En fyrtaktsmotor är en kolvförbränningsmotor där arbetsprocessen i var och en av cylindrarna slutförs i två varv av vevaxeln , det vill säga i fyra slag av kolven (takt). Sedan mitten av 1900-talet har det varit den vanligaste typen av kolvförbränningsmotor, särskilt i motorer med medel- och lågeffekt (tunga motorer är tvåtaktsmotorer för hög specifik effekt).
Arbetscykeln för en fyrtaktsmotor består av fyra cykler, som var och en representerar ett kolvslag mellan dödpunkterna, medan motorn går igenom följande faser:
I slutet av kompressionsslaget antänds laddningen i Otto-motorer eller så börjar bränsleinsprutningen i dieselmotorer.
I riktiga motorer är ventiltiden vald på ett sådant sätt att trögheten hos gasflöden och geometrin hos insugs- och avgaskanalerna beaktas. Som regel leder början av intaget TDC med 15 till 25 °, slutet av intaget släpar efter BDC med ungefär samma mängd, eftersom trögheten i gasflödet säkerställer bättre fyllning av cylindern. Avgasventilen för fram slagets BDC med 40-60°, medan trycket från de brända gaserna till BDC sjunker och mottrycket på kolven under avgaserna är lägre, vilket ökar effektiviteten. Stängning av avgasventiler kallas också för intags-TDC för bättre avgasavskiljning.
Eftersom förbränningsprocessen och utbredningen av flamfronten i Otto-motorer kräver en viss tid, beroende på motorns driftläge, och det maximala trycket, på grund av geometrin hos vevmekanismen, är önskvärt att ha från 40 till 45 ° från TDC för början av arbetsslaget utförs tändning före 2 - 8 ° vid tomgång till 25 - 30 ° vid full belastning.
Arbetsprocessen för en dieselmotor skiljer sig från den som beskrivs ovan genom att laddningen i förbränningskammaren är ren luft som värms upp från kompression till antändningstemperatur. En tid innan TDC, kallad initieringstid , börjar flytande bränsle sprutas in i förbränningskammaren, sprutas till droppar, som var och en genomgår initiering , det vill säga det värms upp, avdunstar från ytan, under avdunstning bildas en brännbar blandning runt var och en av dropparna och antänds i varm luft. Starttiden för varje dieselmotor är stabil, beror på designegenskaperna och förändras endast med dess slitage, därför, till skillnad från tändmomentet, ställs insprutningsmomentet i en dieselmotor in en gång för alla under dess design och tillverkning. Eftersom blandningen inte bildas i hela volymen av förbränningskammaren i en dieselmotor, och munstyckets spraystråle upptar en liten volym av kammaren, måste mängden luft för varje volym insprutat bränsle vara för hög, annars förbränningsprocessen fortsätter inte till slutet, och avgaserna innehåller en stor mängd oförbränt kol i form av sot. Själva förbränningen varar så länge som insprutningen av just denna del av bränslet varar - från några grader efter TDC på tomgång till 45-50 ° vid full effektlägen. I kraftfulla dieselmotorer kan cylindern utrustas med flera munstycken.
Fyrtaktsmotorn patenterades första gången av Alfont de Rocher 1861. Dessförinnan, runt 1854-1857, uppfann två italienare (Eugenio Barsanti och Felice Matozzi) en motor som enligt tillgänglig information skulle kunna vara mycket lik en fyrtaktsmotor, men det patentet gick förlorat.
Den första som byggde den första praktiska fyrtaktsmotorn var den tyske ingenjören Nikolaus Otto . Därför är en fyrtaktscykel känd som en Otto-cykel , och en fyrtaktsmotor som använder tändstift kallas en Otto-motor .
Den ideala Otto-cykeln består av adiabatisk kompression, värmeöverföring vid konstant volym, adiabatisk expansion och värmeavgivning vid konstant volym. I en praktisk fyrtakts Otto-cykel finns det också isobarisk kompression (avgas) och isobarisk expansion (inlopp), som vanligtvis inte beaktas, eftersom de i en idealiserad process inte spelar någon roll vare sig för att förmedla värme till arbetsgasen eller i att göra arbete med gasen.
Attributenheten för en fyrtaktsmotor styr gasutbytet vid växling av cykler, vilket ger alternativ anslutning av cylinderkaviteten till insugnings- och avgasgrenrören.
Gasdistributionen kan styras:
MEKANISKT: - kamaxel eller axlar med ventiler; - cylindriska hylsspolar som rör sig fram- och återgående eller roterande i cylinderhuvudet; MIKROPROCESSOR. I detta fall drivs ventilerna direkt av kraftfulla höghastighetselektromagneter (BMW) eller med hjälp av en hydraulisk drivning (FIAT).I det första fallet styrs ventilerna av en kamaxel , som roterar med halva hastigheten på vevaxeln. Kamaxeln har flera kammar , som var och en styr en insugs- eller avgasventil. Från kamaxlarna tillhandahålls ofta ytterligare motorserviceanordningar - olja, bränslepumpar, tändningsfördelare, insprutningspump, ibland mekaniska överladdare, etc.
Olika motorer använder en eller flera kamaxlar placerade nära vevaxeln, ovanför cylinderraden eller till och med ovanför varje ventilbank. Kamaxlarna drivs från vevaxeln antingen med kugghjul eller av en lamellrullkedja eller av en kuggrem. Vissa äldre konstruktioner använde rullar med koniska växlar (B-2). I alla fall är axlarna synkroniserade med rotationshastigheter på 1:2.
I vilket fall som helst kallas axeln som ligger bredvid vevaxeln lägre , i huvudet ovanför eller bredvid ventilerna- toppen . Ventiler vad gäller placering i förhållande till förbränningskammaren kan också vara upptill - placerade ovanför kolvens botten, eller botten - placerade bredvid cylindrarna på sidan. Bottenventilerna drivs från bottenaxeln genom korta bägareventiler. Drivningen av de övre ventilerna från den nedre axeln utförs som regel av en stångmekanism, från den övre antingen genom vippar (vipparmar) eller genom glasformade tryckare. Många motorer använder hydrauliska ventillyftar som automatiskt väljer ventilspel och gör gasdistributionsmekanismen underhållsfri.
Ventilen är en stång med en platta gjord av värmebeständiga material. Ventilskaftet utför fram- och återgående rörelser i styrhylsan, tallriken med ett koniskt tätningsbälte vilar på ventilsätet, även det av värmebeständigt material. Både sätet och styrhylsan är kontaktytor genom vilka ventilen kyls. Detta läge är särskilt viktigt för avgasventiler, som ständigt arbetar i strömmar av heta gaser (och om tändnings- eller insprutningstiden är felaktigt inställd, i en flamström) och kräver intensiv värmeavlägsning. Därför, för att förbättra kylningen, kan en kavitet med värmeledande material placeras inuti ventilskaftet - med natrium, med koppar. Och själva kontaktytorna ska vara släta och ha minsta möjliga mellanrum. Många ventiler har vridmekanismer som ger forcerad rotation runt längdaxeln under drift.
Öppnandet av ventilen utförs av motsvarande kam, stängning sker antingen med en returventilfjäder / fjädrar, eller med en speciell desmodromisk mekanism (Daimler-Benz), som gör det möjligt att, på grund av frånvaron av fjädrar, uppnå mycket höga ventilens rörelsehastigheter och följaktligen avsevärt öka motorhastigheten utan en signifikant ökning av ansträngningen i fördelningsmekanismen. Faktum är att ju svagare ventilfjädern är, desto långsammare återgår ventilen till sätet. Redan när man arbetar med relativt låga hastigheter tillåter svaga fjädrar att ventilerna "hänger" och kommer i kontakt med kolvarna (VAZ-motorer utan en inre rad av ventilfjädrar - vid 5500-6000 rpm). Ju starkare ventilfjädrar, desto mer påfrestning upplever timingdelarna och desto högre kvalitet bör olja användas för att smörja den. Den desmodromiska mekanismen låter dig flytta ventilerna med en hastighet som endast begränsas av deras tröghetsmoment, det vill säga betydligt högre än de hastigheter som kan uppnås för ventiler i riktiga motorer.
Elektromagnetisk eller elektrohydraulisk styrning med en mikroprocessor låter dig dessutom enkelt justera motorns ventiltid och uppnå de mest fördelaktiga fördelningsegenskaperna i varje läge.
Vissa tidiga modeller av motorer (Harley-Davidson, Peugeot) hade insugningsventiler med svaga fjädrar, vilket gav en "automatisk" öppning av ventilen efter starten av insugningen av vakuumet över kolven.
För att korrigera ventiltimingen i tidtagning med kamaxlar används olika differentieringsmekanismer, deras design beror på motorns layout och timing (som till stor del bestämmer layouten för hela förbränningsmotorn).
Driften av förbränningsmotorn åtföljs av frigörandet av en betydande mängd värme på grund av de höga temperaturerna hos arbetsgaserna och betydande kontaktspänningar i gnidningsdelarna. Därför, för att säkerställa motorns funktion, måste delarna som bildar friktionspar kylas och smörjas, och mekaniska slitageprodukter måste tvättas ur mellanrummen mellan dem. Smörjolja, förutom att tillhandahålla en oljekil i springorna, tar bort en betydande mängd värme från belastade friktionsytor. För att kyla cylinderfoder och delar av motorhuvudet används dessutom ett forcerat kylsystem, som kan vara vätska och luft.
Motorsmörjsystemet består av en oljebehållare som ofta används som sump i ett oljesumpsystem eller en separat oljetank i ett torrsumpsystem . Från tanken sugs oljan in av en oljepump , kugghjul eller, mer sällan, roterande och strömmar genom kanalerna under tryck till friktionsparen. I ett oljesumpsystem är cylinderfoder och vissa sekundära delar stänksmorda, torrsumpsystem kräver speciella smörjapparater för att smörja och kyla samma delar. I medelstora och högeffektsmotorer inkluderar smörjsystemet kolvoljekylelement i form av spolar eller speciella munstycken som hälls i bottnarna och hälls över kolvens botten från vevhussidan. Som regel innehåller smörjsystemet ett eller flera filter för att rengöra oljan från slitageprodukter av friktionspar och hartshärda själva oljan. Filter används antingen med en kartonggardin med en viss grad av porositet, eller centrifugal. För att kyla oljan används ofta luft- oljeradiatorer eller vatten-oljevärmeväxlare.
Luftkylningssystemet i det enklaste fallet representeras helt enkelt av massiva fenor av cylindrar och huvuden. Ramluften från utsidan och oljan från insidan kyler motorn. Om det är omöjligt att ge värmeavledning med ett inkommande flöde ingår en fläkt med luftkanaler i systemet . Tillsammans med sådana obestridliga fördelar som motorns enkelhet och relativt hög överlevnadsförmåga under ogynnsamma förhållanden, samt en relativt mindre massa, har luftkylning allvarliga nackdelar:
- en stor mängd luft som blåser genom motorn bär en stor mängd damm som lägger sig på fenorna, särskilt med oljeläckage, vilket är oundvikligt under drift, som ett resultat minskar kylningseffektiviteten kraftigt;
- luftens låga värmekapacitet tvingar den att blåsa genom motorn med betydande volymer, vilket kräver ett betydande kraftuttag för driften av kylfläkten;
- formen på motordelar stämmer inte överens med förhållandena för bra luftflöde runt omkring, och därför är det mycket svårt att uppnå enhetlig kylning av motorelementen; På grund av skillnaden i driftstemperaturer i enskilda konstruktionselement är stora termiska spänningar möjliga, vilket minskar konstruktionens hållbarhet.
Därför används luftkylning i ICE sällan och som regel antingen på billiga konstruktioner eller i de fall där motorn fungerar under speciella förhållanden. Således används den luftkylda MeMZ-968-motorn på ZAZ-967 framkantstransportören , frånvaron av en vattenjacka, ärmar och en kylande kylare ökar transportörens överlevnadsförmåga under slagfältsförhållanden.
Vätskekylning har en rad fördelar och används i de flesta fall på förbränningsmotorer. Fördelar:
- hög värmekapacitet hos vätskan bidrar till ett snabbt och effektivt avlägsnande av värme från värmealstringszonerna;
- mycket mer enhetlig värmefördelning i motorns designelement, vilket avsevärt minskar termiska spänningar;
- användningen av flytande kylning gör att du snabbt och effektivt kan reglera värmeflödet i kylsystemet och därför snabbare och mycket jämnare än vid luftkylning, värma upp motorn till driftstemperatur;
- vätskekylning gör att du kan öka både de linjära dimensionerna på motordelar och dess värmespänning på grund av den höga effektiviteten av värmeavlägsnande; därför är alla medelstora och stora motorer vätskekylda, med undantag för PDP-tvåtaktsmotorer, där spolningsöppningens område för fodren kyls av spolluft av layoutskäl;
- en speciell form av en vatten-luft eller vatten-vatten värmeväxlare möjliggör den mest effektiva överföringen av motorvärme till miljön.
Nackdelar med vattenkylning:
- ökad vikt och komplexitet hos motordesignen på grund av närvaron av en vattenjacka;
- närvaron av en värmeväxlare / radiator;
- minskning av enhetens tillförlitlighet på grund av närvaron av skarvar av hylsor, slangar och rör med möjliga vätskeläckor;
- obligatorisk avstängning av motorn vid förlust av åtminstone en del av kylvätskan.
Moderna flytande kylsystem använder speciella frostskyddsmedel som kylmedel , som inte fryser vid låga temperaturer och innehåller tillsatspaket för olika ändamål - korrosionsinhibitorer , rengöringsmedel, smörjmedel, antiskum och ibland tätningsplatser för eventuella läckor. För att öka motorns effektivitet är systemen förseglade samtidigt som driftstemperaturområdet ökar till vattnets kokpunkt. Sådana kylsystem arbetar vid ett tryck över atmosfärstrycket, deras element är utformade för att upprätthålla förhöjt tryck. Frostskyddsmedel med etylenglykol har en hög volymetrisk expansionskoefficient. Därför används ofta separata expansionstankar eller radiatorer med förstorade övre tankar i sådana system.
För att stabilisera driftstemperaturen och påskynda uppvärmningen av motorn är termostater installerade i kylsystemen . För luftkylning är termostaten en bälg fylld med ceresin eller etylalkohol i kombination med en klämma och ett system av spakar som vrider spjällen, vilket ger omkoppling och distribution av luftflöden. I vätskekylsystem öppnar exakt samma termoelement ventilen eller växlar ventilsystemet som leder vätskan antingen till kylaren eller till en speciell kanal som cirkulerar den uppvärmda vätskan och jämnt värmer motorn.
Kylaren eller kylvärmeväxlaren har en fläkt som blåser en ström av atmosfärisk luft genom den, med en hydrostatisk eller elektrisk drivning.
Ottomotorer har en termisk verkningsgrad på ca 40 %, vilket med mekaniska förluster ger en verklig verkningsgrad på 25 till 33 %.
Moderna motorer kan ha minskad verkningsgrad för att möta höga miljökrav.
Effektiviteten hos förbränningsmotorer kan ökas med hjälp av moderna processorstyrsystem för bränsletillförsel, tändning och gasdistributionsfaser. Kompressionsförhållandet för moderna motorer har som regel värden som ligger nära gränsen (en kontroversiell punkt, se Miller Cycle).
Kraften hos en kolvmotor beror på cylindrarnas volym, volymetrisk effektivitet , energiförluster - gasdynamisk, termisk och mekanisk, graden av kompression av bränsle-luftblandningen, syrehalten i luften och hastigheten. Motoreffekten beror också på genomströmningen av insugs- och avgaskanalerna och därför på deras flödessektioner, längden och konfigurationen av kanalerna, såväl som på ventilernas diametrar, som är större än insugningssektionerna. Detta gäller för alla kolvmotorer. Det maximala vridmomentet för förbränningsmotorn uppnås vid högsta fyllning av cylindrarna. Vevaxelns hastighet begränsas i slutändan av materialens styrka och smörjmedlets egenskaper. Ventiler, kolvar och vevaxlar utsätts för höga dynamiska belastningar. Vid höga motorvarvtal kan fysisk skada på kolvringarna uppstå , mekanisk kontakt mellan ventilerna och kolvarna, vilket leder till att motorn förstörs. Kolvringarna vibrerar vertikalt i kolvspåren. Dessa fluktuationer försämrar tätningen mellan kolven och fodret, vilket resulterar i förlust av kompression, kraft och total effektivitet. Om vevaxeln roterar för snabbt hinner inte ventilfjädrarna stänga ventilerna tillräckligt snabbt. Detta kan göra att kolvarna kommer i kontakt med ventilerna och orsaka allvarlig skada, så höghastighetssportmotorer använder ventilställdon utan returfjädrar. Så Daimler-Benz massproducerar motorer med desmodromisk ventilstyrning (med dubbla kammar, en öppnar ventilen, den andra trycker den mot sätet), BMW använder elektromagnetisk ventilstyrning. Vid höga hastigheter försämras driftförhållandena för smörjmedlet i alla friktionspar.
I kombination med förluster för att övervinna trögheten hos de fram- och återgående elementen i CPG, begränsar detta den genomsnittliga kolvhastigheten för de flesta seriemotorer till 10 m/s.
Fyrtaktsmotorer kan vara antingen bensin eller diesel . De används ofta som drivkrafter i stationära kraftverk och transportkraftverk.
Som regel används fyrtaktsmotorer i de fall där det är möjligt att mer eller mindre mycket variera förhållandet mellan axelvarv med effekt och vridmoment, eller när detta förhållande inte spelar någon roll för maskinens drift. Till exempel kan en motor laddad med en elektrisk generator i princip ha vilken driftkarakteristik som helst och överensstämmer med belastningen endast över drifthastighetsområdet, vilket i princip kan vara godtagbart för generatorn. Användningen av mellanväxlar gör i allmänhet en fyrtaktsmotor mer anpassningsbar till belastningar över ett brett område. De är också mer att föredra i fall där installationen har varit i drift under lång tid utanför det stationära tillståndet - på grund av mer avancerad gasdynamik är deras drift i transienta lägen och lägen med partiell strömavlägsnande mer stabil.
När man arbetar på en axel i ett givet hastighetsområde, särskilt en låghastighets (propelleraxel på ett fartyg), är det att föredra att använda tvåtaktsmotorer, eftersom de har mer gynnsamma masseffektegenskaper vid låga hastigheter.
| Motorer | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| se även evighetsmaskin Kuggväxelmotor gummimotor | |||||||||||||||||