Sharky
22 februari 2007
· 10 287 Inlägg
Lite mer blandat om motorkonstruktion. Långslagiga motorer kontra motorer med kort slag.
Samt lite om effektivitet etc.
--------------------- Bakgrund ----------------------------------------------------
Nästan alla personbilar idag har långt slag och relativt sett liten kolvdiameter. Varför?
Fyra primära anledningar:
- Mera körbar motor med bättre lågvarvsegenskaper än en kortslagig motor
- Motorn blir kortare eftersom cylindrarna är små = litet motorutrymme = stort passagerarutrymme
- Lättare att få ner avgasemissionerna
- Långt slag = Effekt vid låga varv = Liten accelerationspåkänning på kolv / vevstake, dvs man man konstruera med tyngre, billiga material.
Men skall man bygga motorer för att få effekt, så gäller stor kolvyta, dvs stort borr, och korta slag. Det som driver en kolv är totala trycket på kolven och då max tryck per kvadratcentimeter är begränsat av det bränsle man använder mm så vill man ha så stora kolvar som möjligt för att få så stor kraft som möjligt. När kolven när långt ner i cylindern så har man väldigt lite kraft kvar från förbränningen som driver den jämfört med kraften när kolven är längst upp.
Långa slag innebär också höga kolvhastigheter eftersom kolven har lång väg att röra sig.
En kortslagig motor måste dock varvas mycket för att få ut effekt men
kolvhastigheten hos en långslagig motor ökar snabbare än nackdelen med att varva mycket.
Man räknar på att max genomsnittlig kolvhastighet måste ligga under 26 m/s för att det skall bli en konstruktion som håller. En hayabusa ligger tex på 21m/s.
En hake med motorer som är kortslagiga - och som därmed måste varva mycket - är att påkänningarna pga kolvens maximala acceleration blir enorma. Så det krävs mycket lätta material (= dyrt) för att det skall hålla.
Vikten på kolv och stake är intressant pga max acceleration. Max acceleration har du vid TDC alltså när kolven vänder längst upp.
Om R = vevradien
n = varvtal (r/s)
L = vevstakens längd
Så blir max acceleration:
a(max) = R * [( Pi * n / 30) ^2 ] * [(1+R)/L)
Och eftersom påfrestningarna bestäms av F = massa * a så lönar det sig att ha lätta grejor för att minska påkänningar på lager och vevaxel.
Och för just väldigt högvarviga motorer så kan normaltrycket vinkelrätt kolvens plan p g a accelerationspåkänningarna bli större än påkänningarna pga själva förbränningen.
Ett problem med långslagiga motorer är också att dom ger mycket friktionsförluster genom att kolvringarna har lång väg att "skrapa" mot
cylinderväggarna.
Det man får passa sig för på motorer med stora cylindrar är att förlora värme genom den stora kolvyta man har. Därför är
det viktigt på motorer med stora cylindrar att ha isolerande skikt "coating" på kolvtoppen.
Stor diameter innebär också att man får rum med större ventiler vilket innbär att man lättare kan fylla förbränningsrummet.
En annan nackdel med långt slag på racemotorer är att motorn blir hög, vilket flyttar upp motorn tyngdpunkt vilket man inte alls vill. Vän av ordning säger att man kan bygga pannkaksmotorer typ Porsche och Subaru. Men tänk på att en motor med
långt slag innebär en vev med stort slag, dvs centrum på veven måste sitta rätt högt även på en pannkaksmotor om man har långt slag.
Gissa en anledning till att racekopplingar har liten diameter. Jo, för att kunna ha centrum på vevaxeln så nära backen som möjligt. Titta på hur Porsche har konstruerat Carerra GT tex.
Om jag kommer ihåg rätt så ligger en F1 motor runt 100mm i kolvdiameter och ca 40mm i slag. Vilket ger motorer med extrem litereffekt men tyvärr okörbara för vanliga människor. Det finns en obekräftad skröna om att dagens F1 motorer skulle ge mera effekt om dom byggdes med lite större slag. Men då skulle motorn - och därmed bilen bli högre vilket skulle ge mera luftmotstånd än den extra effekt man får ut.
Vanliga Porschemotorer brukar ligga runt 100 mm diameter och 75 i slag vilket är extremt för "normala" bilar.
------------ Vridmoment. --------------------------
Vridmoment dödar. På en banbil så vill man hålla ner vikten, då vill man absolut inte ha massor med vrid, det är bättre att varva mycket
för att få effekt. Vridmomentet är nämligen konstruktionsgrundande för växellåda och drivaxlar. Lite vrid = lätta grejor = lätt bil.
Stor roterande massa och bra bottenvrid är sådant som säljer standardbilar, men det funkar inte alls på racebilar.
Stor roterande massa ger också stort tröghetsmoment vilket ger "snälla" motorer.
Standardbilar behöver bra bottenvrid för att det skall gå
att krypköra med dom , slippa växla ihjäl sig, etc.
-------------- Effektivitet --------------------------------------
En bensinmotor är en ganska usel apparat. Om man har en motor som ger 300Hkr (ca 220kW) så kommer energin
i avgaserna att innehålla ca 280kW (!) värme. Dvs man trycker ur mera energi i avgaserna än vad man får ut effekt på vevaxeln.
All värme är energi, desto varmare = desto mera energi. Därför vill man på en turbomotor förlora så lite värme som möjligt mellan cylindrarnas avgaser och turbon. Så biltillverkare bygger grenrör som skall vara trånga, ty desto mer du expanderar avgaserna innan dom når turbon, desto mindre energi har du att driva turbon med. Och i alla turbobilar i dagens läge vill
man ha effekt långt ner i varv, så man tillvaratar så mycket man kan av avgasenergin för att driva turbon.
Detta ställer till skit för dom som vill trimma, då grenrören blir åt skogen för trånga med överhettning och höga avgasmottryck (ineffektiv förbränning) som följd.
Samma resonemang gäller avgassystem före katten (downpipe). Tillvarata så mycket energi som möjligt så att man kan "tända" katten så fort som möjligt för att minska utsläppen.
(Jepp, en kat är exoterm, dvs det brinner i den)
-------------------- Turbo ----------------------------------
Ett räkneexempel för att visa vilken hastighet ett turbinblad på en modern turbo har.
- Typisk ytterdiameter runt 60mm
- Maxvarv på 200 000 rpm
=> Periferihastighet på : 0.06m * 3.14 * 200000/60 (m/s) = 628 m/s = 2260 km / tim !
När en modern turbo exploderar så händer det att turbinblad kan gå rätt igenom dom tjocka gjutna avgashusen.
------------------------------------------------------------------------------------
Jag skriver mer nån gång jag orkar.
Mvh
Göran
I have nothing but confidence in you. And very little of that.
(Groucho Marx).
Åker numera Audi A6 -08 4.2FSI
Undra vem som är idiot av oss två som måste ta till påhopp! 
Du kan ju få en 100hk bil att toppa mer en 300hk bil om du bara har rätt/fel utväxling. Sen är det inte det som brukar stoppa en lastbil, pröva och sätt dig i en lastbil och kör 130km/h så får du se hur skoj det är, rätt vingligt, sen har "alla" lastbilar fartspärr på 90km/h
Jag får hålla mig till B20 sålänge 
