito das peças móveis; e 40 a 45 por cento são perdidos pelo escapamento. Qualquer coisa que aumente o conteúdo de calor do trabalho mecânico no pistão, que reduza o atrito e as perdas de bombeamento, ou que reduza a quantidade de combustível não queimado ou o calor perdido nas peças do motor, aumenta a eficiência térmica.
A parte do calor total de combustão que é transformada em trabalho mecânico depende em grande parte da taxa de compressão. A taxa de compressão é a razão do deslocamento do pistão mais o espaço da câmara de combustão para o espaço da câmara de combustão, conforme mencionado anteriormente. Outras coisas sendo iguais, quanto maior a taxa de compressão, maior é a proporção da energia térmica da combustão transformada em trabalho útil no virabrequim. Por outro lado, o aumento da taxa de compressão aumenta a temperatura da cabeça do cilindro. Este é um fator limitante porque a temperatura extremamente alta criada por altas taxas de compressão faz com que o material no cilindro se deteriore rapidamente e o combustível detone em vez de queimar a uma taxa controlada.
A eficiência térmica de um motor pode ser baseada em bhp ou potência indicada (ihp) e é representada pela fórmula: Eficiência térmica indicada = ihp × 33.000 / peso de combustível queimado/min. × valor calorífico × 778. A fórmula para a eficiência térmica do freio é a mesma mostrada acima, exceto que o valor de bhp é inserido em vez do valor de ihp.
Eficiência Mecânica
A eficiência mecânica é a razão que mostra quanto da potência desenvolvida pelos gases em expansão no cilindro é realmente entregue ao eixo de saída. É uma comparação entre o bhp e o ihp. Pode ser expresso pela fórmula: Eficiência mecânica = bhp / ihp
A potência do freio é a potência útil fornecida ao eixo da hélice. A potência indicada é a potência total desenvolvida nos cilindros. A diferença entre os dois é a potência de atrito (fhp), a potência perdida na superação do atrito. O fator que tem o maior efeito na eficiência mecânica é o atrito dentro do próprio motor. O atrito entre as partes móveis de um motor permanece praticamente constante em toda a faixa de velocidade do motor. Portanto, a eficiência mecânica de um motor é mais alta quando o motor está funcionando na rotação em que a potência máxima é desenvolvida. A eficiência mecânica do motor alternativo médio da aeronave se aproxima de 90%.
Eficiência volumétrica
A eficiência volumétrica é uma relação expressa em termos de porcentagens. É uma comparação do volume de carga de combustível/ar (corrigido para temperatura e pressão) induzido nos cilindros com o deslocamento total do pistão do motor. Vários fatores causam o afastamento de uma eficiência volumétrica de 100 por cento. Os pistões de um motor naturalmente aspirado deslocam o mesmo volume cada vez que viajam do centro superior para o centro inferior dos cilindros. A quantidade de carga que preenche este volume no curso de admissão depende da pressão e temperatura existentes na atmosfera circundante. Portanto, para encontrar a eficiência volumétrica de um motor, padrões para pressão atmosférica e temperatura tiveram que ser estabelecidos. Os EUA
A temperatura padrão do nível do mar é de 59 °F, ou 15 °C. Nessa temperatura, a pressão de uma atmosfera é de 14,69 lb/in2, e essa pressão suporta uma coluna de mercúrio (Hg) de 29,92 polegadas de altura, ou 29,92 "Hg. Essas condições padrão do nível do mar determinam uma densidade padrão e, se o motor consome em um volume de carga dessa densidade exatamente igual ao deslocamento do pistão, diz-se que está operando com 100% de eficiência volumétrica. Um motor que consome menos volume do que isso tem uma eficiência volumétrica inferior a 100%. (aumento acima de 30,00 "Hg) pode ter uma eficiência volumétrica superior a 100 por cento. A equação para eficiência volumétrica é: Eficiência Volumétrica = Volume de carga (corrigido para temperatura e pressão) / Deslocamento do pistão Muitos fatores diminuem a eficiência volumétrica, incluindo: • Operação com aceleração parcial • Tubos de admissão longos de pequeno diâmetro • Curvas acentuadas no sistema de indução • Temperatura do ar do carburador muito alta • Temperatura do cabeçote do cilindro muito alta • Limpeza incompleta • Sincronização das válvulas inadequada.
Eficiência Propulsiva
Uma hélice é usada com um motor para fornecer empuxo. O motor fornece bhp através de um eixo rotativo, e a hélice absorve o bhp e o converte em hp de empuxo. Nesta conversão, algum poder é desperdiçado. Como a eficiência de qualquer máquina é a razão entre a potência útil produzida e a potência de entrada, a eficiência propulsiva (neste caso, a eficiência da hélice) é a razão entre o empuxo hp e o bhp. Em média, o hp de empuxo constitui aproximadamente 80% do bhp. Os outros 20% são perdidos em atrito e deslizamento. Controlar o ângulo da pá da hélice é o melhor método para obter a máxima eficiência propulsiva para todas as condições encontradas em voo.
Durante a decolagem, quando a aeronave está se movendo em baixas velocidades e quando a potência e o empuxo máximos são necessários, um ângulo baixo da pá da hélice fornece o empuxo máximo. Para vôos ou mergulhos de alta velocidade, o ângulo da lâmina é aumentado para obter o máximo de empuxo e eficiência. A hélice de velocidade constante é usada para fornecer o impulso necessário com a máxima eficiência para todas as condições de voo.
