|
FörbränningsmotorEn förbränningsmotor är en motor där ett bränsle reagerar med en oxidator, oftast luft, och kemisk energi omvandlas till mekanisk energi. Motorer med en extern förbränning, ångmaskin, ångturbin, Stirlingmotor etcetera, 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 %.  Cykler: 1. Inloppstakt (luft och bränsle tillförs från höger) 2. Kompressionstakt (bränsleluftblandningen upphettas) 3. Förbränningstakt (Ett tändstift antänder bränsleluft blandningen) 4. Avgastakt (Avgaserna pressas ut till vänster) HistorikFörhistorien för förbränningsmotorerna går långt tillbaka. Redan Denis Papin och Christiaan Huygens gjorde experiment med förbränningsmotorer, men deras experiment ledde ingenvart. Maskintekniken på tiden klarade inte av att åstadkomma tillfredsställande tätning mellan cylinder och kolv. John Barber tog 1791 patent på en turbin som drevs av en exploderande gasblanding. Robert Street använde en ångmaskin av James Watt som förebild för att konstruera en gasmotor i vilken gasen exploderade bakom en cylinder. Med utgångspunkt från Streets maskin utvecklades ett flertal liknande, som alla arbetade utan kompression av gasen. En av de mera framgångsrika var Eugenio Barsanti och Felice Matteuccis från 1854, där den explosiva gasen leddes in under kolven på en lodrätt cylinder. Även Étienne Lenoirs 1860 konstruerade motor driven av lysgas var av denna konstruktion. Motorn utvecklade endast någon eller några få hästkrafter och hade en verkningsgrad på 3 %. Trots det var det den första någorlunda funktionella motorn och den tillverkades i stort antal i både Frankrike, Tyskland och Storbritannien. 1865 hade omkring 300 motorer av den här typen tillverkats i Frankrike. Nicolaus Otto och Eugen Langen patenterade 1867 en motor som trots att den utifrån sin generella utformning inte var bättre än Étienne Lenoirs hade den en bättre gasekonomi genom att förbättra expansionsförhållandet genom motorns insug. Efter att ha arbetat med att förbättra sin motor presenterades 1877 den förbättrade ottomotorn som arbetade efter fyrtaktsprincipen, och kom att bli ett viktigt steg för förbränningsmotorns fortsatta utveckling. När fyrtaktsprincipen skulle patenteras visade det sig att Alphonse Beau de Rochas redan 1862 presenterat grundprincipen för en fyrtaktsmotor i en avhandling, och att hovurmakaren Chr. Reithmann redan 1873 konstruerat en fyrtaktsmotor utan att presentera sina resultat. Nicolaus Otto skall själv ha byggt en fyrtaktsmotor 1861, men avbrutit försöken med typen då den inte fungerade tillfredsställande. Samtidigt började många att försöka gå över från gaser till vätskor som bränslen. Österrikaren Hock var den förste som 1873 konstruerade en insprutningsmekanism för "gasolja" som han monterade på en motor av Lenoirs konstruktion. Amerikanen George Brayton konstruerade 1874 en vekförgasare för lätt fotogen, och Gottlieb Daimler försåg 1883 sin nytillverkade fyrtaktsmotor med en primitiv ytförgasare. Daimlers medarbetare Wilhelm Maybach uppfann under 1883 den flottörreglerade munstycksförgasaren som sedan kom att bli urtypen för de som senare kom att användas i bilmotorer. Den första tvåtaktsmotorn med kompression skall ha konstruerats av George Brayton 1875, men den första kommersiellt framgångsrika konstruerades av skotten Dugald Clerk 1879. Carl Benz konstruerade 1884 en ventilstyrd tvåtaktsmotor med ventilstyrd vevhusspolning, vilken 1891 av den brittiska firman Day & Sons omkonstruerades i en ventilfri form som kom att i grunden bli bestående länge.[1] Typer
FörbränningsprocessenFörbränning innebär att:
Den kemiska reaktionen beror på bränsle + syre + värme. 2 C8H18 + 25 O2 ⇒ 18 H2O + 16 CO2 + energi. Denna reaktion sker i flera steg:
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. Så fungerar dieselmotorer och sedan 2010-talet allt fler ottomotorer. Fördelen med direktinsprutning är ngt lägre bränsleförbrukning & högre effektivitet, nackdelen är skadliga avgaspartiklar (därav lagstadgade partikelfilter). 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). Ekvivalenskvoten Φ definieras som:
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. Bränslen
Oxidationsmedel
ProcesscyklerFörbränningsmotorer 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, och i en dieselmotor genom kompressionsvärmen. 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 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.  Gasturbin. Liknar en ångturbin med gemensam axel för kompressor och turbin. Kan även vara två koncentriska axlar för högtrycksdelarna respektive lågtrycksdelarna. Gasturbincykeln är en kontinuerlig process där kompression, förbränning och kraftutveckling sker på olika ställen i motorn. Förbränningen sker vid konstant tryck och ej vid konstant volym som vid ottomotorn. Annars skulle kompressorn få för högt mottryck. Vidare läsning
ReferenserNoter
Övriga källor
Externa länkar
|
