Binnebrandenjin

'n Binnebrandenjin oftewel die suier binnebrandenjin is enige enjin wat funksioneer deur brandstof binne in die enjin te verbrand. Daarteenoor bestaan daar ook buitebrandenjins soos die stoomenjin en die Stirling enjins, wat brandstof aan die buitekant van die enjin laat brand. Stralerenjins en gasturbines gebruik ook interne verbranding maar die term 'binnebrandenjin' verwys normaalweg na enjins waar die verbranding met tussenposes plaasvind en waar daar resiprokerende masjinerie teenwoordig is.

Geskiedenis

Francois Issac de Rivaz het die eerste binnebrandenjin in 1807 gebou. Die enjin was egter onprakties vanweë die gebruik van 'n mengsel van waterstof en suurstof as brandstof en as gevolg van gebrekkige kraglewering.

Die eerste patent vir 'n binnebrandenjin is toegeken deur die Verenigde State se patentekantoor aan Samuel Morey in 1826. Dit is een van die X-Patente wat vernietig is in 'n brand in Julie 1836 en is eers weer in 2004 opgespoor.

In 1858, het Jean Lenoir die eerste praktiese binnebrandenjin uitgevind. Dit het op steenkoolgas staatgemaak wat in die silinder ingesuig is aan die begin van elke slag en dan ontsteek is om die suier na die ander kant van die silinder te stoot. Die proses is dan herhaal aan die ander kant van die silinder wat die enjin 'n dubbelslag enjin gemaak het.

In 1867, het Nikolaus Otto die eerste vierslagbinnebrandenjin gebou. Die enjin was meer doeltreffend as die ontwerp van Lenoir en is suksesvol bemark vir industriële doeleindes. Die ontwerp is later verbeter deur Gottlieb Daimler wat gefokus het op die praktiese gebruik van die tegnologie in motorvoertuie met die noemenswaardige byvoeging van 'n petrolvergasser. In 1890, het Wilhelm Maybach die eerste viersilinderbinnebrandenjin gebou. Beide Maybach en Daimler was aanvanklik werknemers by Otto se maatskappy maar het die maatskappy verlaat in 1882 om hulle eie maatskappy te stig.

In dieselfde tydperk is die tweeslagbinnebrandenjin vervolmaak. In 1867 het Sir Dougald Clerk die eerste tweeslagbinnebrandenjin uitgevind. Die ontwerp is later vereenvoudig deur Joseph Day in 1891.

Aanwending

Binnebrandenjins word algemeen aangewend vir beweeglike aandrywingstelsels. Hulle kom voor in voertuie, motorfietse en bote, 'n wye verskeidenheid vliegtuie en lokomotiewe. Die binnebrandenjin is egter met stralerenjins vervang in straalvliegtuie. Binnebrandenjins word ook baie gebruik vir ander industriële toepassings, bv. kragopwekking, stoomopwekking en selfs in ruimtetuie.

Die elektriese enjin kan meeding met die binnebrandenjin vir baie aanwendings van beweegbare aandrywing. In die toekoms mag die elektriese enjin ook kan meeding vir voertuig aandrywing. Tans is die koste van batterye en die gebrek aan bekostigbare aanboord elektriese opwekking die grootste struikelblokke tot hul gebruik in motorvoertuie.

Onderdele

'n Illustrasie van die onderdele van 'n vierslag-enjin

Die onderdele van 'n enjin wissel afhangende van die enjintipe. Vir 'n vierslagenjin, sluit die beduidende onderdele die krukas, een of meer nokaste (magenta en blou) en die suierklep in. 'n Tweeslagenjin kan slegs 'n uitlaat en inlaat hê vir gasse in plaas van 'n klepstelsel. In beide soorte enjins, is daar een of meer silinders (grys en groen) en vir elke silinder is daar 'n vonkprop (donkergrys), 'n suier (geel) en 'n draaimeganisme (pers). 'n Enkele beweging van die silinder deur die suier in 'n opwaartse of afwaartse rigting staan bekend as die slag. Die afwaartse slag wat plaasvind direk na die brandstof-lugmengsel ontplof het, staan bekend as die kragslag.

Werking

Alle binnebrandenjins is afhanklik van die chemiese prosesse genaamd verbranding en ontploffing, wat in wese die reaksie van brandstof met suurstof behels. Sien ook: Stoigiometrie.

Die mees algemene brandstowwe in gebruik vandag bestaan uit koolwaterstowwe en word verkry uit petroleum. Dit sluit in brandstowwe bekend as diesel, petrol en vloeibare petroleumgas. Baie huldig die teorie dat waterstof sulke brandstowwe in die toekoms mag vervang. Die voordeel verbonde aan waterstof is dat die verbranding daarvan slegs water produseer (die hoof nadeel van die gebruik van waterstof is dat daar tans geen metode bestaan om waterstof doeltreffend te produseer in groot genoeg hoeveelhede om binnebrandenjins op groot skaal te kan aandryf nie). In teenstelling met waterstof lewer die verbranding van koolwaterstowwe ook koolsuurgas - 'n groot bydraer tot aardverwarming.

Alle binnebrandenjins is afhanklik, wat ookal die keuse van brandstof, op die effek van beheerde ontploffings, waar die vergaste brandstof reageer met suurstof. Die ontploffingsprodukte (warm gasse) het meer kinetiese energie as die oorspronklike saamgeperste brandstof-lug mengsel (wat 'n groter chemiese energie gehad het). Die kinetiese energie manifesteer homself as 'n hoë temperatuur en druk wat omgeskakel kan word in werk. In 'n resiprokerende enjin, druk die hoëdruk gas, binne in die silinder, die suier afwaarts. Deur die druk af te laat na die kragslag (deur die uitlaatklep oop te maak of deur die gasuitlaat aan die gas bloot te stel in geval van tweeslag enjins) kan die suier weer terugkeer na sy hoogste posisie in die silinder. Die suier kan dan voortgaan na die volgende fase in die siklus (wat wissel afhangende van die tipe enjin). Enige hitte van die ontploffing wat nie na werk omgeskakel is nie is 'n afvalproduk en word vanuit die enjin verwyder deur lug of vloeistofverkoelingstelsels.

Alle binnebrandenjins moet 'n Ontstekingstelsel hê om die verbranding aan die gang te sit. Die meeste enjins gebruik of 'n elektriese of 'n drukverhitte ontstekingsmeganisme.

Elektriese ontstekingstelsels gebruik gewoonlik 'n loodsuurbattery en 'n induksieklos om 'n hoë spanning elektriese vonk te lewer om die brandstof-lug mengsel in die enjin se silinder te ontsteek. Die battery kan herlaai word tydens bedryf deur van 'n alternator wat deur die enjin aangedryf word, gebruik te maak. Drukverhitte ontstekingstelsels gebruik die hitte in die lug wat opgewek word tydens die saampersingsproses om die brandstof te ontsteek wanneer dit ingespuit word.

Klassifikasie

Daar is 'n wye verskeidenheid binnebrandenjins na aanleiding van hulle vele aanwendings. Soortgelyk is daar 'n wye verskeidenheid maniere om binnebrandenjins te klassifiseer waarvan sommiges hieronder gelys word.

Enjinsiklus

Enjins wat gebaseer word op die tweeslagsiklus het twee slae vir elke kragslag en word gebruik in grassnyers, bromponies, buiteboordenjins en sommige motorfietse. Hulle maak oor die algemeen meer geraas, is minder doeltreffend en kleiner as hul vierslag-eweknieë. Enjins wat gebaseer is op die vierslagsiklus (of Otto-siklus) het een kragslag vir elke vier slagte en word gebruik in motorvoertuie, groter bote en vliegtuie. Daar is 'n aantal variasies op die siklusse waarvan die vernaamste voorbeelde die Atkinson- en Millersiklusse is. Dieselenjins word dikwels beskou as 'n vierslagsiklus met 'n drukverhitte ontstekingstelsel, maar die dieselsiklus word dikwels onderskei van die normale Otto-siklus.

Brandstoftipe

Dieselenjins is dikwels swaarder, rasiger maar meer kragtig teen laer toere as die petrolenjins. Hulle is ook meer brandstofdoeltreffend in sommige omstandighede en word dikwels in swaarvoertuie, skepe en sommige lokomotiewe gebruik.

Petrolenjins word in die meeste ander voertuie gebruik insluitende die meeste motorvoertuie, motorfietse en bromponies. Petrol- en dieselenjins produseer beduidende uitlaatgasse. Daar is ook enjins wat loop op waterstof, vloeibare petroleumgas (VPG) en biodiesel.

Silinders

Binnebrandenjins kan enige aantal silinders bevat, met getalle tussen een en twintig die algemeenste. Meer silinders lei tot groter wringkrag maar onvermeidelik tot groter enjins en groter brandstofverbruik.

• Die meeste motorvoertuie se enjins het vier tot agt silinders, met sommige hoë werkverrigtingenjins wat tot tien of twaalf kan hê, en sommige klein motors en lorries wat slegs twee of drie het. In die verlede het party roterige motors soos die DKW en die SAAB 92 tweesilinder-tweeslagenjins gehad.
• Radiale vliegtuigenjins, nou verouderd, het van vyf tot agt en twintig silinders gehad.
• Motorfietse het tipies van een tot vier silinders met 'n paar hoë werkverrigtingsmodelle wat tot ses silinders het.
• Klein toestelle soos kettingsae en huishoudelike grassnyers het tipies net een silinder alhoewel tweesilinder kettingsae tog bestaan.

Ontstekingstelsel

Binnebrandenjins kan geklassifiseer word deur hulle ontstekingstelsels. Vandag gebruik die meeste enjins 'n elektriese of drukverhitte stelsel vir ontsteking. Buitevlam- en warmbuisstelsels is egter ook in die verlede gebruik.

Enjinuitleg

Binnebrandenjins kan geklassifiseer word volgens hulle uitleg wat hulle fisiese grootte en gladheid (met gladder enjins word bedoel minder vibrasies) bepaal. Sommige uitlegte sluit in reguit inlyn of inlyn uitleg, die meer kompakte V-uitleg en die wyer maar gladder plat of bokser-uitleg. Vliegtuigenjins kan ook 'n radiale uitleg aanneem wat effektiewe verkoeling in die hand werk. Meer uitsonderlike konfigurasies soos die "H", "X"-, of "W-uitlegte is al ook ingespan.

Veelvuldige krukas-uitlegte het nie noodwendig 'n silinderkop nodig nie, maar kan in plaas daarvan 'n suier aan elke kant van die silinder hê, die sogenaamde teenoorgestelde suier ontwerp. Die ontwerp is gebruik in die Junkers Jumo 205 dieselaangedrewe vliegtuigenjin, wat twee kruk-asse gebruik het, een aan elke kant van 'n enkele span silinders, dan is daar ook die merkwaardige Napier Deltic driehoekuitleg met 'n kruk-as op elke hoek. Veelvuldige krukas-masjiene is ook gebruik in enkelspanlokomotief-enjins en word nog steeds gebruik vir skeepsvaartenjins, vir aandrywing asook vir hulpgenarators. Die Gnome Rotary enjin wat in verskeie vroeë vliegtuie gebruik is, het 'n span silinders gehad wat radiaal rondom 'n vaste kruk-as uitgelê is.

Enjinkapasiteit

'n Enjin se kapasiteit is die verplasing of veegvolume deur die suiers van die enjin. Dit word algemeen gemeet in liters vir groter enjins en in kubieke sentimeters vir kleiner enjins. Enjins met groter kapasiteite is gewoonlik kragtiger en lewer 'n groter wringkrag by laer toere (opm'e) maar verbruik ook meer brandstof.

'n Enjin se kapasiteit kan, buiten om meer silinders by te voeg om twee ander maniere vergroot word. Die eerste is om die slaglengte te vergroot en die tweede is om die suierdiameter te vergroot. In ieder geval mag dit nodig wees om verdere verstellings te maak tot die brandstofinlaat om die enjin se optimale werkverrigting te verseker.

'n Enjin se genoteerde kapasiteit kan dikwels meer 'n kwessie van bemarking as van ingenieurswese wees. Die Morris Minor 1000, die Morris 1100 en die Austin-Healy Sprite Merk II het almal enjins van dieselfde slaglengte en binnemaat gehad volgens hulle spesifikasies en was afkomstig van dieselfde vervaardiger. Die enjin kapasiteite was egter genoteer as 1000cc, 1100cc en 1098cc respektiewelik in die verkoopsliteratuur en op die voertuie se kentekens.

Ander Klassifikasies

Alle binnebrandenjins is warmte-enjins en daarom het hulle 'n bogrens tot die doeltreffendheid wat hulle kan bereik. Die doeltreffendheid word gedefinieer deur die teoretiese Carnot warmte-enjin. 'n Paar binnebrandenjins wat draaiende in plaas van lineêre suierbeweging gebruik staan bekend as die Wankelenjin, Orbitale enjins of as kwasiturbines.

Werkverrigting

Die hoof maatstaf van 'n binnebrandenjin is die wringkrag wat dit lewer teen enige gegewe spoed. Die spoed van die enjin beteken hier die aantal omwentelinge per minuut wat die enjin maak. Die SI-eenheid vir hoeksnelheid is radiale per sekonde en 'n omskakeling vanaf omwentelinge per minuut kan met die volgende formule verkry word:

$\omega ={\frac {2\pi }{60}}\Omega$

waar $\omega$ die enjin se spoed in radiale per sekonde is, en waar

$\Omega$ die enjin se spoed in omwentelinge per minuut is.

Die verhouding tussen die enjin se wringkrag en spoed kan met die volgende vergelyking bepaal word:

$T=I{\frac {d\omega }{dt}}$

waar $T$ die enjin se wringkrag in Newton meter is, $I$ die draaimomentum van die enjin is en $\omega$ die spoed van die enjin in omwentelinge per minuut is.

As 'n soliede silinder aan die enjin vasgemaak word sal die draaimoment van die silinder eenvoudig 'n funksie wees van sy deursnee en massa. Deur van dié feit en die bogenoemde vergelyking gebruik te maak, is dit moontlik om 'n toestel te bou wat die enjin se wringkrag kan meet - so 'n toestel word 'n dinamometer genoem.

Nadat die enjin se wringkrag gemeet is kan die enjin se kraglewering bereken word met die volgende vergelyking:

$P=T\omega$

waar $P$ die enjin se kraglewering in watts is, $T$ die enjin se wringkrag in Newton meter is, en $\omega$ die spoed van die enjin in radiale per sekonde is.

Deur van 'n eenvoudige omskakelingsfaktor (ongeveer 0.75 kW = 1 Britse perdekrag) gebruik te maak kan die kraglewering ook in perdekrag uitgedruk word.

Kraglewering is 'n nuttige maatstaf vanuit 'n ingenieursoogpunt omdat dit die werktempo wat moontlik is, aandui, alhoewel motorgeesdriftiges sal sê dat dit wringkrag is wat 'n bestuurder "voel". Die rede hiervoor is dat met identiese ladings die wringkrag eweredig is aan versnelling. Dit is moontlik om die werkverrigting van 'n enjin deur enjinverstelling te verbeter. Daar moet egter in ag geneem word dat die ingenieurs 'n balans tref in die tussen die ekonomiese oorwegings, fisiese gewigbeperkinge, vibrasievereistes asook brandstofdoeltreffendheid tydens ontwerp.

Dit is ook belangrik om kennis te neem dat die wringkrag van 'n enjin vergroot kan word deur spoed op te offer deur gebruik te maak van ratverhoudings. Die kraglewering behoort teoreties dieselfde te bly maar in werklikheid word van die krag verloor deur die wrywing tussen die ratte).

'n Aanduiding van 'n enjin se werkverrigting kan verkry word deur die enjin se wringkrag teenoor sy snelheid te plot - dit staan bekend as 'n dinografiek. 'n Voorbeeldgrafiek vir die 2.7 liter 6-silinder enjin wat in die 2004 Porsche Boxster gebruik is, word hieronder aangedui. Neem kennis dat 'n enjinontwerper die piek van die wringkragkurwe omtrent enige plek kan plaas waar hy verkies, afhangende van die enjin se aanwending. A breë, plat wringkragkurwe is ideaal. Ander toepassings soos enjins vir vliegtuie, bote, pompe en genarators het dikwels 'n maksimum wringkrag by 'n baie laer spoed en het 'n skerper kurwe sodat kragewering oor 'n nouer band van bedryfsnelhede gemaksimeer kan word. Die silinderprofiel is hoofsaaklik verantwoordelik vir die vorm van die kragkurwe.