Rapporto corsa-alesaggio: Una chiave per l’efficienza del motore

Mentre ci sono molti fattori che contribuiscono all’efficienza di un motore, il fattore primario che deve essere considerato è la geometria del motore stesso. Non solo conta la dimensione complessiva del motore, ma conta anche il rapporto di aspetto dei cilindri del motore, definito dal rapporto corsa—alesaggio. Per spiegare perché, bisogna considerare tre fattori: trasferimento di calore nel cilindro, scavenging del cilindro e attrito.
Semplici relazioni geometriche mostrano che un cilindro motore con rapporto corsa-alesaggio più lungo avrà una superficie più piccola esposta ai gas della camera di combustione rispetto a un cilindro con rapporto corsa-alesaggio più breve. L’area più piccola porta direttamente a un ridotto trasferimento di calore nel cilindro, a un maggiore trasferimento di energia all’albero motore e, quindi, a una maggiore efficienza.
Cylinder scavenging—un fenomeno a due tempi in cui i prodotti di scarico nel cilindro sono sostituiti da aria fresca-è anche fortemente influenzato dal rapporto corsa—alesaggio in un motore a due tempi uniflow-scavenging, a pistoni opposti. Con l’aumentare del rapporto corsa-foro, aumenta anche la distanza che l’aria fresca deve percorrere tra le porte di aspirazione ad un’estremità del cilindro e le porte di scarico all’altra estremità. Questa maggiore distanza si traduce in una maggiore efficienza di scavenging e, di conseguenza, minore lavoro di pompaggio perché meno aria fresca viene persa tramite cortocircuito di carica.
L’attrito del motore è influenzato dal rapporto corsa-alesaggio a causa di due effetti concorrenti: l’attrito del cuscinetto dell’albero motore e l’attrito del cilindro motore. Quando il rapporto corsa-foro diminuisce, l’attrito del cuscinetto aumenta perché l’area del pistone più grande trasferisce forze maggiori ai cuscinetti dell’albero motore. Tuttavia, la corsa più breve corrispondente si traduce in una diminuzione dell’attrito del cilindro di potenza proveniente dall’interfaccia anello/cilindro.
In Achates Power, abbiamo condotto analisi approfondite in tutte e tre le aree al fine di identificare correttamente la geometria ottimale del motore che offre la migliore opportunità di avere un motore a combustione interna altamente efficiente. In-cilindro simulazioni hanno dimostrato che il trasferimento di calore aumenta rapidamente al di sotto di un rapporto corsa-alesaggio di circa 2, sistemi motore simulazioni hanno dimostrato che il lavoro di pompaggio aumenta rapidamente al di sotto di un rapporto corsa-alesaggio di circa 2.2 (a causa della diminuzione associata nell’efficienza di scavenging) e modelli di attrito del motore hanno dimostrato che i valori di attrito del cuscinetto dell’albero motore e del cilindro motore, per la maggior parte, si annullano a vicenda per il nostro motore a due tempi a pistone opposto.
Si noti qui che in un motore a pistoni contrapposti-dove ci sono due pistoni per cilindro che lavorano in movimento opposto e alternativo—la “corsa” risulta dai movimenti combinati dei due pistoni ed è circa il doppio della distanza che uno dei pistoni percorre in mezzo giro. Questo fatto consente a un motore a pistoni opposti di avere rapporti corsa-alesaggio molto più grandi di un motore con un pistone per cilindro senza avere velocità medie del pistone eccessivamente elevate che sono dannose per il carico inerziale e l’attrito.
Per il contesto, di seguito è riportato un grafico della densità di potenza rispetto al rapporto corsa-foro di alcuni motori a quattro tempi attuali progettati per una vasta gamma di applicazioni. Si noti che tutti i motori nel grafico hanno teste dei cilindri, quindi la corsa descrive la corsa effettiva del pistone. I dati nella trama mostrano una tendenza in cui i motori che richiedono un’elevata densità di potenza, come quelli delle auto da corsa, hanno un piccolo rapporto corsa-foro, e motori che richiedono un’elevata efficienza del carburante, come quelli dei camion pesanti e delle navi da carico marine, hanno un grande rapporto corsa-foro.

Il fattore limitante in questa relazione è l’origine delle forze inerziali dal movimento del pistone. Per ottenere un’elevata densità di potenza, il motore deve funzionare ad un regime elevato (fino a 18.000 giri / min per il motore di Formula 1), il che porta a forze inerziali elevate che devono essere limitate utilizzando un piccolo rapporto corsa-foro. Per applicazioni che richiedono un’elevata efficienza, è necessario un rapporto corsa / alesaggio lungo e, sempre a causa delle forze inerziali del pistone, richiede un regime motore più lento e una densità di potenza inferiore. Per l’applicazione marina che ha una corsa di 2,5 m, il regime del motore è limitato a 102 giri / min.
In confronto, il motore a due tempi a pistoni contrapposti Achates Power è stato progettato con un rapporto corsa-foro nell’intervallo da 2,2 a 2,6. Questa gamma di valori del rapporto corsa-alesaggio ci consente di creare un motore a combustione interna altamente efficiente pur avendo velocità medie dei pistoni paragonabili ai motori attualmente disponibili in applicazioni medie e pesanti. Qualsiasi motore a due tempi a pistone opposto con un rapporto corsa-foro inferiore a 2 soffrirà di un elevato trasferimento di calore nel cilindro e di una scarsa pulizia, entrambi i quali agiscono per ridurre l’efficienza complessiva del motore.