¿Qué tan cuadrado puedes ir?

Me pregunto cuáles son los factores limitantes para las relaciones de diámetro / carrera, y qué tan cuadrado puede ir un motor en la búsqueda de rpm y CV más altas (motocicletas específicamente) ...

Sé que las rpm están limitadas por una velocidad promedio del pistón de aproximadamente 25 m / s, y la reducción de la carrera permite mayores rpm, ya que disminuye la velocidad del pistón. Muchas bicicletas deportivas tienen una relación b / s de solo 1.6: 1 a 1.8: 1, con velocidades de pistón de menos de 25 m / s. Parece que los resortes de la válvula son probablemente el factor limitante para las rpm, y solo establecen la relación tan alta como sea necesario para permanecer por debajo de 25 m / s, lo que significa que no se alcanzaría el límite por encima del cuadrado.

Suponiendo que el sistema de válvulas pueda manejarlo (como desmodrómico), ¿qué limitaría la relación diámetro / carrera y qué tan alto podría llegar? La relación de producción más alta que pude encontrar es Desmosecidi RR de Ducati a 2: 1 (86 x 43 mm). También me pregunto por qué mantuvo las mismas 14,000ish rpm que otras bicicletas ligeras a pesar de tener una carrera más baja (alrededor de 17,500 rpm a 25 m / s), válvulas desmo, levas geardriven y un V4 de 90 grados perfectamente equilibrado.

(Desde una perspectiva cinemática del motor)

El aumento de la relación diámetro / carrera (B: S) tiene dos efectos potenciales

1. Reduce la holgura del pistón a la cabeza

   Para mantener el mismo desplazamiento del pistón y la relación de compresión (CR), el espacio entre el pistón en el punto muerto superior (TDC) y la cabeza debe ser más pequeño. Esto se debe a que un diámetro mayor implica una carrera más pequeña para el mismo desplazamiento.

   Apreté algunos números para un pistón plano simple con dimensiones similares al motor Desmosedici (0.25 l). A 13.5: 1 CR, el espacio libre entre la culata y el pistón es de 3.19 mm, por lo que los ingenieros de Ducatisti realmente no tienen mucho espacio para jugar.

   Crují algunos números más para diferentes proporciones de diámetro por carrera.

   • En B: S 1.6, el espacio libre sube a 3.70 mm
   • En B: S 2.5, el espacio libre cae a 2.75 mm

   Puede que no parezca mucha diferencia, pero es lo que es.

   No estoy calificado para comentar cuánto puede significar este tipo de diferencia en el despacho para los costos de herramientas y fabricación.

2. Para mantener el espacio entre el pistón y la cabeza, debe reducir la RC

   Tenga en cuenta que CR afecta la eficiencia térmica y, posteriormente, el par y la potencia de salida (mantendré restricciones como el golpeteo / encendido automático fuera de esta discusión).

   Crunched algunos números para B: S 2.5:

   Para mantener un espacio libre de 3.19 mm en TDC, el CR debe caer de 13.5 a 11.65.

   Eso es aproximadamente una pérdida de eficiencia del 4-5%. Todo lo demás igual, si el motor originalmente genera 170 hp, tendrías que conformarte con unos 8 caballos menos con el mayor diámetro.

Ahora se podría combatir la pérdida esperada de torque con mayores revoluciones, lo que lleva a su segunda pregunta.

Podría haber muchas razones por las cuales los ingenieros optaron por limitar el cuentarrevoluciones a un cierto valor, incluidos los límites de material, los requisitos de confiabilidad y (posiblemente) las preocupaciones dinámicas. No es que la cinemática frene el límite de revoluciones, es algo más que solo Ducati conoce.

Otro factor es un problema de "resistencia de los materiales", combinado con el aumento de peso de un pistón de mayor diámetro.

Las fuerzas recíprocas en TDC son enormes, y son el tipo de fuerza (tensión) que contribuye a la fatiga. Las fuerzas de compresión en BDC son mucho menos un problema en términos de tensiones de biela / pasador / pistón.

El peso es un factor enorme, porque si recuerdo, ese vector se multiplica por el vector RPM que se eleva al cuadrado , al calcular las fuerzas de tensión en el área del pasador del pistón durante la reciprocidad de TDC. En cualquier caso, el peso del pistón es crítico, pero también lo es la resistencia del pistón.

Dicho esto, juro que recuerdo un motor de bicicleta Honda de pistón ovalado que aceleró 20K + RPM, y eso fue hace casi 3 décadas. Pero no recuerdo que el BxS sea excesivamente cuadrado.

Otro factor es la geometría de la cámara de combustión. @Zaid ya mencionó el espacio libre del pistón a la cabeza. Pero a medida que crece la perforación, también lo hace el área de la superficie de la cámara de combustión, por lo que perderá más calor en las paredes, reduciendo la eficiencia.

La reducción de la carrera también reduce el par producido por el motor (la fuerza del encendido se aplica a un brazo más corto), lo que hace que el motor sea menos manejable a menos rpm.

A RPM más altas (alrededor de 12,000 rpm para la mayoría de las aplicaciones), el tiempo que tardan las válvulas en abrirse y cerrarse es demasiado largo usando solo la tensión del resorte, los motores necesitan una solución de ingeniería para esto, por lo tanto, aumenta la complejidad y el costo de motor. Es factible y ya está hecho, pero un motor de altas revoluciones siempre será más caro.