stosunek skoku do otworu: klucz do wydajności silnika

chociaż istnieje wiele czynników, które przyczyniają się do wydajności silnika, podstawowym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę, jest sama geometria silnika. Nie tylko ma znaczenie ogólny rozmiar silnika, ale także współczynnik kształtu cylindrów silnika—określony przez stosunek skoku do otworu-ma również znaczenie. Aby wyjaśnić, dlaczego, należy wziąć pod uwagę trzy czynniki: wymiana ciepła w cylindrze, oczyszczanie cylindra i tarcie.
proste zależności geometryczne pokazują, że cylinder silnika o dłuższym stosunku skoku do otworu będzie miał mniejszą powierzchnię wystawioną na działanie gazów w komorze spalania w porównaniu z cylindrem o krótszym stosunku skoku do otworu. Mniejsza powierzchnia prowadzi bezpośrednio do zmniejszenia wymiany ciepła w cylindrze, zwiększonego transferu energii do wału korbowego, a tym samym do wyższej wydajności.
oczyszczanie cylindrów—zjawisko Dwusuwowe, w którym produkty wydechowe w cylindrze są zastępowane świeżym powietrzem-ma również duży wpływ na stosunek skoku do otworu w silniku dwusuwowym uniFLOW—oczyszczanie, przeciwstawny tłok. Wraz ze wzrostem stosunku skoku do otworu wzrasta również odległość, jaką świeże powietrze musi przebyć między otworami wlotowymi na jednym końcu cylindra a otworami wylotowymi na drugim końcu. Zwiększona odległość skutkuje wyższą wydajnością oczyszczania, a w rezultacie niższą pracą pompowania, ponieważ w wyniku zwarcia ładunku traci się mniej świeżego powietrza.
na tarcie silnika wpływa stosunek skoku do otworu ze względu na dwa konkurujące ze sobą efekty: tarcie łożyska wału korbowego i tarcie cylindra silnikowego. Wraz ze spadkiem stosunku skoku do otworu tarcie łożyska wzrasta, ponieważ większy obszar tłoka przenosi większe siły na łożyska wału korbowego. Jednakże odpowiedni krótszy skok skutkuje zmniejszonym tarciem moc-cylinder powstającym na styku pierścień / cylinder.
W Achates Power przeprowadziliśmy obszerne analizy we wszystkich trzech obszarach w celu prawidłowej identyfikacji optymalnej geometrii silnika, która zapewnia najlepszą możliwość posiadania wysokowydajnego silnika spalinowego. Symulacje w cylindrach wykazały, że transfer ciepła gwałtownie wzrasta poniżej stosunku skoku do otworu wynoszącego około 2, symulacje układów silnika wykazały, że praca pompowania gwałtownie wzrasta poniżej stosunku skoku do otworu wynoszącego około 2.2 (ze względu na związany z tym spadek wydajności usuwania), a modele tarcia silnika wykazały, że wartości tarcia wału korbowego i cylindra silnikowego w przeważającej części znoszą się nawzajem dla naszego dwusuwowego silnika z przeciwstawnym tłokiem.
należy tutaj zauważyć, że w silniku o przeciwnych tłokach-gdzie są dwa tłoki na cylinder pracujące w przeciwnym, posuwisto—zwrotnym ruchu—”skok” wynika z połączonych ruchów dwóch tłoków i jest mniej więcej dwukrotnie większy niż odległość, jaką jeden z tłoków przemieszcza się w pół obrotu. Fakt ten pozwala silnikowi z przeciwstawnym tłokiem mieć znacznie większy stosunek skoku do otworu niż silnik z jednym tłokiem na cylinder bez nadmiernie wysokich średnich prędkości tłoka, które są szkodliwe dla obciążenia bezwładnościowego i tarcia.
dla kontekstu, poniżej znajduje się Wykres gęstości mocy w porównaniu do stosunku skoku do otworu niektórych obecnych silników czterosuwowych przeznaczonych do szerokiego zakresu zastosowań. Zauważ, że wszystkie silniki na wykresie mają głowice cylindrów, więc skok opisuje rzeczywisty skok tłoka. Dane na wykresie pokazują trend, w którym silniki wymagające dużej gęstości mocy – jak te w samochodach wyścigowych-mają mały stosunek skoku do otworu, a silniki wymagające wysokiego zużycia paliwa-jak te w ciężkich ciężarówkach i morskich statkach towarowych—mają duży stosunek skoku do otworu.

czynnikiem ograniczającym w tej relacji są siły bezwładności powstające z ruchu tłoka. Aby osiągnąć dużą gęstość mocy, silnik musi pracować z dużą prędkością obrotową (do 18 000 obr. / min dla silnika Formuły 1), co prowadzi do wysokich sił bezwładności, które muszą być ograniczone przez zastosowanie małego stosunku skoku do otworu. W zastosowaniach wymagających wysokiej wydajności konieczny jest długi stosunek skoku do otworu, a także, również ze względu na siły bezwładności tłoka, wymagana jest wolniejsza prędkość obrotowa silnika i niższa gęstość mocy. W zastosowaniach morskich o skoku 2,5 m Prędkość obrotowa silnika jest ograniczona do 102 obr. / min.
dla porównania, projektowany jest dwusuwowy silnik Achatesa o stosunku skoku do średnicy w zakresie od 2,2 do 2,6. Ten zakres wartości stosunku skoku do otworu pozwala nam stworzyć wysokowydajny silnik spalinowy, przy jednoczesnym zachowaniu średnich prędkości tłoka porównywalnych z silnikami obecnie dostępnymi w średnich i ciężkich zastosowaniach. Każdy silnik dwusuwowy o przeciwstawnych tłokach i stosunku skoku do otworu poniżej 2 ucierpi z powodu wysokiej wymiany ciepła w cylindrze i słabego wychwytywania, które działają w celu zmniejszenia ogólnej wydajności silnika.