Selv om der i dag tales meget om downsizing-motorer, det vil sige mindre motorer med direkte indsprøjtningssystem og turbolader, er naturligt indsugede motorer stadig interessante muligheder på grund af de lavere byggeomkostninger
I dette nummer starter vi en serie artikler om de vigtigste strategier og ændringer foretaget af producenter for at udvinde maksim alt drejningsmoment og kraft fra motoren, både i nyere og ældre modeller.
Fortidens motorer
Når vi taler om en højtydende motor, forestiller mange sig straks de amerikanske muskelbiler fra 1960'erne og 1970'erne med store V8-motorer og masser af drejningsmoment. For andre er sekscylindrede motorer monteret på letvægtskarosserier det ultimative inden for sportslighed. Som vi vil se nedenfor, er det ikke muligt at være ekstrem for begge sider. Mærker fra forskellige lande leder efter forskellige funktioner i deres modeller som en måde at imødekomme forskellige forbrugeres forventninger.
Traditionelt er de tre store nordamerikanske bilproducenter (Ford, GM og Chrysler), både i hjemlandet og i deres datterselskaber rundt om i verden, kendt for, siden karburatordagene, at anvende store slagvolumenmotorer for at opnå høje kraft, og næsten altid har disse motorer to ventiler pr. cylinder og konventionelle overliggende knastaksler.
Chrysler formåede at omgå dette problem ved at omdesigne stempeloverfladen. Således begyndte stemplerne i nogle motorer at have et afrundet eller halvkugleformet hoved. Som et resultat undergår blandingen større turbulens, når den når forbrændingskammeret, og bliver mere homogen. Tændrørene blev flyttet til midten af cylinderen, hvilket antændte blandingen hurtigere.
Tyske, franske og engelske mærker udstyrer generelt langt de fleste af deres modeller med kompressormotorer, især dem med seks eller flere cylindre, og det er svært at finde naturligt indsugede otte-cylindrede motorer, undtagen i sedaner, der sigter mod mere komfort frem for sportslighed.
Som et eksempel lancerede Porsche for nylig 2011-versionen af 911 GT3, der på trods af at have en naturligt indsuget fire-liters sekscylindret boxermotor genererer 500 hestekræfter takket være en variabel indsugningsmanifold og letvægtskomponenter som f.eks. stempler og plejlstænger.
Italienere har en vane med at anvende motorer med lille volumen, selv i supersportsvogne. Vi kan som eksempel nævne Ferrari 250 GTO, der betragtes som den første supersportsvogn af mærket, som forlod fabrikken med en tre-liters V12-motor. Brændstofsystemet bestod af flere dual-body karburatorer, således at hver karburator tilførte to cylindre, som i tilfældet med denne Ferrari, mens udstødningssystemet var så frit som muligt, uden overdrevne kurver.
Japanske mærker tyer derimod til små volumenblokke og prioriterer kraft ved høje omdrejninger i stedet for drejningsmoment ved lave omdrejninger. Generelt er disse motorer bygget med fire ventiler pr. cylinder, variabel ventiltiming. Toyota Celica og Honda S2000 er klare eksempler på disse egenskaber, da begge har fire-cylindrede 16-ventils motorer med lille volumen variabel ventiltiming (1.henholdsvis 8 og 2,0 liter), men har maksimal effekt over otte tusinde omdrejninger.
“Tuned” komponenter
For nogle år siden var det ret almindeligt at finde mekanikere med speciale i "tuning af motorer".
Disse fagfolk modtog deres kunders biler, ofte direkte fra forhandlerne, og da de allerede vidste, at motorerne på grund af datidens fremstillingsteknikker forlod samlebåndene med lidt mindre af den maksim alt mulige kraft, foretog de ændringer til topstykke, kanaler og ventiler, korrigering af vinkler og fjernelse af grater, udover at efterjustere karburatoren. Med dette var det muligt at opnå gevinster på fem eller ti hestekræfter og omkring et kilogram kraft af drejningsmoment. Ofte havde disse specialister arbejdet i flere år i konkurrencer som f.eks. Stock Car eller i bilfabrikanternes tekniske afdeling, og af denne grund havde de viden om hovedpunkterne i motoren, der kunne rettes, så al kraften var ekstraheret fra motoren og bibeholder køretøjets originalitet.
Som tiden gik, udviklede fremstillingsteknikkerne sig, og dette fik motorerne til at forlade fabrikken med mindre og mindre tolerancer, hvilket begrænsede ændringer.
Slag x diameterforhold
Et af de grundlæggende forhold i en motor er det, der etableres mellem cylinderdiameteren og krumtapakslens slaglængde, for afhængigt af det er det muligt at prioritere moment eller effekt. Dette skyldes, at der er tre mulige konfigurationer:
- Når cylinderdiameteren er mindre end krumtapakslens slaglængde, anses motoren for at være underfirkantet. I denne situation, da stemplet bruger mere tid på at påføre kraft på krumtapakslen, vil drejningsmomentet vises ved lavere omdrejninger og ved højere niveauer. En negativ pointe ved denne konfiguration er, at netop fordi stemplet presses ned i længere tid, så intensiteten af de involverede belastninger stiger i samme forhold som rotationen, ender de med at "ophæve" en del af det genererede drejningsmoment. En anden ulempe er, at de kræver forstærkede komponenter, hvilket betyder større og tungere komponenter. Det er af denne grund, at diesel- eller store motorer sjældent overstiger fem tusinde omdrejninger.
- Når cylinderdiameteren er større end krumtapakslens slaglængde, anser vi motoren for at være over-firkantet. Da anvendelsesområdet for forbrændingskraften bliver større, vil arbejdet med at skubbe cylinderen kræve mindre energi og vil blive udført hurtigere, hvilket øger den frigivne kraft.
Selv om den ofrer drejningsmoment, reducerer intensiteten eller får den til at se ud ved højere omdrejninger, er denne type konfiguration indikeret til motorer med lille volumen, hvor meget høje effektniveauer ønskes. Nuværende Formel 1-motorer når for eksempel, når de testes i laboratoriet, 22 tusinde omdrejninger og er i stand til at generere næsten 1000 hk effekt. Det er værd at huske på, at vi taler om V8-motorer med 2,4 l, med cirka 90 x 40 mm (diameter x slaglængde).
- Når boringen og slaglængden er den samme, kaldes motoren firkantet. I disse tilfælde formår motoren at have en afbalanceret ydelse mellem drejningsmoment og effekt ved mellemhastigheder (mellem 2000 og 4000 o/min). Bilproducenter designer sjældent motorer i denne konfiguration, da det er mere almindeligt at arbejde over eller under dette forhold, afhængigt af de ønskede egenskaber.
Vigtigheden af tændingstidspunkt
Tændingspunktet har en enorm indflydelse på brændstofforbrændingsprocessen og derfor på elproduktionen.
Som I alle ved. i en teoretisk Otto-cyklus lukkes luft/brændstof-blandingen ind, og når stemplet når PMI, lukker indløbsventilen(erne) og kompressionscyklussen begynder. Når man når TDC, affyres tændingsgnisten, hvilket antænder blandingen i kammeret.
Dette er den perfekte teoretiske cyklus, og af denne grund er der ingen motor, der altid fungerer under disse forhold. Tændingssystemet er næsten altid indstillet til at udløse gnisten mellem 9° og 15°, før TDC i tomgang når 40° ved acceleration.
Hvis gnisten opstår tidligere, kan vi opnå effektforøgelse, da blandingen vil have længere tid til at antændes. Hvis tændingstidspunktet er for tidligt, kan det forårsage lav effektivitet eller præ-detonation (når gnisten opstår, begynder nogle punkter i forbrændingskammeret at antænde før resten), hvis kammertemperaturen er for lav eller for høj.
I næste nummer vil vi detaljere andre faktorer, der påvirker motoreffekten.
