A eficiência máxima do ciclo do Diesel ou do motor a vapor é (assumindo que você pode tratar o vapor como um gás ideal): $$ \ eta_ {Diesel} = 1 - \ frac {1} {(\ frac {V_ { Max}} {V_ {Min}}) ^ {k-1}} \ left [\ frac {r_c ^ k-1} {k (r_c-1)} \ right] $$ Onde $ k $ é o relação da capacidade de calor e $ r_c $ é a relação do volume de corte - ou seja, a relação dos volumes após e antes do processo de combustão.

Algumas coisas a serem observadas nesta fórmula - Claramente, parece que ter um curso de cilindro longo seria vantajoso de qualquer maneira. No entanto, isso também exigiria um motor muito grande, pois a haste do pistão deve ser mais longa. Indo para a segunda parte, para uma combustão de diesel padrão, o volume pode expandir para no máximo o dobro (ou seja, $ r_c = 2 $, tornando o suporte = 1,17) entre o início da combustão e o final da combustão. Para o vapor, esse não é realmente o caso. Como pode ser visto neste diagrama útil:

A taxa de corte se aproxima de 20 antes do término da injeção de pressão constante. Isso torna o suporte cerca de 2.0, realmente impedindo a eficiência. No entanto, se você tiver espaço para uma caldeira, condensador, reservatório e bomba, terá espaço para uma haste de pistão realmente longa para aumentar o prazo e trazer a eficiência de volta a um número razoável.

No entanto, o que isso significa em termos de potência bruta? $$ \ mathscr P = \ eta * Q_ {in} = \ eta * \ dot m C_v (T_ {expandir} - T_ {comp}) $$ Onde $ \ dot m $ é a taxa de fluxo de massa, $ C_V $ é uma constante baseada no gás usado e os $ T $ 's são as temperaturas no final da compressão e no início da expansão, respectivamente.

Uma vez que temos uma eficiência semelhante, agora a parte difícil é a temperatura. Uma máquina a vapor não pode alcançar 1000K como uma lata a diesel. Para compensar a falta de potência, ele precisa de muito fluxo de massa - cilindros grandes e ação dupla realmente ajudam. Para o diesel, simplesmente adicionar mais motores já compactos, de alta potência e razoavelmente eficientes será mais fácil do que fazer um único cilindro grande e lidar com as dificuldades (como o motor perder compressão / expansão isoentrópica) e remover o calor excessivo de muitos pontos distribuídos (em vez de um único ponto massivo) faz muito mais sentido devido à lei do cubo quadrado.

Então, para resumir:

1. Razão de corte mais alta significa que motores a vapor precisam de hastes de pistão mais longas para manter uma maior eficiência
2. Como a temperatura é mais alta, os pistões a diesel precisam ter diâmetro menor para permitir o resfriamento adequado e evitar danos aos materiais.
3. Como cada pequeno pistão diesel é capaz de funcionar de forma eficiente e poderosa, faz mais sentido adicionar vários deles do que lidar com uma única grande câmara com ineficiências.

Os motores a vapor podem expandir o vapor apenas até certo ponto antes que o vapor d'água comece a condensar. Além disso, o volume do vapor aumenta significativamente à medida que se expande, dificultando a obtenção de trabalho adicional, pois o tamanho do cilindro deve aumentar para acomodar o volume de vapor que passa por ele.

A maioria das máquinas a vapor usa três ou quatro cilindros para expandir o vapor e são chamados de motores de "expansão tripla". O vapor entra no cilindro menor, ou cilindro de alta pressão, primeiro saindo da caldeira. Em seguida, ele sai do cilindro HP e entra em um cilindro de pressão intermediário, que é fisicamente maior que o cilindro HP. Finalmente, o vapor entra no cilindro de baixa pressão, que pode ser dividido em dois cilindros devido ao grande volume de vapor que deve ser movimentado.

Por outro lado, um motor a diesel não expande os gases de combustão em vários estágios, como uma máquina a vapor. O combustível é injetado e queimado em um cilindro. Grandes motores a diesel podem, portanto, ter sua potência aumentada com a adição de cilindros. Esses motores são geralmente projetados de forma modular para tornar relativamente fácil aumentar o número de cilindros durante a construção.

A diferença de poucos cilindros grandes ou muitos cilindros pequenos tem menos a ver com funcionamento a vapor ou diesel, mas mais com a época em que os motores foram construídos. Os primeiros motores (a vapor e a diesel) tinham poucos cilindros grandes, provavelmente porque foi assim que os engenheiros tentaram fazer motores mais potentes: tornar tudo maior. A constatação de que vários cilindros menores proporcionam um motor mais suave e mais potência (porque os pistões pequenos podem funcionar em rotações mais altas) veio depois, e nessa época os motores de cilindro a vapor estavam sendo substituídos por diesel ou turbinas a vapor. Mas motores a vapor de cilindro menor também existiam. E se você pesquisar vídeos de pessoas usando motores a diesel antigos, eles também costumam ter um ou poucos cilindros.

O comprimento do curso não é realmente relevante, o que importa é a relação entre o volume mínimo e máximo, e você pode aumentar isso tendo um longo curso com um grande volume máximo ou um volume mínimo muito pequeno. Os motores modernos usam cursos curtos porque permitem rotações mais altas.

adição: Outro fator é que um motor de cilindro único é mais fácil de construir do que um motor de vários cilindros. No século 19, a tecnologia para construir motores (tanto a vapor quanto de combustão interna) era menos avançada, e os projetos mais simples eram preferidos. À medida que as ferramentas e os métodos de construção melhoravam e mais usos para motores leves de alta velocidade se tornavam aparentes, os projetos dos motores mudaram de um único cilindro grande para vários cilindros menores. Isso também tem pouco a ver com o tipo de motor, mas muito mais com a época em que o motor foi construído.

Os primeiros motores a vapor não eram realmente motores a vapor, mas sim motores atmosféricos e o vapor era uma maneira conveniente de gerar um vácuo parcial no cilindro por condensação. Este é o caso típico dos enormes motores Cornish. Como eram movidos por menos de uma atmosfera de diferencial de pressão, eles precisavam de cilindros muito grandes para fazer uma quantidade útil de trabalho. Eles também trabalharam no que seria convencionalmente chamado de curso de compressão, razão pela qual eles usam uma viga oscilante suspensa em vez de um arranjo biela / manivela.

Quando você entra no reino dos motores a vapor de alta pressão, a diferença de escala em comparação aos motores IC é menos pronunciada.

Outro aspecto é que os motores a vapor são normalmente acionados por um reservatório bastante grande de vapor pressurizado (ou seja, uma caldeira). Em contraste, o fluido de trabalho a quente para um motor IC é, por definição, gerado por combustão discreta dentro do próprio cilindro, então há uma quantidade limitada de energia disponível para fazer o trabalho por ciclo. Em contraste com o vapor (ou ar comprimido), você pode continuar a trabalhar em um pistão por um comprimento indeterminado de cilindro, limitado apenas pelo volume de seu reservatório de gás pressurizado.

Na prática, existem limites, pois a perfuração de cilindros muito longos começa a ficar tecnicamente difícil e caro.

Tendo dito que há um cruzamento de escala entre os motores a vapor e IC, na verdade é possível converter um motor IC para funcionar a vapor. Os primeiros motores VW resfriados a ar foram convertidos dessa forma.

https://youtu.be/LJq2Hc_mXFI