Konkurranseforholdet mellom hurtigløpende firetakt og totakt dieselmotorer

(Fra Teknisk ukeblad 9. januar 1958)

Sivilingeniør Ivar B. Stokke - M.N.I.F. (Han var bestyrer av Laboratorium for forbrenningsmotorer ved NTH i Trondheim)

I det etterfolgende er påpekt de faktorer som har avgjorende innflytelse når det gjelder å oppnå en høyest mulig ydelse og lavest mulig tørrvekt og dermed en lavest mulig enhetsvekt (kg/ehk) og en høyest mulig literydelse (ehk/l), særlig for traksjonsmotorer bade av firetakt- og totakttypen. Det er vist ved regneeksempler hvilke forhold som begrenser motorydelsen og motorens omdreiningstall og at den konvensjonelle, hurtiggaende totaktmotoren presterer en hoyere literydelse og en lavere enhetsvekt enn den normaltladede, hurtigg&ende firetakt dieselmotoren. Det er dog päpekt at totakt-motorens byggemate har en avgjorende innflytelse pa motorens enhetsvekt. Dette er vist ved eksempler for utforte firetakt- og totaktmotorer. Derimot er det pävist at den lavtrykks-turboladede, hurtiggaende fire-taktmotoren kan konkurrere med den lavtrykks-over-ladede totaktmotoren med mekanisk drevet lader, spesielt nar det gjelder oppnäelig enhetsvekt og fremfor alt nar det gjelder varmebelastning. Det er dessuten päpekt at varmebelastningen ogsà har innflytelse pá motorens levelengde og pà tidsavstanden mellom nødvendige overhalinger. Det er videre vist at det spesifikke brennoljeforbruket er ca 7 % lavere for den turboladede hurtiggaende firektaktmotoren enn for den hurtigg&ende totaktmotoren med mekanisk drevet lader, og forutsatt at begge motortypene arbeider med en direkte innsproytning av brennoljen.

Særlig ved alle lettbygde dieselmotorer tilstreber en under gitte driftsforhold å oppnå så høy effektiv ydelse pr liter sylindervolum som mulig, så lenge denne fordringen ikke har en for uheldig innflytelse med hensyn til dieselmotorens vedlikehold og leve-tid. En har flere mater à heve dieselmotorens ydelse pa, nemlig:

1) Å nytte et sâ høyt omdreiningstall som mulig.

2) Å nytte totaktmotorer i stedet for firetakt-motorer.

3) Å sørge for at sylindrenes luftfyllingsgrad blir så høy som mulig enten ved en effektiv normal-ladning av sylindrene med luft, hvor dette brukes, eller ved overladning. En høy luft-fyllingsgrad både ved normalladning og spesielt ved overladning av sylindrene, vil begge under ellers like forhold heve dieselmotorens effektive middeltrykk som igjen øker motorydelsen.

4) En kan øke sylinderantallet som alminnelig er begrenset ved rekkemotorer til maks. 8 sylindre, men som for V-motorer kan okes til 12 -16 sylindre uten at motorens byggelengde blir for stor.

Et høyest mulig omdreiningstall passer som kjent best for firetaktmotorer, men er derimot ikke så heldig å bruke for totaktmotorer på grunn av at disse har en forbrenning pr omdreining, som ved et for høyt omdreiningstall vil føre til for høy varmebelastning forutsatt at man ikke har råd til å bruke en større spyle- og ladeluftmengde som igjen som regel vil føre til kostbarere spyle- og lade-luftpumper med et høyere kraftforbruk m. v. Også den begrensede tid som står til rådighet for den hurtiggående totaktmotorens spyle- og ladeprosess stiller seg som regel hindrende i veien for å nytte et for høyt omdreiningstall. I denne henseende er som kjent firetaktmotoren gunstigere stillet enn totaktmotoren fordi tiden som står til disposision for tømmingen og ladningen av arbeidssylindrene ved samme omdreiningstall, er ca to ganger lengre enn for totaktmotoren. Dette fordi firetaktmotoren som kjent har en forbrenning for hver to omdreininger og fordi tømningen og fyllingen av arbeidssylindrene foregar ved selve arbeidsstemplene. Ved en overladning av sylindrene må imidlertid denne ved firetakt trunkmotoren foregå ved en særskilt ladepumpe som enten kan drives mekanisk fra motoren eller som drives av en avgassturbin.

Det siste er mest brukt for litt større og store diesel-motorer, mens en mekanisk drift undertiden blir brukt for små hurtiggående firetaktmotorer.

Med hensyn til muligheten for en god luft-fyllingsgrad for arbeidssylindrene sa kan dette oppnåes såvel ved totaktmotorer som ved firetakt-motorer og i så henseende står begge disse motortyper likt. En skal dog påpeke at ved totakt-motorer som allerede er utstyrt med en spyle-ladepumpe, kan en utfore denne pumpen så stor at den både kan renspyle sylindervolumet og kompresjonsrommet samtidig som sylindrene kan bli overladet med luft for så vidt motorens styring tillater dette. Ved en normaltladet firetaktmotor derimot må en som nevnt, tilbygge motoren en ekstra overladepumpe for å kunne renspyle kompresjonsvolumet og overlade arbeidssylindrene. En effektiv overladning er dog lettere à oppna ved en firetaktmotor, samtidig som bare det lille kompresjonsvolumet skal renspyles for restgasser, som fordrer en mindre spyleluftmengde en ved totakt dieselmotoren samtidig som renspylingsgraden blir større.

Ved enkelte hurtiggående firetakt dieselmotorer med en direkte innspreytning av brennoljen er det imidlertid, som skal vises senere, noen firmer som bl. a. for enkelhets skyld unnlater à renspyle kompresjonsvolumet (φ=1) mens andre firmaer, som også skal vises, bruker en stor overdekning for ventilene og oppnar en full renspyling av kompresjonsvolumet, som byr på mange fordeler. En mangel ved den hurtiggående totaktmotoren sammenlignet med den hurtiggående firetaktmotoren er det dog at en store del av indikatordiagrammets arbeidsflate går tapt som følge av en tidligere og større åpning for avgasskanalene, nemlig 79° til 89° før nedre dødpunkt mot 45° til 55° forutstrømning for hurtiggâende firetakt dieselmotorer. Av det foregdende vil det fremgå at en helst ikke skal konstruere en totakt dieselmotor med for høyt omdreiningstall, både fordi som nevnt, at dette til en viss grad vil vanskeliggjøre spyle-ladeprosessen m. v. samtidig som det frembringer en for høy varmebelastning for dieselmotoren. Konstruerer en f,eks. en totaktmotor for et maks. omdreiningstall på 1800 pr min så vil dette si at denne motoren har 1800 forbrenninger pr min, mens en tilsvarende firetaktmotor med samme omdreiningstall bare har 900 forbrenninger pr min. Det er imidlertid nødvendig for at firetakt diesel-motoren skal bli konkurransedyktig med totakt-motoren å øke dens omdreiningstall til 1,445 ganger så høyt som for totaktmotoren, altså i det foreliggende tilfelle til 2600 o/m, og samtidig som fire-taktmotorens varmebelastning enna blir lavere enn for totaktmotoren, fordi antall forbrenninger pr min for firetaktmotoren herved blir bare 1300 pr min sammentignet med totaktmotorens 1800 pr min. For at firetaktmotoren skulle bli like hoyt varmebelastet ved samme sylindervolum og luft-overskuddstall under forbrenningsprosessen m. V. som totaktmotoren, så måtte den ha et omdreiningstall pa 3600 pr min - et omdreiningstall som en idag sjelden bruker unntatt for små hurtiggående firetakt dieselmotorer for drift av personbiler m. v. Ved det økede omdreningstall på firetaktmotoren vil dens midlere stempelhastighet vokse i sammenligning med totaktmotoren, som uten videre er tillatt, fordi firetaktmotoren har en meget godt kjølt og godt smurt sylinderløpebane uten gjennombrudd av kanaler som ved totaktmotoren, og uten dobbelte vegger som tildels hindrer varmegjennomgangen ved totaktmotoren (omkring spyle- og avgass-beltet). Herav fremgår det at firetakt dieselmotoren i mange henseender er bedre skikket som hurtig-løper enn totakt dieselmotoren. At totakt dieselmotorens ydelse (punkt 2) under ellers like forhold blir høyere enn for den hurtiggående firetakt diesel-motoren kan altså som påpekt, i betydelig grad oppveies bl.a. ved at firetakt dieselmotoren kan nytte et høyere omdreiningstall (punkt 1) enn to-taktsmotoren, og tross dette, spesielt ved en overladning og renspyling av kompresjonsvolumet, vil firetakt dieselmotoren arbeide med en lavere varme-belastning enn totaktmotoren, som er meget viktig. Når det gjelder den hurtiggående totakt diesel-motorens vekt pr ehk, så skulle en tro at denne ville ligge lavere enn for den hurtiggaende firetakt dieselmotoren, men det skal senere vises at dette forhold i høy grad vil vare avhengig av totakt dieselmotorens konstruksjonsmåte. Det samme er tilfellet nar det gjelder firetaktmotorens påståtte mer kompliserte byggemåte enn for totaktmotoren.

Ogsa dette avhenger i høy grad av totakt diesel-motorens konstruksjonsmåte.

Stiller en opp ligningene for den effektive ydelsen Nℯ for firetakt og totakt dieselmotoren, så får en ved et gitt omdreiningstall n og sylindervolum Vʰ l pr syl., samt sylinderantall i og midlere effektivt trykk pℯ kg/cm², for firetakt dieselmotoren

(1)

Og for totakt dieselmotoren

(2)

Settes ifølge hovedligningen for det effektive midlere trykk pℯ

(3)

Og for

(4)

Her er det, som fremgår, regnet med overladning for begge motortypene idet spyleoverladeluftens utnyttelsesgrad ф < 1,0. L₄ og L2 betegner det spesifikke spyleoverladeluftforbruket for over-ladet firetaktmotor, henholdsvis totaktmotor. Konstanten k, blir den samme for begge motortypene. Det samme kan en forelabig regne med for de effektive brennoljevirkningsgradene Mos og 1.3 for dieselmotorer med direkte innsproytning.

Innføres verdiene for Pe₄ og Pe2 fra lign. (3) og (4) i lign. (1) og (2) så finnes

og

Under de foran oppstilte forutsetninger blir forholdet mellom Ne2. og Ne₄

Settes som nevnt foran omdreiningstallet n, for den hurtiggående firetakt dieselmotoren til 1,445 n2 og for sammenlignings skyld

Forutsettes først for oversiktens skyld at det dreier seg om en sammenligning av ydelsene Nℯ for en normaltladet firetakt og totakt dieselmotor, så blir det spesifikke spyleluftforbruket L₄ for fire-taktmotoren lik sylindrenes luftfyllingsgrad λ. For totaktmotoren kan L2 settes til 1,23 m³/m³, når en forutsetter brukt lengdespyling. For firetaktmotoren blir dessuten ф = 1,0 og for totaktmotoren kan ф settes til 0,70, idet en må bruke relativt mye spyleluft for å oppnå en effektiv renspyling av sylindrene og for at ikke varmebelastningen skal bli for stor.

Av samme arsak velger en luftfaktoren a2 = 0,55, det vil si et luftoverskuddstall under forbrenningen for totaktmotoren på 1,82. For firetaktmotoren kan luftfaktoren a₄ under forbrenningen settes høyere, nemlig til 0,59 som tilsvarer et luftoverskuddstall i avgassrøret op 1,7 uten at firetaktsmotoren blir for høyt varmebelastet.

(9)