En firetaktsmotor er en stempelforbrændingsmotor , hvor arbejdsprocessen i hver af cylindrene afsluttes i to omdrejninger af krumtapakslen , det vil sige i fire slag af stemplet (takt). Siden midten af det 20. århundrede har det været den mest almindelige type stempelforbrændingsmotor, især i motorer med mellem- og laveffekt (tunge motorer er totaktsmotorer for høj specifik effekt).
Driftscyklussen for en firetaktsmotor består af fire cyklusser, som hver repræsenterer et stempelslag mellem dødpunkterne, mens motoren gennemgår følgende faser:
Ved afslutningen af kompressionsslaget antændes ladningen i Otto-motorer eller brændstofindsprøjtning begynder i dieselmotorer.
I rigtige motorer er ventiltimingen valgt på en sådan måde, at inertien af gasstrømme og geometrien af indsugnings- og udstødningskanalerne tages i betragtning. Som regel fører begyndelsen af indsugningen TDC'en med 15 til 25 °, slutningen af indsugningen halter efter BDC med omtrent samme mængde, da inertien af gasstrømmen sikrer bedre fyldning af cylinderen. Udstødningsventilen fremfører slagets BDC med 40-60°, mens trykket af de brændte gasser til BDC falder, og modtrykket på stemplet under udstødningen er lavere, hvilket øger effektiviteten. Lukning af udstødningsventil kaldes også indtag TDC for bedre fjernelse af udstødningsgas.
Da forbrændingsprocessen og udbredelsen af flammefronten i Otto-motorer kræver en vis tid, afhængigt af motorens driftstilstand, og det maksimale tryk, af hensyn til krumtapmekanismens geometri, er ønskeligt at have fra 40 til 45 ° fra TDC'en for start af arbejdsslaget udføres tænding foran 2 - 8 ° ved tomgang til 25 - 30 ° ved fuld belastning.
En dieselmotors arbejdsproces adskiller sig fra den ovenfor beskrevne ved, at ladningen i forbrændingskammeret er ren luft opvarmet fra kompression til antændelsestemperatur. Nogen tid før TDC, kaldet initieringstid , begynder flydende brændstof at blive sprøjtet ind i forbrændingskammeret, sprøjtet til dråber, som hver især gennemgår initiering , det vil sige, at det opvarmes, fordamper fra overfladen, under fordampning dannes en brændbar blanding omkring hver af dråberne og antændes i varm luft. Starttiden for hver dieselmotor er stabil, afhænger af designegenskaberne og ændrer sig kun med dens slid, derfor, i modsætning til tændingsmomentet, indstilles indsprøjtningsmomentet i en dieselmotor én gang for alle under dens design og fremstilling. Da blandingen ikke dannes i hele volumen af forbrændingskammeret i en dieselmotor, og dysens sprøjtestråle optager et lille volumen af kammeret, skal mængden af luft for hvert volumen indsprøjtet brændstof være for stor, ellers forbrændingsprocessen fortsætter ikke til slutningen, og udstødningsgasserne indeholder en stor mængde uforbrændt kulstof i form af sod. Selve forbrændingen varer så længe indsprøjtningen af netop denne portion brændstof varer - fra et par grader efter TDC i tomgang til 45-50° ved fuld effekttilstande. I kraftige dieselmotorer kan cylinderen udstyres med flere dyser.
4-taktsmotoren blev første gang patenteret af Alfont de Rocher i 1861. Forud for dette, omkring 1854-1857, opfandt to italienere (Eugenio Barsanti og Felice Matozzi) en motor, der ifølge tilgængelige oplysninger kunne ligne en firetaktsmotor meget, men det patent gik tabt.
Den første person til at bygge den første praktiske firetaktsmotor var den tyske ingeniør Nikolaus Otto . Derfor er en firetaktscyklus kendt som en Otto-cyklus , og en firetaktsmotor, der bruger tændrør, kaldes en Otto-motor .
Den ideelle Otto-cyklus består af adiabatisk kompression, varmeoverførsel ved konstant volumen, adiabatisk ekspansion og varmeafgivelse ved konstant volumen. I en praktisk 4-takts Otto-cyklus er der også isobarisk kompression (udstødning) og isobarisk ekspansion (indløb), som normalt ikke tages i betragtning, da de i en idealiseret proces hverken spiller nogen rolle i at overføre varme til arbejdsgassen eller i at udføre arbejde ved gassen.
Attributtenheden for en firetaktsmotor styrer gasudvekslingen, når der skiftes cyklus, hvilket giver en alternativ forbindelse af cylinderhulrummet til indsugnings- og udstødningsmanifoldene.
Gasfordelingen kan styres:
MEKANISK: - knastaksel eller aksler med ventiler; - cylindriske muffespoler, der bevæger sig frem og tilbage eller roterer i cylinderhovedet; MIKROPROCESSOR. I dette tilfælde drives ventilerne direkte af kraftige højhastigheds-elektromagneter (BMW) eller ved hjælp af et hydraulisk drev (FIAT).I det første tilfælde styres ventilerne af en knastaksel , som roterer med halvdelen af krumtapakslens hastighed. Knastakslen har flere knaster , som hver styrer en indsugnings- eller udstødningsventil. Fra knastakslerne leveres ofte ekstra motorserviceanordninger - olie, brændstofpumper, tændingsfordeler, indsprøjtningspumpe, nogle gange mekaniske kompressorer osv.
Forskellige motorer bruger en eller flere knastaksler placeret nær krumtapakslen, over cylinderbanken eller endda over hver bank af ventiler. Knastakslerne drives fra krumtapakslen enten ved hjælp af tandhjul eller af en lamel-rullekæde eller af en tandrem. Nogle ældre designs brugte ruller med koniske tandhjul (B-2). Under alle omstændigheder er akslerne synkroniseret med rotationshastigheder på 1:2.
Under alle omstændigheder kaldes akslen ved siden af krumtapakslen lavere , i hovedet over eller ved siden af ventiltoppen . Ventiler med hensyn til placering i forhold til forbrændingskammeret kan også være øverst - placeret over bunden af stemplet, eller nederst - placeret ved siden af cylindrene på siden. Bundventilerne drives fra bundakslen gennem korte bægerrør. Drivningen af de øvre ventiler fra den nederste aksel udføres som regel af en stangmekanisme, fra den øverste enten gennem vippearme (vippearme) eller gennem glasformede skubbere. Mange motorer bruger hydrauliske ventilløftere, der automatisk vælger ventilafstande og gør gasfordelingsmekanismen vedligeholdelsesfri.
Ventilen er en stang med en plade lavet af varmebestandige materialer. Ventilspindlen udfører frem- og tilbagegående bevægelser i styremuffen, tallerkenen med et konisk tætningsbånd hviler på ventilsædet, også lavet af varmebestandige materialer. Både sædet og styremuffen er kontaktflader, hvorigennem ventilen afkøles. Denne position er især vigtig for udstødningsventiler, som konstant arbejder i strømme af varme gasser (og hvis tændings- eller indsprøjtningstidspunktet er forkert indstillet, i en flammestrøm) og kræver intensiv varmefjernelse. Derfor, for at forbedre afkølingen, kan et hulrum med varmeledende materiale placeres inde i ventilstammen - med natrium, med kobber. Og selve kontaktfladerne skal være glatte og have de mindst mulige mellemrum. Mange ventiler har drejemekanismer, der giver tvungen rotation omkring længdeaksen under drift.
Åbningen af ventilen udføres af den tilsvarende knast, lukningen sker enten med en returventilfjeder/fjedre, eller med en speciel desmodromisk mekanisme (Daimler-Benz), som tillader, på grund af fraværet af fjedre, at opnå meget høj ventilvandringshastigheder og følgelig øge motorhastigheden betydeligt uden en væsentlig forøgelse af indsatsen i fordelingsmekanismen. Faktum er, at jo svagere ventilfjederen er, jo langsommere vender ventilen tilbage til sædet. Allerede ved arbejde ved relativt lave hastigheder tillader svage fjedre ventilerne at "hænge" og komme i kontakt med stemplerne (VAZ-motorer uden en indvendig række af ventilfjedre - ved 5500-6000 rpm). Jo stærkere ventilfjedrene er, jo større belastninger oplever timing-delene, og jo højere kvalitet bør der bruges olie til at smøre den. Den desmodromiske mekanisme giver dig mulighed for at flytte ventilerne med en hastighed, der kun er begrænset af deres inertimoment, det vil sige væsentligt højere end de hastigheder, der kan opnås for ventiler i rigtige motorer.
Elektromagnetisk eller elektrohydraulisk styring med en mikroprocessor giver dig desuden mulighed for nemt at justere motorens ventiltiming og opnå de mest fordelagtige fordelingsegenskaber i hver tilstand.
Nogle tidlige modeller af motorer (Harley-Davidson, Peugeot) havde indsugningsventiler med svage fjedre, hvilket gav en "automatisk" åbning af ventilen efter starten af indsugningen af vakuumet over stemplet.
For at korrigere ventiltimingen i timing med knastaksler bruges forskellige differentieringsmekanismer, deres design afhænger af motorens layout og timing (som i høj grad bestemmer layoutet af hele forbrændingsmotoren).
Driften af forbrændingsmotoren ledsages af frigivelsen af en betydelig mængde varme på grund af de høje temperaturer af arbejdsgasserne og betydelige kontaktspændinger i gnidningsdelene. For at sikre motorens funktion skal de dele, der danner friktionspar, derfor afkøles og smøres, og mekaniske slidprodukter skal vaskes ud af mellemrummene mellem dem. Smøreolie fjerner, udover at give en oliekile i mellemrummene, en betydelig mængde varme fra belastede friktionsoverflader. Til afkøling af cylinderforinger og elementer i motorhovedet bruges der desuden et tvungen kølesystem, som kan være væske og luft.
Motorsmøresystemet består af et oliereservoir, der ofte bruges som sump i et oliesumpsystem eller en separat olietank i et tørsumpsystem . Fra tanken suges olien ind af en oliepumpe , gear eller, sjældnere, roterende, og strømmer gennem kanalerne under tryk til friktionsparrene. I et oliesumpsystem er cylinderforinger og nogle sekundære dele stænksmurte, tørsumpsystemer kræver specielle smørere til at smøre og afkøle de samme dele. I mellem- og højeffektmotorer inkluderer smøresystemet stempeloliekøleelementer i form af spoler eller specielle dyser , der hældes i bunden , og hældes over stempelbunden fra krumtaphussiden. Som regel indeholder smøresystemet et eller flere filtre til at rense olien for slidprodukter fra friktionspar og resinificere selve olien. Filtre bruges enten med et papgardin med en vis grad af porøsitet eller centrifugal. Til afkøling af olien bruges ofte luft-olie radiatorer eller vand-olie varmevekslere.
Luftkølesystemet er i det enkleste tilfælde repræsenteret simpelthen af massive finner af cylindre og hoveder. Ramluften udefra og olien indefra køler motoren. Hvis det er umuligt at sørge for varmeafledning med et modgående flow, medfølger en ventilator med luftkanaler i systemet . Sammen med sådanne indiskutable fordele som motorens enkelhed og relativt høj overlevelsesevne under ugunstige forhold, samt en relativt mindre masse, har luftkøling alvorlige ulemper:
- en stor mængde luft, der blæser gennem motoren, bærer en stor mængde støv, der sætter sig på finnerne, især med olielækage, hvilket er uundgåeligt i drift, som et resultat, reduceres køleeffektiviteten kraftigt;
- luftens lave varmekapacitet tvinger den til at blæse gennem motoren med betydelige volumener, hvilket kræver et betydeligt kraftudtag for driften af køleventilatoren;
- formen af motordele svarer ikke godt til betingelserne for god luftstrøm rundt, og derfor er det meget vanskeligt at opnå ensartet køling af motorelementer; På grund af forskellen i driftstemperaturer i individuelle strukturelle elementer er store termiske spændinger mulige, hvilket reducerer strukturens holdbarhed.
Derfor bruges luftkøling i ICE sjældent og som regel enten på billige designs, eller i tilfælde hvor motoren kører under særlige forhold. Således bruges den luftkølede MeMZ-968-motor på ZAZ-967 - forkanttransportøren , fraværet af en vandkappe, ærmer og en kølende radiator øger transportørens overlevelsesevne under slagmarksforhold.
Væskekøling har en række fordele og bruges i de fleste tilfælde på forbrændingsmotorer. Fordele:
- høj varmekapacitet af væsken bidrager til hurtig og effektiv fjernelse af varme fra varmegenereringszonerne;
- meget mere ensartet varmefordeling i motorens designelementer, hvilket reducerer termiske spændinger betydeligt;
- brugen af væskekøling giver dig mulighed for hurtigt og effektivt at regulere varmestrømmen i kølesystemet og derfor hurtigere og meget mere jævnt end i tilfælde af luftkøling opvarme motoren til driftstemperatur;
- væskekøling giver dig mulighed for at øge både de lineære dimensioner af motordele og dens varmespænding på grund af den høje effektivitet af varmefjernelse; derfor er alle mellemstore og store motorer væskekølede, med undtagelse af PDP-totaktsmotorer, hvor renseportområdet på foringerne afkøles med skylleluft af layoutmæssige årsager;
- en speciel form for en vand-luft- eller vand-vand varmeveksler muliggør den mest effektive overførsel af motorvarme til miljøet.
Ulemper ved vandkøling:
- øget vægt og kompleksitet af motordesignet på grund af tilstedeværelsen af en vandkappe;
- tilstedeværelsen af en varmeveksler / radiator;
- fald i enhedens pålidelighed på grund af tilstedeværelsen af samlinger af ærmer, slanger og rør med mulige væskelækager;
- obligatorisk standsning af motoren i tilfælde af tab af mindst en del af kølevæsken.
Moderne flydende kølesystemer bruger specielle frostvæsker som kølemiddel , som ikke fryser ved lave temperaturer og indeholder additivpakker til forskellige formål - korrosionsinhibitorer , rengøringsmidler, smøremidler, antiskum og nogle gange tætningssteder for mulige lækager. For at øge motorens effektivitet er systemerne forseglet, samtidig med at driftstemperaturområdet øges til vands kogepunkt. Sådanne kølesystemer fungerer ved et tryk over atmosfærisk, deres elementer er designet til at opretholde forhøjet tryk. Ethylenglycol frostvæsker har en høj volumetrisk ekspansionskoefficient. Derfor anvendes i sådanne systemer ofte separate ekspansionsbeholdere eller radiatorer med forstørrede øvre tanke.
For at stabilisere driftstemperaturen og accelerere opvarmningen af motoren er der installeret termostater i kølesystemerne . Til luftkøling er termostaten en bælg fyldt med ceresin eller ethylalkohol i kombination med en klemme og et system af håndtag, der drejer spjældene, hvilket giver omskiftning og fordeling af luftstrømme. I væskekølesystemer åbner præcis det samme termoelement ventilen eller skifter ventilsystemet, der leder væsken enten til radiatoren eller til en speciel kanal, der cirkulerer den opvarmede væske og jævnt opvarmer motoren.
Radiatoren eller kølevarmeveksleren har en blæser, der blæser en strøm af atmosfærisk luft igennem den med et hydrostatisk eller elektrisk drev.
Otto-motorer har en termisk virkningsgrad på omkring 40 %, hvilket med mekaniske tab giver en faktisk virkningsgrad på 25 til 33 %.
Moderne motorer kan have reduceret effektivitet for at opfylde høje miljøkrav.
Effektiviteten af forbrændingsmotorer kan øges ved hjælp af moderne processorkontrolsystemer til brændstofforsyning, tænding og gasdistributionsfaser. Kompressionsforholdet for moderne motorer har som regel værdier tæt på grænsen (et kontroversielt punkt, se Miller Cycle).
Effekten af en stempelmotor afhænger af cylindrenes volumen, volumetrisk effektivitet , energitab - gasdynamisk, termisk og mekanisk, graden af kompression af brændstof-luftblandingen, iltindholdet i luften og hastigheden. Motoreffekt afhænger også af gennemstrømningen af indsugnings- og udstødningskanalerne og derfor af deres flowsektioner, længden og konfigurationen af kanalerne samt af ventilernes diametre, som er større end indsugningssektionerne. Dette gælder for alle stempelmotorer. Det maksimale drejningsmoment for forbrændingsmotoren opnås ved den højeste fyldning af cylindrene. Krumtapakslens hastighed er i sidste ende begrænset af materialernes styrke og smøremidlets egenskaber. Ventiler, stempler og krumtapaksler udsættes for høje dynamiske belastninger. Ved høje motorhastigheder kan der opstå fysiske skader på stempelringene , mekanisk kontakt af ventilerne med stemplerne, hvilket fører til ødelæggelse af motoren. Stempelringene vibrerer lodret i stempelrillerne. Disse udsving forringer tætningen mellem stemplet og foringen, hvilket resulterer i tab af kompression, kraft og overordnet effektivitet. Hvis krumtapakslen roterer for hurtigt, når ventilfjedrene ikke at lukke ventilerne hurtigt nok. Dette kan få stemplerne til at komme i kontakt med ventilerne og forårsage alvorlig skade, så højhastigheds-sportsmotorer bruger ventilaktuatorer uden returfjedre. Så Daimler-Benz masseproducerer motorer med desmodromisk ventilstyring (med dobbeltknaster, den ene åbner ventilen, den anden presser den til sædet), BMW bruger elektromagnetisk ventilstyring. Ved høje hastigheder forværres driftsforholdene for smøremidlet i alle friktionspar.
Kombineret med tab for at overvinde inertien af de frem- og tilbagegående elementer i CPG, begrænser dette den gennemsnitlige stempelhastighed for de fleste seriemotorer til 10 m/s.
Firetaktsmotorer kan enten være benzin eller diesel . De er meget brugt som drivkraft i stationære kraftværker og transportkraftværker.
Som regel anvendes firetaktsmotorer i tilfælde, hvor det er muligt mere eller mindre vidt at variere forholdet mellem akselomdrejninger med effekt og drejningsmoment, eller når dette forhold ikke spiller nogen rolle for maskinens drift. For eksempel kan en motor belastet med en elektrisk generator i princippet have enhver driftskarakteristik og er kun i overensstemmelse med belastningen over driftshastighedsområdet, hvilket i princippet kan være acceptabelt for generatoren. Brugen af mellemgear gør generelt en firetaktsmotor mere tilpasningsdygtig til belastninger over et bredt område. De er også mere foretrukne i tilfælde, hvor installationen har været i drift i lang tid uden for steady state - på grund af mere avanceret gasdynamik er deres drift i transiente tilstande og tilstande med delvis strømfjernelse mere stabil.
Når man arbejder på en aksel i et givet hastighedsområde, især en lavhastigheds (propelaksel på et skib), er det at foretrække at bruge totaktsmotorer, da de har mere gunstige masse-effekt-egenskaber ved lave hastigheder.
| Motorer | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| se også evighedsmaskine Gearmotor gummi motor | |||||||||||||||||