Bensinmotoren har stort sett tatt ut de forbedringene som er mulig.

HVORDAN VIRKER: FORBRENNINGSMOTOREN

Derfor er forbrenningsmotoren en kompromissmaskin

Vi kan neppe vente de virkelig store forbedringene.

Det er 156 år siden Nikolaus August Otto fant opp motoren som bærer hans navn, men som de fleste av oss kaller en bensinmotor.

Rudolf Diesel fulgte opp i 1897 og da satt oppfinnernavnet bedre fast. Begge er det man på engelsk betegner som reciprocating piston engine.

Carnotmaskiner

Både otto- og dieselmotoren er varmekraftmaskiner som fungerer etter den såkalte Carnotsyklusen.

Den ble beskrevet allerede i 1824 av den franske fysikeren Nicolas Carnot og beskriver trykk og temperaturforløpet i en varmekraftmaskin.

Syklusen er en teoretisk beskrivelse, men viser også at den maksimale virkningsgrad begrenses av mange faktorer, ikke minst av temperaturen i motoren.

Materialteknologien og økningen av NOx-utslipp setter effektive grenser for hvor mye mekanisk energi vi kan få ut av tilført kjemisk energi.

I løpet av halvannet århundre har begge motorene gjennomgått en kontinuerlig forbedringsprosess, men nå er det mye som tyder på at det meste er tatt ut.

Det er mer å hente i begge prinsippene, men vi kan neppe forvente oss de store hoppene før den overlegne elektromotoren overtar de store markedene.

Ulikt brennstoff

Det er verd å nevne at ikke all forbedringen skyldes motorene. Drivstoffet er også kraftig forbedret gjennom årene og det er skreddersydd for de to motortypene.

Bensinrevolusjon 1: Fords turboladede tresylindrede enliters motor med direkteinnsprøytning og variable ventiltider var et høydepunkt i trenden mot stadig mindre slagvolum. På tross av det lille slagvolumet fås motoren med ytelser på opptil 140 Hk kombinert med svært lavt bensinforbruk.
Bensinrevolusjon 1: Fords turboladede tresylindrede enliters motor med direkteinnsprøytning og variable ventiltider var et høydepunkt i trenden mot stadig mindre slagvolum. På tross av det lille slagvolumet fås motoren med ytelser på opptil 140 Hk kombinert med svært lavt bensinforbruk. Foto: Ford

Ottomotoren går på bensin med korte hydrokarbonkjeder og med et energiinnhold på 9,1 kWh pr. liter. Diesel har lengre hydrokarbonkjeder og litt mer energi. Nesten 10 kWh pr. liter.

Det er mulig å lage bedre drivstoff til begge motortypene. Et oktantall på 105 ville gjøre det mulig å lage mer effektive bensinmotorer, men det kommer neppe til å skje.

Da er det mer sannsynlig at syntetisk diesel, som er mye renere og har et høyere cetantall, blir mer utbredt, selv om det har liten innflytelse på virkningsgraden.

Det påvirker derimot utslippet av forurensinger, som er et stort problem for dieselmotoren.

Tenning

Tenningen er en av hovedforskjellene mellom de to motortypene. Mens dieselmotoren tenner på grunn av kompresjonsvarmen så bruker ottomotoren en tennplugg.

Presisjonen til tenningstidspunktet i ottomotoren har utviklet seg voldsomt fra 80-tallet.

Den gangen ble tidspunktet regulert mekanisk av vakuumet i innsugningsmanifolden og sentrifugalvekter. Det ble som regel regulert innenfor noen grader av det optimale.

Bensinrevolusjon 2: Nissans nye VT-C-motor som kommer neste år vil være den første produksjonsmodellen i verden med variabelt kompresjonsforhold. En bensinmotor med turbo har vanligvis et lavere kompresjonsforhold for å unngå tenningsbank. Det unngår Nissan ved å variere kompresjonen slik at motoren unngår slike driftsforhold. Toliteren med turbo skal erstatte en sekssylindret 3,5 liter i en Infinitymodell uten at det går ut over ytelsen. Den er på 268 Hk med et dreiemoment på 390 Nm. Resultatet er 27 prosent lavere bensinforbruk.
Bensinrevolusjon 2: Nissans nye VT-C-motor som kommer neste år vil være den første produksjonsmodellen i verden med variabelt kompresjonsforhold. En bensinmotor med turbo har vanligvis et lavere kompresjonsforhold for å unngå tenningsbank. Det unngår Nissan ved å variere kompresjonen slik at motoren unngår slike driftsforhold. Toliteren med turbo skal erstatte en sekssylindret 3,5 liter i en Infinitymodell uten at det går ut over ytelsen. Den er på 268 Hk med et dreiemoment på 390 Nm. Resultatet er 27 prosent lavere bensinforbruk. Foto: Nissan

I dag er det motorens datamaskin som styrer tenningstidspunktet. Da er det mulig å ta hensyn til flere variabler og få et tilnærmet perfekt resultat.

Dessverre er perfekt i denne betydning også et kompromiss. Det er det best oppnåelige tenningstidspunktet som er mulig uten at det oppstår tenningsbank.

For eksempel må tidspunktet i de fleste moderne motorer justeres godt unna det virkelig optimale når motoren går med full belastning på 2000 omdreininger i minuttet. Det påvirker virkningsgraden negativt.

I en dieselmotor henger tenningen sammen med innsprøytingen. Med dagens høytrykksystemer er det mulig å få tenningen akkurat der man vil ha den i forhold til stempelposisjonen.

Men også her må innsprøytningstidspunktet flyttes bort fra det optimale for å holde NOx-utslippene i sjakk. I begge motorene er det lite forbedrings­potensial igjen på dette området.

Innsprøytning

Mens dieselmotoren alltid har hatt en form for innsprøytning var det forgasseren som dominerte i ottomotoren frem til 80-tallet.

Det var en svært enkel mekanisme, den introduserte strømningstap og var lite presis.

Det var strengere avgasskrav som satte punktum for forgasseren som ikke klarte den presisjonen som måtte til da bilene fikk katalysator. Det åpnet for elektronisk styrt innsprøytning.

Først ble bensinen sprøytet inn i manifolden med et overtrykk som var helt ned til 2 bar. De enkleste motorene hadde én dyse (single point injection), men i dag har alle bensinmotorene én dyse pr. sylinder.

Tidlig på 2000-tallet dukket det opp motorer hvor bensinen sprøytes direkte inn i sylinderen, slik som i en dieselmotor.

Sammen med den elektronisk styrte tenningen gav det svært god kontroll med forbrenningsforløpet. I dag er innsprøytningstykket i en direkte-innsprøytet ottomotor mellom 150 og 200 bar.

En dieselmotor trenger mye høyere innsprøytningstykk fordi drivstoffet ikke fordamper like lett og må forstøves mye finere. Derfor kan trykket komme opp i 2500 bar.

Teoretisk er det mer å vinne i forbrenningsprosessen ved å gå enda høyere, men samtidig kreves det mye mer energi for å produsere trykket slik at vinningen lett går opp i spinningen.

Utformingen og lengden av manifolden påvirker også virkningsgraden i motoren. Ideelt sett burde manifolden endre seg etter motorens turtall og belastning.

Spesielt i motorer uten turbo påvirker en fast innsugningsmanifold dreiemomentkurven ved at optimale strømningsforhold kun oppstår innenfor et snevert turtallsområde.

Ventiltider

Ser vi bort fra noen motorer som går som totaktere, er det kamakselen som åpner og lukker for gassvekslingen i motoren.

Tradisjonelt har kamtidene vært statiske og det gjorde at de nesten aldri var optimale. På samme måte som for en fast innsugningsmanifold skjedde det bare innenfor et lite turtalls- og belastningsområde.

I dag har svært mange biler kam-mekanismer som varierer ventilåpningen med belastning og turtall. I tillegg har de fleste motorer fire ventiler per sylinder som gir mye bedre strømningskarakteristikk enn før da de bare hadde to.

Downsizing

En trend som har pågått i mange år er å redusere slagvolumet. Det har vært en meget effektiv måte å redusere forbruket på.

Spesielt i kombinasjon med turbo, som kan kompensere for den reduserte toppeffekten og reduksjonen i dreiemoment som mindre slagvolum medfører.

Bensinmotoren har spesiell glede av dette fordi den har dårligere virkningsgrad ved lav – og dellast.

Mindre slagvolum krever mer av motoren og det gjør at spjellet åpnes mer og reduserer pumpetapene. Mindre slagvolum betyr også at mindre flater gnikker mot hverandre og det reduserer friksjonstap i motoren.

Turbo

En turbo utnytter energien i eksosvarmen som ellers ville gått tapt.

De reduserte pumpetapene i både otto- og dieselmotorer, som slipper å bruke så mye energi til å suge inn luft, øker virkningsgraden i begge motorene.

Variabel kompresjon

Nissan annonserte nylig at de skal lansere en bensinmotor med variabel kompresjon neste år.

De har utviklet og patentert en praktisk mekanisme for å heve og senke avstanden mellom veivakselen og sylinderne.

Det løser et problem man har jobbet med i hundre år og vil medføre at motoren kan få økt kompresjonen helt opp til 1:14 på lav – og dellast, mens den kan reduseres under grensen for tenningsbank ved høy belastning.

Motoren skal gi omtrent den samme virkningsgraden som en dieselmotor, spesielt på dellast, uten de gufne utslippene som krever svært kostbar teknologi for å fjerne.

VC-T Variable Compression Techology: 1: Når det trengs en endring I kompresjonsforholdet dreier servomotoren i form av et harmonisk drev og beveger styrearmen. 2: Styrearmen dreier kontrollakselen. 3: Når kontrollakselen dreier endrer den vinkelen til multilenken via et ledd. 4: Multilenken justerer hvor høyt det er mulig for stemplet å nå inne i sylinderen.
VC-T Variable Compression Techology: 1: Når det trengs en endring I kompresjonsforholdet dreier servomotoren i form av et harmonisk drev og beveger styrearmen. 2: Styrearmen dreier kontrollakselen. 3: Når kontrollakselen dreier endrer den vinkelen til multilenken via et ledd. 4: Multilenken justerer hvor høyt det er mulig for stemplet å nå inne i sylinderen. Foto: Nissan

Virkningsgraden

En moderne dieselmotor i en stor lastebil, som går med høy effekt, kan komme opp i en virkningsgrad på 45 prosent. Men før kraften omsettes til bevegelse i hjulene har mange tapsledd forsynt seg av prosentene.

I en personbil med bensinmotor er man langt fra slike tall, og her vil virkningsgraden variere veldig med turtall og belastning. Slike motorer har rundt 35 prosent som maksimal-virkningsgrad, men den faller fort under 20 prosent på dellast.

En turbodieselmotor har en god del høyere virkningsgrad på dellast og dette skyldes i all hovedsak at dieselmotoren har mye mindre pumpetap siden den slipper å «dra» innsugningsluften forbi et delvis stengt spjeld.

Litt av forklaringen til dieselmotorens lavere forbruk er også at drivstoffet er mer energirikt. Bensin har en egenvekt på cirka 0,74, mens diesel har cirka 0,83 og dette forklarer forskjellen i energiinnhold på volumbasis.

En måte å bedre virkningsgraden, spesielt til bensinmotoren, er ved hybridisering. En elektrisk motor kan assistere bensinmotoren og sørge for at den belastes mer gunstig.

Dessuten kan man fange inn energien som ellers ville gått tapt i bremsene ved å kjøre elmotoren som generator og lade batteriet.

Blir elbilens rekkeviddeforlenger

På lenger sikt, når det er elmotoren som står for fremdriften, kan forbrenningsmotoren få en større rolle som ladeaggregat. Altså en seriehybrid.

Den eneste oppgaven blir å drive en generator, men da kan den også gå med optimalt turtall og belastning, med drastisk mye bedre virkningsgrad enn i dag hvor driftsbetingelsen varierer kontinuerlig og gjør motoren til en kompromissmaskin. 

Kilde: Konsulent i motorer og drivstoff, Knut Skårdalsmo

Kommentarer (117)

Kommentarer (117)