Komponenter i förbränningsmotorer
Förbränningsmotorer finns i en mängd olika typer, men har vissa familjelikheter och delar därför många vanliga typer av komponenter.
Förbränningskammare
Förbränningsmotorer kan innehålla valfritt antal förbränningskammare (cylindrar), med nummer mellan ett och tolv som vanliga, även om så många som 36 ( Lycoming R-7755) har använts. Att ha fler cylindrar i en motor ger två potentiella fördelar: för det första kan motorn ha ett större slagvolym med mindre individuella fram- och återgående massor, det vill säga att massan på varje kolv kan vara mindre vilket ger en mjukare motor eftersom motorn tenderar att vibrera som ett resultat av att kolvarna rör sig upp och ner. Fördubbling av antalet cylindrar av samma storlek kommer att fördubbla vridmomentet och effekten. Nackdelen med att ha fler kolvar är att motorn tenderar att väga mer och generera mer intern friktion när det större antalet kolvar gnider mot insidan av deras cylindrar. Detta tenderar att minska bränsleeffektiviteten och berövar motorn en del av dess kraft. För högpresterande bensinmotorer som använder nuvarande material och teknik, såsom motorer som finns i moderna bilar, verkar det finnas en punkt runt 10 eller 12 cylindrar, varefter tillsatsen av cylindrar blir en övergripande nackdel för prestanda och effektivitet. det finns undantag som W16-motorn från Volkswagen .
- De flesta bilmotorer har fyra till åtta cylindrar, med vissa högpresterande bilar med tio, 12 - eller till och med 16, och några mycket små bilar och lastbilar med två eller tre. Tidigare år hade några ganska stora bilar som DKW och Saab 92 tvåcylindriga eller tvåtaktsmotorer.
- Radiella flygplansmotorer hade från tre till 28 cylindrar; exempel inkluderar den lilla Kinner B-5 och den stora Pratt & Whitney R-4360 . Större exempel byggdes som flera rader. Eftersom varje rad innehåller ett udda antal cylindrar, för att ge en jämn avfyrningssekvens för en fyrtaktsmotor, indikerar ett jämnt nummer en två- eller fyrradsmotor. Den största av dessa var Lycoming R-7755 med 36 cylindrar (fyra rader med nio cylindrar), men den kom inte i produktion.
- Motorcyklar har vanligtvis från en till fyra cylindrar, med ett fåtal högpresterande modeller med sex; även om det finns några "nyheter" med 8, 10 eller 12.
- Snöskotrar har vanligtvis en till fyra cylindrar och kan vara både 2-takts eller 4-takts, normalt i in-line-konfiguration; dock finns det återigen några nyheter som finns med V-4-motorer
- Små bärbara apparater som motorsågar , generatorer och gräsklippare för hemmet har oftast en cylinder, men tvåcylindriga motorsågar finns.
- Stora reversibla tvåtakts marindieslar har minst tre till över tio cylindrar. Godsdiesellok har vanligtvis runt 12 till 20 cylindrar på grund av utrymmesbegränsningar, eftersom större cylindrar tar mer utrymme (volym) per kwh, på grund av gränsen för genomsnittlig kolvhastighet på mindre än 30 ft/sek på motorer som varar mer än 40 000 timmar under full styrka.
Tändningssystem
Tändsystemet för en förbränningsmotor beror på typen av motor och det bränsle som används . Bensinmotorer antänds vanligtvis av en exakt tidsinställd gnista och dieselmotorer av kompressionsuppvärmning . Historiskt externa lågor och varma rörsystem använts, se glödlampsmotor .
Gnista
I en gnisttändningsmotor antänds en blandning av en elektrisk gnista från ett tändstift - vars tidpunkt är mycket exakt kontrollerad. Nästan alla bensinmotorer är av denna typ. Dieselmotorernas timing styrs exakt av tryckpumpen och insprutaren. Det normala avståndet mellan tändstiftet är 1 mm från varandra och spänningen är 3000v vid normala atmosfäriska förhållanden.
Kompression
Tändning sker när temperaturen på bränsle/luftblandningen övertas av dess självantändningstemperatur, på grund av värme som genereras av luftens kompression under kompressionstakten. De allra flesta motorer med kompressionständning är dieslar där bränslet blandas med luften efter att luften uppnått antändningstemperatur. I det här fallet kommer timingen från bränsleinsprutningssystemet. Mycket små modellmotorer för vilka enkelhet och låg vikt är viktigare än bränslekostnaderna använder lättantända bränslen (en blandning av fotogen, eter och smörjmedel) och justerbar kompression för att styra tändningstiden för start och körning.
Tändningstid
För kolvmotorer har punkten i cykeln där bränsle-oxidationsblandningen antänds en direkt effekt på effektiviteten och uteffekten av ICE. Termodynamiken hos den idealiserade Carnot-värmemotorn säger oss att en ICE är mest effektiv om det mesta av förbränningen sker vid en hög temperatur, som ett resultat av kompression - nära övre dödpunkten . Flamfrontens hastighet påverkas direkt av kompressionsförhållandet , bränsleblandningens temperatur och oktantalet eller cetantalet för bränslet. Magrare blandningar och lägre blandningstryck brinner långsammare, vilket kräver mer avancerad tändningstid . Det är viktigt att förbränningen sprids av en termisk flamfront ( deflagrering ), inte av en stötvåg. Förbränningsutbredning genom en stötvåg kallas detonation och är i motorer också känd som pinging eller Engine knocking .
Så åtminstone i bensinförbrännande motorer är tändningstiden till stor del en kompromiss mellan en senare "retarderad" gnista - vilket ger högre effektivitet med högoktanigt bränsle - och en tidigare "avancerad" gnista som undviker detonation med det använda bränslet. Av denna anledning tror förespråkare för högpresterande dieselbilar, som Gale Banks , att
Det är bara så långt du kan gå med en luftstrupad motor på 91-oktanig bensin. Det är med andra ord bränslet, bensinen, som har blivit den begränsande faktorn. ... Även om turboladdning har tillämpats på både bensin- och dieselmotorer, kan endast en begränsad förstärkning läggas till en bensinmotor innan bränsleoktannivån igen blir ett problem. Med en diesel är laddtrycket i princip obegränsat. Det är bokstavligen möjligt att köra så mycket boost som motorn kommer att stå fysiskt innan den går sönder. Följaktligen har motordesigners insett att dieslar har betydligt mer kraft och vridmoment än någon bensinmotor av jämförbar storlek.
Bränslesystem
Bränslen brinner snabbare och mer effektivt när de uppvisar en stor yta för syret i luften. Flytande bränslen måste finfördelas för att skapa en bränsle-luftblandning, traditionellt gjordes detta med en förgasare i bensinmotorer och med bränsleinsprutning i dieselmotorer. De flesta moderna bensinmotorer använder nu också bränsleinsprutning - även om tekniken är helt annorlunda. Även om diesel måste insprutas på en exakt punkt i den motorcykeln, behövs ingen sådan precision i en bensinmotor. Men bristen på smörjighet i bensin gör att själva injektorerna måste vara mer sofistikerade.
Förgasare
Enklare kolvmotorer fortsätter att använda en förgasare för att tillföra bränsle till cylindern. Även om förgasartekniken i bilar nådde en mycket hög grad av sofistikering och precision, förlorade den från mitten av 1980-talet på kostnader och flexibilitet för bränsleinsprutning. Enkla former av förgasare är fortfarande i utbredd användning i små motorer som gräsklippare och mer sofistikerade former används fortfarande i små motorcyklar.
Bränsleinsprutning
Större bensinmotorer som används i bilar har mestadels gått över till bränsleinsprutningssystem (se Bensin direktinsprutning) . Dieselmotorer har alltid använt bränsleinsprutningssystem eftersom tidpunkten för insprutningen initierar och styr förbränningen.
Autogasmotorer använder antingen bränsleinsprutningssystem eller öppna eller slutna förgasare.
Bensinpump
De flesta förbränningsmotorer kräver nu en bränslepump. Dieselmotorer använder ett helt mekaniskt precisionspumpsystem som levererar en tidsinställd insprutning direkt in i förbränningskammaren, vilket kräver ett högt leveranstryck för att övervinna trycket i förbränningskammaren. Bensinbränsleinsprutning levereras till inloppskanalen vid atmosfärstryck (eller lägre) och timing är inte inblandad, dessa pumpar drivs normalt elektriskt. Gasturbiner och raketmotorer använder elektriska system.
Övrig
Andra förbränningsmotorer som jetmotorer och raketmotorer använder olika metoder för bränsletillförsel inklusive stötande jetstrålar, gas/vätskeskjuvning, förbrännare och andra.
Oxidator-luftintagssystem
Vissa motorer såsom fasta raketer har oxidatorer redan i förbränningskammaren men i de flesta fall för att förbränning ska inträffa måste en kontinuerlig tillförsel av oxidationsmedel tillföras förbränningskammaren.
Naturligt aspirerade motorer
När luft används med kolvmotorer kan den helt enkelt suga in den eftersom kolven ökar volymen i kammaren. Detta ger dock maximalt 1 atmosfärs tryckskillnad över inloppsventilerna, och vid höga motorvarvtal kan det resulterande luftflödet begränsa potentiell effekt.
Kompressorer och turboladdare
En kompressor är ett " tvingad induktion "-system som använder en kompressor som drivs av motoraxeln som tvingar luft genom motorns ventiler för att uppnå högre flöde. När dessa system används är det maximala absoluta trycket vid inloppsventilen typiskt cirka 2 gånger atmosfärstrycket eller mer.
Turboladdare är en annan typ av tvångsinduktionssystem som har sin kompressor som drivs av en gasturbin som rinner av avgaserna från motorn.
Turboladdare och kompressorer är särskilt användbara på höga höjder och de används ofta i flygplansmotorer .
Kanaljetmotorer använder samma grundläggande system, men undvik kolvmotorn och ersätt den med en brännare istället.
Vätskor
I flytande raketmotorer kommer oxidationsmedlet i form av en vätska och måste levereras med högt tryck (typiskt 10-230 bar eller 1-23 MPa) till förbränningskammaren. Detta uppnås normalt genom att använda en centrifugalpump som drivs av en gasturbin - en konfiguration som kallas en turbopump , men den kan också tryckmatas .
Delar
För en fyrtaktsmotor inkluderar motorns nyckeldelar vevaxeln (lila), vevstaken (orange), en eller flera kamaxlar (röda och blå) och ventiler . För en tvåtaktsmotor kan det helt enkelt finnas ett avgasutlopp och bränsleinlopp istället för ett ventilsystem. I båda typerna av motorer finns det en eller flera cylindrar (grå och grön), och för varje cylinder finns ett tändstift (mörkare grå, endast bensinmotorer ), en kolv (gul) och en vevstift (lila). Ett enda svep av cylindern av kolven i en uppåtgående eller nedåtgående rörelse är känt som ett slag. Det nedåtgående slaget som inträffar direkt efter att luft-bränsleblandningen passerar från förgasaren eller bränsleinsprutaren till cylindern (där den antänds) är också känd som ett kraftslag.
En wankelmotor har en triangulär rötor som kretsar i en epitrokoid (figur 8 form) kammare runt en excentrisk axel. De fyra driftsfaserna (intag, kompression, effekt och avgas) äger rum i vad som faktiskt är en rörlig kammare med variabel volym.
Ventiler
Alla fyrtaktsförbränningsmotorer använder ventiler för att kontrollera insläppet av bränsle och luft i förbränningskammaren. Tvåtaktsmotorer använder portar i cylinderloppet, täckta och avtäckta av kolven, även om det har förekommit variationer som avgasventiler.
Kolvmotorventiler
I kolvmotorer är ventilerna grupperade i "inloppsventiler" som släpper in bränsle och luft och "utloppsventiler" som gör att avgaserna kan strömma ut. Varje ventil öppnas en gång per cykel och de som utsätts för extrema accelerationer hålls stängda av fjädrar som vanligtvis öppnas av stavar som löper på en kamaxel som roterar med motorernas vevaxel .
Styrventiler
Kontinuerliga förbränningsmotorer – såväl som kolvmotorer – har vanligtvis ventiler som öppnar och stänger för att släppa in bränsle och/eller luft vid start och avstängning. Vissa ventiler fjädrar för att justera flödet för att kontrollera effekt eller motorvarvtal också.
Avgassystem
Förbränningsmotorer måste effektivt hantera avgaserna från den kylda förbränningsgasen från motorn. Avgassystemet innehåller ofta anordningar för att kontrollera både kemiska föroreningar och buller. Dessutom, för cykliska förbränningsmotorer är avgassystemet ofta inställt för att förbättra tömningen av förbränningskammaren. Majoriteten av avgaserna har också system för att förhindra värme från att nå platser som skulle stöta på skador från det, såsom värmekänsliga komponenter, ofta kallad Exhaust Heat Management .
För förbränningsmotorer med jetframdrivning tar "avgassystemet" formen av ett höghastighetsmunstycke , som genererar dragkraft för motorn och bildar en kollimerad gasstråle som ger motorn dess namn.
Kylsystem
Förbränning genererar en hel del värme, och en del av detta överförs till motorns väggar. Fel kommer att inträffa om motorkroppen tillåts nå för hög temperatur; antingen kommer motorn att misslyckas fysiskt, eller så kommer eventuella smörjmedel att brytas ner till den grad att de inte längre skyddar motorn. Smörjmedlen måste vara rena eftersom smutsiga smörjmedel kan leda till överbildning av slam i motorerna.
Kylsystem använder vanligen luft ( luftkyld ) eller flytande (vanligtvis vatten ) kylning, medan vissa mycket heta motorer använder strålningskylning (särskilt vissa raketmotorer ). Vissa raketmotorer på hög höjd använder ablativ kylning, där väggarna gradvis eroderar på ett kontrollerat sätt. Raketer i synnerhet kan använda regenerativ kylning , som använder bränslet för att kyla de fasta delarna av motorn.
Kolv
En kolv är en komponent i kolvmotorer . Den är placerad i en cylinder och görs gastät av kolvringar . Dess syfte är att överföra kraft från expanderande gas i cylindern till vevaxeln via en kolvstång och/eller vevstång . I tvåtaktsmotorer fungerar kolven också som en ventil genom att täcka och avtäcka portar i cylinderväggen.
Framdrivande munstycke
För jetmotorformer av förbränningsmotorer finns ett framdrivningsmunstycke. Detta tar avgaserna med hög temperatur och högt tryck och expanderar och kyler det. Avgaserna lämnar munstycket i mycket högre hastighet och ger dragkraft, samt begränsar flödet från motorn och höjer trycket i resten av motorn, vilket ger större dragkraft för avgasmassan som kommer ut.
Vevaxel
De flesta fram- och återgående förbränningsmotorer vrider på en axel. Detta innebär att en kolvs linjära rörelse måste omvandlas till rotation. Detta uppnås vanligtvis med en vevaxel.
Svänghjul
Svänghjulet är en skiva eller ett hjul som är fäst vid veven och bildar en tröghetsmassa som lagrar rotationsenergi. I motorer med endast en enda cylinder är svänghjulet nödvändigt för att överföra energi från kraftslaget till ett efterföljande kompressionsslag. Svänghjul finns i de flesta kolvmotorer för att jämna ut krafttillförseln över varje vridning av veven och i de flesta bilmotorer monteras även en växelring för en startmotor. Svänghjulets rotationströghet tillåter också en mycket långsammare minsta avlastade hastighet och förbättrar även jämnheten vid tomgång. Svänghjulet kan också utföra en del av balanseringen av systemet och så i sig självt vara ur balans, även om de flesta motorer använder en neutral balans för svänghjulet, vilket gör att det kan balanseras i en separat operation. Svänghjulet används också som ett fäste för kopplingen eller en momentomvandlare i de flesta biltillämpningar.
Startsystem
Alla förbränningsmotorer kräver någon form av system för att få dem i drift. De flesta kolvmotorer använder en startmotor som drivs av samma batteri som driver resten av de elektriska systemen. Stora jetmotorer och gasturbiner startas med en tryckluftsmotor som är ansluten till en av motorns drivaxlar. Tryckluft kan tillföras från en annan motor, en enhet på marken eller från flygplanets APU . Små förbränningsmotorer startas ofta av draglinor. Motorcyklar av alla storlekar kickstartades traditionellt, även om alla utom de minsta nu är elektriska. Stora stationära motorer och marinmotorer kan startas genom tidsinställd insprutning av tryckluft i cylindrarna - eller ibland med patroner. Hoppstart hänvisar till hjälp från ett annat batteri (vanligtvis när det monterade batteriet är urladdat), medan hoppstart hänvisar till en alternativ startmetod genom att applicera någon yttre kraft, t.ex. att rulla nerför en backe.
Värmeavskärmningssystem
Dessa system fungerar ofta i kombination med motorkylning och avgassystem. Värmeavskärmning är nödvändig för att förhindra att motorvärme skadar värmekänsliga komponenter. Majoriteten av äldre bilar använder enkel värmeskärmning av stål för att minska värmestrålning och konvektion . Det är numera vanligast att moderna bilar använder värmeskärmar av aluminium som har lägre densitet , lätt kan formas och inte korroderar på samma sätt som stål . Fordon med högre prestanda börjar använda keramisk värmeavskärmning eftersom detta tål mycket högre temperaturer samt ytterligare minskningar av värmeöverföringen.
Smörjsystem
Förbränningsmotorer kräver smörjning i drift så att rörliga delar glider smidigt över varandra. Otillräcklig smörjning utsätter motorns delar för metall-mot-metall-kontakt, friktion, värmeuppbyggnad, snabbt slitage som ofta kulminerar i att delar blir friktionssvetsade, t.ex. kolvar i deras cylindrar. Stora ändlager som fastnar leder ibland till att en vevstake går sönder och sticker ut genom vevhuset.
Flera olika typer av smörjsystem används. Enkla tvåtaktsmotorer smörjs av olja som blandas in i bränslet eller sprutas in i induktionsströmmen som en spray. Tidiga stationära motorer med långsam hastighet och marinmotorer smörjdes av tyngdkraften från små kammare som liknade de som användes på ångmotorer på den tiden - med en motor som fyllde på dessa efter behov. högre tryck på lagren, vilket i sin tur krävde trycksmörjning för vevlager och vevstakar . Detta åstadkoms antingen genom en direkt smörjning från en pump eller indirekt av en oljestråle riktad mot pickupkoppar på vevstakens ändar som hade fördelen att ge högre tryck när motorvarvtalet ökade.
Kontrollsystem
De flesta motorer kräver ett eller flera system för att starta och stänga av motorn och för att kontrollera parametrar som effekt, hastighet, vridmoment, föroreningar, förbränningstemperatur och effektivitet och för att stabilisera motorn från driftsätt som kan orsaka självskador, t.ex. som förtändning . Sådana system kan kallas motorstyrenheter .
Många styrsystem är idag digitala och kallas ofta för FADEC- system (Full Authority Digital Electronic Control).
Diagnostiska system
Engine On Board Diagnostics (även känd som OBD) är ett datoriserat system som möjliggör elektronisk diagnos av ett fordons kraftverk. Den första generationen, känd som OBD1 , introducerades 10 år efter att den amerikanska kongressen antog Clean Air Act 1970 som ett sätt att övervaka ett fordons bränsleinsprutningssystem. OBD2 , den andra generationen av datoriserad diagnostik ombord, kodifierades och rekommenderades av California Air Resource Board 1994 och blev obligatorisk utrustning ombord på alla fordon som såldes i USA från och med 1996. Gjorde även i alla bilar.