Motor de cuatro tiempos, Historia, Análisis termodinámico, Requisitos Octane, Principios de diseño e ingeniería



Un motor de cuatro tiempos es un motor de combustión interna en el cual el pistón se completa cuatro separada trazos de admisión, compresión, explosión y escape-durante dos revoluciones separadas de cigüeñal del motor, y un ciclo termodinámico sencillo.

Hay dos tipos comunes de motores de cuatro tiempos. Están estrechamente relacionados entre sí, pero tienen grandes diferencias en el diseño y el comportamiento. El primero de ellos a desarrollar es el motor de ciclo Otto desarrollado en 1876 por Nikolaus August Otto en Colonia, Alemania, después de que el principio de funcionamiento descrito por Alphonse Beau de Rochas en 1861 - Este motor se conoce como un motor de gasolina o gasolina con mayor frecuencia motor, después de que el combustible que lo alimenta. El segundo tipo de motor de cuatro tiempos es el motor Diesel desarrollada en 1893 por Rudolph Diesel, también de Alemania. Diesel creó su motor para mejorar la eficiencia en comparación con el motor Otto. Hay varias diferencias principales entre el motor de ciclo Otto y el motor diesel de cuatro tiempos. El motor diesel se hace tanto en dos tiempos y una versión de cuatro tiempos. La empresa de Otto, Deutz AG, ahora produce principalmente los motores diesel.

El ciclo Otto es el nombre del motor de 1876 de Nikolaus A. Otto, quien construyó un motor de cuatro tiempos de éxito basado en la obra de Jean Joseph Etienne Lenoir. Fue el tercer tipo de motor que Otto desarrolló. Se utiliza una puerta de enlace llama deslizante para el encendido de su combustible - una mezcla de gas de alumbrado y aire. Después de 1884, Otto también desarrolló el magneto para crear una chispa eléctrica para la ignición, que había sido poco fiable en el motor de Lenoir.

Hoy en día, el motor de combustión interna se utiliza en motocicletas, automóviles, barcos, camiones, aviones, barcos, maquinaria pesada, y en su uso original previsto como energía estacionaria, tanto para la generación de energía cinética y eléctrica. Los motores diesel se encuentran en casi todas las aplicaciones de servicio pesado, como camiones, barcos, locomotoras, generación de electricidad y de energía estacionaria. Muchos de estos motores diesel son de dos tiempos con potencias de hasta 105 000 hp.

Los cuatro movimientos se refieren a la admisión, compresión, combustión y escape de golpes que se producen durante dos rotaciones del cigüeñal por ciclo de potencia. El ciclo comienza en el centro muerto superior, cuando el pistón está más alejado del eje del cigüeñal. Un derrame cerebral se refiere a todo el recorrido del pistón del Muerto Superior al Punto Muerto Inferior.

  • Carrera de admisión: en la ingesta o la inducción de carrera del pistón, el pistón desciende desde la parte superior del cilindro hasta la parte inferior del cilindro, aumentando el volumen del cilindro. Una mezcla de combustible y aire, o simplemente aire en un motor diesel, es forzado por la presión atmosférica en el cilindro a través del orificio de admisión. La válvula de admisión se cierra. El volumen de la mezcla de aire/combustible que se introduce en el cilindro, con relación al volumen máximo del cilindro, se llama la eficiencia volumétrica del motor.
  • Carrera de compresión: con las dos válvulas de admisión y de escape cerradas, el pistón vuelve a la parte superior del cilindro de compresión del aire o de la mezcla de combustible-aire en la cámara de combustión de la culata de cilindro. Durante la carrera de compresión la temperatura del aire o de la mezcla de combustible-aire se eleva por varios cientos de grados.
  • Carrera de potencia: este es el comienzo de la segunda revolución del ciclo. Mientras que el pistón está cerca de centro muerto superior, la mezcla de combustible y aire comprimido en un motor de gasolina se enciende, por lo general por una bujía de encendido, o se inyecta combustible en un motor diesel, que se inflama debido al calor generado en el aire durante el carrera de compresión. La presión resultante de la combustión de la mezcla de combustible-aire comprimido fuerza el pistón hacia abajo hacia el centro muerto inferior.
  • ESCAPE tiempos: durante la carrera de escape, el pistón de nuevo regresa al punto muerto superior, mientras que la válvula de escape está abierta. Esta acción expulsa la mezcla de combustible-aire pasado a través de la válvula de escape.
  • Historia

    Otto ciclo

    Nikolaus August Otto en su juventud era un viajante de comercio para un problema de comestibles. En sus viajes se encontró con el motor de combustión interna construida en París por expatriado belga Jean Joseph Etienne Lenoir. En 1860, Lenoir creado con éxito un motor de doble efecto que funcionaba con gas de alumbrado al 4% de eficiencia. El motor de 18 litros Lenoir produjo sólo 2 caballos de fuerza. El motor de Lenoir funcionó en gas de alumbrado a base de carbón, que se había desarrollado en París por Felipe Lebon.

    En la prueba de una réplica del motor Lenoir en 1861 Otto se dio cuenta de los efectos de la compresión en la carga de combustible. En 1862, Otto intentó producir un motor para mejorar en la pobre eficiencia y fiabilidad del motor Lenoir. Se trató de crear un motor que comprimir la mezcla de combustible antes de la ignición, pero no como que el motor correría no más de unos pocos minutos antes de su destrucción. Muchos otros ingenieros estaban tratando de resolver el problema, sin éxito.

    En 1864, Otto y Eugen Langen fundó la primera empresa de producción de motores de combustión interna, NA Otto y Cie Otto y Cie lograron crear un motor atmosférico con éxito ese mismo año. La fábrica se quedó sin espacio y se trasladó a la ciudad de Deutz, Alemania en 1869, donde la compañía ha sido renombrado como Gasmotorenfabrik Deutz AG. En 1872, Gottlieb Daimler fue director técnico y Wilhelm Maybach fue el jefe de diseño del motor. Daimler era un armero que había trabajado en el motor de Lenoir. Por 1876, Otto y Langen tuvieron éxito en la creación de la primera motor de combustión interna que comprime la mezcla de combustible antes de la combustión para la medida mayor eficiencia que cualquier motor creado para este tiempo.

    Daimler y Maybach dejó su empleo en Otto y Cie y desarrolló el primer motor Otto de alta velocidad en 1883 - En 1885, se produjo el primer automóvil que estar equipado con un motor Otto. El Petróleo Reitwagen utiliza un sistema de encendido por tubo incandescente y el combustible conocido como éter de petróleo para convertirse en el primer vehículo del mundo con motor de combustión interna. Se utiliza un motor de cuatro tiempos basado en el diseño de Otto. Al año siguiente, Karl Benz produce un automóvil con motor de cuatro tiempos que es considerado como el primer coche.

    En 1884, la empresa de Otto, entonces conocido como Gasmotorenfabrik Deutz, desarrollado encendido eléctrico y el carburador. En 1890, Daimler y Maybach formaron una compañía conocida como Daimler Motoren Gesellschaft. Hoy, esa empresa es Daimler-Benz.

    Véase el motor Otto para más detalles.

    Ciclo Diesel

    El motor diesel es un refinamiento técnico del motor de ciclo Otto 1876. Cuando Otto se había dado cuenta de que en 1861 la eficiencia del motor puede ser aumentado por primera compresión de la mezcla de combustible antes de su encendido, Rudolph Diesel quería desarrollar un tipo más eficiente de motor que podría funcionar en el combustible mucho más pesado. El Lenoir, Otto atmosférica, y los motores de compresión Otto fueron diseñados para funcionar con Gas Iluminación. Con la misma motivación que Otto, Diesel quería crear un motor que daría a las pequeñas empresas industriales de su propia fuente de energía para que puedan competir contra las grandes empresas, y al igual que Otto para escapar de la necesidad de estar atado a un suministro de combustible municipal. Como Otto, se tardó más de una década para producir el motor de alta compresión que puede auto-ignición del combustible pulverizado dentro del cilindro. Diesel utiliza un spray de aire combinado con combustible en su primer motor.

    Durante el desarrollo inicial, uno de los motores de ráfaga casi matando a Diesel. Él persistió y finalmente se creó un motor en 1893 - El motor de alta compresión, que se inflama el combustible por el calor de la compresión se llama ahora el motor diesel si un diseño de cuatro tiempos o de dos tiempos.

    El motor diesel de cuatro tiempos se ha usado en la mayoría de las aplicaciones de trabajo pesado para muchas décadas. El principal de las razones de esto es que se utiliza un combustible pesado que contiene más energía, requiere menos refinamiento, y es más barato hacer. Los motores de ciclo Otto, de gestión más eficientes cerca de 30% de eficiencia. El motor de litro Volkswagen Jetta TDI 1.9 alcanza el 46%. Utiliza un diseño avanzado con turbocompresor e inyección directa de gasolina. Algunos buques BMW Diesel con aislamiento cerámico han superado el 60% de eficiencia.

    Tanto Audi y Peugeot competir en las carreras de resistencia de las Le Mans Series con los coches con motores diesel. Estos son turbo diesel de cuatro tiempos que dominan gran parte debido a la economía de combustible y tener que hacer menos paradas.

    Análisis termodinámico

    El análisis termodinámico de los ciclos de cuatro tiempos o de dos tiempos reales no es una tarea sencilla. Sin embargo, el análisis se puede simplificar significativamente si se utilizan supuestos de aire estándar. El ciclo resultante, que se asemeja mucho a las condiciones reales de funcionamiento, es el ciclo Otto.

    Requisitos Octane

    Combustible de octanaje

    Los combustibles utilizados en motores de cuatro tiempos son generalmente fracciones de petróleo crudo, alquitrán de hulla, aceite de esquistos o arenas producidas en un proceso llamado craqueo de petróleo. La temperatura de ignición del combustible que se refracta está relacionada con su peso. Se separó por calentamiento y se extrae a diferentes alturas en la torre refractario. Cuanto más alto sea el vapor de combustible se eleva en la torre, menor es su peso y la menos energía que contiene. En refracción de petróleo, hay un peso estándar de combustibles y productos que se retiran y se asocian con un material extraído específica. La gasolina es un producto refractario de la luz y se llama una fracción ligera. Como una fracción ligera que tiene un punto de inflamación relativamente bajo.

    Un combustible con un bajo punto de inflamación puede auto-encenderse durante la compresión, y también puede ser encendida por los depósitos de carbón que quedan en el cilindro o en la cabeza de un motor sucio. En un motor de combustión interna de auto ignición puede ocurrir en momentos inesperados. Durante la operación normal del motor como la mezcla de combustible se está comprimiendo un arco eléctrico es creado para encender el combustible. A bajas rpm esto ocurre cerca de TDC. Como las revoluciones del motor se eleva el punto de chispa se mueve hacia adelante para que la carga de combustible puede encenderse en un punto más eficiente en la compresión de carga de combustible para permitir que el combustible para empezar a quemar, incluso cuando todavía se está comprimiendo. Esto produce una potencia más eficaz, basado en la densidad molecular creciente del medio de trabajo, ya que esta es la esencia de la eficiencia en el motor de IE de carga comprimido. Un medio de trabajo más denso experimenta un calor superior, y por lo tanto la presión, se eleva con menos cuando sus moléculas están más densamente empaquetadas.

    Podemos ver esto en dos diseños de motores Otto. El motor no funciona a compresión de 12% de eficiencia. El motor de carga comprimido se obtuvo una eficiencia de funcionamiento de 30%. Un motor diesel puede llegar tan alto como 70%.

    El problema con los motores de carga comprimidos es que el aumento de la temperatura de la carga de comprimido puede causar la pre-ignición. Si esto ocurre en el momento equivocado y es muy enérgico, que puede destruir el motor. Las fracciones de petróleo tienen una amplia variedad de inflamación. Esto debe tenerse en cuenta en el diseño del motor y de combustible.

    En los motores, la chispa se retarda cuando se ponga en marcha el motor, y avanza sólo a una cantidad apropiada basada en las rpm del motor. Esto se determina por la investigación de laboratorio. A medida que el motor gira más rápido que puede aceptar encendido antes ya que el frente de llama en movimiento no tiene tiempo para ser destructivo.

    En combustible, la tendencia de la mezcla de combustible comprimido para encender temprana está limitado por la composición química del combustible. Hay varios grados de combustible para acomodar diferentes niveles de rendimiento de los motores. El combustible se modifica para cambiar su temperatura de auto ignición. Hay varias maneras de hacer esto. Como los motores están diseñados con relaciones de compresión más altas, el resultado es que la pre-ignición es mucho más probable que ocurra ya que la mezcla de combustible se comprime a una temperatura más alta antes de la ignición deliberada. La temperatura más alta se evapora más eficazmente los combustibles tales como gasolina, y es un factor en un motor de compresión más alta de ser más eficiente. Las relaciones de compresión más altas también significan que la distancia que el pistón puede empujar para producir energía es mayor.

    Así que debe haber un test estandarizado y un sistema de referencia estándar para describir la probabilidad de un combustible es de auto-ignición. El índice de octano es una medida de la resistencia del combustible a la auto-ignición. Un combustible con un índice de octano más alto numérico permite una mayor relación de compresión, que extrae más energía del combustible y la convierte más eficazmente que la energía en trabajo útil, mientras que al mismo tiempo la prevención de daños en el motor desde la pre-ignición. Combustible de alto octanaje es más cara.

     Motores diesel

    Los motores diesel, por su naturaleza no tienen problemas con la pre-ignición. Ellos tienen una preocupación por si la combustión se puede iniciar. La descripción de la probabilidad de combustible Diesel es encender se llama el índice de cetano. Debido a los combustibles diesel son de baja volatilidad, que puede ser muy duro para iniciar en frío. Se utilizan varias técnicas para arrancar un motor Diesel frío, siendo el más común el uso de una bujía.

    Principios de diseño e ingeniería

    Limitaciones de la producción de energía

    La cantidad máxima de energía generada por un motor se determina por la máxima cantidad de aire de admisión. La cantidad de energía generada por un motor de pistón está relacionada con su tamaño, si se trata de un diseño de dos tiempos o de cuatro tiempos, la eficiencia volumétrica, pérdidas, relación de aire a combustible, el valor calorífico del combustible, contenido de oxígeno del aire y la velocidad. La velocidad está limitada en última instancia por la resistencia del material y la lubricación. Válvulas, pistones y bielas sufren las fuerzas de aceleración graves. A alta velocidad del motor, la rotura física y flutter anillo de pistón puede ocurrir, resultando en pérdida de potencia o incluso la destrucción del motor. Aleteo anillo de pistón se produce cuando los anillos oscilan verticalmente dentro de las ranuras del pistón que residen pulg aleteo del anillo compromete la estanqueidad entre el anillo y la pared del cilindro, lo que provoca una pérdida de presión del cilindro y la potencia. Si un motor gira demasiado rápido, muelles de las válvulas no pueden actuar con rapidez suficiente para cerrar las válvulas. Esto se conoce comúnmente como "válvula de flotador ', y que puede dar lugar a contacto de la válvula de pistón, dañando seriamente el motor. A altas velocidades la lubricación de la interfaz de la pared del cilindro del pistón tiende a descomponerse. Esto limita la velocidad del pistón para motores industriales a aproximadamente 10 m/s.

     Flujo de orificio de admisión/escape

    La potencia de salida de un motor depende de la capacidad de admisión y de escape materia para moverse rápidamente a través de puertos de la válvula, normalmente se encuentra en la cabeza del cilindro. Para aumentar la potencia de salida de un motor, irregularidades en los colectores de admisión y de escape caminos, tales como fundición de defectos, pueden ser retirados, y, con la ayuda de un banco de flujo de aire, los radios de vueltas puerto de la válvula y la configuración del asiento de la válvula puede ser modificado para reducir resistencia. Este proceso se llama portabilidad, y se puede hacer a mano o con una máquina CNC.

     Sobrealimentación

    Una forma de aumentar la potencia del motor es forzar más aire en el cilindro de modo que más energía puede ser producido a partir de cada carrera de potencia. Esto se puede hacer uso de algún tipo de dispositivo de compresión de aire conocido como un compresor, que puede ser accionado por el cigüeñal del motor.

    Sobrealimentación aumenta los límites de potencia de salida de un motor de combustión interna con respecto a su desplazamiento. Por lo general, el turbocompresor está siempre en marcha, pero ha habido diseños que le permiten ser cortada o correr a diferentes velocidades. Mecánicamente impulsado sobrealimentación tiene la desventaja de que algunos de la potencia de salida se utiliza para conducir el compresor, mientras que la energía se desperdicia en los gases de escape de alta presión, ya que el aire ha sido comprimido dos veces y luego gana más volumen potencial en la combustión pero que sólo se ampliado en una sola etapa.

     Turboalimentación

    Un turbocompresor es un compresor que es accionado por los gases de escape del motor, por medio de una turbina. Se compone de una pieza, de dos conjunto de la turbina de alta velocidad con un lado que comprime el aire de admisión, y el otro lado que es alimentado por el flujo de salida de gases de escape.

    Cuando está inactivo, y al menos a velocidades moderadas, la turbina produce poca energía a partir del volumen de escape pequeño, el turbocompresor tiene poco efecto y el motor funciona casi de manera aspiración natural. Cuando se requiere más potencia de salida, la velocidad del motor y la apertura del acelerador se incrementa hasta que los gases de escape son suficientes para 'girar' la turbina del turbocompresor para iniciar la compresión de aire mucho más de lo normal en el colector de admisión.

    Turboalimentación permite un funcionamiento más eficiente del motor, ya que es impulsado por la presión de escape que de otro modo se desperdiciaría, pero no es una limitación de diseño conocido como el retraso del turbo. El aumento de la potencia del motor no está disponible de inmediato, debido a la necesidad de aumentar considerablemente las RPM del motor, para aumentar la presión y la velocidad de rotación máxima del turbo, antes de que el turbo comienza a hacer ningún tipo de compresión de aire útil. El aumento del volumen causa un incremento de la ingesta de escape y hace girar el turbo más rápido, y así sucesivamente hasta que la operación de alta potencia constante se alcanza. Otra dificultad es que la presión de escape más alta hace que el gas de escape para transferir más de su calor a las partes mecánicas del motor.

    Rod y pistón al cociente de accidente cerebrovascular

    La varilla de relación de accidente cerebrovascular es la relación de la longitud de la varilla de conexión a la longitud de la carrera del pistón. Una varilla más larga reduce la presión hacia un lado del pistón en la pared del cilindro y las fuerzas de tensión, el aumento de la vida del motor. También aumenta el costo y el motor de la altura y el peso.

    Un "motor plaza" es un motor con un diámetro interior igual a la longitud de la carrera. Un motor si el diámetro interior es mayor que su longitud de carrera es un motor oversquare, por el contrario, un motor con un diámetro de agujero que es más pequeño que su longitud de carrera es un motor undersquare.

    Tren de válvula

    Las válvulas son operadas típicamente por un árbol de levas que gira a la mitad de la velocidad del cigüeñal. Tiene una serie de levas a lo largo de su longitud, cada uno diseñado para abrir una válvula durante la parte apropiada de una ingesta o carrera de escape. Un empujador entre la válvula y la leva es una superficie de contacto en la que la leva se desliza para abrir la válvula. Muchos motores utilizan uno o más árboles de levas "por encima de" una fila de cilindros, como en la ilustración, en la que cada leva acciona directamente una válvula a través de un taqué plana. En otros diseños de motores es el árbol de levas en el cárter del cigüeñal, en cuyo caso cada uno de los contactos de leva una varilla de empuje, que hace contacto con un brazo oscilante que se abre una válvula. El diseño del árbol de levas normalmente permite velocidades más altas del motor, ya que proporciona la ruta más directa entre la leva y la válvula.

     Juego de válvulas

    Juego de válvulas se refiere a la pequeña diferencia entre un empujador de la válvula y un vástago de válvula que asegura que la válvula se cierra completamente. En los motores con ajuste de la válvula mecánica y la separación excesiva hace que el ruido del tren de válvulas. Un juego de válvulas demasiado pequeño puede dar lugar a las válvulas no se cierre correctamente, esto se traduce en una pérdida de rendimiento y, posiblemente, el sobrecalentamiento de las válvulas de escape. Normalmente, la separación debe ser reajustado cada 20.000 millas con un calibrador.

    Motores de producción más modernos utilizan elevadores hidráulicos para compensar automáticamente la válvula de desgaste de los componentes del tren. Aceite sucio puede causar insuficiencia levantador.

    Balance de energía

    Motores Otto son aproximadamente el 30% de eficiencia, en otras palabras, 30% de la energía generada por la combustión es convertida en energía de rotación útil en el eje de salida del motor, mientras que el resto siendo las pérdidas debidas a los residuos de calor, la fricción y accesorios del motor. Hay un número de maneras de recuperar parte de la energía perdida a perder calor. El uso de un turbocompresor en los motores Diesel es muy eficaz al aumentar la presión de aire entrante y en efecto proporciona el mismo aumento en el rendimiento como de mayor desplazamiento. La compañía de camiones Mack, hace décadas, desarrolló un sistema de turbina que convierte el calor residual en energía cinética que se alimenta de nuevo en la transmisión del motor. En 2005, BMW anunció el desarrollo de la Turbosteamer, un sistema de recuperación de calor de dos etapas similar al sistema Mack que recupera 80% de la energía en los gases de escape y aumenta la eficiencia de un motor Otto en un 15%. Por el contrario, un motor de seis tiempos puede convertir más de 50% de la energía de la combustión en energía de rotación útil.

    Los motores modernos se construyen a menudo intencionalmente para ser un poco menos eficiente de lo que podría ser de otra manera. Esto es necesario para el control de emisiones como la recirculación de gases de escape y convertidores catalíticos que reducen los contaminantes atmosféricos smog y otros. Las reducciones en la eficiencia pueden ser contrarrestados con una unidad de control del motor utilizando técnicas de mezcla pobre.

    En los Estados Unidos, el combustible promedio corporativo mandatos Economía que los vehículos deben lograr un promedio de 35,5 millas por galón en comparación con el estándar actual de 25 mpg. Como fabricantes de automóviles buscan cumplir con estos estándares para el año 2016, las nuevas formas de la ingeniería del motor de combustión interna tradicionales podrían tener que ser considerado. Algunas posibles soluciones para aumentar la eficiencia de combustible para cumplir con los nuevos mandatos incluyen disparar después de que el pistón está más alejado del cigüeñal, conocido como punto muerto superior, y aplicando el ciclo Miller. En conjunto, este nuevo diseño podría reducir significativamente el consumo de combustible y las emisiones de NOx.

     Posición, carrera de admisión, y la carrera de compresión de inicio. Encendido de la carrera de combustible, movimiento de la energía, y el escape.