Benzinmotor

Skematisk fremstilling af en benzinmotor i V6 -design

Snittegning af en Ford FE -benzinmotor i V8 -design .
FE -motoren er et design fra 1950'erne og har de traditionelle egenskaber ved benzinmotoren. Karburatoren, hvormed benzin-luftblandingen dannes, sidder oven på indsugningsbroen i midten. I denne motor er indsugnings- og udstødningsventilerne "suspenderet", dvs. ovenfra, og aktiveres af en central knastaksel, som er installeret centralt mellem cylinderbankerne, via tappers, kofangere og vippearme.

Otto -motoren er en forbrændingsmotor , dvs. en varmemotor med forbrænding. Det karakteristiske ved Otto -motoren er komprimering af en blanding af brændstof og luft og den efterfølgende tænding med tændrør . Benzinmotorer med frem- og tilbagegående stempler fås som totaktsmotorer eller firetaktsmotorer ; med totaktsmotorer tager en krumtapakslens cyklus en omgang, med firetaktsmotorer to. Firetaktsmotoren er den mere almindelige type.

Drejningsmomentet, der leveres af benzinmotoren, justeres traditionelt ved at drosle indsugningsblandingen med en gasventil . Den tidligere almindelige tildeling af " ekstern blandingsdannelse " med karburator- eller indsugningsmanifoldindsprøjtning til benzinmotorer og " intern blandingsdannelse " til dieselmotorer (brændstof og luft blandes kun i forbrændingskammeret ) er ikke længere klar i alle tilfælde siden introduktionen af benzin direkte indsprøjtning i benzinmotorer .

Navnet "Otto -motor" går tilbage til et forslag fra VDI i 1936 og blev første gang brugt i 1946 i DIN nr. 1940. Det er opkaldt efter Nicolaus August Otto , der blev krediteret med at opfinde firetaktsprocessen . Luftstempelmotoren, som Otto viste på verdensudstillingen i Paris i 1867, er imidlertid ikke en benzinmotor, men en atmosfærisk gasmotor, hvis funktionelle princip adskiller sig fra benzinmotorens.

historie

Luftfartsstempelmotor

Luftstempelmotor fra Langen & Wolf Wien, 1882

I 1864 var Nicolaus August Otto medstifter af verdens første motorfabrik NA Otto & Cie. Sammen med Eugen Langen . i Köln, hvorfra DEUTZ AG gasmotorfabrikken opstod i 1872, der hyrede Gottlieb Daimler som teknisk direktør og Wilhelm Maybach som chef for motordesign. Indtil 1876 udviklede Otto en flyvende stempelmotor , også kendt som en atmosfærisk motor, efter en totakts gasmotor patenteret af Lenoir i 1860. I denne motor slynger trykket fra den brændte gas stemplet frit opad i cylinderen. På vej tilbage, så snart gastrykket er faldet til atmosfærisk tryk, virker det via et stativ og et frihjul. I stempels endeposition udstødes udstødningsgassen, og en frisk gas-luft-blanding slippes ind.

På dette tidspunkt blev firetaktsmotoren opfundet, for hvilken Christian Reithmann modtog flere patenter den 26. oktober 1860 og uafhængigt af det Alphonse Beau de Rochas i Frankrig i 1862. Hovedinnovationen var kompressionscyklussen og ventilstyringen, der kræves til den.

Otto erhvervede også et tysk patent på en firetaktsmotor i 1877, året hvor " Imperial Patent Office " blev grundlagt. Denne drevet af kulgas firetakts -Motor lavede 3 PS (ca. 2200 W) ved 180 min ^-1. Den blev produceret fra 1877 og solgt som "Ottos nye motor". Licenstager Crossley Brothers i Manchester annoncerede det som en Otto -motor . ^[1] Omkring 5000 eksemplarer blev bygget af Deutz og hans licenshavere. ^[1]

Dugald Clerk opfandt en totaktsmotor i 1878 og modtog patent på den i Tyskland den 11. februar 1879.

På grund af de ældre patentkrav og de tidligere opfindelser af firetaktsmotoren blev det såkaldte Otto-patent (patent 532 af Deutz ) ophævet af retten den 30. januar 1886 ^[2] og 1889 i Tyskland. Gottlieb Daimler og Carl Benz var derfor i stand til at bygge og sælge firetaktsmotorer i 1886 uden tøven. Uafhængigt af dette byggede Siegfried Marcus også et motorkøretøj med benzinmotor i Wien fra 1888 til 1889. De verdensomspændende patenter uden for Tyskland forblev hos Crossley. ^[1] Fra denne motorselskaber forblev navnet opnået i form af en produktserie af marinemotorer motorproducenten Rolls-Royce . Det historiske sted i Openshaw ( Manchester ) blev dog lukket i 2010. ^[3]

Teknologi (firetakts benzinmotor)

• 1. cyklus: sugning:

Indløbsventilen (øverst til venstre) åbnes, stemplet bevæger sig ned og suger brændstof-luftblandingen (eller kun luft ved direkte indsprøjtning) ind i cylinderen, ofte understøttet af overtryk i indsugningsrøret, genereret af en turbolader eller en kompressor.

• 2. cyklus: Komprimer:

Ind- og udløbsventilerne er lukkede, stemplet komprimerer brændstof-luftblandingen til ca. 20 bar. I motorer med direkte indsprøjtning tilføjes brændstoffet. Lige før top dødpunkt antænder gnisten fra et tændrør brændstof-luftblandingen.

For det første er forbrænding en langsom, laminær proces. Flammefronten breder sig koncentrisk med en hastighed på ca. 0,2 m / s. Under denne laminære fase er forbrændingen ufuldstændig og ineffektiv; den skaber størstedelen af ​​forurenende stoffer i udstødningsgassen. Med overgangen til den turbulente forbrændingsfase, der trænger ind i forbrændingskammeret med en flammehastighed på over 200 m / s, bliver forbrændingen effektiv og mekanisk anvendelig.

Forbrændingen skaber en varm gas ved højt tryk (over 100 bar) i det relativt lille forbrændingskammer, som driver stemplet i en lige bevægelse mod krumtapakslen. Om forbindelsesstængerne , også kaldet forbindelsesstang, er denne bevægelse i den roterende bevægelse af krumtapakslen implementeret.

• Brændstof-luftblandingen brænder ved et maksimalt tryk på omkring 80 bar ved det øverste dødpunkt. Flammefronten breder sig med en hastighed mellem 5 og 60 m / s (dvs. meget langsommere end sprængstoffernes detonationshastighed eller lydens hastighed ).

3. cyklus: Arbejde: Den varme gas genererer et gennemsnitligt tillægstryk på lidt over 10 bar. Ved at skubbe stemplet nedad, gassen gør arbejdet , det leverer strøm til stemplet.

• 4. slag: Udstødning:

Udstødningsventilen (øverst til højre) åbnes, stemplet skubber forbrændingsgasserne, som stadig er næsten 1000 ° C varme, ud af cylinderen.

Brændstoffer

Ud over benzin , flydende gas (propan og butan) kan metan ( naturgas , biogas , spildevand , lossegas , minegas ), ovngas samt ethanol / methanol , brint og teoretisk set alle andre brændbare gasser bruges som brændstoffer til benzinmotorer . Motorindstillinger som f.eks. Tændingsstyring / tændingsstyrke, geometrisk kompressionsforhold og luft / brændstofforhold skal tilpasses brændstoffet. Blandet drift er mulig på samme tid eller alternativt (i begrænset omfang), men kræver normalt normalt passende justeringer.

Blandingsdannelse og antændelsespunkt

Flydende brændstof - normalt motorbensin - forstøves i den friske luft, der trækkes ind; enten før indtag med en karburator eller ved indsugningsmanifold injektion , eller siden omkring årtusindskiftet efter indtag med benzin direkte indsprøjtning . I bilmotorer har indsprøjtningen for det meste været elektronisk styret siden slutningen af ​​1980'erne.

Blandingen antændes kort før top dødpunkt. Fordi der går en vis tid mellem tændingen og det maksimale tryk, er det bedste tændingspunkt tidligere ved højere motorhastigheder (op til ca. 40 ° før TDC). I moderne motorer er tændingspunktet nøjagtigt beregnet af en elektronisk motorstyring afhængigt af belastning og hastighed. Tidligere var der også justeringsmekanismer betjent manuelt eller via flyvevægte og vakuumenheder.

To og firetakts motorer

I tilfælde af en totaktsmotor, ved afslutningen af ​​arbejdsslaget og i begyndelsen af ​​kompressionsslaget, udledes forbrændingsgasserne samtidigt, og den friske blanding indføres, sædvanligvis ved at den friske gas fortrænger udstødningsgassen. I små motorer, f.eks. I haveredskaber eller vejkøretøjer, styrer stemplet normalt ind- og udløbstider ved at åbne eller dække gaskanaler, når den passende position er nået. I tilfælde af karburatormotorer eller manifoldindsprøjtning er tab af rensning uundgåelig, hvilket har en skadelig effekt på brændstofforbruget. Ved direkte indsprøjtning kan nedbrydningstabet reduceres. En anden metode til at reducere rensetab i et begrænset hastighedsområde er at bruge en resonansudstødning . Trykbølgen, hvormed udstødningsgassen strømmer ind i udstødningen, når udstødningsportene åbnes, reflekteres. Trykbølgen, der skynder tilbage, skubber den friske gas, som allerede var fløjet ind i udstødningen ved afslutningen af ​​rensningsprocessen, tilbage i cylinderen.

Desuden er det anvendelige stempelslag til kompression og arbejdscyklus kortere end det samlede slag mellem de to dødcentre , da det kun begynder, når overløbs- og udløbskanalerne lukkes og slutter, når kanalerne åbnes. Af denne grund opnås en lavere ydelse i arbejdscyklussen (ved samme hastighed) end ved firetaktsprocessen, hvilket delvist kompenseres af, at totaktsmotoren i stedet har en arbejdscyklus hver 360 ° krankvinkel i stedet af hver 720 ° som med firetaktsmotoren. Med totaktsmotorer er et bedre effekt / vægtforhold muligt i forhold til firetaktsmotorer, men der er en ulempe med hensyn til det specifikke brændstofforbrug . I enkle, små totaktsmotorer er indsugningsluften forkomprimeret i krumtaphuset, hvorfor der ikke er nogen smøreolie der: Sådanne totaktsmotorer bruger en olie-benzinblanding til at smøre motoren. Større og mere komplekse totaktsmotorer kan have et lukket smøreoliekredsløb, men har derefter brug for en ekstern skyllepumpe eller blæser til at fylde cylinderen.

I firetaktsmotoren er indsugnings- og udstødningsslaget derimod adskilt, og hver cylinder har kun et effektudslag hver anden omdrejning. For at styre gasudvekslingen er ventilstyring nødvendig, som normalt implementeres via knastaksler, der kører ved det halve motoromdrejningstal. Det betyder mere konstruktiv indsats, yderligere friktion samt højere vægt og volumen end totaktsmotoren - hvilket for det meste er begrundet i det lavere brændstofforbrug . Desuden kan firetaktsmotorer justeres bedre til et bredere hastighedsområde takket være ventilstyringen. I totaktsmotorer er gassøjlens resonansoscillation i indsugnings- og udstødningskanalen afgørende for påfyldningsgraden i cylinderen, en god cylinderfyldning og dermed god ydelse og godt drejningsmoment er derfor kun mulig i resonansområdet på indsugnings- og udstødningssystemet, altså i et relativt snævert hastighedsområde.

Totakts benzinmotorer bruges, når et lavt masse-ydelsesforhold er vigtigt og ikke brændstofomkostninger, for eksempel i fritidssektoren ( knallerter , knallerter , lette fly , modelfly eller jetski ), til bærbart arbejdsudstyr ( motorsave , generatorer , plæneklippere ) eller med specielt sportsudstyr ( motocross og prøve motorcykler).

funktioner

De klassiske egenskaber ved benzinmotoren er:

• Tændtænding: Blandingen antændes på et bestemt tidspunkt af tændrøret .
• Ekstern blandingsdannelse: Brændstof og luft er allerede blandet før kompression (med undtagelse af benzin direkte indsprøjtning, se nedenfor i dette afsnit).
• Kvantitativ kontrol : Motormomentet styres via mængden af ​​den ( støkiometriske ) brændstof-luftblanding. Gashåndtaget bruges til dette, eller åbningstiden og løftet af indløbsventilerne er variabelt.
• Forbrændingsflamme: Forbrændingsflammen er en forblandet flamme .

Kilde: ^[4]

Otto -motorer med direkte benzinindsprøjtning svarer ikke længere fuldt ud til disse egenskaber: Den direkte indsprøjtning af brændstoffet i forbrændingskammeret er ikke knyttet til ventilernes indløbskontroltider og kan derfor først finde sted senere i kompressionsfasen. Dette muliggør stratificerede ladninger, dvs. zoner i cylinderen med forskellige blandingssammensætninger, f.eks. I magertforbrændingsmotorer : et rigt eller støkiometrisk brændstofforhold (dvs. 14,7 dele luft: 1 del brændstof) er i tændrørets område og en mager blanding i resten af ​​forbrændingskammeret.

Selv HCCI-motorer , der fungerer selvantændelige eller eksternt antændede afhængigt af hastighed og belastning, svarer ikke til de klassiske egenskaber ved en benzinmotor, men kaldes generelt benzinmotorer, hvis de er designet til at køre på benzin.

Forskydning

Størrelsen af forskydningen er en vigtig egenskab for klassificering af motorer. Forskydningen beskriver det volumen, der forskydes af stemplet mellem bund og top dødpunkt . I tilfælde af flercylindrede motorer tilføjes forskydningen af ​​alle cylindre.

For motorkøretøjer var / er almindelige kubikkapaciteter fra ca. 0,4 liter, de mindste motorer til modelfly i glødetænderdesign har en kubikkapacitet på kun 0,16 cm³. Med 13,5 liter markerede Pierce Arrow fra 1912 et topmærke, mens BMW 803 -flymotoren, der blev udviklet i 1940'erne, havde et samlet slagvolumen på 84 liter.

Effektivitet

Den maksimale effektivitet er omkring 40% og opnås i dag af motorer, der kører i den såkaldte Atkinson-cyklus . Med dem er ekspansionsforholdet større end komprimeringen. ^[5]

Se også

• Otto cykler
• Wankel motor (roterende stempelmotor)
• Homogen kompressionstænding (HCCI), også Diesotto -motor (CCS), en kombination af diesel- og benzinmotor
• Leanen
• Split motor (nyt 2 + 2 takts princip for højere effektivitet)
• Kritisk punkt (termodynamik) injektion af superkritisk benzin
• Motor reparationer

Weblinks

Commons : Otto engine - Samling af billeder, videoer og lydfiler

• Franz Winter: Massebalancering af frem- og tilbagegående motorer (animeret) (animeret GIF )
• Knospe - Ostwaldgymnasium Leipzig: Interactive Flash Lad en 4 -takts benzinmotor (kræver Adobe Flash )

Individuelle beviser

1. ↑ ^{a b c} fremskridtsmotor. 28. oktober 2019, adgang 23. december 2019 .  
2. ^ Afgørelser i ugyldighedsbehandling mod patenterne på Deutz'er Gasmotorenfabrik nummer 532, 14254, 2735 ; i: Patentblatt og uddrag af patentspecifikationerne, 30. januar 1886, adgang til den 6. april 2014.
3. ^ Rolls-Royce lukker motorproduktion i Openshaw, Manchester Evening News, tilgås 7. marts 2016 .
4. ↑ Stefan Pischinger, Ulrich Seiffert (red.): Vieweg Handbook Motor Vehicle Technology , 8. udgave, Springer, Wiesbaden, 2016, ISBN 978-3-658-09528-4 , s. 348.
5. ↑ [1] ; "Motorkøretøj energisk betragtet" fra Free University of Berlin, tilgået den 12. februar 2018.