Versjon 1 av forbrenningsmotor – Store norske leksikon

varmekraftmaskiner der brennstoffets energiinnhold omdannes til mekanisk arbeid ved indre forbrenning. Det tilførte brennstoffet (gass, bensin, dieselolje m.m.) forbrennes inne i motorens forbrenningsrom slik at forbrenningsproduktene utgjør maskinens varmeførende medium. Frigjort varmeenergi fra brennstoffet omsettes direkte til mekanisk arbeid ved at forbrenningsgassene skyver et stempel eller driver et turbinhjul. Dette i motsetning til varmekraftmaskiner med ytre forbrenning, f.eks. dampmaskiner og stirlingmotorer, der forbrenningen skjer utenfor selve maskinen. Eksempler på forbrenningsmotorer er gassturbin, ottomotor, dieselmotor og wankelmotor.

Prinsipielt kan forbrenningsproduktene utnyttes til å utføre mekanisk arbeid på følgende to måter: 1) Ved å omsette energien hovedsakelig til strømningshastighet slik at arbeidsmediets dynamiske effekter er mest fremtredende (strømningskraftmaskin), eller 2) ved å utnytte deres statiske trykk til å skyve et stempel (stempelkraftmaskin).

Strømningskraftmaskiner

Gassturbinen er en strømningskraftmaskin der de strømmende forbrenningsgassene ledes enten mot et turbinhjul som overfører arbeid til en roterende aksel, eller der man utnytter reaksjonskreftene direkte til fremdrift (reaksjonsmotor, turbojetmotor). En rakettmotor er en reaksjonsmotor som forbrenner medbrakt oksygen og derfor er uavhengig av tilgang på oksygen fra Jordens atmosfære.

Arbeidsprosessen kan også være fordelt på flere mer eller mindre integrerte kraftmaskiner, gjerne av ulik type (compound motor). En stempelkraftmaskin kan f.eks. besørge kompresjon og forbrenning, mens forbrenningsgassene avgir mekanisk arbeid gjennom ekspansjon videre i en gassturbin (fristempelmotor).

De forskjellige strømningsmaskinene er nærmere behandlet under egne oppslagsord, se også flymotor.

Stempelkraftmaskiner

Stempelkraftmaskinene kan ha én eller flere sylindre der stemplene skyves frem og tilbake pga. den ekspanderende gassens trykk. Ytelsesområdet strekker seg fra énsylindrede miniatyrmotorer for modellfly med ytelser på brøkdeler av kilowatt til store skipsdieselmotorer med sylinderdiametere på over én meter, slaglengder på over tre meter, sylinderantall på tolv i rekke, og total ytelse på 50 000–60 000 kW.

Maskinene har veivdrift, og stempelets vendepunkter i sylinderen kalles henholdsvis øvre og nedre dødpunkt. Et stempelslag mellom de to dødpunktene kalles en takt. Slagvolum er det volumet stempelet fortrenger mellom øvre og nedre dødpunkt. Slagvolumet multiplisert med antall sylindrer i motoren kalles totalt slagvolum eller sylindervolum.

Stempelkraftmaskiner med innvendig forbrenning kan virke med otto- eller dieselforbrenningsprinsippet (se ottomotor og dieselmotor) og være av totakts- eller firetaktssystem.

I ottomotorer komprimeres en tennbar blanding av luft og brennstoff. Forbrenningen innledes av en tidsstyrt fremmedtenning, f.eks. med en gnist fra en tennplugg. Selve forbrenningen forløper raskt og fører til en relativt stor trykkstigning ved tilnærmet uendret volum, mens stempelet befinner seg nær øvre vendepunkt. Ottomotorer er karakterisert ved en ytre blandingsdannelse mellom luft og brennstoff som finner sted enten i en forgasser eller ved at en tilmålt mengde brennstoff sprøytes inn i innsugningsmanifolden før innsugningsventilen.

Dieselmotorer

Dieselmotorer virker etter selvtenningsprinsippet, og til forskjell fra andre forbrenningsmotorer tilføres sylindrene ren luft. Høyt kompresjonsforhold i dieselmotorene fører til høyt kompresjonstrykk i forbrenningsrommet og en temperatur som er tilstrekkelig høy til at brennoljen selvtenner når den sprøytes inn i forbrenningsrommet omkring stempelets øvre vendepunkt. Den kraftige ekspansjonen som følger av forbrenningen, driver stempelet nedover i sylinderen med stor kraft. Stempelets lineære bevegelse overføres til roterende kraft via et veivsystem.

Tidligere ble det laget dieselmotorer som måtte ha hjelpeinnretninger for å antenne brennstoffet (semidieselmotor).

På grunn av den raske trykkstigningen under forbrenningen ved så vel ottomotorer som semidieselmotorer, ble disse motortypene tidligere ofte kalt eksplosjonsmotorer.

Firetaktsmotoren

I fig. 1 vises arbeidsprinsippet for en firetakts ottomotor. En komplett arbeidssyklus gjennomløpes over fire takter, dvs. fire stempelslag eller to fulle omdreininger av veivakselen. Hver sylinder har en forbrenning for hver annen omdreining.

Totaktsmotoren

I fig. 2 vises arbeidsprinsippet for en totakts ottomotor. Her oppstår én forbrenning for hver omdreining. Renspylingen av sylinderen er ikke så god som i en firetaktsmotor, fordi spyleluften ikke helt fortrenger forbrenningsgassene, men blander seg delvis med disse og strømmer ut avgassportene.

Stempelpumper, vingepumper, turboblåsemaskiner m.m. anvendes som luftpumpe. Disse drives av motoren selv og leverer spyleluft med et svakt overtrykk (ca. 10–20 kPa). I stedet for en separat luftpumpe kan motorens veivkasse sammen med undersiden av stempelet brukes som stempelpumpe (veivkassespyling). Dette gir en enkel og billig konstruksjon, men fordi spyleluftvolum blir noe mindre enn sylindervolumet, gir dette systemet begrenset luftfyllingsgrad og dårligere ytelse. Veivkassespyling benyttes ved mindre totakts ottomotorer, som vanligvis har høyere brennstofforbruk per kilowattime sammenlignet med firetaktsmotorer pga. tap av brennstoff/luft-blanding ut avgassportene ved spyleprosessen.

En rotasjonsmotor er en forbrenningsmotor med et stempel som roterer innvendig i et hus istedenfor å bevege seg rettlinjet opp og ned i en sylinder. Eksempel på dette er wankelmotoren. Om gassvolumet innesperres av og arbeider mot en del av en tettsittende rotor eller et frem- og tilbakegående sylindrisk stempel, er å betrakte som mekanisk forskjellige løsninger av ett og samme kraftmaskinprinsipp.

Sylindrene

Sylindrene i forbrenningsmotorer ordnes gjerne etter hverandre i rekke. For å oppnå større ytelse i et lite volum kan de også bygges med flere sylinderrekker, virkende på samme veivaksel (se fig. 3). Dersom stempelet selv opptar det sidetrykket som er forårsaket av veivstangens skråstilling (som i a-d), kalles motoren en trunkmotor. En krysshodemotor derimot (som i e-g), har et eget krysshode med en geideføring til å oppta sidekreftene. Denne utførelsen finner man utelukkende i større totakts dieselmotorer. Den dobbeltvirkende motoren (som i f) har tetning rundt stempelstangen og vekselvis forbrenning både over og under stempelet. Denne motortypen er fullstendig fortrengt for enkeltvirkende motorer med turboladning.

Brennstoff

Tenning og forbrenning foregår på forskjellig måte ved otto- og dieselmotorer, noe som stiller forskjellige krav til brennstoffet. For å oppnå høy ytelse og lavt brennstofforbruk må det være høy kompresjonsgrad, noe som innebærer at brennstoffet må være bankefast. Et brennstoffs bankefasthet angis ved et oktantall. Ved dieselbrennstoffer ønsker man at brennstoffet skal ha god tennvillighet for å hindre for stor trykkstigning ved forbrenningens begynnelse og for å redusere tendensen til dieselbank (bankelyder fra motoren). Høy tennvillighet uttrykkes ved høyt cetantall. Det er særlig hurtiggående dieselmotorer som stiller krav til cetantallet. Store og mellomstore dieselmotorer i skip og ved stasjonære kraftanlegg kan operere på billige, tunge fyringsoljer (tungolje) som er så tungtflytende (høyviskøse) at de må forvarmes for å kunne pumpes.

Fordi forbrenningsproduktene kommer i direkte berøring med kraftoverførende deler, stilles det strenge krav til brennstoffets renhet. Dette er særlig viktig ved stempelmotorer fordi forbrenningen foregår i selve sylinderen. Derfor må det i forbrenningsrestene ikke opptre større mengder av stoffer som kan virke ødeleggende på f.eks. sylinderløpebanen. I stempelmotorer benyttes både flytende og gassformede brennstoffer, som i det vesentlige består av forbindelser mellom karbon og hydrogen. I Norge benyttes nesten utelukkende flytende brennstoffer fra jordolje. Bruk av gassformede brennstoffer vurderes i økende grad bl.a. av miljøhensyn.

I de senere årene er det særlig for militære anvendelser utviklet flerstoffs motorer, gjerne hurtigløpende dieselmotorer med høy kompresjonsgrad, som på en tilfredsstillende måte forbrenner ulike tilgjengelige brennstoffer – fra dieseloljer via jetdrivstoff til normalbensin.

Brennstofftilførsel

I dieselmotorer reguleres motorens ytelse ved å variere den innsprøytede brennoljemengden. Dette skjer vanligvis ved at pumpestemplene i den effektive delen av brennstoffpumpene dreies. For å regulere turtallet brukes gjerne en enkel form for sentrifugalregulator. I forbrenningsmotorer til drift av kraftgeneratorer, benyttes presisjonsregulatorer som holder turtallet og derved frekvensen innen snevre grenser. I ottomotorer med forgasser holder forgasseren blandingsforholdet mellom brennstoff og luft automatisk på den riktige og mest mulig konstante verdi, mens drosselspjeldet sørger for en mengderegulering ved å begrense mengden av blandingen som kan suges inn (undertrykk).

Systemer der brennstoffet tilføres luften ved innsprøytningsdyser er etter hvert blitt vanlig. Brennstoffmengden bestemmes fra målt luftmengde som tilføres motoren. Motorer med brennstoffinnsprøytning har også drosselspjeld for mengderegulering, mens regulering av brennstoff/luft-forholdet foregår elektronisk.

Starting

Større dieselmotorer starter ved hjelp av trykkluft (2–3 Mpa, 20–30 kp/cm²) som slippes inn i sylindrene gjennom startluftventiler i sylinderdekselet etter hvert som stemplene passerer øvre dødpunkt. I mindre, hurtiggående motorer skjer startingen oftest ved elektrisk startmotor. Mindre motorer kan også startes for hånd.

Omkastbare skipsdieselmotorer må kunne startes i begge dreieretninger fra en hvilken som helst stilling av veivakselen. Dette krever startluftventiler ved flere sylindre. Ved denne typen motorer må også bevegelsen av innsprøytningspumper, startluftfordelingen og eventuelle luft- og avgassventiler omstilles til akterovergang på det rette tidspunktet.

Overladning

I både totakts og firetakts dieselmotorer blir sylindrene tilført luft med høyere densitet enn omgivelsene (overladning). På den måten blir trykket ved kompresjonens begynnelse vesentlig høyere enn det som oppnås ved en normalladet motor. Overtrykket kan være 50–150 kPa (0,5–1,5 kp/cm²) eller høyere. Overladning fører til en større ladningsvekt luft i sylindrene og innebærer at en større mengde brennstoff kan forbrennes; dvs. at man oppnår større ytelse ved samme sylindervolum og en lavere motorvekt per kilowatt. En særskilt pumpe, f.eks. en sentrifugalkompressor eller en Roots pumpe, brukes til forkompresjon av luft. Ved en høyere grad av overladning blir luften gjerne mellomkjølt i en varmeveksler (ladeluftkjøler) før den går inn i sylinderen.

Ved å nyttiggjøre noe av den energien som ellers går tapt ved motorens avgasser (opptil 30 % av brennstoffets energiinnhold) til drift av pumpen, er det mulig å oppnå høy overladning og derved ytelsesøkning uten at dette går ut over motorens brennstofføkonomi. Luften komprimeres av en sentrifugal-kompressor som er koblet sammen med og drevet av en avgassturbin på felles aksel (turbolader) som kan kobles til motoren. Turboladeren ble introdusert av sveitseren A. Büchi gjennom et patent i 1905. Det var imidlertid først etter midten av 1920-årene at turboladning begynte å vinne innpass i firetaktsmotorer, og i 1950-årene også i totakts dieselmotorer.

I de senere årene er overladning ved gassturbindrevne sentrifugalblåsere blitt vanlig også for totaktsmotorer. Slike turboladere kan benyttes alene eller ved at totaktsmotorer kobles i serie eller parallelt med motordrevne luftpumper. Spylelufttrykket ligger til dels betydelig over atmosfæretrykket. Turboladning har etter hvert blitt enerådende i totakts krysshodemotorer og har ført til en betydelig økning av motorytelsen, og dieselmotorer kan ha tilstrekkelig ytelse for drift av selv de største tankskip, der dampturbiner tidligere var enerådende. Turboladning i flere trinn er også aktuelt.

Kjøling

Under forbrenningen i sylinderen opptrer svært høye temperaturer; opp i 1500–1600 ⁰C i dieselmotorer og enda høyere i ottomotorer. De høye temperaturene gjør det nødvendig med kjøling av sylinderkomponentene for å forhindre materialutmatting og koksing av smøreoljen på glideflatene.

Vanligvis benyttes ferskvann som kjølemedium – på mindre skipsmotorer, også sjøvann. Vannet sirkuleres gjennom motorens kjølekappe ved hjelp av en kjølevannspumpe. Kjølevæsker med høyere kokepunkt enn vann brukes til spesielle formål. I flymotorer og mindre motorer for biler og motorsykler benyttes luftkjøling i et visst omfang.

Ved høye spesifikke ytelser og i større dieselmotorer kan det også være nødvendig å kjøle stempeltoppen. Til dette brukes for det meste oljekjøling med bruk av motorens smøreolje. I noen motorer benyttes vann også ved kjøling av stempeltoppen. I bilmotorer benyttes en væskekjøler (radiator) der kjølevæsken som er oppvarmet i motorens kjølekappe avkjøles ved å avgi varme til en luftstrøm. Fra radiatoren pumpes kjølevæsken tilbake til motorens kjølekappe. I skipsmotorer nedkjøles ferskvannet i en varmeveksler med sjøvann. På denne måten spares motorene for saltvannstæringer og avleiringer i kjølekappen, og kjølevannstemperaturen kan være høyere.

Forurensning

Avgasser etter forbrenningsprosesser inneholder en rekke skadelige forbrenningsprodukter. De mest kjente er karbonoksidene CO₂ og CO, nitrogenoksider, NO_x, og svoveloksider, SO_x. I tillegg finnes forskjellige partikler, tjærestoffer, blyforbindelser og hydrokarboner. Se luftforurensning.

Økt bevissthet om luftforurensning fra kjøretøyers avgasser har ført til stadig strengere krav til avgassutslipp fra kjøretøymotorer. Fra begynnelsen av 1970-årene har derfor en betydelig innsats vært rettet mot avgassutslipp fra ottomotorer, og vesentlige forbedringer med reduserte utslipp har vært resultatet. Et stadig behov for reduksjon av miljøskadelige avgassutslipp, markerte økninger av prisen på oljeprodukter fra begynnelsen av 1970-årene, samt økt oppmerksomhet viet olje som en knapp resurs, har ført til målsettinger om å bedre brennstofføkonomien. Et resultat av dette er en økende interesse for små, hurtigløpende dieselmotorer for kjøretøy (se dieselmotor).

Avgassenergien kan utnyttes på to forskjellige måter: 1) Ved impulsdrift utnyttes avgassens bevegelsesenergi ved at trange og korte avgassrør fra sylindrene føres frem til turboladeren. 2) Ved liketrykksdrift munner avgassene ut i en felles trykkutjevningsbeholder slik at avgassturbinen arbeider under mer konstante trykkforhold.

Historikk

Motorer basert på en kruttsylinder var foreslått allerede i 1673 (C. Huygens). Den første forbrenningsmotor i produksjon var en atmosfærisk gassmotor uten kompresjon foreslått av franskmannen Étienne Lenoir (1822–1900) i 1860. Den gav impulser til tyskeren N. Otto som bygde sin første atmosfæriske gassmaskin (med flygestempel) i 1863. Denne ble senere forbedret i samarbeid med Eugen Langen (1833–95) og solgt i større antall. I 1876 konstruerte Otto den første moderne firetaktsmotoren med kompresjon av ladningen og med forbrenningstrykket virkende direkte på drivverket. Den egentlige oppfinneren av firetaktsmotoren er imidlertid den franske ingeniøren Alphonse Beau de Rochas (1815–93), som allerede i 1862 beskrev firetaktsmotorens virkemåte og underliggende prinsipper. Han forsøkte imidlertid aldri å realisere sin oppfinnelse eller bygge en prøvemotor. Totaktsmotoren ble utviklet av Sir Dugald Clerk i 1876. Dieselmotoren ble utviklet av R. Diesel i årene 1892–97.