slag-till-Borrningsförhållande: en nyckel till Motoreffektivitet

även om det finns många faktorer som bidrar till en motor effektivitet, den primära faktorn som måste beaktas är motorns geometri själv. Inte bara spelar motorns totala storlek roll, men bildförhållandet för motorcylindrarna—definierat av slag-till-borrningsförhållandet—spelar också roll. För att förklara varför måste man överväga tre faktorer: in-cylinder värmeöverföring, cylinder rensning och friktion.
enkla geometriska förhållanden visar att en motorcylinder med längre slag-till-borrningsförhållande kommer att ha en mindre yta utsatt för förbränningskammarens gaser jämfört med en cylinder med kortare slag-till-borrningsförhållande. Det mindre området leder direkt till minskad värmeöverföring i cylindern, ökad energiöverföring till vevaxeln och därmed högre effektivitet.
Cylinderrensning – ett tvåtaktsfenomen där avgasprodukterna i cylindern ersätts av frisk luft—påverkas också starkt av slag-till-borrningsförhållandet i en uniflow-rensning, motsatt kolv, tvåtaktsmotor. När slag-till-borrningsförhållandet ökar, så gör det avstånd som den friska luften måste resa mellan insugningsportarna i ena änden av cylindern och avgasportarna i den andra änden. Detta ökade avstånd resulterar i högre rensningseffektivitet och, som ett resultat, lägre pumparbete eftersom mindre frisk luft går förlorad via laddningskort.motorfriktionen påverkas av slag-till-borrningsförhållandet på grund av två konkurrerande effekter: vevaxellagerfriktion och kraftcylinderfriktion. När slag-till-borrningsförhållandet minskar ökar lagerfriktionen eftersom det större kolvområdet överför större krafter till vevaxellagren. Motsvarande kortare slag resulterar emellertid i minskad kraftcylinderfriktion med ursprung i ring/cylindergränssnittet.
på Achates Power har vi genomfört omfattande analyser inom alla tre områden för att korrekt identifiera den optimala motorgeometrin som ger den bästa möjligheten att ha en mycket effektiv förbränningsmotor. I-cylinder simuleringar har visat att värmeöverföringen ökar snabbt under en slag-till-borrningsförhållande av ca 2, motorsystem simuleringar har visat att pumparbetet ökar snabbt under en slag-till-borrningsförhållande av ca 2.2 (på grund av den tillhörande minskningen av rensningseffektiviteten) och motorfriktionsmodeller har visat att vevaxellagret och kraftcylinderfriktionsvärdena för det mesta avbryter varandra för vår motsatta kolv, tvåtaktsmotor.
det bör noteras här att i en motsatt kolvmotor-där det finns två kolvar per cylinder som arbetar i motsatt, fram—och återgående rörelse-är ”stroke” resultatet av de två kolvarnas kombinerade rörelser och är ungefär dubbelt så långt som en av kolvarna färdas i en halv revolution. Detta faktum tillåter en motsatt kolvmotor att ha mycket större slag-till-borrningsförhållanden än en motor med en kolv per cylinder utan att ha alltför höga medelkolvhastigheter som skadar tröghetsbelastning och friktion.
för kontext, nedan är en plot av effekttäthet kontra slag-till-borrningsförhållande för vissa nuvarande fyrtaktsmotorer konstruerade för ett brett spektrum av applikationer. Observera att alla motorer i diagrammet har cylinderhuvuden, så stroke beskriver den faktiska kolvslaget. Uppgifterna i diagrammet visar en trend där motorer som kräver hög effekttäthet-som de i racerbilar-har ett litet slag—till-borrningsförhållande och motorer som kräver hög bränsleeffektivitet—som de i tunga lastbilar och Marina lastfartyg-har ett stort slag-till-borrningsförhållande.

den begränsande faktorn i detta förhållande är tröghetskrafterna ursprung från kolvrörelsen. För att uppnå hög effekttäthet måste motorn arbeta med hög motorvarvtal (upp till 18 000 rpm för Formel 1-motorn), vilket leder till höga tröghetskrafter som måste begränsas genom att använda ett litet slag-till-borrningsförhållande. För applikationer som kräver hög effektivitet är ett långt slag-till-borrningsförhållande nödvändigt och, återigen på grund av kolvens tröghetskrafter, kräver en långsammare motorvarvtal och lägre effekttäthet. För den marina applikationen som har ett 2,5 m slag är motorvarvtalet begränsat till 102 rpm.
i jämförelse, Achates Power motsatte-kolv, tvåtaktsmotor är utformad med en slag-till-borrningsförhållande i intervallet 2,2 till 2,6. Detta intervall av slag-till-borrningsförhållande gör det möjligt för oss att skapa en mycket effektiv förbränningsmotor samtidigt som vi fortfarande har genomsnittliga kolvhastigheter jämförbara med motorer som för närvarande finns i medel – och tunga applikationer. Varje motsatt kolv, tvåtaktsmotor med ett slag-till-borrningsförhållande under 2 kommer att drabbas av hög cylindervärmeöverföring och dålig rensning, som båda verkar för att minska motorns totala effektivitet.