Viertaktmotor (Deutsch)

Leistungsbegrenzungenedit

Die maximale von einem Motor erzeugte Leistung wird durch die maximale Menge an Energie bestimmt.luft aufgenommen., Die Menge der von einem Kolbenmotor erzeugten Leistung hängt von seiner Größe (Zylindervolumen) ab, unabhängig davon, ob es sich um einen Zweitaktmotor oder eine Viertaktkonstruktion handelt, volumetrischer Wirkungsgrad, Verluste, Luft-Kraftstoff-Verhältnis, der Heizwert des Kraftstoffs, Sauerstoffgehalt der Luft und Drehzahl (U / MIN). Die Geschwindigkeit wird letztendlich durch Materialfestigkeit und Schmierung begrenzt. Ventile, Kolben und Pleuelstangen leiden unter starken Beschleunigungskräften. Bei hoher Motordrehzahl können physischer Bruch und Kolbenringflattern auftreten, was zu Leistungsverlust oder sogar Motorzerstörung führt., Kolbenringflattern tritt auf, wenn die Ringe vertikal innerhalb der Kolbennuten schwingen, in denen sie sich befinden. Ringflattern beeinträchtigt die Dichtung zwischen Ring und Zylinderwand, was zu einem Verlust von Zylinderdruck und Leistung führt. Wenn sich ein Motor zu schnell dreht, können Ventilfedern nicht schnell genug wirken, um die Ventile zu schließen. Dies wird allgemein als „Ventilschwimmer“ bezeichnet und kann zu Kolben-Ventil-Kontakt führen, wodurch der Motor stark beschädigt wird. Bei hohen Drehzahlen neigt die Schmierung der Kolbenzylinderwandschnittstelle zum Abbruch., Dies begrenzt die Kolbengeschwindigkeit für Industriemotoren auf etwa 10 m/s.

Einlass–/Auslassöffnung Durchflussmesser

Die Ausgangsleistung eines Motors hängt von der Fähigkeit des Einlass – (Luft-Kraftstoff-Gemisch) und Auslassmaterials ab, sich schnell durch Ventilöffnungen zu bewegen, die sich typischerweise im Zylinderkopf befinden. Um die Ausgangsleistung eines Motors zu erhöhen, können Unregelmäßigkeiten in den Einlass-und Auslasswegen, wie Gussfehler, entfernt werden, und mit Hilfe einer Luftstrombank können die Radien der Ventilöffnungsdrehungen und der Ventilsitzkonfiguration geändert werden, um den Widerstand zu verringern., Dieser Prozess wird Portierung genannt und kann von Hand oder mit einer CNC-Maschine durchgeführt werden.

Abwärmerückgewinnung eines Verbrennungsmotors

Ein Verbrennungsmotor kann im Durchschnitt nur 40-45% der zugeführten Energie in mechanische Arbeit umwandeln. Ein großer Teil der Abwärme liegt in Form von Wärme vor, die durch Kühlmittel, Flossen usw. an die Umwelt abgegeben wird. Wenn wir die Abwärme irgendwie zurückgewinnen könnten, können wir die Leistung des Motors verbessern. Es wurde festgestellt, dass selbst wenn 6% der vollständig verschwendeten Wärme zurückgewonnen werden, der Motorwirkungsgrad erheblich gesteigert werden kann.,

Viele Methoden wurden entwickelt, um Abwärme aus einem Motorabgas zu extrahieren und weiter zu nutzen, um einige nützliche Arbeit zu extrahieren und gleichzeitig die Abgasschadstoffe zu verringern. Die Verwendung des Rankin-Zyklus, der Turboaufladung und der thermoelektrischen Erzeugung kann als Abwärmerückgewinnungssystem sehr nützlich sein.

Aufladungedit

Eine Möglichkeit, die Motorleistung zu erhöhen, besteht darin, mehr Luft in den Zylinder zu zwingen, so dass mit jedem Hub mehr Leistung erzeugt werden kann., Dies kann mit einer Art Luftkompressionsvorrichtung erfolgen, die als Kompressor bekannt ist und von der Kurbelwelle des Motors angetrieben werden kann.

Die Aufladung erhöht die Leistungsgrenzen eines Verbrennungsmotors relativ zu seinem Hubraum. Am häufigsten läuft der Kompressor immer, aber es gab Konstruktionen, die es erlauben, ihn mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten (relativ zur Motordrehzahl) auszuschneiden oder zu laufen., Mechanisch angetriebene Aufladung hat den Nachteil, dass ein Teil der Ausgangsleistung zum Antrieb des Aufladers verwendet wird, während im Hochdruckauspuff Energie verschwendet wird, da die Luft zweimal komprimiert wurde und dann mehr potentielles Volumen bei der Verbrennung gewinnt, aber es wird nur in einer Stufe erweitert.

Turboladeredit

Ein Turbolader ist ein Kompressor, der von den Abgasen des Motors mittels einer Turbine angetrieben wird. Ein Turbolader ist in die Abgasanlage eines Fahrzeugs eingebaut, um den ausgestoßenen Auspuff zu nutzen., Es besteht aus einer zweiteiligen Hochgeschwindigkeits-Turbinenanordnung mit einer Seite, die die Ansaugluft komprimiert, und der anderen Seite, die durch den Abgasabfluss angetrieben wird.

Im Leerlauf und bei niedrigen bis mäßigen Drehzahlen erzeugt die Turbine wenig Leistung aus dem kleinen Abgasvolumen, der Turbolader hat wenig Wirkung und der Motor arbeitet nahezu saugfähig., Wenn viel mehr Leistung benötigt wird, werden die Motordrehzahl und die Drosselklappenöffnung erhöht, bis die Abgase ausreichen, um die Turbine des Turboladers aufzurollen, um viel mehr Luft als normal in den Ansaugkrümmer zu komprimieren. Somit wird zusätzliche Leistung (und Geschwindigkeit) durch die Funktion dieser Turbine ausgestoßen.

Die Turboaufladung ermöglicht einen effizienteren Motorbetrieb, da sie durch Abgasdruck angetrieben wird, der sonst (meistens) verschwendet würde, aber es gibt eine Designbeschränkung, die als Turbo Lag bekannt ist., Die erhöhte Motorleistung ist nicht sofort verfügbar, da die Motordrehzahl stark erhöht, Druck aufgebaut und der Turbo hochgedreht werden muss, bevor der Turbo eine nützliche Luftkompression durchführt. Das erhöhte Ansaugvolumen bewirkt einen erhöhten Auspuff und dreht den Turbo schneller und so weiter, bis ein stetiger Hochleistungsbetrieb erreicht ist. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dass der höhere Abgasdruck bewirkt, dass das Abgas mehr Wärme auf die mechanischen Teile des Motors überträgt.,

Stab-und Kolben-zu-Hub-ratioEdit

Das Stab-zu-Hub-Verhältnis ist das Verhältnis der Länge der Pleuelstange zur Länge des Kolbenhubs. Eine längere Stange reduziert den seitlichen Druck des Kolbens auf die Zylinderwand und die Belastungskräfte, wodurch die Lebensdauer des Motors erhöht wird. Es erhöht auch die Kosten und Motorhöhe und Gewicht.

Ein „quadratischer Motor“ ist ein Motor mit einem Bohrungsdurchmesser, der seiner Hublänge entspricht., Ein Motor, bei dem der Bohrungsdurchmesser größer als seine Hublänge ist, ist ein Oversquare-Motor, umgekehrt ist ein Motor mit einem Bohrungsdurchmesser, der kleiner als seine Hublänge ist, ein Undersquare-Motor.

Ventiltrainedit

Die Ventile werden typischerweise von einer Nockenwelle betrieben, die sich mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle dreht. Es hat eine Reihe von Nocken entlang seiner Länge, die jeweils entworfen sind, um ein Ventil während des entsprechenden Teils eines Einlass-oder Auslasshubs zu öffnen. Ein Stößel zwischen Ventil und Nocken ist eine Kontaktfläche, auf der der Nocken gleitet, um das Ventil zu öffnen., Viele Motoren verwenden eine oder mehrere Nockenwellen „über“ einer Reihe (oder jeder Reihe) von Zylindern, wie in der Abbildung, in der jeder Nocken direkt ein Ventil durch einen flachen Stößel betätigt. Bei anderen Motorkonstruktionen befindet sich die Nockenwelle im Kurbelgehäuse, wobei in diesem Fall jeder Nocken normalerweise mit einer Schubstange in Kontakt kommt, die mit einem Kipphebel in Kontakt kommt, der ein Ventil öffnet, oder im Falle eines Flachkopfmotors eine Schubstange nicht erforderlich ist. Das Overhead-Nocken-Design ermöglicht typischerweise höhere Motordrehzahlen, da es den direktesten Weg zwischen Nocken und Ventil bietet.,

Ventil clearanceEdit

Ventil clearance bezieht sich auf den kleinen Spalt zwischen einem Ventilheber und einem Ventilschaft, der sicherstellt, dass das Ventil vollständig schließt. Bei Motoren mit mechanischer Ventileinstellung verursacht ein übermäßiges Spiel Geräusche aus dem Ventiltrieb. Ein zu kleines Ventilspiel kann dazu führen, dass die Ventile nicht richtig schließen. Dies führt zu einem Leistungsverlust und möglicherweise zu einer Überhitzung der Auslassventile. Typischerweise muss der Abstand alle 20.000 Meilen (32.000 km) mit einer Fühlerlehre neu eingestellt werden.,

Die meisten modernen Serienmotoren verwenden hydraulische Heber, um den Verschleiß von Ventiltriebteilen automatisch auszugleichen. Schmutziges Motoröl kann zum Ausfall des Hebers führen.

Energiebilanz

Otto-Motoren sind etwa 30% effizient, d.h. 30% der durch Verbrennung erzeugten Energie werden an der Abtriebswelle des Motors in nützliche Rotationsenergie umgewandelt, während der Rest Verluste durch Abwärme, Reibung und Motorzubehör sind. Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, einen Teil der Energie, die durch Abwärme verloren geht, zurückzugewinnen., Die Verwendung eines Turboladers in Dieselmotoren ist sehr effektiv, indem der einströmende Luftdruck erhöht wird, und bietet in der Tat die gleiche Leistungssteigerung wie mehr Hubraum. Die Firma Mack Truck hat vor Jahrzehnten ein Turbinensystem entwickelt, das Abwärme in kinetische Energie umwandelt, die sie in das Getriebe des Motors zurückführt. Im Jahr 2005 kündigte BMW die Entwicklung des Turbosteamers an, eines zweistufigen Wärmerückgewinnungssystems ähnlich dem Mack-System, das 80% der Energie im Abgas zurückgewinnt und den Wirkungsgrad eines Otto-Motors um 15% erhöht., Im Gegensatz dazu kann ein Sechstaktmotor den Kraftstoffverbrauch um bis zu 40% senken.

Moderne Motoren sind oft absichtlich so gebaut, dass sie etwas weniger effizient sind, als sie sonst sein könnten. Dies ist notwendig für Emissionskontrollen wie Abgasrückführung und Katalysatoren, die Smog und andere Luftschadstoffe reduzieren. Mit einem Motorsteuergerät unter Verwendung von Magerbrenntechniken können Effizienzminderungen entgegengewirkt werden.

In den Vereinigten Staaten schreibt der Corporate Average Fuel Economy vor, dass Fahrzeuge einen Durchschnitt von 34.9 mpg‑US (6.7 L/100 km; 41.,9 mpg‑imp) im Vergleich zu den aktuellen standard von 25 mpg‑US (9.4 L/100 km; 30.0 mpg‑imp). Da Autohersteller diese Standards bis 2016 erfüllen wollen, müssen neue Wege der Entwicklung des traditionellen Verbrennungsmotors (ICE) in Betracht gezogen werden. Einige mögliche Lösungen zur Erhöhung der Kraftstoffeffizienz, um neue Mandate zu erfüllen, umfassen das Brennen, nachdem der Kolben am weitesten von der Kurbelwelle entfernt ist, bekannt als oberer Totpunkt, und Anwenden des Miller-Zyklus. Zusammen könnte dieses Redesign den Kraftstoffverbrauch und die NO
x-Emissionen erheblich reduzieren.,