Kolvmotorn INNEHÅLLSFÖRTECKNING Grundprinciper 1.

Transkript

1

2 Kolvmotorn INNEHÅLLSFÖRTECKNING 16.1 Grundprinciper 1. Funktionsprinciper Tvåtaktsmotorn 3. Fyrtaktsmotorn (Ottomotorn) 4. Dieselmotorn 8. Motorkonfigurationer 9. Slagvolym & kompressionsförhållande 11, Tändningsföljd Motorprestanda 13. Kolvmotorns verkningsgrad 14. Förtändning & bränsleblandning Motorkonstruktion - Allmänna krav 16. Vevhus & oljesump 21. Vevaxel 23. Vevaxelns lagringar 24. Vevstakar 25. Kolvar 27. Cylindern 31. Ventiler 37. Ventilmekanismer 41. Kamaxeln 42. Ventillyftare & stötstänger Bränslesystem - Förgasaren 45. Tomgångsystemet 49. Accelerationspump 51. Blandningsregulator 52. Förgasar is 53. Bränsleinsprutningssystem 54. Kopieringsförbud Detta verk är skyddat om lagen om upphovsrätt! Kopiering är förbjuden utöver vad som avtalats mellan upphovsrättsorganisationer och högskolor. Förbudet gäller hela verket såväl som delar därav och inkluderar lagring i elektroniska medier, visning på bildskärm samt bandupptagningar Bo Carlsson Uddevalla

3 16.5 Tändsystem 59. Batteritändningssystem 60. Magnettändningssystem 61. Reglering av tändläget 65. Impulskoppling 66. Retardersystem 67. Tändstift 68. Startmotorn Insugnings & avgassystem 75. Airbox 75. Avgasrör & avgassamlare Förkomprimering 77. Turbokomprimering 78. Turbokompressorns reglersystem Smörjmedel & bränslen 83. Motorolja 83. Motorbränslen Smörjsystem 86. Torr-sump & våt-sump 87. Oljepumpen 89. Oljetryck 90. Oljefilter System för motorövervakning 92.

4 16.1 Grundprinciper. En kolvmotor är en motor som omvandlar ett gas- eller vätsketryck i en cylinder till en mekanisk rörelse av en kolv i cylindern. Kolven driver via en vevstake en vevaxel, som ger ett utgående vridmoment. Trycket kan antingen bildas i en extrem process till exempel ångpanna (ångmaskin), luftkompressor (gastrycksmotor) eller vätsketrycksmotor (hydraulmotor) eller bildas genom förbränning av gasen i cylindern (förbränningsmotor). En kolvmotor kan under vissa förhållanden omvandla energiutbytet och fungera som pump istället. Om kolven endast ger en linjär kraft utan vevstake och vevaxel, t.ex. slaghammare, betraktas det inte som en kolvmotor. Bränsle + Luft + Värme = Kraft = Mekaniskt arbete Motorns mekaniska verkningsgrad. En motors mekaniska verkningsgrad ηm anger hur stor del av motorns indikerade effekt P i som utgör motorns bromseffekt P e. P e N e bromseffekt η m = = = P i N i indikerad effekt Mekaniska verkningsgraden är vanligen av storleksordningen 0,85 0,9 för flygmotorer. Motorns termiska verkningsgrad. Termiska verkningsgraden η t anger hur stor del av den tillförda värmeeffekten Q 1, som omvandlas till indikerad effekt P i. P e indikerad effekt η t = = Q 1 utvecklad värmemängd Dess storlek beror av flera faktorer, varav kompressionsförhållandet Є är den viktigaste. Värden för termiska verkningsgraden framgår av tabellen på nästa sida.

5 Fyrtaktsmotorn (Ottomotorn). Fyrtaktsmotorn är en typ av kolvmotor i vilket bränslet förbränns i fyra faser, eller takter. Motortypen har en relativt jämn och mjuk gång och återfinns i de flesta moderna bilar och mindre flygplan. Fyrtaktsprincipen, som även kallas Ottocykel, har uppfunnits av Nikolaus Otto år Fyrtaktsmotorer är oftast flercylindriga och har alltid ventiler som reglerar flödet av bränsleluftblandningen in och ut ur förbränningsrummen. Ventilerna befinner sig i moderna motorer som regel i cylinderhuvudet, men äldre motorer, så kallade sidventilmotorer, har ventilerna i motorblocket. Ventilerna manövreras med hjälp av en eller flera kamaxlar som antingen är placerade uppe i cylinderhuvudet (överliggande kamaxel) eller i cylinderblocket. Kamaxeln drivs av vevaxeln medelst kugghjul, kedja eller rem och har en utväxling på 0,5:1 i förhållande till vevaxeln. Ventilernas öppningstider bestäms av kamaxelnockarnas mekaniska form och återgår till stängt läge med hjälp av starka fjädrar. En fyrtaktsmotor tänder en gång per två vevaxelvarv och cylinder, till skillnad från tvåtaktsmotorn som tänder en gång per vevaxelvarv och cylinder. Arbetscykeln i en fyrtaktsmotor tar således två motorvarv. I en flersylindrig fyrtaktsmotor har kolvarna olika lägen och befinner sig i olika takter. Till exempel har en fyrcylindrig motor två kolvar i samma läge och två kolvar som befinner sig i motsatt läge, det vill säga när två kolvar befinner sig i övre vändläge så befinner de två andra sig i nedre vändläge. De kolvar som befinner sig i samma läge är dock i olika takter, så en fyrcylindrig motor har alltid en kolv i vardera takt.

6 Slagvolym och kompressionsförhållande. Slaglängd är den uppmätta sträckan från kolvens nedre vändläge till kolvens övre vändläge. Slagvolym är den mängd som kan rymmas i en cylinder, mellan kolvens nedre vändläge till dess övre vändläge, och med hänsyn till diametern på cylindern. Kompressionsförhållande är ett tal som används för att förutsäga prestanda hos förbränningsmotorer. Kompressionsförhållandet är lika med hur många gånger cylindervolymen måste pressas samman för att få rum i förbränningsrummet som finns mellan cylinderhuvudet och kolvtoppen. Ett högt kompressionsförhållande är önskvärt eftersom det får motorn att generera mer mekanisk energi från en given mängd blandning av luft och bränsle. Enkelt uttryckt, är det förhållandet mellan volymskillnaden när kolven är i botten och när den är längst upp. Total volym = Slagvolym + Komprimerad volym Exempel = 1300 ccm ccm = 1500 Kompressionsförhållande = Total volym 1500 = 7,5:1 Komprimerad volym 200 Normalt kompressionsförhållande för en flygmotor är 7:1 till 8:1

7 Vevhus, oljesump och vevaxel. Vevhusen kokillgjuts av en aluminiumlegering (vanligen alloy), och bearbetas därefter (fräses, borras, gängas och slipas). Vevhuset till en Boxermotor är vertikalt delat i två halvor, vilka hålls samman dels av långa genomgående ankarskruvar, dels av långa pinnskruvar, inskruvade i höger respektive vänster vevhushalva samt dels av korta pinnskruvar i den högra vevhushalvan. Ankarskruvarna och de långa pinnskruvarna har på mitten ett liv med vilket vevhushalvorna fixeras i förhållande till varandra. Vidare utgör ankarskruvarna och de långa pinnskruvarna två av varje cylinders åtta fästskruvar. Utöver ovannämnda liv fixeras vevhushalvorna av två styrstift i den högra vevhushalvan, ett i den främre och ett i den bakre tvärgående väggen. Framtill på översidan på den vänstra vevhushalvan finns en anslutning för vevhusets urluftning. Vevhushalvornas bakre tvärgående vägg är utformad med öron, utgörande fyra av motorns fem upphängningsöron. På vevhusets översida mellan cylindrarna nr 4 och 6 är ett hål upptaget för påfyllning av olja. Vid påfyllning av olja rinner oljan genom ett nedstucket rör ner till oljesumpen under motorn. I detta rör finns en mätsticka. En lyftögla är fäst i vardera vevhushalvors översida. I varje vevhushalva finns tre anslutningsflänsar för cylindrarna. Högra vevhushalvans anslutningsflänsar är förskjutna framåt i förhållande till den vänstra vevhushalvan. I varje vevhushalva, under cylindrarnas anslutningsflänsar och vinkelrätt mot kamaxeln, finns det urborrningar, två för varje cylinder, i vilka de hydrauliska ventillyftarna löper.

8 Lagerskålar med tillsatskombinationerna kadmium nickel eller kadmium silver, hör till en särskild vitmetallklass. De är de bästa nu kända vitmetallerna för lagerändamål men fordrar ett noggrannare val av olja. Ett stort antal oljor förorsakar nämligen frätangrepp på kadmiumbeståndsdelen, varigenom stora skador kan åstadkommas. För motorer, som har denna typ av lager, måste den allra största noggrannhet iakttas, så att inte skadliga oljetyper av misstag fylls på oljesystemet. Vevlagret smörjs med olja som tillförs lagerstället under tryck genom borrningar i vevtappen. Ibland är även smörjspår upptagna i lagerbussningen för att fördela oljan över hela vevtappen. Kolvar. Kolven är den detalj som överför förbränningsgasernas tryck till vevstaken och vevaxeln. Den är därför utsatt för höga såväl mekaniska påkänningar som värmepåkänningar. Dess övre del, kolvtaket, som kan vara plan, konkav (buktig nedåt), eller konvex (buktig uppåt), upptar trycket från förbränningsgaserna och bildar den rörliga väggen i cylindern. Kolvens nedre cylindriska del kallas kolvmanteln, och den styr kolven i cylinderloppet. Denna yta upptar de sidokrafter som uppstår på kolven på grund av vevstakarnas snedställning. På kolvmantelns insida finns två vårtor placerade mitt emot varandra i vilka en urborrning för kolvtappen är gjord, och på kolvmantelns utsida är mitt för dessa vårtor en del material bortarbetat för att förhindra att kolven kläms fast i cylindern då den, på grund av det ensidigt riktade sidotrycket mot kolvmanteln, strävar att anta en oval form. Plant kovtak med urtag för ventiler Konvext kolvtak Plant kolvtak Konkavt kolvtak

9 Runt bränslespridaren har man placerat en förstärkninsventuri (Boost venturi) mitt i huvudventurin för att ytterligare öka hastigheten på den luft som rusar igenom, och där med sänka trycket för att suga ut bränslet från fottörhuset som skall blanda sig med den genomströmmande luften. Lägg märke till att bränslenivån i flottörhuset ligger lägre än bränslespridarmunstycket. Om bränslenivån i flottörhuet hade legat över bränslespridaren, hade lekage uppstått när motorn inte är igång. Luftflöde Huvud venturi Förstärkar venturi Bränslespridar munstycke Bränslenivå i flottörhuset Efter anslutningen till bränslet sitter nålventilen med tillhörande säte. Nålventilen har till uppgift att reglera bränsletillförseln till förgasaren. Nålens bakkant vilar mot en flottör ( ett flöte ) som sjunker när bränslenivån sjunker, nålventilen öppnar då och släpper in mer bränsle och flottören stiger, nålen trycks då upp mot sitt säte och stänger tillförseln. På så sätt kan bränslenivån i flottörhuset alltid ligga konstant. Bränsle inlopp Nålventil och säte Bränsle nivå Flottör Bränsleblandningsventil (fule mixture control) Fottörhus

10 Bränslekontrollenhet Huvudmunstycke Bränsle in, från bränslepump Bränsleflödes fördelare Fjäderbelastat membran Bränsle spridare Sektion A-A Tomgångs ventil Blandnings ventil Flödesmätare Bränsleregulator Yttre och inre luftkammare Yttre och inre bränslekammare Kulventil Bränslekontrollenhet Totaltryck Oreglerat bränsletryck Reglerat bränsletryck Reglerad bränslemängd Statiskt tryck Bränsle ut till spridarna Bränslekontrollenheten (fuel metering unit) är en del av spjällhuset, sektion A-A. I bränslekontrollenheten finns ett bränslefilter (fuel strainer), huvudmunstycke (main metering jet), blandningsventil (mixture control valve) och tomgångsventil (idle valve). Bränslet från bränslepumpen leds in i bränslekontrollenheten via bränslefiltret och därefter till blandningsventilen. Blandningsventilen regleras manuellt från cockpit steglöst från stängt (idle-cutoff) läge till fullt öppen (full rich). Tomgångsventilen (idle valve) är länkad till gasspjällaxeln, som regleras från cockpit. Bränslet leds från bränslekontrollenheten till bränsleregulatorn via två vägar. Från huvudmunstyckt leds bränsle med ett lägre tryck till bränsleregulators inre bränslekammare, och oreglerat bränsle med ett något högre tryck (bränslepumptryck) till den yttre bränslekammaren. Bränslets inloppstryck verkar på bränslemembranets ena sida i den yttre kammaren och bränslets tryck sedan det passerat genom blandningskontrollens huvudmunstycke verkar på bränslemembranets andra sida i den inre kammaren. Då dessa båda tryck är olika stora erhålls en kraft (fuel metering force) på bränslemembranet, som strävar att stänga kulventilen (ball valve). Luftflödet in till motorn mäts med hjälp av luftmembranet i bränsleregulatorn, på vilket differensen mellan det högre trycket i den inre luftkammaren och det lägre trycket i den yttre luftkammaren. Trycket i den inre luftkammaren är luftströmmens totaltryck, vilket ökar med ökad strömningshastighet. Trycket i den yttre luftkammaren är luftströmens statiska tryck, vilket minskar vid ökad strömningshastighet. Den kraft (air metering force), som uppstår på luftmembranet, strävar att öppna kulventilen (ball valve). Luftkraft och bränslekraft balanserar varandra med olika lägen på kulventilen med olika varvtal på motorn som följd. Relativt liten luftkraft ger upphov till en stor bränslekraft. Bränslemembraner har av denna anledning betydligt mindre yta än luftmembranet.

11 Förses statorn med en tändspole induceras spänning i dess båda lindningar, vars storlek bestäms dels av spolens varvtal, dels av flödesändringens hastighet, det vill säga, rotorns varvtal och magnetpolernas position relativt statorpolerna. Transmission Spole med primär och sekundär lindning Impulskoppling Högspänningsbrygga Strömfördelare Tändkablar Roterande magnet Laminerad järnkärna (stator) Brytarkontakter Kondensator Diagrammet till höger visar magnetens funktioner med brytarkontakten inkopplad, diagrammet visar det statiska magnetflödets variation för olika rotorlägen samt brytarkontakternas läge. Sluts primärspolens lindning med brytaren kommer spänningen i primärspolen att driva en ström genom densamma. Denna inducerade primärström alstrar ett magnetiskt flöde i statorn (det inducerade magnetflödet). Det inducerade magnetflödet har enligt Lenz lag sådan riktning att det statiska magnetflödets ändring motverkas. Magnetflödets statiska variation Primärspolens ström vid slutna brytare, och * öppna brytare Resulterande magnetflöde (fylld linje) Spänning från sekundärspolen

12 16.7 Förkomprimering / turbokomprimering Turbin som med hjälp av avgaserna driver en kompressor, som i sin tur höjer trycket på insugningsluften till cylindrarna. Gasspjäll för reglering av insugningsluften till cylindrarna. Kanaler som leder insugningsluften in till cylindrarna. Avgasernas utlopp. Wastegate, en ventil som reglerar avgasernas väg ut, antingen genom turbinen eller rakt ut. Motorns luftintag försett med ett filter. Kanaler som leder ut avgaserna från cylindrarna. Den effekt som en flygkolvmotor levererar, varierar med den viktsmängd luft som den förbrukar. Med ett fast gasspjälläge och ett konstant varvtal kommer effekten att minska med ökande höjd, beroende på att luftens densitet avtar. Den insugna luftvolymen är förvisso den samma, men den minskande densiteten hos luften medför att luftens vikt minskar. För att bibehålla den marknära motoreffekten även på höjd, måste motorn få mera luft. Detta kan åstadkommas genom att man ökar cylindrarnas storlek eller antal, lösningen gör dock att motorn blir stor och tung. Man kan också öka varvtalet, men då ökar belastningen på motorns rörliga delar. Det bästa sättet är, att förse motorn med en förkompressor! Förkompressorn är det mest effektiva medlet för att bibehålla den effekt som motorn utvecklar på marken även högt upp i luften. Som tidigare nämnts bestäms den effekt som motorn levererar av vilken mängd luft som förbrukas. Då den insugna luftvolymen är konstant, betyder detta att effekten varierar med den insugna luftens densitet. Densiteten påverkas av både tryck och temperatur, eftersom tryck och temperatur varierar, påverkar det en flygkolvmotorns effekt.

13 Oljetryck. Det är mycket viktigt att motorns oljetryck ligger inom de gränsvärden som anges av motorfabrikanten. Om oljetrycket är för lågt, pressas otillräcklig mängd olja ut i smörjsystemet, vilket resulterar i att motorns rörliga delar slits onormalt mycket och att kylningen på motorn blir otillräcklig. Om trycket är för högt, kan oljekylaren skadas, det kan uppstå läckage på oljetätningar och slangar, de hydrauliska ventillyftarna får fel tryck samt att oljeförbrukningen ökar. Smörjsystemets reduceringsventil (en fjäderbelastad kula mot ett säte) har till uppgift att bibehålla ett på förhand inställt oljetryck i motorn. Oljepumpen drivs indirekt av kamaxeln, och påverkas då av motorvarvet. Då motorvarvet är högt, bygger oljepumpen upp ett högt flöde och tryck, reduceringsventilen släpper då förbi en viss mängd olja tillbaka till oljesumpen eller oljetanken. By-pass ventilen upprätthåller cirkulationen om oljefiltret skulle bli igensatt. Oljetrycket påverkas även av motorns temperatur eftersom kall olja är mer trögflytande än varm olja. Reduceringsventil Backventil Motor smörjning By-pass ventil Olja från tank eller sump Oljefilter Fullflödes filtersystem By-pass filtersystem

14 16.10 System för motorindikering. Kolvmotorns varvtalsmätare eller varvräknare är vanligen ansluten till ett drev på vevaxeln eller kamaxeln på motorns bakre del (registersida). På de flesta mindre flygplan överförs axelns rotation med en vajer till presentationsinstrumentet. Det finns även system med elektronisk överföring. Varvräknaren visar således motorns varv per minut (RPM), om motorn inte har någon form av propellerväxel så blir propellervarvet det samma. Varvräknaren brukar oftast vara kombinerad med en tidräknare för motorns gångtid (tachometer). Tachometern visar endast rätt tid när motorn går på marshvarv. På flygplan som är utrustade med en constat speed-propeller (omställbar propellerbladsvinkel) måste man även ta hänsyn till motorns ingastryck (manifold pressure). Ingastrycket mäts med en så kallad aneroidmanometer. Den visar totaltrycket i insugsystemet mellan gasspjället och cylindern. Med gasreglaget regeras ingastrycket, och med propellerreglaget regleras motorvarvet. Vid start skall propellerreglaget vara inställt på low pitch (liten bladvinkel) och gasreglaget på full gas. Efter att flygplanet har lättat, och börjar stiga, ställer man in 2500 RPM (genom att öka bladvinkeln lite grann) med propellerreglaget, och 25 tums ingastryck med gasreglaget. Piloten har nu ställt in ett normalt effektuttag under stigning. Under stigningen kommer ingastrycket att sjunka (om inte motorn är utrustad med turbo) på grund av den minskande densiteten i luften, därför får gasreglaget ökas på lite undan för undan för att bibehålla 25 tums ingastryck under hela stigningen. Efter det att flygplanet har nått sin marshhöjd, reducerar piloten varvtalet något genom att öka bladvinkeln ytterligare och sänka ingastrycket. Detta görs utifrån tabeller för önskad fart och därmed bränsleförbrukning. Ofta är ingastrycksmätaren kombinerad med en bränsleflödesmätare (fuel flow), den visar bränsleåtgång i gallon per timme, beroende på det effektuttag som valts. Tabellerna för effektuttag är konstruerade utifrån vald tryckhöjd och önskad indikerad flyghatighet.