Quanto puoi andare oltre il quadrato?

Mi chiedo quali siano i fattori limitanti per i rapporti di alesaggio / corsa e quanto un motore può andare oltre la ricerca di giri / min (specificatamente per le motociclette) ...

So che i giri / min sono limitati da una velocità media del pistone di circa 25 m / s e la riduzione della corsa consente un numero di giri più elevato, poiché riduce la velocità del pistone. Molte bici sportive hanno rapporti b / s solo tra 1,6: 1 e 1,8: 1, con velocità del pistone di poco inferiore a 25 m / s. Sembra che le molle delle valvole siano probabilmente il fattore limitante per i giri / min, e impostano semplicemente il rapporto necessario per rimanere sotto i 25 m / s, il che significa che il limite del quadrato non verrebbe raggiunto.

Supponendo che il sistema di valvole potrebbe gestirlo (come desmodromico), cosa limiterebbe il rapporto alesaggio / corsa e quanto in alto potrebbe arrivare? Il rapporto di produzione più elevato che ho trovato è il Desmosecidi RR della Ducati a 2: 1 (86 x 43 mm). Mi chiedo anche perché abbia mantenuto gli stessi 14.000 giri / min degli altri litrebike nonostante avesse una corsa più bassa (circa 17.500 giri / min a 25 m / s), valvole desmo, camme a ingranaggi e un V4 perfettamente bilanciato a 90 gradi.

(Dal punto di vista della cinematica del motore)

L'aumento del rapporto foro-corsa (B: S) ha due potenziali effetti

1. Riduce il gioco tra pistone e testa

   Per mantenere lo stesso rapporto di spostamento e compressione (CR), lo spazio tra il pistone nel punto morto superiore (TDC) e la testa deve ridursi. Questo perché un foro più grande implica una corsa più piccola per lo stesso spostamento.

   Ho schiacciato alcuni numeri per un semplice pistone piatto con dimensioni simili al motore Desmosedici (0,25 l). A 13,5: 1 CR la distanza tra la testata e il pistone è di 3,19 mm, quindi gli ingegneri Ducatisti non hanno davvero molto spazio con cui giocare.

   Ho scricchiolato altri numeri per diversi rapporti da alesaggio a corsa.

   • A B: S 1.6 il gioco sale a 3,70 mm
   • A B: S 2,5 il gioco scende a 2,75 mm

   Potrebbe non sembrare molta differenza, ma è quello che è.

   Non sono qualificato per commentare quanto questo tipo di differenza di gioco può fare per i costi di utensili e produzione.

2. Per mantenere il gioco tra pistone e testa, è necessario ridurre il CR

   Si noti che il CR influisce sull'efficienza termica e, successivamente, sulla coppia e sulla potenza erogata (terrò fuori questa discussione vincoli come l'abbattimento / autoaccensione).

   Crunch alcuni numeri per B: S 2.5:

   Per mantenere una distanza di 3,19 mm al PMS, il CR deve scendere da 13,5 a 11,65.

   Si tratta di una perdita di efficienza del 4-5% circa. A parità di altre condizioni, se il motore originariamente produce 170 CV, dovresti accontentarti di circa 8 cavalli in meno con l'alesaggio aumentato.

Ora si potrebbe combattere la perdita attesa in coppia con regimi più alti, il che porta alla seconda domanda.

Potrebbero esserci molte ragioni per cui gli ingegneri hanno scelto di limitare il contagiri a un certo valore, compresi i limiti di materiale, i requisiti di affidabilità e (possibilmente) i problemi di rotazione. Non è la cinematica a trattenere il limite di giri, è qualcos'altro che è noto solo alla Ducati.

Un altro fattore è un problema di "resistenza dei materiali", combinato con l'aumento di peso di un pistone con foro maggiore.

Le forze alternative al TDC sono enormi e sono il tipo di forza (tensione) che contribuisce alla fatica. Le forze di compressione a BDC sono molto meno un problema in termini di sollecitazioni biella / perno / pistone.

Il peso è un fattore enorme, perché se ricordo che quel vettore viene moltiplicato per il vettore RPM al quadrato , quando si calcolano le forze di tensione nell'area del perno del pistone durante il movimento alternato del PMS. In ogni caso, il peso del pistone è fondamentale, ma lo è anche la forza del pistone.

Detto questo, giuro che ricordo un motore per bici Honda a pistoni ovali che ha fatto girare 20K + RPM, e che è stato quasi 3 decenni fa. Ma non ricordo che il BxS sia gravemente superquare.

Un altro fattore è la geometria della camera di combustione. @Zaid ha già menzionato il gioco pistone-a-testa. Ma man mano che il tuo foro cresce, aumenta anche la superficie della tua camera di combustione, così perderai più calore alle pareti, riducendo l'efficienza.

La riduzione della corsa riduce anche la coppia prodotta dal motore (la forza dell'accensione viene applicata a un braccio più corto), rendendo il motore meno guidabile a bassi regimi.

A regimi più elevati (circa 12.000 giri / min per la maggior parte delle applicazioni), il tempo necessario per l'apertura e la chiusura delle valvole è troppo lungo utilizzando solo la tensione della molla, i motori hanno bisogno di una soluzione ingegneristica per questo, quindi aumenta la complessità e il costo del motore. È fattibile ed è stato fatto, ma un motore ad alto regime sarà sempre più costoso.