forbrændingsmotor

Forbrændingsmotorens historie går helt tilbage til 1600-t., idet den hollandske fysiker C. Huygens i årene 1673-80 fremstillede en atmosfærisk krudtmotor, hvor krudtladningen drev et stempel op i en cylinder, indtil det blev stoppet af tyngdekraften, som derefter udførte arbejdsslaget på stemplet. Motoren var dog uanvendelig, da krudtladningen ikke kunne udskiftes hurtigt nok.

Mange opfindere prøvede i de næste 200 år at konstruere en forbrændingsmotor, men det blev kun til fantasiprojekter. Først ca. 1860 fremkom den første brugbare forbrændingsmotor konstrueret af franskmanden J. Lenoir. Den var gasdrevet og var en kopi af en dampmaskine, hvor luft-gas-ladningen blev antændt af et elektrisk tændrør. Motoren var uøkonomisk, men blev bygget i størrelser op til 8,8 kW.

I 1867 fremstillede de to tyskere N.A. Otto og E. Langen en lodretstående gasmotor, hvor stemplet i de første 10% af bevægelsen opad sugede en gas-luft-blanding ind, som derefter blev antændt og drev stemplet med en påmonteret tandstang opad, indtil atmosfæretrykket stoppede bevægelsen.

Derefter indkobledes et svinghjul, og i forbindelse med afkølingen af cylinderen frembragte tyngdekraften arbejdsslaget, hvis energi overførtes til svinghjulet. Kort før stemplet nåede i bund, åbnedes for udstødningen, så processen kunne gentages, når bunden var nået. Motoren vandt stor udbredelse og havde en god brændstoføkonomi.

Den første encylindrede benzinmotor med firetakts cyklus blev konstrueret af tyskeren Gottlieb Daimler i 1884. Den var meget lettere end de tidligere motorer og havde et højere omløbstal: 500-800 o/min mod tidligere 150-180 o/min.

I 1893 fremsatte tyskeren Rudolf Diesel sin teori for en rationel varmemotor, der skulle erstatte dampmaskinerne. Han var den første ingeniør, der konstruerede en forbrændingsmotor på grundlag af teoretiske beregninger, men han erkendte, at det ikke var praktisk muligt at opnå det beregnede maksimaltryk på 250 bar. Forbrændingsprocessen blev derfor ændret til at foregå ved konstant tryk.

Det lykkedes i 1897 Diesel at lave den første brugbare 13 kW-motor, der var vandkølet, encylindret og med en virkningsgrad, der var væsentlig bedre end dampmaskinernes. Siden er dieselmotoren udviklet, så den kan udnytte den tilførte brændstofenergi med en virkningsgrad over 50%.

Forbrændingsmotoren er opbygget med en cylinder, hvori et stempel kan bevæges op og ned mellem topdødpunkt (TDP) og bunddødpunkt (BDP). TDP betegner stemplets stilling fjernest fra krumtapakslen, og BDP stillingen nærmest krumtapakslen. Stemplet er via stempelpinden forbundet med plejlstangen, der overfører stemplets frem- og tilbagegående bevægelse til krumtapakslens omdrejende bevægelse.

Krumtappen er lejret i hovedlejer og er som regel for enden af motoren forsynet med et svinghjul, som tjener til at gøre motorens omdrejende bevægelse mere jævn. Cylinderen kan være vand- eller luftkølet for at holde materialets temperatur på et tilladeligt lavt niveau. Krumtapakslen er omsluttet af krumtaphuset, som normalt i bunden rummer motorens smøreoliebeholdning til smøring af lejer og cylindre.

Oven på cylinderen sidder cylinderdækslet (topstykket), som også er kølet og ved ventilstyrede motorer indeholder indsugnings- og udstødningsventiler med tilhørende kanaler. Der er endvidere anbragt et tændrør på benzinmotorer, en indsprøjtningsventil på dieselmotorer og en startluftventil på store dieselmotorer. De sidstnævnte startes ved at lede trykluft ind over stemplerne, så de tvinges nedad. Benzinmotorer og små dieselmotorer startes med en elektrisk startmotor, som udkobles automatisk, efter at motoren er kommet i omdrejninger.

Fra krumtapakslen er der ved ventilstyrede motorer et tandhjuls-, tandrems- eller kædetræk op til styreakslen (knastakslen), hvorpå der sidder knaster til bevægelse af ventilerne. Forbindelsen fra knast til ventil udgøres af en stødstang med styr og vippearm eller ved moderne benzinmotorer direkte fra en overliggende knastaksel via en hydraulisk spillerumsudligner til ventilen. Den hydrauliske spillerumsudligner kompenserer for varmeudvidelser i materialerne, så ventilen altid kan lukke tæt.

I store skibsdieselmotorer er stødstangen erstattet med en hydraulisk overførsel af bevægelsen. Skruefjederen, der ved mindre motorer sørger for at lukke ventilen, er erstattet af en luftfjeder.

Forbrændingsmotorer inddeles i typer efter antallet af takter (slag) i hver arbejdsperiode, idet en takt er bevægelsen fra TDP til BDP eller fra BDP til TDP, dvs. en bevægelse svarende til en drejning på 180° af krumtapakslen (180 °KV).

Totaktsmotoren har takterne:

Kompressionsslag fra BDP til TDP Ekspansionsslag fra TDP til BDP, således at dens arbejdscyklus er én omdrejning af krumtapakslen.

Firetaktsmotoren har takterne:

Indsugningsslag fra TDP til BDP Kompressionsslag fra BDP til TDP Ekspansionsslag fra TDP til BDP Udstødsslag fra BDP til TDP, således at dens arbejdscyklus er to omdrejninger af krumtapakslen.

Der er forskellige processer for benzin- og gasmotorer og for dieselmotorer.

Som brændstof i forbrændingsmotorer anvendes naturgas eller mineralsk olie, som efter udvindelsen raffineres til benzin, dieselolie eller den mere urene og tyktflydende tunge dieselolie, der især bruges i store skibsdieselmotorer. Anvendelsen af naturgas vanskeliggøres af, at gassen fylder meget. Derfor bruges den mest til stationære forbrændingsmotorer i nærheden af gasfelter, hvor rørledninger kan fremføre den direkte til forbrugsstedet. Skal naturgas leveres flydende ved almindelige temperaturer, kræves en tryktank, der kan modstå 165 bar.

Mineralsk olie og naturgas indeholder bl.a. kulstof, hydrogen og for oliens vedkommende en ringe mængde svovl. Ved fuldstændig forbrænding dannes kuldioxid, vand og svovlsyre samtidig med, at der frigøres energi. Hvis forbrændingen er ufuldstændig, dannes også giftig kulmonoxid og sodpartikler, og energiudnyttelsen af brændstoffet er ringere.

Det er vanskeligt at opnå en fuldstændig forbrænding i en forbrændingsmotor, fordi det kræver, at alle de indgående atomer og molekyler kan forenes på den rigtige måde i den brøkdel af et sekund, forbrændingen varer. Dieselmotorer tilføres derfor normalt mere luft end nødvendigt til den fuldstændige forbrænding. Luftoverskuddet kan være i størrelsesordenen 1-3,5 gange den teoretisk nødvendige luftmængde, som er ca. 14 kg luft pr. kg dieselolie.

Ved benzinmotorer må der imidlertid tilsættes et overskud af benzin i forhold til den luftmængde, der kræves til fuldstændig forbrænding, for at forbrændingsflammen ikke skal slukke; normalt kan der kun tilsættes 0,6-1 gange den nødvendige luftmængde. I moderne motorer imødegås dette problem ved at blande benzin og luft bedre. Det gøres ved at sætte den indsugede luft i rotation i cylinderen og ved brug af flere ventiler pr. cylinder.

Moderne bilmotorer er således forsynet med to indsugningsventiler og to udstødningsventiler, som endvidere kan bringes til at bevæge sig på forskellige tider, hvorved rotationen i cylinderen fremmes, og forbrændingen bliver renere. Luftmængden kan derved sættes op til ca. 1,4 gange den til fuldstændig forbrænding nødvendige mængde. Disse kaldes lean-burn-motorer (motorer med mager blanding). En særlig udgave af denne type kan indsuge en mager blanding af benzin og luft, hvorpå der efter kompression sendes en fed benzin-luftstråle (med luftunderskud) ind mod tændrøret. Herved sikres, at flammen ikke dør ud.

Der skelnes mellem firetakts- og totaktsmotorer.

Trykladning er som nævnt en nødvendighed for totaktsmotorer, men kan også med fordel bruges til firetaktsmotorer. Da mængden af brændstof, der kan forbrændes i en cylinder, er afhængig af luftmængden i cylinderen, kan ydelsen hæves ved, at luftmængden har et højere tryk uden samtidig at have højere temperatur.

Det gøres ved at komprimere indstrømningsluften enten i en mekanisk drevet blæser eller i en turboblæser (også kaldet en turbolader). Den mekanisk drevne blæser kan enten være trukket af motorens krumtapaksel eller af en elektromotor. Blæseren kan være en aksialblæser, en radialblæser, en skrueblæser eller af en anden konstruktion. Fælles for dem alle er, at den bedste ydelse forekommer ved en bestemt belastning.

I modsætning til den mekanisk drevne blæser har turboladeren en karakteristik, der passer fint sammen med motoren, idet den yder mere ved stigende motorbelastning. Turbinedelen drives af en del af restenergien i udstødningsgassen og virker derved som en slaglængdeforøgelse af motoren. Turbinen trækker på samme aksel en centrifugallader, der komprimerer luften op til 2-4 bar. Luften passerer derefter normalt en køler for at øge massefylden.

Turboladeren benyttes altid til skibsmotorer samt til de mindre dieselmotorer, der anvendes i skibe til elproduktion (såkaldte hjælpemotorer). Endvidere benyttes de til dieselmotorer i entreprenørmateriel samt i busser og lastvogne. Benzinmotorer findes også med turboladere, men de er meget dyre og kan let erstattes af en lidt større motor. Effektforøgelsen ved turboladning er ca. 30-100% af den almindeligt skyllede motor.

Wankelmotoren , konstrueret af tyskeren Felix Wankel i 1957, er en rotationsmotor, der er meget fint afbalanceret og derfor har en rolig gang. Den har et trekantformet roterende stempel, som kører rundt i et 8-tals-formet kammer, hvor et eller to tændrør sikrer tændingen af benzin-luft-blandingen, når den er blevet komprimeret. Der er tre tændinger pr. omdrejning.

Da forbrændingsrummet ikke er særlig hensigtsmæssigt udformet, er brændstoføkonomien ikke særlig god. Motoren findes også i en meget kompakt konstruktion med to kamre ved siden af hinanden. Den japanske bilfabrikant Mazda fremstiller (1996) sportsvogne med Wankelmotorer.

Stirlingmotoren er en britisk opfindelse med en kompliceret stempel- og krumtapbevægelse. Motorens særkende er, at forbrændingen foregår uden for cylinderen, og at varmen derefter ledes via varmevekslere til cylinderrummene. Motoren, som stadig (1996) er under udvikling, anvendes i ubåde bygget bl.a. af det svenske værft Kockums i Malmø.