Förbränningsmotor
En förbränningsmotor är en motor där ett bränsle reagerar med en oxidator, och bränsleblandningen utövar mekaniskt arbete. Motorer med en extern förbränning, ångmaskin, ångturbin, Stirlingmotor etc, räknas ej som förbränningsmotorer utan gastrycksmotorer. Den termodynamiska grunden är Carnots teori rörande kretsprocesser, förändringen av gasers tillstånd där start och sluttillstånd är lika. Detta betyder att arbetet är teoretiskt skillnaden mellan tillförd och bortförd energi. Tillförd energi som kan användas benämns verkningsgrad, vilket aldrig kan vara 100 %. Flödesdynamiken är viktig för förbränningen. Hög turbulens eftersträvas så att bränslet blandas väl med syret och därigenom reaktionerna går snabbare. Verkningsgraden beror mycket på vilken typ av motor det gäller. Se processcykler nedan. Kolvmotorer har helt andra förhållanden än en gasturbin eller raketmotor. Se respektive artiklar. Tändtemperatur. Tändtemperatur är den temperatur, vid vilken bränslet självantänds (reagerar med syret). Den är olika för varje kolväteblandning. Man kvantifierar tändtemperaturen med oktantalet. När bränslet komprimeras ovanför en kolv i en cylinder så stiger temperaturen enligt allmänna gaslagen. Verkningsgraden ökar ju närmare man ligger tändtemperaturen när kompressionsmaximum nås. Men om tändtemperaturen uppnås innan kompressionen har nått sitt maximum så uppstår ett häftigt övertryck som kan skada motorn. I kolvmotorn sker en deformering av vevaxel / cylindervägg kallad knackning. Det är viktigt att ha sensorer som känner av om oktantalet är för lågt, så att tändläget och bränslemängden kan justeras. Vid direktinsprutning av bränslet i cylindern kringgår man problemet genom att styra antändningen till när insprutningen sker. Man kan då ha högre kompression och därmed högre verkningsgrad. Det går bra för dieselmotorer och förväntas komma även på Ottomotorer. Ekvivalenskvot (Φ) används i samband med beräkningar av förbränning. Förbränning innebär att ett bränsle, till exempel bensin, reagerar med syret i luften. I en motor sprutar man in en blandning av bensin och luft, och ekvivalenskvoten anger om det är lagom mycket luft i blandningen så att syret räcker till all bensinen (Φ=1) eller för mycket bensin (Φ>, 1) eller för mycket luft (Φ<, 1). där (bränsle/luft)verklig är den verkliga bränsle-luft-blandningen och (bränsle/luft)stökiometrisk är det förhållande som råder vid stökiometrisk förbränning. Stökiometrisk förbränning innebär att reaktionen "går jämnt upp", så att det varken blir bränsle eller syre över. Förbränningsmotorer utnyttjar olika processcykler. Tvåtaktscykel. Detta system både tömmer och fyller cylindern i ena takten och ger mekanisk energi i andra takten. I en Ottomotor sker antändningen med ett tändstift. I en dieselmotor genom bränsleinsprutning. Stora tvåtakts fartygsdieslar har även en topplocksventil för avgaserna. Fyrtaktscykel med Ottomotor. Var sin takt åtgår för insug och avgasning. En för kompression. En takt är explosionstakten där förbränningen sker snabbt utan större volymförändring men hög tryckökning. Fyrtaktsmotorn är allmänt tystare, effektivare men är större än motsvarande 2-taktsmotor. Fyrtaktscykel med dieselmotor. Kompressionen är så hög att luftens temperatur överskrider bränslets flampunkt. Dieseloljan insprutas direkt i cylindern samtidigt som kolven går nedåt. Volymen ökar. Sextaktscykel. Avgaserna i fyrtaktsmotorn utnyttjas till att skapa ånga som dels kyler motorn och dels ger en extra arbetstakt. Kolvmotorer. Utvecklar mekanisk energi i en roterande axel. Kan arbeta efter två processer oberoende av varandra: Dels tvåtaktsmotor eller fyrtaktsmotor och. dels Ottomotor med tändstift eller dieselmotor med självantändning av bränslet. Rotationskolvmotor eller Wankelmotor. Liknar en kolvmotor. Ett bränsle och ett oxideringsmedel reagerar kemiskt med varandra i en koncentrationsstyrd process (eld) varvid värme utvecklas.
Bilens historia
I Storbritannien började man tidigt experimentera med ångdrivna fordon. Enligt uppgift skall en linnehandlare vid namn Francis Moore 1769 ha uppfunnit en självgående vagn och tog ut tre patent på konstruktioner av en sådan. Om hans vagn verkligen blev byggd är dock högst osäkert. William Murdoch framställde 1785 en modell av en självgående ångmaskin. Han försökte få James Watt att intressera sig för hans konstruktion men intresset var svalt, och Murdoch övergick snart till andra konstruktioner. William Symington, som konstruerade den första praktiskt användbara ångbåten lät även 1796 framställa en modell på en ångvagn, men inte heller denna kom till konstruktion. Konstruktionen av landsvägsgående ångfordon avstannade dock inte helt. Nya konstruktioner av ångbilar togs fram av Dietz 1835 och Lotz 1856. Under både Krimkriget och Fransk-tyska kriget brukades ångvagnar för tunga transporter. Amédée Bollée kan anses ha tillverkat den första någorlunda praktiska ångbilen 1872. Förbättringar konstruerades senare av Léon Serpollet och Jules-Albert de Dion, vilka efter bensinmotorernas genombrott även kom att konstruera förbränningsmotorer. Den första vagnen med förbränningsmotor byggdes av fransk-belgaren Étienne Lenoir år 1862. Med sin vagn driven av lysgas lyckades han 1863 färdas en sträcka av 9 kilometer på 3 timmar, vid ett nytt försök samma år lyckades han med ett nytt fordon klara av att färdas en sträcka av 11 kilometer på 90 minuter. Den första med bensinmotor kom omkring år 1870 och var konstruerad av tysk-österrikaren Siegfried Marcus men så långt var det ganska experimentellt. Först med utvecklingen av Ottomotorn 1878 fick man en bensinmotor som kunde börja konkurrera med de ångdrivna vagnarna. Den person som var först med att sälja självgående vagnar av en och samma typ, var tysken Carl Benz (1844-1929), som år 1885 hade en liten firma i Mannheim där han byggde stationära tvåtaktsmotorer vilka drevs med gas. I slutet av 1885 hade Benz utvecklat en liten 0,85 hk stark fyrtaktsmotor, försedd med elektrisk tändning och ytförgasare som kombinerades med en trehjulig bil för två personer. Den första person att köra en längre biltur var Benz fru Bertha Benz, år 1888. Oberoende av Benz konstruerade hade den tyske ingenjören Gottlieb Daimler 1883 börjat experimentera med bensinmotorer, och byggde i samarbete med sin anställde Wilhelm Maybach 1885 ett tvåhjuligt fordon, världens första motorcykel. 1886 byggde han ett fyrhjuligt fordon med en motor på 1,5 hästkrafter. Daimlers var baserad på en hästdroska där han monterat en motor mitt i vagnen och en styranordning vid framsätet som gick genom golvet ned till framaxeln och kunde på slät landsväg uppnå en hastighet av 18 kilometer i timmen. I Tyskland var intresset för Daimlers uppfinning litet, men i Frankrike var dock intresset större, och han sålde sitt patent till en tillverkare av snickeriprodukter, Panhard et Levassor som 1889 började tillverka automobiler efter Daimlers konstruktion. Vid denna tid var det främst tävlingscyklister och cykeltillverkare som intresserade sig för de nya fordonen. 1891 köpte cykeltillverkaren Peugeot en motor av Daimlers fabrikat och monterade i ett eget fordon och genomförde med denna bil en uppmärksammad nonstopfärd Paris-Brest. Peugeot började 1896 tillverka egna motorer till sina bilar. Även Benz lyckades hitta en fransk firma att tillverka och sälja hans motorer, Roger. Under 1890-talet låg alla de största biltillverkarna i Frankrike, de var Renault, Peugeot, Panhard och Levassor samt De Dion-Bouton. Under de första åren konkurrerade bilarna med förbränningsmotor ännu med bilarna med ångdrift, men i uthållighetstävlingarna under 1890-talet visade sig underlägsna de bensindrivna bilarna. I hastighet dröjde det dock innan bensinbilarna kunde konkurrera, och vissa tillverkare, såsom den amerikanska bilfirman White fortsatte att tillverka bilar med ångdrift fram till 1911.
Startmotor
Startmotor, vanligen elektrisk motor som används för att dra igång en större förbränningsmotor. Startmotorn på äldre bilar driver svänghjulet på förbränningsmotorn via en så kallad bendixkoppling som frikopplar startmotorn när förbränningsmotorn startar. Från 1960-talet och framåt har anordningen ersatts av en solenoid som flyttar startmotorns drev så att det får kontakt med svänghjulets kuggkrans. När drevet ligger i rätt läge sluts en kontakt som ger ström till startmotorn. På det sättet minskas slitaget på drevet och kuggkransen jämfört med bendixkopplingen. Startmotorer i personbilar drivs nästan undantagslöst på 12 volts likström, då detta är nominell spänning från ett bilbatteri. Tidigare var även 6 V vanligt.
Kolvmotor
En kolvmotor är en motor som omvandlar ett gas- eller vätsketryck i en cylinder (maskindel) till en mekanisk rörelse av en kolv (maskindel) i cylindern. Kolven driver via en vevstake en vevaxel, som ger ett utgående vridmoment. Trycket kan antingen bildas i en extern process till exempel ångpanna, luftkompressor (gastrycksmotor) eller vätsketrycksmotor (hydraulmotor) eller bildas genom förbränning av gasen i cylindern (förbränningsmotor). En kolvmotor kan under vissa förhållanden reversera energiutbytet och fungera som pump istället. Om kolven endast ger en linjär kraft utan vevstake och vevaxel, till exempel slaghammare, betraktas det inte som en kolvmotor. I denna artikels fortsättning beskrives kolvmotorn som förbränningsmotor. För gas-/vätsketrycksmotorer hänvisas till artiklarna ångmaskin, pneumatisk motor och hydraulmotor. Den generella kemin beskrives i artikeln förbränningsmotor. Se video: Subaru Boxer Turbo Diesel. Övriga komponenter beror på motortyp och beskrivs under deras artiklar. Kolvmotorns historia började med ångmaskinen då man under 1800-talet lärde sig grunderna för cylindrar, kolvar, vevaxlar mm. Uppfinningarna av två- och fyrtakts-principerna, Ottos tändteknik och Diesels insprutningsteknik satte fart på utvecklingen kring sekelskiftet. Under 1900-talet fortsatte man med mängder av motortyper och förbättring av de olika funktionerna. Ofta var det nya material och nya produktionstekniker med allt snävare toleranser som drev utvecklingen. Under slutet av 1900-talet introducerades datoriserade motorstyrsystem, som radikalt minskade emmissionerna och ökade verkningsgraden. Dagens motorer har mycket hög tillförlitlighet, trots den avancerade konstruktionen. Utnyttja rörelseenergin i vevaxeln och låta kolven suga in luften - en "sugmotor". Det gör att lufttrycket i cylindern blir lägre än atmosfärstrycket. Motorn blir enkel men är svår att få bränslesnål vid lågbelastning och stark vid högbelastning. Låta komprimera luften in i cylindern vilket ger mer syre och därmed ta in mer bränsle för att förbränningen fortfarande ska vara stökiometrisk (fullständig) och ge högre effekt vid samma motorvolym - en överladdad motor. Kompressionen kan ske på två sätt: Med en kompressor, som drivs mekaniskt av vevaxeln. Det ger en jämn tryckökning över hela varvtalet eftersom kompressorvarvtalet är synkront med motorvarvtalet vilket ger enkel motorstyrning (se nedan). Med en avgasturbo, som utnyttjar gratisenergin i avgasernas expansion. Turbon består av en avgasturbin och en luftfläkt på samma axel. Den ger högre tryck vid högre varv och har dessutom en fördröjning vid acceleration. Dessa nackdelar kan i viss mån kompenseras (se artikeln avgasturbo). En avgasturbo kombineras ofta med en laddluftkylare som sänker den komprimerade luftens temperatur och därför enligt allmänna gaslagen ökar syrehalten och effekten ytterligare. I en förgasare utanför motorns grenrör in i cylindrarna. Förgasare användes tidigare i alla ottomotorer. Numera endast i mindre motorer till exempel tvåtakts motorsågar och fyrtakts gräsklippare. Förgasarna var kompromisser, som trots många kompensationsfunktioner inte förmådde styra bränsle/luftblandningen stökiometriskt i alla situationer. Motoreffekten reglerades genom att lufttillförseln varierades med ett gasspjäll. I dieselmotorer används aldrig förgasare. I en bränsleinsprutare i inloppsröret. Det är en magnetventil, som öppnar till en spridare under ett mycket kort ögonblick. En högtryckspump krävs som ger ett exakt och högt bränsletryck. Genom elektronik styrs bränsletillförseln genom att öppningstiden varieras. Numera används vanligen en insprutare per cylinder för att styrningen ska bli än mer exakt. Man mäter luftmängden som passerar spjället och styr insprutningstiden därefter. Används ej för dieselmotorer. Genom att sprida flera cylindrar jämnt över varvet (stjärnmotor - se nedan). Genom att parvis placera cylindrarna motställda (boxermotor - se nedan).
Motorkylning
Motorkylning av förbränningsmotorer kan ske enligt flera olika principer. Uppdelningen av de förekommande kylningsmetoderna bygger i huvudsak dels på vilket kylmedium som används i själva motorn, och dels på vilket sätt som värmen transporteras bort från motorn och fordonet. Kylningen är i grunden nödvändig på grund av den begränsade verkningsgraden hos motorer, vilket innebär att inte all värmeenergi som produceras omvandlas till mekanisk energi. Överskottsvärmen måste på något sätt ledas bort från motorn. Kylmediet är vanligen endera luft eller en vätska, som vanligen består huvudsakligen av vatten med tillsats av frostskyddsmedel (ofta glykol) och rostskyddsmedel. Moderna bilmotorer är nästan uteslutande vätskekylda, medan äldre bilar som till exempel Citroën GSA och Volkswagen Typ 1 är luftkylda. De sista personbilarna som var luftkylda var gjorda av Porsche och Tatra i slutet av 1990-talet. Mindre förbränningsmotorer i mopeder, gräsklippare m kyls vanligen bara med hjälp av kylflänsar. För en bilmotor krävs det att luften forceras förbi kylflänsarna med hjälp av en fläkt. Luften är ett sämre kylmedium än vatten, men å andra sidan finns det möjlighet att tillföra stora mängder luft utifrån och blåsa ut den varma luften. Problemet i kalla klimat är att återvinna värme för att värma upp kupén, men det finns tekniska lösningar som att låta ventilationsluften passera en värmekammare som sitter runt avgasrören. Många bilar med luftkyld motor har också en bensindriven tillskottsvärmare. I kallt väder tar det också längre tid för en luftkyld motor att bli varm, eftersom man inte har någon termostat som stänger av kylning. Däremot kan kylfläkten regleras av en sådan. Ofta finns en oljekylare som kan hjälpa till att kyla motorn. Anledningen till att välja luftkylning för en bilmotor var oftast att den är billigare att tillverka. Vikten blir också något lägre, och man har ingen kylvätska som kan koka eller frysa. Nackdelarna är ökad bränsleförbrukning p.g.a. ojämnare temperatur i motorn och vid behov av tillskottsvärme, samt sämre värme i bilen vintertid. Avgasreningen är också vanligen svårare att få till. Eftersom moderna vätskekylda motorer ofta har högre effekt i förhållande till sin storlek har luftkylda motorer försvunnit ur bilarna mer och mer. Vätskan kan i vissa fall självcirkulera i motorns kylsystem tack vare konvektion. Vanligare är dock att man har en pump som ser till att cirkulation i systemet uppstår och ökar effektiviteten i konvektionen och i värmeöverföringen. Den vätska som används kan vara rent vatten, men av praktiska skäl används en 50/50-blandning av vatten och glykol med tillsatser för att förhindra korrosion. Ytterst använder alla förbränningsmotorer i markfordon omgivningens luft som sekundärt kylmedium, medan båtmotorer även kan använda sjö- eller havsvattnet. Det som principiellt skiljer luft- och vätskekylda fordonsmotorer åt, är om ett separat primärt kylmedium används eller ej. I vätskekylda fordonsmotorer förekommer vanligen en kylare där värmen överförs från det primära kylmediet vätska till det sekundära kylmediet luft. Som komplement till den vanliga kylningen finns ofta en oljekylare, som leder värmen antingen ut i den omgivande luften eller växlar den mot kylvätskan. Oljan håller på det sättet en behagligare temperatur även vid hård belastning. Bilar med automatlåda har ofta oljekylare för automatlådan. Värmetransporten bort från motorn och fordonet sker genom någon form av konvektion, som innebär att värmen på ett effektivt sätt transporteras till omgivningens luft. Fartvindskylning innebär att fordonets egen rörelse används för att åstadkomma en konvektion. Vid fläktkylning används en fläkt för att påtvinga konvektion.
