Har du någonsin öppnat huven på din bil och undrat vad som pågick där inne? En bilmotor kan se ut som ett stort förvirrande virrvarr av metall, rör och ledningar för den oinvigde.
Du kanske vill veta vad som händer helt enkelt av nyfikenhet. Eller så kanske du köper en ny bil och hör saker som "2,5-liters lutning fyra" och "turboladdad" och "start/stopp-teknik." Vad betyder allt detta?
I den här artikeln kommer vi att diskutera grundidén bakom en motor och sedan gå in i detalj om hur alla delar passar ihop, vad som kan gå fel och hur man kan öka prestandan.
Syftet med en bensinbilsmotor är att omvandla bensin till rörelse så att din bil kan röra sig. För närvarande är det enklaste sättet att skapa rörelse från bensin att bränna bensinen inuti en motor. Därför är en bilmotor en förbränningsmotor — förbränning sker internt.
Två saker att notera:
Låt oss titta på förbränningsprocessen mer i detalj i nästa avsnitt.
Innehåll
Principen bakom varje fram- och återgående förbränningsmotor:Om du lägger en liten mängd bränsle med hög energidensitet (som bensin) i ett litet, slutet utrymme och tänder på det, frigörs en otrolig mängd energi i form av expanderande gas.
Du kan använda den energin för intressanta ändamål. Till exempel, om du kan skapa en cykel som låter dig sätta igång explosioner som denna hundratals gånger per minut, och om du kan utnyttja den energin på ett användbart sätt, är det du har kärnan i en bilmotor.
Nästan varje bil med bensinmotor använder en fyrtakts förbränningscykel att omvandla bensin till rörelse. Fyrtaktsmetoden är också känd som Ottocykeln , för att hedra Nikolaus Otto, som uppfann den 1867. De fyra slagen illustreras i animationen . De är:
Kolven är ansluten till vevaxeln med en vevstake . När vevaxeln roterar har den effekten att "återställa kanonen". Här är vad som händer när motorn går igenom sin cykel:
Nu är motorn redo för nästa cykel, så den suger in ytterligare en laddning med luft och gas.
I en motor omvandlas kolvarnas linjära rörelse till rotationsrörelse av vevaxeln. Rotationsrörelsen är trevlig eftersom vi planerar att vända (rotera) bilens hjul med den ändå.
Låt oss nu titta på alla delar som samverkar för att få detta att hända, med början på cylindrarna.
Kärnan i motorn är cylindern, med kolven som rör sig upp och ner inuti cylindern. Encylindriga motorer är typiska för de flesta gräsklippare, men vanligtvis har bilar mer än en cylinder (fyra, sex och åtta cylindrar är vanliga). I en flercylindrig motor är cylindrarna vanligtvis anordnade på ett av tre sätt:inline , V eller platt (även känd som horisontell motståndare eller boxer), som visas i figurerna till vänster.
Så den inline fyra som vi nämnde i början är en motor med fyra cylindrar ordnade i en linje. Olika konfigurationer har olika fördelar och nackdelar vad gäller jämnhet, tillverkningskostnad och formegenskaper. Dessa fördelar och nackdelar gör dem mer lämpade för vissa fordon.
Låt oss titta på några viktiga motordelar mer i detalj.
Tändstiftet tillför gnistan som antänder luft/bränsleblandningen så att förbränning kan ske. Gnistan måste ske i precis rätt ögonblick för att saker ska fungera korrekt.
Insugs- och avgasventilerna öppnar vid rätt tidpunkt för att släppa in luft och bränsle och för att släppa ut avgaser. Observera att båda ventilerna är stängda under kompression och förbränning så att förbränningskammaren tätas.
En kolv är en cylindrisk metallbit som rör sig upp och ner inuti cylindern.
Kolvringar ger en glidtätning mellan kolvens ytterkant och cylinderns innerkant. Ringarna har två syften:
De flesta bilar som "bränner olja" och måste ha en liter tillsatt var 1000 mil bränner det eftersom motorn är gammal och ringarna inte längre tätar saker ordentligt. Många moderna fordon använder mer avancerade material för kolvringar. Det är en av anledningarna till att motorer håller längre och kan gå längre mellan oljebyten.
Vevstången förbinder kolven med vevaxeln. Den kan rotera i båda ändarna så att dess vinkel kan ändras när kolven rör sig och vevaxeln roterar.
Vevaxeln förvandlar kolvens upp-och-ned-rörelse till cirkulär rörelse precis som en vev på en jack-in-the-box gör.
Sumpen omger vevaxeln. Den innehåller en viss mängd olja, som samlas i botten av sumpen (oljetråget).
Därefter ska vi lära oss vad som kan gå fel med motorer.
Så du går ut en morgon och din motor kommer att vända men den startar inte. Vad kan vara fel? Nu när du vet hur en motor fungerar kan du förstå de grundläggande sakerna som kan hindra en motor från att gå.
Tre grundläggande saker kan hända:en dålig bränsleblandning, brist på kompression eller brist på gnista. Utöver det kan tusentals mindre saker skapa problem, men dessa är de "tre stora". Baserat på den enkla motor som vi har diskuterat, här är en snabb sammanfattning av hur dessa problem påverkar din motor:
Dålig bränsleblandning kan ske på flera sätt:
Brist på komprimering: Om laddningen av luft och bränsle inte kan komprimeras ordentligt kommer förbränningsprocessen inte att fungera som den ska. Brist på komprimering kan uppstå av dessa skäl:
Det vanligaste "hålet" i en cylinder uppstår där toppen av cylindern (håller ventilerna och tändstiftet och även känd som cylinderhuvudet ) fästs på själva cylindern. Vanligtvis skruvas cylindern och cylinderhuvudet ihop med en tunn packning pressas mellan dem för att säkerställa en bra tätning. Om packningen går sönder bildas små hål mellan cylindern och cylinderhuvudet, och dessa hål orsakar läckor.
Brist på gnista: Gnistan kan vara obefintlig eller svag av flera anledningar:
Många andra saker kan gå fel. Till exempel:
I en korrekt fungerande motor fungerar alla dessa faktorer bra. Perfektion krävs inte för att få en motor att gå, men du kommer förmodligen att märka när saker och ting är mindre än perfekta.
Som du kan se har en motor ett antal system som hjälper den att göra sitt jobb med att omvandla bränsle till rörelse. Vi kommer att titta på de olika delsystemen som används i motorer i de kommande avsnitten.
De flesta motordelsystem kan implementeras med hjälp av olika tekniker, och bättre teknik kan förbättra motorns prestanda. Låt oss titta på alla de olika delsystemen som används i moderna motorer, med början med ventiltåget.
Ventiltåget består av ventilerna och en mekanism som öppnar och stänger dem. Öppnings- och stängningssystemet kallas en kamaxel . Kamaxeln har lober på sig som flyttar ventilerna upp och ner, som visas i Figur 5 .
De flesta moderna motorer har vad som kallas överliggande kammar . Detta innebär att kamaxeln är placerad ovanför ventilerna, som visas i figur 5. Kammarna på axeln aktiverar ventilerna direkt eller genom ett mycket kort länkage. Äldre motorer använde en kamaxel placerad i sumpen nära vevaxeln.
En kuggrem eller kamkedjan länkar vevaxeln till kamaxeln så att ventilerna är synkroniserade med kolvarna. Kamaxeln är inställd på att vrida med hälften av vevaxelns hastighet. Många högpresterande motorer har fyra ventiler per cylinder (två för insug, två för avgaser), och detta arrangemang kräver två kamaxlar per cylinderrad, därav uttrycket "dubbla överliggande kammar."
tändningssystemet (Figur 6) producerar en elektrisk högspänningsladdning och överför den till tändstiften via tändningsledningar . Avgiften går först till en distributör , som du lätt hittar under huven på de flesta bilar. Distributören har en tråd som går i mitten och fyra, sex eller åtta trådar (beroende på antalet cylindrar) kommer ut ur den. Dessa tändningsledningar skicka laddningen till varje tändstift. Motorn är tidsinställd så att endast en cylinder får en gnista från fördelaren åt gången. Detta tillvägagångssätt ger maximal jämnhet.
Vi ska titta på hur din bils motor startar, kyler och cirkulerar luft i nästa avsnitt.
Kylsystemet i de flesta bilar består av kylaren och vattenpumpen. Vatten cirkulerar genom passager runt cylindrarna och färdas sedan genom kylaren för att kyla av det. I ett fåtal bilar (främst Volkswagen Beetles före 1999), liksom de flesta motorcyklar och gräsklippare, är motorn luftkyld istället (Du kan se en luftkyld motor genom att fenorna pryder utsidan av varje cylinder för att hjälpa till avleda värme). Luftkylning gör motorn lättare men varmare, vilket i allmänhet minskar motorns livslängd och totala prestanda.
Så nu vet du hur och varför din motor förblir cool. Men varför är luftcirkulationen så viktig? De flesta bilar är normalt aspirerade , vilket innebär att luft strömmar genom ett luftfilter och direkt in i cylindrarna. Högpresterande och moderna bränslesnåla motorer är antingen turboladdade eller överladdad , vilket innebär att luft som kommer in i motorn först trycksätts (så att mer luft/bränsleblandning kan pressas in i varje cylinder) för att öka prestandan. Mängden trycksättning kallas boost . En turboladdare använder en liten turbin som är fäst vid avgasröret för att snurra en komprimerande turbin i den inkommande luftströmmen. En kompressor är ansluten direkt till motorn för att snurra kompressorn.
Eftersom turboladdaren återanvänder heta avgaser för att snurra turbinen och komprimera luften, ökar den effekten från mindre motorer. Så en fyrcylindrig bränsleslukande motor kan se hästkrafter som du kanske förväntar dig att en sexcylindrig motor ska ta ut samtidigt som den får 10 till 30 procent bättre bränsleekonomi.
Att öka din motors prestanda är bra, men vad händer exakt när du vrider på nyckeln för att starta den? Startsystemet består av en elektrisk startmotor och en startsolenoid . När du vrider på tändningsnyckeln snurrar startmotorn motorn några varv så att förbränningsprocessen kan starta. Det krävs en kraftfull motor för att snurra en kall motor. Startmotorn måste övervinna:
Eftersom det behövs så mycket energi och eftersom en bil använder ett 12-volts elsystem måste hundratals ampere elektricitet flöda in i startmotorn. Startmagneten är i huvudsak en stor elektronisk strömbrytare som kan hantera så mycket ström. När du vrider på tändningsnyckeln aktiverar den solenoiden för att driva motorn.
Därefter ska vi titta på motorns delsystem som underhåller det som kommer in (olja och bränsle) och det som kommer ut (avgaser och utsläpp).
När det kommer till det dagliga bilunderhållet är ditt första problem förmodligen mängden gas i din bil. Hur driver gasen som du stoppar i cylindrarna? Motorns bränslesystem pumpar gas från bensintanken och blandar den med luft så att rätt luft/bränsleblandning kan rinna in i cylindrarna. Bränsle levereras i moderna fordon på två vanliga sätt:bränsleinsprutning i hamn och direkt bränsleinsprutning.
I en bränsleinsprutad motor sprutas rätt mängd bränsle in individuellt i varje cylinder, antingen precis ovanför insugningsventilen (portbränsleinsprutning) eller direkt in i cylindern (direkt bränsleinsprutning). Äldre fordon förgasades, där gas och luft blandades av en förgasare när luften strömmade in i motorn.
Olja spelar också en viktig roll. smörjningen systemet ser till att varje rörlig del i motorn får olja så att den lätt kan röra sig. De två huvuddelarna som behöver olja är kolvarna (så att de lätt kan glida i sina cylindrar) och eventuella lager som låter saker som vevaxeln och kamaxlarna rotera fritt. I de flesta bilar sugs olja ut ur oljetråget av oljepumpen, körs genom oljefiltret för att ta bort eventuellt grus och sprutas sedan under högt tryck på lagren och cylinderväggarna. Oljan sipprar sedan ner i sumpen, där den samlas upp igen och cykeln upprepas.
Nu när du vet om några av de saker du lägger i din bil, låt oss titta på några av de saker som kommer ut ur den. Avgassystemet inkluderar avgasröret och ljuddämparen. Utan en ljuddämpare skulle du höra ljudet av tusentals små explosioner som kommer ut i avgasröret. En ljuddämpare dämpar ljudet.
emissionskontrollsystemet i moderna bilar består av en katalytisk omvandlare , en samling sensorer och ställdon, och en dator för att övervaka och justera allt. Till exempel använder katalysatorn en katalysator och syre för att bränna bort eventuellt oanvänt bränsle och vissa andra kemikalier i avgaserna. En syresensor i avgasströmmen ser till att det finns tillräckligt med syre tillgängligt för att katalysatorn ska fungera och justerar saker om det behövs.
Förutom gas, vad mer driver din bil? Det elektriska systemet består av ett batteri och en generator . Generatorn är kopplad till motorn med en rem och genererar elektricitet för att ladda batteriet. Batteriet gör 12-volts ström tillgänglig för allt i bilen som behöver elektricitet (tändningssystem, radio, strålkastare, vindrutetorkare, elfönsterhissar och säten, datorer, etc.) genom fordonets ledningar.
Nu när du vet allt om huvudmotorns delsystem, låt oss titta på hur du kan öka motorns prestanda.
Genom att använda all denna information kan du börja se att det finns många olika sätt att få en motor att prestera bättre. Biltillverkare leker ständigt med alla följande variabler för att göra en motor kraftfullare och/eller mer bränslesnål.
Öka förskjutningen: Mer slagvolym betyder mer kraft eftersom du kan bränna mer gas under varje varv av motorn. Du kan öka deplacementet genom att göra cylindrarna större eller genom att lägga till fler cylindrar. Tolv cylindrar verkar vara den praktiska gränsen.
Öka kompressionsförhållandet: Högre kompressionsförhållanden ger mer kraft, upp till en viss punkt. Ju mer du komprimerar luft/bränsleblandningen, desto mer sannolikt är det att det spontant brinner i lågor (innan tändstiftet tänder det). Högoktanig bensin förhindrar denna typ av tidig förbränning. Det är därför högpresterande bilar i allmänhet behöver högoktanig bensin – deras motorer använder högre kompressionsförhållanden för att få mer kraft.
Stäng mer i varje cylinder: Om du kan stoppa in mer luft (och därmed bränsle) i en cylinder av en given storlek, kan du få mer kraft från cylindern (på samma sätt som du skulle göra genom att öka storleken på cylindern) utan att öka bränslet som krävs för förbränning . Turboladdare och kompressorer trycksätter den inkommande luften för att effektivt stoppa in mer luft i en cylinder.
Kyl den inkommande luften: Komprimering av luft höjer dess temperatur. Däremot skulle du vilja ha så sval luft som möjligt i cylindern eftersom ju varmare luften är desto mindre kommer den att expandera när förbränningen sker. Därför har många turboladdade och kompressormatade bilar en intercooler . En intercooler är en speciell kylare genom vilken den komprimerade luften passerar för att kyla av den innan den kommer in i cylindern.
Låt luft komma in lättare: När en kolv rör sig ner i insugningsslaget kan luftmotståndet ta ur kraften från motorn. Luftmotståndet kan minskas dramatiskt genom att sätta två insugningsventiler i varje cylinder. Vissa nyare bilar använder också polerade insugningsrör för att eliminera luftmotståndet där. Större luftfilter kan också förbättra luftflödet.
Låt avgasutloppet komma ut enklare: Om luftmotståndet gör det svårt för avgaserna att lämna en cylinder, berövar det motorn kraft. Luftmotståndet kan minskas genom att lägga till en andra avgasventil till varje cylinder. En bil med två insugnings- och två avgasventiler har fyra ventiler per cylinder, vilket förbättrar prestandan. När du hör en bilannons berätta att bilen har fyra cylindrar och 16 ventiler, är det som annonsen säger att motorn har fyra ventiler per cylinder.
Om avgasröret är för litet eller ljuddämparen har mycket luftmotstånd kan detta orsaka mottryck som ger samma effekt. Högpresterande avgassystem använder samlingsrör, stora avgasrör och friflytande ljuddämpare för att eliminera mottryck i avgassystemet. När du hör att en bil har "dubbla avgaser" är målet att förbättra avgasflödet genom att ha två avgasrör istället för ett.
Gör allt lättare: Lätta delar hjälper motorn att prestera bättre. Varje gång en kolv ändrar riktning, förbrukar den energi för att stoppa färden i en riktning och starta den i en annan. Ju lättare kolven är, desto mindre energi tar den. Detta resulterar i bättre bränsleeffektivitet och bättre prestanda.
Injicera bränslet: Bränsleinsprutning möjliggör mycket exakt dosering av bränsle till varje cylinder. Detta förbättrar prestanda och bränsleekonomi.
I nästa avsnitt kommer vi att svara på några vanliga motorrelaterade frågor som ställts in av läsare.
Här är en uppsättning motorrelaterade frågor från läsare och deras svar:
Antalet cylindrar som en motor innehåller är en viktig faktor för motorns totala prestanda. Varje cylinder innehåller en kolv som pumpar inuti den och dessa kolvar ansluter till och vrider vevaxeln. Ju fler kolvar som pumpar, desto mer brännande händelser äger rum under varje givet ögonblick. Det betyder att mer kraft kan genereras på kortare tid.
Fyrcylindriga motorer kommer vanligtvis i "raka" eller "inline"-konfigurationer medan 6-cylindriga motorer vanligtvis är konfigurerade i den mer kompakta "V"-formen och därför kallas V6-motorer. V6-motorer var den första motorn för amerikanska biltillverkare eftersom de är kraftfulla och tysta, men turboladdningstekniker har gjort fyrcylindriga motorer mer kraftfulla och attraktiva för köpare.
Historiskt sett vände amerikanska bilkonsumenter upp näsan mot fyrcylindriga motorer och trodde att de var långsamma, svaga, obalanserade och hade korta accelerationer. Men när japanska biltillverkare, som Honda och Toyota, började installera högeffektiva fyrcylindriga motorer i sina bilar på 1980- och 90-talen, fann amerikanerna en ny uppskattning av den kompakta motorn. Japanska modeller, som Toyota Camry, började snabbt sälja mer än jämförbara amerikanska modeller
Moderna fyrcylindriga motorer använder lättare material och turboladdningsteknik, som Fords EcoBoost-motor, för att förbättra V-6-prestanda från effektivare fyrcylindriga motorer. Avancerad aerodynamik och teknologier, som de som används av Mazda i dess SKYACTIV-design, sätter mindre stress på dessa mindre turboladdade motorer, vilket ytterligare ökar deras effektivitet och prestanda.
När det gäller framtiden för V6:an har skillnaden mellan fyrcylindriga och V6-motorer minskat avsevärt de senaste åren. Men V-6-motorer har fortfarande sina användningsområden, och inte bara i prestandabilar. Lastbilar som används för att dra släp eller dra laster behöver kraften hos en V-6 för att få dessa jobb gjorda. Kraft i dessa fall är viktigare än effektivitet.
Ursprungligen publicerad:5 april 2000
