– Mittlerer effektiver Bremsdruck –

Wir haben die Themen Thermischer Wirkungsgrad und volumetrischer Wirkungsgrad als Methoden zur Schätzung des Leistungspotenzials einer bestimmten Motorkonfiguration vorgestellt.

Der mittlere effektive Bremsdruck (BMEP) ist ein weiterer sehr wirksamer Maßstab für den Vergleich der Leistung eines Motors eines bestimmten Typs mit einem anderen desselben Typs und für die Bewertung der Angemessenheit von Leistungsansprüchen oder -anforderungen.

Die Definition von BMEP ist: Der durchschnittliche (mittlere) Druck, der, WENN er bei jedem Arbeitstakt gleichmäßig von oben nach unten auf die Kolben ausgeübt würde, die gemessene (Brems-) Leistung erzeugen würde.

Bitte beachten Sie, dass BMEP rein theoretisch ist und NICHTS mit TATSÄCHLICHEN ZYLINDERDRÜCKEN zu tun hat. Es ist einfach ein Werkzeug, um die Effizienz eines bestimmten Motors bei der Erzeugung von Drehmoment aus einem bestimmten Hubraum zu bewerten.

Wenn Sie sich die Gleichungen 8-a und 8-b unten ansehen, können Sie leicht erkennen, dass BMEP einfach das Drehmoment pro Kubikzoll Hubraum ist, multipliziert mit einer Konstanten. Tatsächlich verwenden viele talentierte Mitarbeiter im Motorendesign- und Entwicklungsgeschäft derzeit Drehmoment pro Kubikzoll („Torque Ratio“) anstelle von BMEP, wodurch dieser langwierige Multiplikationsprozess vermieden wird.

Wenn Sie das Drehmoment und den Hubraum eines Motors kennen, ist eine sehr praktische Methode zur Berechnung des BMEP:

( Gleichung 8-a, 4-Takt-Motor)

( Gleichung 8-b, 2-Takt-Motor)

(WENN Sie Druckwerte in Bar anstelle von PSI bevorzugen, teilen Sie einfach PSI durch 14,5)

(WENN Sie an der Ableitung dieser Beziehungen interessiert sind, wird dies am Ende dieser Seite erläutert.)

Ein Drehmoment von 1,0 lb-ft pro Kubikzoll Hubraum in einem 4-Takt-Motor entspricht einem BMEP von 150,8 psi. In einem 2-Takt-Motor entspricht das gleiche Drehmoment von 1,0 lb-ft pro Kubikzoll einem BMEP von 75,4 psi. (Die Ableitung dieser Beziehung ist am Ende dieser Seite angegeben.)

Die Diskussion auf dem Rest dieser Seite ist in Bezug auf Viertaktmotoren, aber es gilt gleichermaßen für Zweitaktmotoren, wenn Sie einfach ersetzen 75.4 überall sehen Sie 150.8.

Dieses Tool ist äußerst praktisch, um die Leistung zu bewerten, die für einen bestimmten Motor beansprucht wird. Zum Beispiel machen die „Eckventil“ Lycoming IO-360 (200 PS, 360 CID) und IO-540 (300 PS, 540 CID) Motoren ihre Nennleistung bei 2700 U / min. Bei dieser Drehzahl (2700) erfordert die Nennleistung 389 lb-ft (200 PS) bzw. 584 lb-ft (300 PS) Drehmoment. (Wenn Sie diese Berechnung nicht verstehen, KLICKEN SIE HIER)

Aus diesen Drehmomentwerten ist leicht ersichtlich (aus Gleichung 8-a oben), dass beide Motoren bei einer BMEP von etwa 163 PSI (11,25 bar oder einem „Drehmomentverhältnis“ von 1,08 lb-ft pro Kubikzoll) bei Spitzenleistung arbeiten. Der BMEP bei maximalem Drehmoment ist etwas größer.

Für einen langlebigen (in einem Flugzeug-Referenzrahmen), natürlich angesaugten, SI (Spark Ignition) benzinbetriebenen Zweiventil-Pro-Zylinder-Schubstangenmotor ist ein BMEP über 204 PSI (14 bar, Drehmomentverhältnis von 1,35) ziemlich schwierig zu erreichen und erfordert ein ernsthaftes Entwicklungsprogramm und sehr spezialisierte Komponenten.

Es ist erwähnenswert, dass ein moderner CI-Saugmotor (Selbstzünder) problemlos 15 bar BMEP erzeugen kann und mehrere CI-Straßenmotoren mit Turbolader routinemäßig 20,5 bar überschreiten. Es ist hilfreich, sich daran zu erinnern, dass BMEP ein nützliches Werkzeug zum Vergleichen und Bewerten ähnlicher Motortypen ist.

Schauen wir uns zum Vergleich die Motoren an, von denen allgemein angenommen wird, dass sie den Höhepunkt der Motorleistung darstellen: Formel-1 (Grand Prix).

Ein F1-Motor ist speziell gebaut und im Wesentlichen uneingeschränkt. Für die Saison 2006 erforderten die Regeln einen 90 ° V8-Motor mit 2,4 Litern Hubraum (146,4 CID) mit einer maximalen Bohrung von 98 mm (3,858) und einem erforderlichen Bohrungsabstand von 106,5 mm (4,193). Der resultierende Hub, um 2,4 Liter zu erreichen, beträgt 39,75 mm (1.565) und ist mit einer 180° Kurbelwelle ausgeführt. Die typische Stangenlänge beträgt ungefähr 102 mm (4,016 Zoll) für ein Stangenhubverhältnis von etwa 2,57.

Diese Motoren sind typischerweise ein 4-Ventil-pro-Zylinder-Layout mit zwei obenliegenden Nocken pro Bank und pneumatischen Ventilfedern. Zusätzlich zu den wenigen oben genannten Einschränkungen gibt es die folgenden zusätzlichen Einschränkungen: (a) keine Berylliumverbindungen, (b) keine MMC-Kolben, (c) keine Ansaugrohre variabler Länge, (d) ein Injektor pro Zylinder und (e) die Anforderung, dass ein Motor zwei Rennwochenenden hält.

Am Ende der Saison 2006 liefen die meisten dieser F1-Motoren im Renntrimm bis zu 20.000 U / min und leisteten in der Nähe von 750 PS. Ein Motor, für den ich die Zahlen habe, machte einen Spitzenleistungswert von 755 PS bei erstaunlichen 19.250 U / min. Bei einer Spitzenleistung von 755 PS beträgt das Drehmoment 206 lb-ft und die Spitzenleistung BMEP würde 212 psi betragen. (14,63 bar). Das maximale Drehmoment von 214 lb-ft trat bei 17.000 U / min für einen BMEP von 220 psi (15,18 bar) auf. Es kann kein Argument dafür geben, dass 212 psi bei 19.250 U / min wirklich erstaunlich sind.

Schauen wir uns jedoch einige erstaunliche Haushaltstechnologien an.

Der NASCAR CUP Race Engine ist ein stark eingeschränktes Triebwerk, das angeblich von „Produktionskomponenten“ abgeleitet ist, obwohl ab 2010 alle 4 Motoren, die auf dieser Ebene konkurrieren (Chevy, Dodge, Ford, Toyota), speziell gebaute Rennmotoren sind, die speziell für NASCARs Regelbuch entwickelt wurden.

Laut Vorschrift haben CUP-Motoren einen maximalen Hubraum von 358 CI (5,87 L). Sie müssen einen gusseisernen 90 ° V8-Block mit einem Bohrungsabstand von 4.500 Zoll und einer 90 ° Stahlkurbelwelle verwenden. Die Zylinderköpfe sind speziell entwickelt und hochentwickelt, begrenzt auf zwei Ventile pro Zylinder, spezifische Ventilwinkel, spezifische Anschlussbodenhöhen usw.. Die Ventile werden von einer einzigen, blockmontierten, flachen Stößel-Nockenwelle (das ist richtig, noch keine Rollen ab 2014; aber sie wechselten zu Rollennockenfolgern für die Saison 2015) und einem Schubstange / Kipphebel / Schraubenfeder-Ventiltrieb. Es wird weiter durch die Anforderung an einen einzelnen Vierzylinder-Vergaser (bis 2011) und jetzt (ab 2012) durch einen 4-Zylinder-Vergaser-ähnlichen Drosselklappengehäuse und individual Runner EFI gehumpelt. Elektronisch gesteuerte Zündung ist erlaubt (ab 2012), und es gibt Mindestgewichtsanforderungen für die Pleuel und Kolben. Weitere Details zu diesen Motoren finden Sie HIER.)

Wie funktionieren diese CUP-Motoren? Am Ende der Saison 2014 produzierten die Motoren eines großen NASCAR-Motorenherstellers in der Nähe von 880 PS bei etwa 9000 U / min und sie arbeiten mit einer maximalen Renndrehzahl in der Nähe von 9400 U / min.

Bedenken Sie die Tatsache, dass für die Erzeugung von 880 PS bei 9000 U / min ein Drehmoment von 513 lb-ft erforderlich ist, was einem BMEP mit Spitzenleistung von fast 216 PSI entspricht (14.92 bar, Drehmomentverhältnis 1,43). Das maximale Drehmoment für denselben Motor betrug typischerweise etwa 535 lb-ft bei 7800 U / min für einen maximalen BMEP von über 226 psi (15,6 bar, Drehmomentverhältnis von 1,50).

DAS ist wirklich erstaunlich.

(Jetzt schweife ich kurz ab.

Es ist sehr bedauerlich, dass die NASCAR Braintrust für die Saison 2015 beschlossen hat, diese erstaunlichen Motoren gesetzlich zu verbieten. Für die Saison 2015 werden dieselben Motoren mit einem „konischen Abstandshalter“ zwischen dem Drosselklappengehäuse und dem Ansaugplenum ausgestattet. Dieser Abstandshalter ist kaum mehr als eine ausgefallene Drosselplatte, die die Luftmenge, die der Motor aufnehmen kann, weiter begrenzt. Diese Regeländerung reduzierte die Motorleistung sofort auf rund 725 PS.

Und während die NASCAR-Funktionäre über die „Reduzierung der Rennkosten“ plappern, hat diese Regeländerung einen weiteren enormen Aufwand an R & D-Geld erfordert, um ein neues Motorpaket zu entwickeln (Brennkammer, Anschlüsse, Verteilerkrümmer, Plenumkonfiguration, Nockenprofile, Ventilfedern usw. etc. usw.), um die Leistung dieses neuen (anderen) Motorpakets zu optimieren.)

OK, jetzt zurück zu BMEP……..

Vergleichen Sie die F1-Motorzahlen mit den CUP-Motorzahlen, um ein lebendigeres Bild davon zu erhalten, wie schlau diese CUP-Engine-Typen sind. Berücksichtigen Sie außerdem die Tatsache, dass (a) für jedes Rennmeeting, das mindestens zwei Trainingseinheiten, ein Qualifying und das Rennen mit einer Länge von bis zu 600 Meilen umfasst, ein einziger Motor verwendet werden muss und (b) die Penske-Dodge-Motoren, die die Meisterschaft 2012 gewonnen haben, während der gesamten Saison 2012 mit 38 Rennen keinen einzigen Motorschaden erlitten haben.

Davon abgesehen erreichen die jüngsten Gewinner des jährlichen Engine Masters-Wettbewerbs über 16,9 bar BMEP (245 psi, Drehmomentverhältnis von 1,63! ) mit Saugmotor, Benzin, SI, 2-Ventil-Schubstangenmotor. Die Hersteller geben jedoch freimütig zu, dass diese Motoren aufgrund der sehr aggressiven Nockenprofile, der Wippverhältnisse, der Bruttoventilhubzahlen und anderer Kompromisse zur Maximierung des BMEP eine relativ kurze Lebenserwartung haben.

HINWEIS: Am 12. Januar 2015 korrigierten wir den folgenden Absatz, dank des klugen Lesers Dan Nicoson, der mich darauf hinwies, dass Blantons Motorangebot ein 3,8-Liter-Ford V6 war, kein 2,8-Liter-Motor, wie zuvor in der folgenden kurzen Schimpftirade über absurde Leistungsansprüche angegeben.

Um den Wert von BMEP (oder torque per cubic inch) als Bewertungstool für Motorschäden zu schätzen, nehmen wir an, jemand bietet Ihnen an, Ihnen eine 3 zu verkaufen.8 liter (232 Kubikzoll) Ford V6, der angeblich 290 PS bei 5000 U / min leistet und mit serienmäßigen Aftermarket-Aluminiumköpfen, einem serienmäßigen Ansaugkrümmer und einer „Performance“ -Nockenwelle ausgestattet ist.

Sie könnten die Angemessenheit dieses Leistungsanspruchs bewerten, indem Sie (a) berechnen, dass 290 PS bei 5000 U / min etwa 305 lb-ft Drehmoment (290 x 5252 ÷ 5000) erfordern, und (b) dass 305 lb-ft. ein Drehmoment von 232 Kubikzoll erfordert einen BMEP von 198 PSI (150,8 x 305 ÷ 198) oder ein Drehmomentverhältnis von 1,31.

Sie würden diese Behauptung dann als absurd abtun, weil Sie wissen, dass, wenn ein Typ die Magie tun könnte, die erforderlich ist, um ein Drehmomentverhältnis von 1,31 mit dem OEM-Kopfdesign, dem OEM-Ventiltriebdesign und einem einzigen zentral angeordneten Vergaser herzustellen, er als einer der herausragenden Motorgurus der Welt bekannt wäre. Sie könnten auch spekulieren, dass eine neue Einheit der beworbenen Leistung („Blantonpower“) entwickelt wurde.

Zum weiteren Vergleich, um einen BMEP-Wert von 214 PSI (gemessenes Drehmoment von 583 lb-ft bei einem Drehmomentverhältnis von 1.42, ) aus unserem GEN-1-Flugzeug V8 mussten wir extrem gut entwickelte, hochfließende Hochgeschwindigkeitsköpfe, ein speziell entwickeltes abgestimmtes Einlass- / Plenumsystem mit gleichem Lauf, ein speziell entwickeltes Kraftstoffeinspritzsystem, sehr gut entwickelte Rollennockenprofile und Ventiltriebskomponenten sowie eine Vielzahl sehr spezieller Komponenten verwenden, die wir entworfen und hergestellt haben.

ABLEITUNG DER BMEP-GLEICHUNGEN

Die Definition von BMEP (Brake Mean Effective Pressure), wie zuvor oben auf dieser Seite angegeben, lautet: “ der mittlere (mittlere) Druck, der, wenn er den Kolben gleichmäßig von oben nach unten jedes Krafthubs auferlegt würde, die gemessene (Brems-) Leistung erzeugen würde“. BEACHTEN SIE ERNEUT, dass BMEP rein theoretisch ist und nichts mit dem tatsächlichen Zylinderdruck zu tun hat.

Wenn wir die Definition in mathematische Form bringen, erhalten wir:,

HP = BMEP x kolben bereich x (hub/12) x RPM x power-impulse-pro-revolution/33000

Arbeits durch diese gleichung in bezug auf eine einzelne zylinder motor, BMEP (in PSI) multipliziert durch kolben bereich (platz zoll) gibt die mittlere kraft angewendet, um die kolben während der power hub. Multipliziert man diese Kraft mit dem Hub (Zoll geteilt durch 12, wodurch sich die Einheiten in Fuß ändern), erhält man die Nettoarbeit (in Fuß-Pfund), die der Kolben erzeugt, der sich von OT zu BDC bewegt, wobei der BMEP während dieser Bewegung darauf ausgeübt wird. (Dies ist eindeutig kein Versuch, die Realität in der Brennkammer darzustellen. Wie bereits erwähnt, ist BMEP einfach ein praktisches Werkzeug zum Vergleichen und Bewerten der Motorleistung.)

Als nächstes wird die Leistung als Arbeit pro Zeiteinheit definiert. Wenn Sie also die ARBEIT (ft-lbs) mit der Drehzahl multiplizieren und dann mit Leistungsimpulsen pro Umdrehung (PPR) multiplizieren, erhalten Sie die Netto- (Brems-) Leistung (in diesem Beispiel Fuß-Pfund pro Minute), die von einem Zylinder erzeugt wird. (In einem Einzylindermotor ist PPR entweder 1 für einen 2-Takt-Motor oder 1/2 für einen 4-Takt-Motor.

Da eine PFERDESTÄRKE als 33.000 Fuß-Pfund-Arbeit-pro-Minute definiert ist, dividiert die Arbeit (ft-lbs) durch 33.000 ändert die Einheiten von Fuß-Pfund-pro-Minute zu HP.

Da klar ist, dass Kolbenfläche x Hub der Hubraum eines Zylinders (in Kubikzoll) ist, kann die Gleichung vereinfacht werden zu:

PS = BMEP x (Hubraum / 12) x U / min x Leistungsimpulse pro Umdrehung / 33000

PS ist auch definiert als:

PS = Drehmoment x U / min / 5252

Das Einsetzen dieser Gleichung in die vorhergehende ergibt:

Drehmoment x RPM / 5252 = BMEP x (Verdrängung / 12) x RPM x PPR / 33000

Die Reduzierung dieser Gleichung ergibt:

BMEP = (Drehmoment x 12 x 33.000 / 5252) / (Verdrängung x PPR)

Auswertung der Konstanten, 12 x 33.000 / 5252 = 75,39985, was sicher mit 75,4 angenähert werden kann. Eine weitere Vereinfachung der Gleichung ergibt:

BMEP = (Drehmoment x 75.4) / (Hubraum x PPR)

Es ist auch klar, dass die Gleichung, da sie PPR (Leistungsimpulse pro Umdrehung) enthält, für Motoren mit einer beliebigen Anzahl von Zylindern gilt, indem der Gesamthubraum, das Gesamtbremsmoment und das korrekte PPR verwendet werden.

Angenommen, Sie haben 14,45 lb-ft Drehmoment von einem 125 ccm (7,625 CID) Einzylinder-2-Takt-Motor bei 12.950 U / min gemessen, hätten Sie 35,63 PS (285 PS pro Liter, in der Tat ziemlich beeindruckend). Der BMEP wäre:

BMEP = (14,45 x 75,4) / (7,625 x 1) = 142,9 psi (9,85 bar)

Dieser BMEP (9.85 bar) ist eine beeindruckende Zahl für einen 2-Takt-Motor mit Kolbenanschluss.

Angenommen, jemand behauptete, dasselbe Drehmoment von einem Einzylinder-4-Takt-Motor mit 125 ccm Hubraum bei 12.950 U / min zu erzeugen. Die Leistung wäre die gleiche (35,63 PS oder 285 PS pro Liter). Die Leistungsdichte würde nicht unbedingt Alarme auslösen (die 2,4-Liter-F1-V8-Motoren von 2008 näherten sich 315 PS pro Liter), aber der erforderliche BMEP würde dazu führen, dass diese Behauptung als höchst fragwürdig angesehen wird:

BMEP = (14,45 x 75,4) / (7,625 x 1/2) = 285,8 psi (19,7 bar)

Dieser BMEP (19.7 bar) ist eindeutig absurd für einen 4-Takt-Benzinmotor mit Fremdzündung (SI). Professor Gordon Blair erklärte, dass das Überschreiten von 15 bar BMEP in einem N / A-Motor praktisch unmöglich ist, aber das war vor ein paar Jahren. NASCAR Cup „Open“ Motoren, vor der „kostenreduzierenden“ Tapered Spacer Idiotie, näherten sich 15,6 bar.

ZWEI- UND VIERTAKTUNTERSCHIEDE

Der Unterschied bei der Berechnung des BMEP für 2- und 4-Taktmotoren beträgt eindeutig nur den Faktor 2, da ein 2-Takt-Zylinder einmal pro Umdrehung abfeuert, während ein 4-Takt-Motor nur einmal pro zwei Umdrehungen abfeuert. Die Gleichungen können weiter vereinfacht werden, indem dieser PPR-Faktor in die Konstante 75,4 einbezogen und PPR aus der Gleichung eliminiert wird, wodurch die Konstante für einen 4-Takt-Motor 2 x 75,4 = 150,8 wird. Daraus ergeben sich die oben in diesem Artikel gezeigten Gleichungen, die den vollen Hubraum und das gemessene Drehmoment verwenden.

( Gleichung 8-a, 4-Takt-Motor)

( Gleichung 8-b, 2-Takt-Motor)