A négyütemű motor egy dugattyús belső égésű motor , amelyben az egyes hengerekben a munkafolyamat a főtengely két fordulatával , azaz a dugattyú négy ütemével (löket) fejeződik be. A 20. század közepe óta ez a legelterjedtebb dugattyús belsőégésű motor típus, különösen a közepes és kis teljesítményű motorokban (a nehéz motorok kétüteműek a nagy fajlagos teljesítményhez).
A négyütemű motor munkaciklusa négy ciklusból áll, amelyek mindegyike egy dugattyúlöketet jelent a holtpontok között, míg a motor a következő fázisokon megy keresztül:
A kompressziós löket végén az Otto-motorokban meggyullad a töltet, vagy megkezdődik az üzemanyag-befecskendezés a dízelmotoroknál.
A valódi motorokban a szelepvezérlést úgy választják meg, hogy figyelembe vegyék a gázáramlás tehetetlenségét, valamint a szívó- és kipufogócsatorna geometriáját. Általában a beszívás eleje 15-25 ° -kal vezeti a TDC-t, a beszívás vége körülbelül ugyanennyivel elmarad a BDC mögött, mivel a gázáramlás tehetetlensége biztosítja a henger jobb feltöltését. A kipufogószelep 40-60°-kal előmozdítja a löket BDC-jét, miközben az égetett gázok nyomása a BDC-hez csökken, és a kipufogó során a dugattyúra ható ellennyomás kisebb, ami növeli a hatékonyságot. A kipufogószelep zárását szívó TDC-nek is nevezik a kipufogógáz jobb eltávolítása érdekében.
Mivel az Otto motorokban az égési folyamat és a lángfront terjedése bizonyos időt igényel, a motor működési módjától függően, és a maximális nyomás a forgattyús mechanizmus geometriája miatt 40 és 45 között kívánatos. ° a munkalöket kezdetének TDC-jétől a gyújtást 2-8 °-kal előbb végezzük alapjáraton, mint 25-30 °-ot teljes terhelésnél.
A dízelmotor működési folyamata abban különbözik a fent leírtaktól, hogy az égéstérben a töltet tiszta levegő, amelyet a kompressziótól a gyulladási hőmérsékletig melegítenek. Valamivel a TDC előtt, az úgynevezett iniciációs idő , a folyékony tüzelőanyagot elkezdik befecskendezni az égéstérbe, cseppekre permetezni, amelyek mindegyike iniciáción megy keresztül , azaz felmelegszik, elpárolog a felületről, a párolgás során éghető keverék képződik. mindegyik csepp körül és forró levegőben meggyullad . Az egyes dízelmotorok beindítási ideje stabil, a tervezési jellemzőktől függ, és csak a kopásával változik, ezért a gyújtási nyomatékkal ellentétben a dízelmotor befecskendezési nyomatéka egyszer és mindenkorra be van állítva a tervezés és a gyártás során. Mivel a keverék nem képződik a dízelmotor égésterének teljes térfogatában, és a fúvóka permetező sugara a kamra kis térfogatát foglalja el, a levegő mennyiségének minden befecskendezett üzemanyag térfogatára vonatkozóan túlzottnak kell lennie, ellenkező esetben az égési folyamat nem halad a végéig, és a kipufogógázok nagy mennyiségű el nem égett szenet tartalmaznak korom formájában. Maga az égés mindaddig tart, ameddig az adott üzemanyag-adag befecskendezése tart - néhány fokkal a TDC után alapjáraton 45-50 ° -ig teljes teljesítményű üzemmódban. Az erős dízelmotorokban a henger több fúvókával is felszerelhető.
A négyütemű motort először Alfont de Rocher szabadalmaztatta 1861-ben. Ezt megelőzően, 1854-1857 körül két olasz (Eugenio Barsanti és Felice Matozzi) feltalált egy motort, amely a rendelkezésre álló információk szerint nagyon hasonlíthatna egy négyütemű motorhoz, de ez a szabadalom elveszett.
Nikolaus Otto német mérnök volt az első, aki megépítette az első praktikus négyütemű motort . Ezért a négyütemű ciklust Otto-ciklusnak , a gyújtógyertyákat használó négyütemű motort pedig Otto-motornak nevezik .
Az ideális Otto-ciklus adiabatikus kompresszióból, állandó térfogatú hőátadásból, adiabatikus expanzióból és állandó térfogatú hőleadásból áll. Egy praktikus négyütemű Otto-ciklusban van izobár kompresszió (kipufogó) és izobár expanzió (bemenet), amelyeket általában nem vesznek figyelembe, mivel egy idealizált folyamatban nem játszanak szerepet sem a munkagáz hőátadásában, sem a működésben. gázzal dolgozni.
A négyütemű motor attribútumegysége szabályozza a gázcserét a ciklusok váltásakor, biztosítva a hengerüreg és a szívó- és kipufogócsatorna váltakozó csatlakozását.
A gázelosztás szabályozható:
MECHANIKUSAN: - vezérműtengely vagy szelepes tengelyek; - a hengerfejben oda-vissza mozgó, vagy forgó hengeres hüvelyes orsók; MIKROPROCESSZOR. Ebben az esetben a szelepeket közvetlenül nagy teljesítményű, nagy sebességű elektromágnesek (BMW) vagy hidraulikus hajtás (FIAT) hajtják meg.Az első esetben a szelepeket egy vezérműtengely vezérli , amely a főtengely sebességének felével forog. A vezérműtengelynek több bütyökje van , amelyek mindegyike egy szívó- vagy kipufogószelepet vezérel. A vezérműtengelyekből gyakran további motorszerviz eszközöket biztosítanak - olaj, üzemanyag-szivattyúk, gyújtáselosztó, befecskendező szivattyú, néha mechanikus feltöltők stb.
Különböző motorok egy vagy több vezérműtengelyt használnak a főtengely közelében, a hengersor felett, vagy akár az egyes szelepsorok felett. A vezérműtengelyeket a főtengelyről vagy vezérmű fogaskerekek hajtják, vagy lamellás-görgős lánc, vagy fogasszíj. Néhány régebbi kivitelben kúpfogaskerekes (B-2) görgőket használtak. Mindenesetre a tengelyek 1:2 forgási sebességgel szinkronizálva vannak.
Mindenesetre a főtengely mellett található tengelyt alsónak , a fejben a szelepek felett vagy mellett - felső . A szelepek az égéstérhez viszonyított elhelyezkedését tekintve felül is lehetnek - a dugattyú alja felett, vagy alul - az oldalsó hengerek mellett. Az alsó szelepeket az alsó tengelyről rövid főzőpohár csapokon keresztül hajtják meg. A felső szelepek meghajtása az alsó tengelyről általában egy rúdmechanizmussal történik, a felső felől vagy billenőkarokon (hintőkarokon) vagy üveg alakú tolókon keresztül. Sok motor hidraulikus szelepeket használ, amelyek automatikusan kiválasztják a szelephézagokat, és karbantartásmentessé teszik a gázelosztó mechanizmust.
A szelep hőálló anyagokból készült lemezzel ellátott rúd. A szelepszár a vezetőhüvelyben oda-vissza mozgásokat végez, a szintén hőálló anyagokból készült szelepüléken a kúpos tömítőszalaggal ellátott szelepszár támaszkodik. Mind az ülés, mind a vezetőhüvely olyan érintkező felületek, amelyeken keresztül a szelep hűtésre kerül. Ez a helyzet különösen fontos azoknál a kipufogószelepeknél, amelyek folyamatosan forró gázok áramában (és ha a gyújtás vagy befecskendezés időzítése helytelenül van beállítva, akkor lángáramban) működnek, és intenzív hőelvonást igényelnek. Ezért a hűtés javítása érdekében a szelepszár belsejében hővezető anyagú üreg helyezhető el - nátriummal, rézzel. És maguknak az érintkezési felületeknek simának kell lenniük, és a lehető legkisebb résekkel kell rendelkezniük. Sok szelep forgómechanizmussal rendelkezik, amely működés közben kényszerített forgást biztosít a hossztengely körül.
A szelep nyitását a megfelelő bütyök hajtja végre, a zárást vagy egy visszatérő szelep rugó/rugók, vagy egy speciális dezmodromikus mechanizmus (Daimler-Benz), amely lehetővé teszi a rugók hiánya miatt nagyon magas értékek elérését. a szelep mozgási sebességét, és ennek megfelelően jelentősen növeli a motor fordulatszámát anélkül, hogy jelentős mértékben megnőne az elosztó mechanizmus erőfeszítése. A helyzet az, hogy minél gyengébb a szeleprugó, annál lassabban tér vissza a szelep az üléshez. Már viszonylag alacsony fordulatszámon történő munkavégzéskor a gyenge rugók lehetővé teszik a szelepek „lógását” és a dugattyúkkal való érintkezést (a VAZ motorok belső szeleprugók sora nélkül - 5500-6000 fordulat / perc sebességgel). Minél erősebbek a szeleprugók, annál nagyobb igénybevételnek vannak kitéve a vezérműalkatrészek, és annál jobb minőségű olajat kell használni a kenéshez. A desmodromikus mechanizmus lehetővé teszi a szelepek olyan sebességgel történő mozgatását, amelyet csak a tehetetlenségi nyomatékuk korlátoz, vagyis lényegesen nagyobb, mint a valódi motorok szelepeinél elérhető fordulatszám.
A mikroprocesszoros elektromágneses vagy elektrohidraulikus vezérlés emellett lehetővé teszi a motor szelepvezérlésének egyszerű beállítását, így minden üzemmódban a legelőnyösebb elosztási karakterisztikát éri el.
Egyes motorok korai modelljei (Harley-Davidson, Peugeot) gyenge rugós szívószelepekkel rendelkeztek, amelyek a szelep „automatikus” nyitását biztosították, miután a beszívás megindult a dugattyú feletti vákuum által.
A vezérműtengelyekkel történő időzítéskor a szelep időzítésének korrekciója érdekében különféle megkülönböztető mechanizmusokat használnak, kialakításuk a motor elrendezésétől és az időzítéstől függ (ami nagymértékben meghatározza a teljes belső égésű motor elrendezését).
A belső égésű motor működése a munkagázok magas hőmérséklete és a dörzsölő részek jelentős érintkezési feszültségei miatt jelentős mennyiségű hő felszabadulásával jár. Ezért a motor működésének biztosításához a súrlódási párokat alkotó részeket hűteni és kenni kell, a köztük lévő résekből ki kell mosni a mechanikai kopástermékeket. A kenőolaj amellett, hogy olajéket képez a résekben, jelentős mennyiségű hőt von el a terhelt súrlódó felületekről. A hengerbetétek és a motorfej elemeinek hűtésére kényszerhűtési rendszert is használnak, amely folyadék és levegő is lehet.
A motor kenőrendszere egy olajtartályból áll, amelyet gyakran használnak olajteknőként olajteknő rendszerben, vagy külön olajtartályt száraz olajteknő rendszerben . A tartályból az olajat egy olajszivattyú , fogaskerék vagy ritkábban forgó beszívja, és a csatornákon keresztül nyomás alatt áramlik a súrlódó párokhoz. Az olajteknő rendszerekben a hengerbetéteket és néhány másodlagos alkatrészt fröccsenő kenéssel látják el, a száraz olajteknő rendszerekben pedig speciális kenőanyagokra van szükség ugyanezen alkatrészek kenéséhez és hűtéséhez. Közepes és nagy teljesítményű motoroknál a kenési rendszer dugattyús olajhűtő elemeket tartalmaz tekercsek vagy speciális fúvókák formájában, amelyeket a fenékbe öntenek , és a forgattyúház felől öntik át a dugattyú alját. A kenési rendszer általában egy vagy több szűrőt tartalmaz , amelyek megtisztítják az olajat a súrlódási párok kopástermékeitől, és magát az olajat gyantásítják. A szűrőket vagy egy bizonyos fokú porozitású kartonfüggönyhöz vagy centrifugálishoz használják. Az olaj hűtésére gyakran használnak levegő-olaj radiátorokat vagy víz-olaj hőcserélőket.
A léghűtő rendszert a legegyszerűbb esetben egyszerűen a hengerek és fejek masszív bordái képviselik. A kívülről érkező kos levegő és belülről az olaj hűti a motort. Ha nem lehetséges a hőelvezetést bejövő áramlással biztosítani, akkor a rendszerben légcsatornákkal ellátott ventilátor található . Az olyan vitathatatlan előnyök mellett, mint a motor egyszerűsége és a kedvezőtlen körülmények közötti viszonylag magas túlélés, valamint a viszonylag kisebb tömeg, a léghűtésnek komoly hátrányai is vannak:
- a motoron átfújó nagy mennyiségű levegő nagy mennyiségű port szállít a bordákon, különösen olajszivárgás esetén, ami működés közben elkerülhetetlen, ennek eredményeként a hűtési hatékonyság jelentősen csökken;
- a levegő alacsony hőkapacitása jelentős térfogatú átfújásra kényszeríti a motoron, ami a hűtőventilátor működéséhez jelentős teljesítményleadást igényel;
- a motoralkatrészek formája nem felel meg jól a környező jó légáramlás feltételeinek, ezért nagyon nehéz elérni a motorelemek egyenletes hűtését; Az egyes szerkezeti elemek üzemi hőmérséklet-különbsége miatt nagy hőfeszültségek léphetnek fel, ami csökkenti a szerkezet tartósságát.
Ezért a léghűtést ritkán használják az ICE-ben, és általában vagy olcsó kivitelben, vagy olyan esetekben, amikor a motor különleges körülmények között működik. Így a léghűtéses MeMZ-968 motort a ZAZ-967 elülső éles szállítószalagon használják , a vízköpeny, a hüvelyek és a hűtőradiátor hiánya növeli a szállítószalag túlélését harctéri körülmények között.
A folyadékhűtésnek számos előnye van, és a legtöbb esetben belső égésű motoroknál használják. Előnyök:
- a folyadék nagy hőkapacitása hozzájárul a hő gyors és hatékony eltávolításához a hőtermelés zónáiból;
- sokkal egyenletesebb hőeloszlás a motor tervezési elemeiben, ami jelentősen csökkenti a hőfeszültségeket;
- a folyékony hűtés használata lehetővé teszi a hőáramlás gyors és hatékony szabályozását a hűtőrendszerben, és ezért gyorsabban és sokkal egyenletesebben, mint léghűtés esetén, melegítse fel a motort üzemi hőmérsékletre;
- a folyékony hűtés lehetővé teszi a motoralkatrészek lineáris méreteinek és hőterhelésének növelését a hőelvonás nagy hatékonysága miatt; ezért minden közepes és nagy motor folyadékhűtéses, kivéve a PDP-kétütemű motorokat, amelyekben a bélések ürítőnyílását elrendezési okokból tisztító levegővel hűtik;
- a víz-levegő vagy víz-víz hőcserélő speciális formája lehetővé teszi a motor hőjének leghatékonyabb átvitelét a környezetbe.
A vízhűtés hátrányai:
- a motor kialakításának megnövekedett súlya és összetettsége a vízköpeny jelenléte miatt;
- hőcserélő / radiátor jelenléte;
- az egység megbízhatóságának csökkenése a karmantyúk, tömlők és csövek ízületeinek jelenléte miatt, ahol lehetséges folyadékszivárgás;
- a motor kötelező leállítása a hűtőfolyadék legalább egy részének elvesztése esetén.
A modern folyékony hűtőrendszerek speciális fagyállókat használnak hűtőfolyadékként , amelyek alacsony hőmérsékleten nem fagynak meg, és különféle célokra szolgáló adalékcsomagokat tartalmaznak - korróziógátlókat , mosószereket, kenőanyagokat, habzásgátlókat és néha az esetleges szivárgások tömítését. A motor hatásfokának növelése érdekében a rendszereket lezárják, miközben az üzemi hőmérséklet-tartományt a víz forráspontjáig emelik. Az ilyen hűtőrendszerek atmoszférikus nyomáson működnek, elemeiket úgy tervezték, hogy fenntartsák a magas nyomást. Az etilénglikol fagyállók nagy térfogattágulási együtthatóval rendelkeznek. Ezért az ilyen rendszerekben gyakran használnak külön tágulási tartályokat vagy radiátorokat megnövelt felső tartállyal.
Az üzemi hőmérséklet stabilizálása és a motor felmelegedésének felgyorsítása érdekében a hűtőrendszerekbe termosztátokat szerelnek be . A léghűtéshez a termosztát cerezinnel vagy etil-alkohollal töltött fújtató , egy kapocs és egy karrendszerrel kombinálva, amely elfordítja a csappantyúkat, biztosítva a légáramlás kapcsolását és elosztását. Folyadékhűtő rendszerekben pontosan ugyanaz a hőelem nyitja a szelepet, vagy kapcsolja át azt a szeleprendszert, amely a folyadékot vagy a hűtőbe, vagy egy speciális csatornába irányítja, amely a felmelegített folyadékot keringeti és egyenletesen melegíti a motort.
A radiátor vagy hűtő hőcserélő ventilátorral rendelkezik, amely légköri levegőáramot fúj át rajta, hidrosztatikus vagy elektromos meghajtással.
Az Otto motorok termikus hatásfoka kb. 40%, ami mechanikai veszteségek mellett 25-33%-os tényleges hatásfokot ad.
A modern motorok hatékonysága csökkent, hogy megfeleljenek a magas környezetvédelmi követelményeknek.
A belső égésű motorok hatásfoka az üzemanyag-ellátási, gyújtási és gázelosztási fázisok korszerű processzoros vezérlőrendszereivel növelhető. A modern motorok sűrítési aránya általában a határértékhez közeli értékekkel rendelkezik (ellentmondásos pont, lásd Miller-ciklus).
A dugattyús motor teljesítménye függ a hengerek térfogatától, térfogati hatásfokától , energiaveszteségtől - gázdinamikus, termikus és mechanikai, az üzemanyag-levegő keverék kompressziós fokától, a levegő oxigéntartalmától és a sebességtől. A motor teljesítménye a szívó- és kipufogócsatorna áteresztőképességétől is függ, így azok áramlási szakaszától, a csatornák hosszától és konfigurációjától, valamint a szelepek átmérőjétől, amelyek nagyobbak, mint a szívóaké. Ez minden dugattyús motorra igaz. A belső égésű motor maximális forgatónyomatéka a hengerek legmagasabb töltésénél érhető el. A főtengely fordulatszámát végső soron az anyagok szilárdsága és a kenőanyag tulajdonságai korlátozzák. A szelepek, dugattyúk és főtengelyek nagy dinamikus terhelésnek vannak kitéve. Magas motorfordulatszámon a dugattyúgyűrűk fizikai károsodása, a szelepek mechanikus érintkezése a dugattyúkkal, ami a motor tönkremeneteléhez vezethet. A dugattyúgyűrűk függőlegesen rezegnek a dugattyúhornyokban. Ezek az ingadozások rontják a dugattyú és a bélés közötti tömítést, ami a kompresszió, a teljesítmény és az általános hatékonyság csökkenését eredményezi. Ha a főtengely túl gyorsan forog, a szeleprugóknak nincs idejük a szelepeket elég gyorsan lezárni. Emiatt a dugattyúk hozzáérhetnek a szelepekhez, és komoly károkat okozhatnak, ezért a nagy sebességű sportmotorok visszatérő rugók nélküli szelepműködtetőket használnak. Tehát a Daimler-Benz sorozatban gyárt dezmodromikus szelepvezérlésű motorokat (dupla bütykökkel az egyik nyitja a szelepet, a másik az üléshez nyomja), a BMW elektromágneses szelepvezérlést használ. Nagy sebességnél a kenőanyag működési feltételei az összes súrlódási párban romlanak.
A CPG dugattyús elemeinek tehetetlenségét leküzdő veszteségekkel együtt ez a legtöbb soros hajtómű átlagos dugattyús sebességét 10 m/s-ra korlátozza.
A négyütemű motorok lehetnek benzinesek vagy dízelmotorok . Széles körben használják főmotorként helyhez kötött és szállító erőművekben.
A négyütemű motorokat általában olyan esetekben használják, amikor többé-kevésbé széles körben lehet változtatni a tengely fordulatszámát a teljesítmény és a nyomaték között, vagy ha ez az arány nem játszik szerepet a gép működésében. Például egy elektromos generátorral terhelt motornak elvileg bármilyen működési jellemzője lehet, és csak az üzemi fordulatszám-tartományban konzisztens a terheléssel, amely elvileg bármilyen elfogadható lehet a generátor számára. A köztes fokozatok használata általában a négyütemű motort széles tartományban alkalmazkodóbbá teszi a terhelésekhez. Előnyösebbek olyan esetekben is, amikor a berendezés hosszabb ideig az állandósult állapoton kívül üzemel - a fejlettebb gázdinamika miatt tranziens és részleges teljesítménylevételes üzemmódokban is stabilabb a működésük.
Adott fordulatszám-tartományban, különösen alacsony fordulatszámú tengelyen (hajó propellertengelyén) végzett munka során célszerű a kétütemű motorokat használni, mivel ezek alacsony fordulatszámon kedvezőbb tömeg-teljesítmény jellemzőkkel rendelkeznek.
| Motorok | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| Lásd még örökmozgó Fogaskerék motor gumi motor | |||||||||||||||||