Stempelmotor - Reciprocating engine

Forbrenningsstempel
Komponenter i en typisk firetakts syklus , forbrenning, bensinstempelmotor .
  1. C. veivaksel
  2. E. Eksos kamaksel
  3. I. Inntak kamaksel
  4. P. Stempel
  5. R. Stang
  6. S. Tennplugg
  7. W. Vannjakke for kjølevæskestrøm
  8. V. Ventiler

En frem- og tilbakegående motor , også ofte kalt en stempelmotor , er vanligvis en varmekraftmaskin (selv om det er også pneumatiske og hydrauliske stempelmotorer), som benytter ett eller flere frem- og tilbakegående stempler for å konvertere trykk inn i en roterende bevegelse . Denne artikkelen beskriver de vanlige egenskapene til alle typer. Hovedtypene er: forbrenningsmotoren , brukt mye i motorvogner ; den dampmaskinen , bærebjelken i den industrielle revolusjon ; og Stirling -motoren for nisjeapplikasjoner. Forbrenningsmotorer er videre klassifisert på to måter: enten en gnisttenning (SI) motor , der tennpluggen starter forbrenningen; eller en kompresjons-tenning (CI) -motor , der luften i sylinderen komprimeres og dermed oppvarmes , slik at den oppvarmede luften tenner drivstoff som injiseres da eller tidligere .

Felles trekk i alle typer

Ray-sporet bilde av en stempelmotor

Det kan være ett eller flere stempler. Hvert stempel er inne i en sylinder , i hvilken en gass blir introdusert, enten allerede under trykk (f.eks. Dampmaskin ), eller oppvarmet inne i sylinderen enten ved antennelse av en drivstoffluftblanding ( forbrenningsmotor ) eller ved kontakt med en varm varmeveksler i sylinderen ( Stirling -motor ). De varme gassene ekspanderer og skyver stempelet til bunnen av sylinderen. Denne stillingen er også kjent som Bottom Dead Center (BDC), eller hvor stemplet danner det største volumet i sylinderen. Stempelet returneres til sylinder toppen ( Top Dead Center ) (TDC) av et svinghjul , kraften fra andre stempler koblet til samme aksel eller (i en dobbeltvirkende sylinder ) ved samme prosess som virker på den andre siden av stemplet . Det er her stempelet danner det minste volumet i sylinderen. I de fleste typer fjernes de ekspanderte eller " uttømte " gassene fra sylinderen ved dette slag . Unntaket er Stirling -motoren , som gjentatte ganger varmer opp og kjøler den samme forseglede mengden gass. Slaget er ganske enkelt avstanden mellom TDC og BDC, eller den største avstanden som stemplet kan bevege seg i en retning.

I noen design kan stemplet drives i begge retninger i sylinderen, i så fall sies det å være dobbeltvirkende .

Dampstempelmotor
Et merket skjematisk diagram over en typisk enkeltsylindret, enkel ekspansjon, dobbeltvirkende høytrykksdampmaskin. Kraftuttaket fra motoren skjer via et belte.
  1. Stempel
  2. Stempelstang
  3. Krysslager
  4. Vevstang
  5. Sveiv
  6. Eksentrisk ventilbevegelse
  7. Svinghjul
  8. Skyveventil
  9. Sentrifugal guvernør

I de fleste typer omdannes stempelets lineære bevegelse til en roterende bevegelse via en koblingsstang og en veivaksel eller med en skvettplate eller annen egnet mekanisme. Et svinghjul brukes ofte for å sikre jevn rotasjon eller for å lagre energi for å bære motoren gjennom en ikke-drevet del av syklusen. Jo flere sylindere en frem- og tilbakegående motor har, generelt er den mer vibrasjonsfri (jevnt) den kan fungere. Kraften til en frem- og tilbakegående motor er proporsjonal med volumet av de kombinerte stemplers forskyvning.

En tetning må gjøres mellom den glidende stempel og veggene i sylinderen , slik at gass under høyt trykk over stempelet ikke lekker forbi den og redusere effektiviteten til motoren. Denne tetningen er vanligvis tilveiebrakt av en eller flere stempelringer . Dette er ringer laget av et hardt metall, og er sprunget inn i et sirkulært spor i stempelhodet. Ringene passer tett i sporet og presses lett mot sylinderveggen for å danne en tetning, og sterkere når høyere forbrenningstrykk beveger seg rundt til deres indre overflater.

Det er vanlig å klassifisere slike motorer etter antall og justering av sylindere og totalt volum fortrengning av gass med stemplene som beveger seg i sylindrene, vanligvis målt i kubikkcentimeter (cm³ eller cc) eller liter (l) eller (L) (US: liter). For eksempel, for forbrenningsmotorer er en- og to-sylindret design vanlig i mindre kjøretøyer som motorsykler , mens biler vanligvis har mellom fire og åtte, og lokomotiver , og skip kan ha et dusin sylindere eller mer. Sylinderkapasiteten kan variere fra 10 cm³ eller mindre i modellmotorer opp til tusenvis av liter i skipsmotorer.

Den kompresjonsforhold påvirker ytelsen i de fleste typer stempelmotor. Det er forholdet mellom sylindervolumet, når stempelet er nederst i slaglengden, og volumet når stempelet er øverst i slaglengden.

Den boring / slag-forhold er forholdet mellom diameteren av stempelet, eller "boring", til bevegelseslengden inne i sylinderen, eller "slag". Hvis dette er rundt 1 sies motoren å være "firkantet", hvis den er større enn 1, det vil si at hullet er større enn slaglengden, er det "oversquare". Hvis det er mindre enn 1, det vil si at slaglengden er større enn boringen, er den "undersquare".

Sylindere kan justeres på linje , i en V -konfigurasjon , horisontalt overfor hverandre eller radielt rundt veivakselen. Motordrevne stempelmotorer setter to stempler som arbeider i motsatte ender av samme sylinder, og dette har blitt utvidet til trekantede arrangementer som Napier Deltic . Noen design har satt sylindrene i bevegelse rundt akselen, for eksempel Rotary -motoren .

Stirling stempelmotor Rhombic Drive - Beta Stirling Engine Design, som viser det andre forskyvningsstemplet (grønt) i sylinderen, som shunter arbeidsgassen mellom de varme og kalde endene, men produserer ingen kraft selv.
  1.   Varm sylindervegg
  2.   Kald sylindervegg
  1.   Displacer stempel
  2.   Kraftstempel
  3.   Svinghjul

I dampmotorer og forbrenningsmotorer er det nødvendig med ventiler for å tillate gassinngang og utgang på de riktige tidspunktene i stempelets syklus. Disse bearbeides av kammer, eksentriker eller veiv som drives av motorakselen. Tidlige design brukte D -glideventilen, men dette har i stor grad blitt erstattet av stempelventil- eller Poppet -ventildesign . I dampmaskiner kalles punktet i stempel -syklusen der dampinnløpsventilen lukkes, cutoff, og dette kan ofte styres for å justere dreiemomentet som leveres av motoren og forbedre effektiviteten. I noen dampmotorer kan ventilens virkning erstattes av en oscillerende sylinder .

Forbrenningsmotorer opererer gjennom en rekke slag som slipper inn og fjerner gasser til og fra sylinderen. Disse operasjonene gjentas syklisk og en motor sies å være 2-takts , 4-takts eller 6-takts avhengig av antall slag det tar for å fullføre en syklus.

I noen dampmotorer kan sylindrene være av varierende størrelse med den minste hullsylinderen som arbeider med dampen med høyeste trykk. Denne mates deretter gjennom en eller flere, stadig større bore sylindere suksessivt, for å trekke ut kraft fra dampen ved stadig lavere trykk. Disse motorene kalles sammensatte motorer .

Bortsett fra å se på kraften som motoren kan produsere, kan Mean Effective Pressure (MEP) også brukes til å sammenligne effekt og ytelse til stempelmotorer av samme størrelse. Det gjennomsnittlige effektive trykket er det fiktive trykket som ville produsere samme mengde netto arbeid som ble produsert i løpet av kraftsyklusen. Dette vises av:

hvor er motorens totale stempelareal, er stemplens slaglengde, og er motorens totale slagvolum. Derfor:

Uansett hvilken motor med større MEP -verdi produserer mer nettoarbeid per syklus og utfører mer effektivt.

Historie

Ytterligere informasjon: Historikk om dampmaskin og historie om forbrenningsmotor

Et tidlig kjent eksempel på roterende til frem- og tilbakegående bevegelse er sveivmekanismen . De tidligste håndbetjente sveivene dukket opp i Kina under Han-dynastiet (202 f.Kr.-220 e.Kr.). Kineserne brukte veivstangen for å drive querns så langt tilbake som det vestlige Han-dynastiet (202 f.Kr.-9 e.Kr.). Etter hvert ble sveiv-og-forbindelsesstenger brukt i inter-konvertering av roterende og frem- og tilbakegående bevegelser for andre bruksområder som mel-sikting, silke-opprullingsmaskiner, treadle-hjul og ovnsbelger drevet enten av hester eller vannhjul. Flere sagfabrikker i Roma -Asia og det bysantinske Syria i løpet av 3. – 6. Århundre e.Kr. hadde en sveiv og vevstangsmekanisme som konverterte den roterende bevegelsen til et vannhjul til den lineære bevegelsen av sagbladene. I 1206 oppfant den arabiske ingeniøren Al-Jazari et veivaksel .

Stempelmotoren utviklet seg i Europa på 1700 -tallet, først som atmosfærisk motor og senere som dampmaskin . Disse ble fulgt av Stirling -motoren og forbrenningsmotoren på 1800 -tallet. I dag er den vanligste formen for stempelmotor forbrenningsmotoren som går på forbrenning av bensin , diesel , flytende petroleumsgass (LPG) eller komprimert naturgass (CNG) og brukes til å drive motorvogner og motorkraftverk .

En bemerkelsesverdig stempelmotor fra andre verdenskrigstiden var den 28-sylindrede, 3.500  hk (2600 kW) Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major radialmotoren. Den drev den siste generasjonen med store stempelmotorer før jetmotorer og turboprop tok over fra 1944 og fremover. Den hadde en total motorkapasitet på 71,5 L (4.360 cu in) og et høyt forhold mellom effekt og vekt.

Den største stempelmotoren i produksjon for tiden, men ikke den største som noen gang er bygget, er Wärtsilä-Sulzer RTA96-C turboladede totakts dieselmotor fra 2006 bygget av Wärtsilä . Den brukes til å drive de største moderne containerskipene som Emma Mærsk . Den er fem etasjer høy (13,5 m eller 44 fot), 27 m (89 fot) lang og veier over 2300 tonn (2500 korte tonn) i sin største 14 -sylindrede versjon som produserer mer enn 84,42 MW (114 800 hk). Hver sylinder har en kapasitet på 1.820 L (64 cu ft), noe som gir en total kapasitet på 25.480 L (900 cu ft) for de største versjonene.

Motorkapasitet

For stempelmotorer er en motors kapasitet motorens slagvolum , med andre ord volumet som feies av alle stemplene til en motor i en enkelt bevegelse. Det måles vanligvis i liter (l) eller kubikk inches (cid, cu in eller in³) for større motorer, og kubikkcentimeter (forkortet cc) for mindre motorer. Forøvrig er motorer med større kapasitet kraftigere og drivstofforbruket øker tilsvarende (selv om dette ikke er tilfelle for alle motorer med gjengjeld), selv om effekt og drivstofforbruk påvirkes av mange faktorer utenfor motorens forskyvning.

Makt

Stempelmotorer kan preges av deres spesifikke effekt , som vanligvis er angitt i kilowatt per liter motorvolum (i USA også hestekrefter per kubikk tomme). Resultatet gir en tilnærming til motorens toppeffekt. Dette er ikke å forveksle med drivstoffeffektivitet , siden høy effektivitet ofte krever et magert drivstoff-luftforhold, og dermed lavere effekttetthet. En moderne bil med høy ytelse gir mer enn 75 kW/L (1,65 hk/in 3 ).

Andre moderne ikke-forbrenningstyper

Stempelmotorer som drives av trykkluft, damp eller andre varme gasser brukes fremdeles i noen applikasjoner, for eksempel for å kjøre mange moderne torpedoer eller som forurensningsfri drivkraft. De fleste dampdrevne applikasjoner bruker dampturbiner , som er mer effektive enn stempelmotorer.

De franskdesignede FlowAIR-kjøretøyene bruker trykkluft lagret i en sylinder for å kjøre en stempelmotor i et lokalt forurensningsfritt bykjøretøy.

Torpedoer kan bruke en arbeidsgass produsert av høytestet peroksid eller Otto fuel II , som gir trykk uten forbrenning. 230 kg (510 lb) Mark 46 -torpedoen kan for eksempel reise 11 km (6,8 mi) under vann ved 74 km/t (46 mph) drevet av Otto -drivstoff uten oksidant .

Gjensidig kvantevarme -motor

Kvantevarmemotorer er enheter som genererer kraft fra varme som strømmer fra et varmt til et kaldt reservoar. Driftsmekanismen til motoren kan beskrives ved lovene i kvantemekanikken . Kvantekjøleskap er enheter som bruker strøm med det formål å pumpe varme fra en forkjølelse til et varmt reservoar.

I en frem- og tilbakegående kvantevarme -motor er arbeidsmediet et kvantesystem som spinnsystemer eller en harmonisk oscillator. Den Carnot syklus og Otto syklus er de mest studerte. Kvanteversjonene følger termodynamikkens lover . I tillegg kan disse modellene rettferdiggjøre forutsetningene om endoreversibel termodynamikk . En teoretisk studie har vist at det er mulig og praktisk å bygge en stempelmotor som består av et enkelt oscillerende atom. Dette er et område for fremtidig forskning og kan ha applikasjoner innen nanoteknologi .

Diverse motorer

Det er et stort antall uvanlige varianter av stempelmotorer som har forskjellige påståtte fordeler, hvorav mange ser liten eller ingen aktuell bruk:

Se også

Merknader

Eksterne linker