Hub-zu-Bohrung-Verhältnis: Ein Schlüssel zur Motoreffizienz

Während es viele Faktoren gibt, die zum Wirkungsgrad eines Motors beitragen, ist der Hauptfaktor, der berücksichtigt werden muss, die Motorgeometrie selbst. Nicht nur die Gesamtgröße des Motors spielt eine Rolle, sondern auch das Seitenverhältnis der Motorzylinder — definiert durch das Hub-zu-Bohrung—Verhältnis – spielt eine Rolle. Um zu erklären, warum, muss man drei Faktoren berücksichtigen: Wärmeübertragung im Zylinder, Zylinderspülung und Reibung.Einfache geometrische Beziehungen zeigen, dass ein Motorzylinder mit längerem Hub-zu-Bohrung-Verhältnis eine kleinere Oberfläche hat, die den Brennkammergasen ausgesetzt ist, verglichen mit einem Zylinder mit kürzerem Hub-zu-Bohrung-Verhältnis. Die kleinere Fläche führt direkt zu einer verringerten Wärmeübertragung im Zylinder, einer erhöhten Energieübertragung auf die Kurbelwelle und damit zu einem höheren Wirkungsgrad.Das Zylinderspülen – ein Zweitakt—Phänomen, bei dem die Abgasprodukte im Zylinder durch Frischluft ersetzt werden – wird auch stark vom Hub- zu-Bohrungsverhältnis in einem Uniflow-Scavening-Gegenkolben-Zweitaktmotor beeinflusst. Mit zunehmendem Hub-zu-Bohrungsverhältnis nimmt auch der Abstand zu, den die Frischluft zwischen den Einlassöffnungen an einem Ende des Zylinders und den Auslassöffnungen am anderen Ende zurücklegen muss. Dieser vergrößerte Abstand führt zu einem höheren Spülwirkungsgrad und damit zu einer geringeren Pumparbeit, da weniger Frischluft über Ladungskurzschlüsse verloren geht.Die Motorreibung wird durch das Hub-zu-Bohrung-Verhältnis aufgrund zweier konkurrierender Effekte beeinflusst: Kurbelwellenlagerreibung und Kraft-Zylinder-Reibung. Wenn das Hub-zu-Bohrung-Verhältnis abnimmt, nimmt die Lagerreibung zu, da die größere Kolbenfläche größere Kräfte auf die Kurbelwellenlager überträgt. Der entsprechend kürzere Hub führt jedoch zu einer verminderten Kraft-Zylinder-Reibung, die von der Ring-Zylinder-Schnittstelle ausgeht.
Bei Achates Power haben wir umfangreiche Analysen in allen drei Bereichen durchgeführt, um die optimale Motorgeometrie richtig zu identifizieren, die die beste Möglichkeit für einen hocheffizienten Verbrennungsmotor bietet. In-Zylinder-Simulationen haben gezeigt, dass die Wärmeübertragung unter einem Hub-zu-Bohrung-Verhältnis von etwa schnell zunimmt 2, Motorsystemsimulationen haben gezeigt, dass die Pumparbeit unter einem Hub-zu-Bohrung-Verhältnis von etwa schnell zunimmt 2.2 (wegen der damit verbundenen Abnahme der Spüleffizienz) und Motorreibungsmodelle haben gezeigt, dass sich die Kurbelwellenlager- und Leistungszylinderreibungswerte für unseren Gegenkolben-Zweitaktmotor größtenteils gegenseitig aufheben.
Hier ist anzumerken, dass bei einem Gegenkolbenmotor – bei dem zwei Kolben pro Zylinder in entgegengesetzter Hin— und Herbewegung arbeiten — der „Hub“ aus den kombinierten Bewegungen der beiden Kolben resultiert und ungefähr doppelt so groß ist wie die Strecke, die einer der Kolben in einer halben Umdrehung zurücklegt. Diese Tatsache ermöglicht es einem Gegenkolbenmotor, viel größere Hub- zu-Bohrungs-Verhältnisse als ein Motor mit einem Kolben pro Zylinder zu haben, ohne übermäßig hohe mittlere Kolbengeschwindigkeiten zu haben, die sich nachteilig auf Trägheitsbelastung und Reibung auswirken.
Im Folgenden finden Sie eine Darstellung der Leistungsdichte im Vergleich zum Hub-zu-Bohrung-Verhältnis einiger aktueller Viertaktmotoren, die für eine Vielzahl von Anwendungen entwickelt wurden. Beachten Sie, dass alle Motoren in der Tabelle Zylinderköpfe haben, Der Hub beschreibt also den tatsächlichen Kolbenhub. Die Daten in der Grafik zeigen einen Trend, bei dem Motoren, die eine hohe Leistungsdichte erfordern — wie in Rennwagen — ein kleines Hub-zu-Bohrung—Verhältnis aufweisen und Motoren, die eine hohe Kraftstoffeffizienz erfordern – wie in schweren Lastkraftwagen und Seefrachtschiffen — ein großes Hub-zu-Bohrung-Verhältnis aufweisen.

Der limitierende Faktor in dieser Beziehung sind die Trägheitskräfte, die aus der Kolbenbewegung entstehen. Um eine hohe Leistungsdichte zu erreichen, muss der Motor mit einer hohen Motordrehzahl (bis zu 18.000 U / min für den Formel-1-Motor) arbeiten, was zu hohen Trägheitskräften führt, die durch ein kleines Hub-zu-Bohrung-Verhältnis begrenzt werden müssen. Für Anwendungen, die einen hohen Wirkungsgrad erfordern, ist ein langes Hub-zu-Bohrung-Verhältnis erforderlich, das wiederum aufgrund der Trägheitskräfte des Kolbens eine langsamere Motordrehzahl und eine geringere Leistungsdichte erfordert. Für die Marineanwendung, die einen Anschlag 2.5 m hat, wird die Motordrehzahl auf 102 U/min begrenzt.
Zum Vergleich: Der Achates Power-Gegenkolben-Zweitaktmotor ist mit einem Hub-zu-Bohrung-Verhältnis im Bereich von 2,2 bis 2,6 ausgelegt. Dieser Bereich von Hub-zu-Bohrung-Verhältnis-Werten ermöglicht es uns, einen hocheffizienten Verbrennungsmotor zu schaffen, während immer noch mittlere Kolbendrehzahlen vergleichbar mit Motoren, die derzeit in mittleren und schweren Anwendungen verfügbar sind. Jeder Gegenkolben-Zweitaktmotor mit einem Hub-zu-Bohrung-Verhältnis unter 2 leidet unter einer hohen Wärmeübertragung im Zylinder und einer schlechten Spülung, die beide den Gesamtwirkungsgrad des Motors verringern.