Förbränningsmotor

En förbränningsmotor är en motor som drivs genom förbränning av ett bränsle, till exempel bensin, fotogen, dieselolja eller gas. Förbränningsmotorer kan vara jetmotorer, gasturbiner eller kolvmotorer. Förbränningsmotorn i form av kolvmotorn utgör sammantaget människans allra vikigaste uppfinning under 1900-talet som på ett genomgripande sätt har ändrat människans livsvillkor där ångmaskinens utveckling i slutet av 1800-talet lade grunden.

Historia

En av de tidigare motorerna utvecklades av J J E Lenoir under 1860-talet. Som bränsle användes gas från bränd kol och luft. Ingen kompression förekom. Antändningen skedde genom ett tändstift. Motorn hade en verkningsgrad på omkring fem procent. Totalt såldes omkring 5 000 motorer.

Nicolaus Otto och Eugen Langen började 1867 tillverka en ny motor med kompression före antändningen. De lyckades öka verkningsgraden till elva procent. Den första fyrtaktsmotorn byggdes av Otto nio år senare och kom att säljas i över 50 000 exemplar.

1885 utvecklade den tyske mekanikern Carl Benz den första bensindrivna bilen, när han senare slog sig i hop med Gottlieb Daimler tog utvecklingen fart på allvar och grunden lades till den tyska bilindustrin.

Andra personer som bidragit till utvecklingen är Dugald Clerk och James Robson.

Förbränningsförlopp

Teori

Kemi

Förbränning av oktan brukar principiellt skrivas

2 C₈H₁₈ + 25 O₂ => 18 H₂O + 16 CO₂ + energi

Detta är en betydande förenkling. I praktiken sker förbränningen i ett mycket stort antal steg då kemiska reaktioner mycket sällan involverar mer än tre molekyler åt gången. Detta gäller även för andra bränslen.

Reaktionerna som sker vid förbränning av de kolväten som består av flera kolatomer kan sammanfattas i åtta steg:

1. En bindning mellan två kolatomer bryts. Detta sker då de har en svagare bindning jämfört med bindningen mellan kol- och väteatomer. De två kolväten som blir resultat är båda radikaler.

2. Fortsatt nedbrytning av kolväten genom att kol-väte bindningar bryts. Detta leder till att fria väteatomer bildas.

3. Väteatomerna reagerar med syrgas, radikaler bildas.

4. Radikaler reagerar med kolväten som fortsätter brytas ner samtidigt som nya radikaler bildas.

5. Steg 2 återupprepas.

6. Kolväten reagerar med syre vilket leder till att de fortsätter brytas ner samtidigt som formyl och formaldehyd bildas.

7. Oxidering av mindre föreningar som metylradikaler och formaldehyd.

8. Kolmonoxid oxideras.

Flödesdynamik

I en motor eftersträvas relativt hög turbulens för att blanda bränslet med syret och därigenom få reaktionerna att gå snabbare.

Verkningsgrad

Verkningsgraden i en kolvmotor med förbränning i cylindrarna är beroende på:

• Kompressionsförhållandet - ju högre desto bättre verkningsgrad, men bränslets egenskaper sätter en gräns.
• Tändläget för motorer med tändstift resp. insprutningsläget för dieselmotorer.
• Ventiltiderna för fyrtaktsmotorer - bestämda av kamaxeln. På moderna motorer är ventilstyrningen dynamisk, beroende på varvtal och belastning.
• Porttiderna för tvåtaktsmotorer.
• Strömningsförluster - strömningsmotståndet i insugnings- och avgassystemet.
• Mekaniska förluster - friktion.

Generellt kan sägas att dieselmotorn har två fördelar gentemot motorer med tändstift när det gäller verkningsgraden:

• Effekten regleras med mängden insprutat bränsle, och förbränningen sker alltid med luftöverskott. Det innebär att man inte behöver strypa lufttillförseln med trottel el.dyl. Detta minskar strömningsmotståndet, och ger en relativt hög verkningsgrad vid låg belastning jämfört med motorer som har trottel-reglerad effekt.
• Högre kompressionsförhållande - eftersom dieselmotorn bygger på principen att bränslet självantänds under högt tryck.

Knackning

Ett grundläggande problem i kolvmotorer med tändstift är risken för att bränslet ska självantända, vilket kan skada motorn och minska verkningsgraden. Knackning kan uppstå då temperaturhöjningen som följd av kompressionen blir för stor i förhållande till bränslets förmåga att motstå självantändning. För bensin anges detta med oktantalet. Dieselmotorer utnyttjar däremot självantändning, vilket sker när bränslet sprutas in i cylindern då luft komprimerats, varvid insprutningstidpunkten är lika viktig som tändtidpunkten (tändläget) för en motor med tändstift.

Se även

• Jetmotor
• Wankelmotor
• Ottomotor
• Tvåtaktsmotor
• Dieselmotor
• Stirlingmotor

Källor

Heywood, John B. (1988). Internal Combustion Engine Fundamentals. Singapore: McGraw-Hill Book Co.. ISBN 0-07-100499-8.