Anonim

Image
Teknisk redaktör Kevin Cameron delar sin mängd kunskap om motorcykel, erfarenheter, insikter, historia och mycket mer. Cykelvärld

Varje gång någon i detta hushåll avslutar en kartong med mjölk och lämnar den på disken med locket på, påminner det mig om hur värmemotorer fungerar. I kylen är kartongen på 42 grader Fahrenheit, men på disken, efter att den har värmts upp, är den på 68 grader, en stigning på 26 grader. Och här är poängen: Om locket är på, sväller sidorna på kartongen från värmeutvidgningen av luften inuti den. Jag skruvar av locket och hör psssh från den luften rusar ut. Om det trycket tryckte på en kolv eller snurrade ett turbinhjul, kunde kraft produceras.

Mjölkkartongeffekten intensifieras med högre temperatur. Om vi ​​blandar luften i en tät volym med rätt mängd bensin och sedan tänder den, händer två stora saker:

  • Luftens temperatur drivs upp cirka 4500 grader Fahrenheit genom förbränning, vilket omvandlar kemisk energi till värmeenergi.
  • Denna temperaturökning multiplicerar luftens tryck med ungefär sju gånger.
Varför tog det så lång tid att visa funktionsdugligheten för Ottos fyra kolvslag - intag, komprimering, kraft (expansion) och avgaser?

Jag tror att det främsta skälet var att 1860 var varje ingenjörs tänkande betingad av exemplet med den då gemensamma dubbelverkande kolven ångmotor, som producerade kraft på varje kolvslag . Det gjorde det med hjälp av insugningsventiler, som medgav högtrycksånga växelvis både ovanför och under dess kolv, och avgasventiler, som släppte den expanderade ångan efter att den hade gjort sitt arbete. Med ångmotorer som sålunda producerar två kraftslag per vevaxelrevolution, vem skulle till och med överväga ett koncept som producerade bara ett kraftslag för varje två vevaxelvarv?

Från och med omkring 1860 byggdes tusentals primitiva förbränningsmotorer som drivs med stadsbelysande gas för att arbeta enligt en rå tvåtaktsprincip som utformats av Étienne Lenoir. En insugningsventil öppnades vid TDC och när kolven föll ner drog den in en blandning av luft och gas i ungefär en tredjedel av sitt slag. Ventilen stängdes, kolven passerade en flamöppning, och det partiella vakuumet i cylindern drog in flamman och antändade gasen och luften. Resultatet var en svag ökning av trycket (eftersom bara en tredjedel av ett slag av blandningens värde hade dragits in) och så mycket kraft. Men många sådana motorer såldes på grund av deras bekvämlighet; de eliminerade ångmotorns eldbox och en man som stakade den, och de eliminerade pannan, faran för dess explosion och mannen vars uppgift det var att tillsätta matvatten efter behov. Det enda Lenoires motor behövde var en anslutning till en stadsgasledning.

Image
Kevin Camerons Top Dead Center by The Numbers Cycle World

Otto byggde åtminstone en sådan motor men såg att den inte var kapabel till mycket förbättring - 1) eftersom den bara tog in en tredjedel av ett slag av blandningens värde, och 2) eftersom antändning av blandningen vid lågt tryck begränsade toppförbränningstrycket (det är, när inte-mycket-mycket multipliceras gånger sju, är resultatet fortfarande inte så mycket).

På något sätt kunde Otto göra språnget för att förstå att fördelarna med att rita i ett fullslags värde av blandning väsentligt överträffade den uppenbara fördelen med Lenoires råa tvåtaktsslag - att det gav mer frekventa maktslag.

Otto förstod också ett annat superviktig faktum. Om förbränningen av en korrekt bränsle-luftblandning i en tät volym höjer trycket sju gånger, är det inte vettigt att komprimera den blandningen innan den antänds? På så sätt skulle faktorn på sju tillämpas på en redan komprimerad gas snarare än på gas vid atmosfärstryck. Resultatet skulle bli en enorm ökning av toppförbränningstrycket - och mycket mer kraft. För att jämföra: Att tända laddningen utan förkomprimering betyder att topptrycket handlar om atmosfärstryck, 14, 7 psi, gånger sju eller 103 psi. Men genom att först komprimera det på, säg, fem till en, skulle förbränning höja toppförbränningstrycket till mer som 500 psi . Stor skillnad.

… Fördelarna med att rita i ett fullslags värde av blandning uppvägde i hög grad den uppenbara fördelen med Lenoires råa tvåtaktsslag - att det producerade mer frekventa slagslag. Detta låter som något för ingenting, men det är det inte. I ingen-komprimeringsmotorn går den extra energin från avgasventilen som hetare avgaser. Men i motorn med fem-till-en förkomprimering är avgaserna svalare eftersom energiförskjellen nu fungerar som extra tryck på kolvkronan. Mer kraft!

  • Det första kolvsteget av kolven drar in en fullströmsladdning av bränsle och luft genom en insugningsventil, som stängs nära botten mitt.
  • Följande uppslag med ventiler stängda förkomprimerar som laddar.
  • Tändning sker med kolven nära sitt övre mittläge, och det resulterande höga förbränningstrycket expanderar mot kolven och driver det och dess belastning genom nästa nedslag.
  • En avgasventil öppnas nära botten mitt och nästa kolv uppåttryck skjuter ut all avgas utom den som återstår ovanför kolven vid TDC. Nära TDC stängs avgasventilen och insugningsventilen öppnas, och motorcykeln upprepas sedan.
Den stora styrkan i fyrtaktscykeln är att det finns en särskild separat kolvslag för var och en av de fyra nödvändiga funktionerna. Dess svaghet är att den robusta, kraftiga kolven lägger hälften av sin tid på att utföra de lätta "hushållning" -funktionerna för insug och avgas. Men i vår utsläppskontrollerade era har fyrtaktscyklens separering av funktioner gjort den unikt anpassningsbar till utsläppskontrollstekniker. Dess separata insugningsslag möjliggör också enkel kraftförstärkning genom superladdning eller turboladdning.

Vid överlevande applikationer av tvåtaktscykeln (stora marinmotorer, vissa lastbilar, lokomotorer och tankmotorer) utförs hushållsfunktionerna av en extern fläkt under den tid kolven tillbringar nära botten mitt. Detta gör att varje kraftkolv ger kraft en gång per varv. I det enkla två-taktsmotorcykeln från blixten togs fläktens plats av vevhuset och undersidan av kolven och fungerade som en pump.