Anonim

Započnimo s samo jednim cilindrom četverotaktnih klipnih motora koji pokreću gotovo sve današnje automobile, kamione i motocikle. Radilica se okreće u glavnim ležajevima i nosi radilicu koja nije u središtu. Na radilici je klipnjača čiji je drugi kraj pričvršćen na klip. Klip je usko smješten unutar cilindra, tako da rotacija radilice uzrokuje da klip pokreće klip gore i dolje u cilindru. Dakle, klipnjača pretvara rotacijsko gibanje radilice u gibanje klipa naprijed-natrag u svom cilindru. Klip se učinkovito brtvi pomoću cilindra sa dva ili više prstena.

Članak se nastavlja ispod:

Pokreće By Image

Zamjena plina - glava motora i ventili

Kraj cilindra iznad klipa obrubljen je glavom cilindra, u koju su ugrađeni ventili koji se mogu otvarati i zatvarati. U najjednostavnijem slučaju postoje dva ventila - jedan usisni ventil za puštanje svježe smjese goriva i zraka u cilindar i jedan ispušni ventil za ispuštanje istrošenih plinova izgaranja iz cilindra. Drugi kraj cilindra otvoren je kako bi klipnjača mogla raditi svoje.

Toplinski motori

Toplinski motori rade na jednostavnom konceptu: Kada zagrijavamo plin (na primjer, zrak) u zatvorenom volumenu, tlak mu raste. Ako tom porastu tlaka plina pružimo nešto pomično za guranje, možemo dobiti mehanički rad od toga. U slučaju klipnog motora, zaptivni volumen je onaj zarobljen u cilindru između pomičnog klipa i zatvorene glave cilindra. Ako taj sklop bacimo u kadu s kipućom vodom, kad toplina dosegne zrak zarobljen u cilindru, njegova temperatura i tlak će porasti, što klip odmiče od glave cilindra. Dobra ideja što se toga tiče, ali kako da je iskoristimo da stignemo kući za Dan zahvalnosti?

Ciklus za proizvodnju energije

Potreban nam je način brzog ponavljanja ovog procesa zagrijavanja zarobljenog volumena plina za stvaranje mehaničke snage. Potreban nam je ciklus proizvodnje energije čiji se koraci mogu ponavljati iznova i iznova. Jedan mogući ciklus bio bi naizmjenično potopiti naš klip i cilindar, prvo u kipuću vodu, a zatim u ledenu vodu, naizmjenično naprijed-natrag, što uzrokuje pomicanje klipa prema cilindru u vrućoj kipućoj vodi i pomicanje cilindra u hladnoj ledena voda. To bi bilo sporo i neučinkovito, jer treba dugo vremena zagrijati i hladiti sve one metalne dijelove, kad sve što trebamo za zagrijavanje je plin unutar cilindra.

Bolji način: Ciklus s četiri poteza

Očigledan način da se brzo zagrijava količina zraka je da se nešto goriva pomiješa s tim zrakom i zapali. Kad ovo pogledamo, otkrivamo da izgaranje kemijski ispravne mješavine benzina i zraka unutar zatvorenog volumena uzrokuje da njegov tlak skoči i do oko sedam puta više od prvotnog tlaka. Sada razgovaramo - možda bismo još stigli na Dan zahvalnosti. Ali nakon spaljivanja goriva i zraka, kako možemo ponoviti postupak? Kako se riješiti izgaranih plinova i zamijeniti ih svježom smjesom? To promišljamo i stvaramo potrebne korake.

Image
Ilustracija iscrpnog udara Roberta Martina i Ralpha Hermensa

Iscrpni udar

Prvo moramo ukloniti vrući, ali prošireni plin za izgaranje iz cilindra. Da bismo to učinili, otvorimo ispušni ventil i gurnemo klip prema glavi motora, ispumpavajući potrošeni plin za izgaranje. Ovo je ispušni hod klipa.

Image
Ilustracija moždanih udara Roberta Martina i Ralpha Hermensa

Ulazni hod

S klipom koji se nalazi blizu glave cilindra, ali ne dodiruje, zatvaramo ispušni ventil i otvaramo usisni ventil. Izvlačeći klip dalje od glave cilindra, uvlačimo svježi zrak s gorivom u koje je umiješano gorivo (gorivo dodaje raspršeni tok zraka pomoću rasplinjača ili mlaznice za gorivo). Ovo je ulazni hod klipa, koji završava klipom na dnu njegovog hoda (najbliže otvorenom kraju cilindra) s zatvorenim oba ventila.

Ilustracija kompresije: Robert Martin i Ralph Hermens

Kompresijski hod

Slijedi potreba za nekim razmišljanjem. Ako sada zapalimo smjesu goriva i zraka, sa samo atmosferskim tlakom u cilindru (14, 7 funti po kvadratnom inču na razini mora), izgaranje će se zagrijati i podići tlak u cilindru na 7 x 14, 7 = 103 funte po kvadratnom inču (psi ). Iako je to koristan pritisak, lako možemo dobiti puno više. Evo kako: Umjesto paljenja smjese goriva i zraka klipom na dnu njegovog hoda, sada vozimo klip prema glavi cilindra, komprimirajući smjesu goriva i zraka u cilindru na puno veći pritisak, recimo, 150 psi, Za to je potrebna snaga, ali to je investicija, jer kada zapalimo zarobljenu smjesu goriva i zraka komprimiranu na 150 psi, umjesto na 14, 7 psi, sada dobivamo 7 x 150 = 1.050 psi. To nam daje neku stvarno ozbiljnu silu protiv klipa. Da bismo postigli ovaj puno veći tlak izgaranja, komprimiramo smjesu goriva i zraka prije nego što ga upalimo. Ovo je hod kompresije, koji s zatvaranjem oba ventila započinje klipom u njegovom donjem položaju i cilindrom punim smjese svježeg goriva i zraka, a završava tako da se klip brzo približi glavi cilindra.

Ilustracija snažnog udara Roberta Martina i Ralpha Hermensa

Snažni udar

Najprikladniji i brži način paljenja smjese komprimiranog goriva i zraka je električna iskra, koja je napravljena da preskoči između metalnih elektroda svjećice, uvijene u glavu motora. Iskra zapali smjesu goriva i zraka, pretvarajući kemijsku energiju goriva u toplinu i tlak u rezultirajućem plinu za izgaranje, koji pokreće klip dalje od glave cilindra. Kako se klip pomiče prema svom cilindru, temperatura i pritisak plina za izgaranje koji se širi brzo padaju. Kako se klip približava svom donjem položaju, ispušni ventil počinje se otvarati, započinjući ispuštanje proširenog plina za izgaranje. Izgaranje je brzo izgaranje, a ne eksplozija. Granate eksplodiraju, što nije nešto što mehanički dijelovi motora mogu podnijeti.

I ponovite …

Kada se ispušni ventil otvori i klip ponovo krene prema glavi cilindra, ispušni se plin uklanja iz cilindra, tako da može uslijediti još jedan hod usisavanja.

Praktični motor

Kada je naš klip povezan klipom rotirajuće osovine pomoću klipnjače, klip izvršava dva hoda za svako okretanje radilice, završavajući četverotaktni ciklus u dvije rotacije radilice. Da bismo uštedjeli višak verbija, mjerimo brzinu radilice kao okretaje u minuti, kratkotrajno okretaja. Dok smo krstarili večerom za Dan zahvalnosti u mom četverocilindričnom ekonoboxu, 2.400 o / min znači 2400/60 = 40 okretaja radilice u sekundi. To, s dva takta snage po revoluciji, daje 80 udara snage u sekundi.

Da dobijemo više snage, možemo učiniti ono što je Glenn Curtiss prvobitno učinio: Povećamo klip i cilindar da bismo mogli uvući, stisnuti i sagorjeti veću količinu smjese goriva i zraka. Ili možemo dodati više cilindara, čineći tako V-twin, paralelni blizanac, redni četvero, V-6 itd. Zbog toga motori izgledaju složenije, ali to je samo skup jednocilindričnih motora koji dijele zajedničku strukturu; radni ciklus je isti za sve cilindre. Neki motori imaju više od dva ventila u glavi svakog cilindra. Četiri ventila po cilindru danas su najčešći raspored - dva usisna i dva ispušna.

Ovaj ciklus, koji se sastoji od četiri hoda klipa (koji se obično daju kao usis, kompresija, snaga i ispuh), može se ponoviti sa zaista nevjerojatnom brzinom. Četverotaktni motori Formule 1 iz razdoblja V-8 / V-10 ili MotoGP motori 800cc mogu dostići 20.000 okr / min. Istraživački motori rade najmanje 27.000 o / min. Iako takvi brojevi okretaja zvuče fantastično, znamo da su tisuće vozača sportskih motocikala od 600ccm vidjeli kako se njihove igle za zavrtanje vraćaju u pogon nakon 16.000. Sve je stvar dobrog inženjeringa.