På en måte er et høyt NOx-utslipp et slags sunnhetstegn i en motor, både bensin og diesel. (Bilde: Colourbox)

HVORDAN VIRKER: BENSINMOTOREN

Nå skal bensinmotoren bli mye bedre

Bensin vs diesel

  • Utviklingen over mange år har gjort at både bensin- og dieselmotorer har fått bedre virkningsgrad og lavere forbruk. Endringene i bensinmotoren har gjort det mulig å knappe inn på det store forspranget dieselen har hatt. Før kunne det være så mye som 30 prosent, men nå ligger bensinmotoren mellom 10 og 15 prosent etter dieselen. Lavere enn det blir det neppe fordi pumpetapene i en bensinmotor, som skyldes av den reguleres med et spjeld, reduserer virkningsgraden under normal bruk.
  • Utviklingen har gjort at prisforskjellen mellom diesel- og bensinmotorer heller ikke er så stor lenger. Større serier har gjort dieselmotoren billigere på tross av at den er blitt mer kompleks. Samtidig har bensinmotoren blitt billige i drift, fått mer dreiemoment på lavt turtall, men det har økt kompleksiteten og prisen litt.
  • Bilprodusene legger ned store ressurser i å redusere bensinforbruket. De teknikkene/teknologiene som er beskrevet i denne artikkelen kan betraktes som de mest vanlige pr. i dag og i de nærmeste årene. Såkalte HCCI-motorer - Homogenous Charge Compression Ignition, som er en mellomting mellom bensin og dieselmotor har lenge vært på utviklingsstadiet, men det kan ta tid før motorer blir kommersielt tilgjengelige.

De siste ti–femten årene har vi vært vitne til en dieselrevolusjon. Den trege, osende motoren har blitt kvikk, dreiemomentsterk og særdeles populær.

Utviklingen har vært velsignet av myndigheter over hele Europa for å få ned CO2-utslipp og drivstofforbruk, men det har ikke vært problemfritt. I kjølvannet har dieselrevolusjonen gitt oss mer partikkelutslipp og NOx.

Men nå kommer bensinmotoren etter. Motorkonstruktørene er i ferd med å transformere den på en måte som minner om det vi har vært vitne til på dieselsiden.

Les også: Visste du at bensinen er annerledes om vinteren enn om sommeren?

Turbo

Nok en gang er det turboen som spiller førstefiolin i forvandlingen. Bensinmotoren klarte seg lenge uten turbo fordi den hadde turtallet på sin side.

Der dieselen stoppet på rundt 4000 rpm fortsatte bensinmotoren til 6000, og vel så det. Folk fikk effekten, men på et høyere turtall. En turbo kostet mer penger, og det var heller ikke like enkelt å utstyre bensinmotorer med den på grunn av den varmere eksosen.

Eksostemperaturen ligger på mellom 700 og 800 grader i en dieselmotor, men opp mot 1000 grader i en bensinmotor.

Det som nå gjør turboen aktuell i bensinmotoren er det som ofte omtales som downsizing. For å redusere forbruket og derigjennom CO2-utslippet reduseres slagvolumet i motorene.

Det har skjedd både i diesel og bensinmotorer. For at det ikke skal gå ut over effekt og dreiemoment benyttes turbo og andre teknikker. Når det av og til trengs mer hestekrefter i en liten motor, pumper turboen inn mer luft og gjør den til en «stor» motor.

Og når man først utstyrer maskineriet med en turbo, sørger man også for at den slår inn så tidlig som mulig. Det gir moderne bensinmotorer et høyere dreiemoment på lavere turtall og da trenger man ikke å være like aktiv med girspaken som før.

Les også: Derfor er diesel billigere enn bensin

NOx begrenser

På en måte er et høyt NOx-utslipp et slags sunnhetstegn i en motor, både bensin og diesel.

Det tyder på høy virkningsgrad og lavt CO2-utslipp. Den varmere eksostemperaturen gjør at en bensinmotor har en høyere NOx-konsentrasjon ut fra motoren enn en dieselmotor. Men den har også en treveis katalysator som fjerner NOx, i tillegg til CO og HC, på en svært effektiv måte.

En slik katalysator krever at motoren går støkiometrisk. Det vil si at det er best mulig balanse mellom oksygenet i luften og drivstoffet som kan reagere med det.

I en dieselmotor er det alltid luftoverskudd, og da vil ikke treveiskatalysatoren være i stand til å redusere (omdanne) NOx til nitrogen og oksygen. Den må derfor reguleres på andre måter, og det gjør dieselen til NOx-verstingen selv om den i utgangspunktet ikke er det.

Et av knepene som kan benyttes for å redusere bensinforbruket ytterligere er å gjøre forholdet mellom drivstoff og luft magrere, såkalt lean burn.

Det finnes såkalte mager-NOx-katalysatorer, men disse krever at bensinmotoren går med luftunderskudd innimellom. Dersom motoren skal gå konstant magert, klarer neppe katalysatoren NOx-jobben alene, og man må sannsynligvis inn med innsprøytning av urea (AdBlue).

Den samme teknologien, som sammen med katalyse gjør at NOxendres til vann og CO2, brukes allerede i store kjøretøyer og i noen diesel personbiler.

Les også: Hva er det egentlig i smøreolje annet enn olje?

Mindre avansert

Turboene som nå finner veien inn i bensinmotorer er mindre avanserte enn i dieselmotorer. På grunn av den høye eksostemperaturen benyttes ikke turboer med variabel geometri (VGT) og mye finmekanikk.

Men ingen regel uten unntak. Porsche 911 Turbo har dette, men den koster flesk å produsere, så VGT blir nok ikke å finne i «hvermannsens» biler.

I stedet benyttes turboer med såkalt waste gate. Her brukes et spjeld som slipper eksos forbi slik at trykket ikke skal blir for høyt. For at turboen skal virke så raskt som mulig, velges en lettest mulig turbo med liten diameter. Den spinner mye raskere i gang og gir trykk på lavt turtall, men da må overskuddsluften ledes bort for at ikke trykket skal blir for høyt.

En del bilprodusenter har også innført turboladere med såkalt twin scroll-teknologi på sine 4-sylindrede motorer. Med twin scroll ledes eksosen fra to og to sylindre til hver sine innløp på turboen.

Da unngår man at eksos fra for eksempel sylinder nr. 1 kommer inn i sylinder nr. 2, og resultatet er først og fremst bedre fyllingsgrad og raskere turborespons.

Les også: Formel 1-bilene skal bruke 40 prosent mindre bensin

EGR

I motorer med turbo er det viktig å kontrollere temperaturen i sylindrene. Blir den for høy, dannes store mengder NOx. For å redusere temperaturen resirkuleres eksos inn sammen med luften. Det kalles EGR – Exhaust Gas Recirculation.

EGR på bensin vil kun være nødvendig på lean burn motorer. På støkiometriske motorer gjør treveiskatalysator jobben med NOx-fjerning.

I bensinmotorer er treveiskatalysatoren særdeles viktig for å redusere forurensninger. Bedre materialer har gjort at moderne katalysatorer tåler høyere temperaturer. Derfor har den blitt plassert nærmere motoren slik at den oppnår driftstemperatur raskere.

Les også: Det lille skillet som gjør den store forskjellen

Direkteinnsprøytning

En annen teknikk for å få bedre kontroll med bensinmotoren er å utstyre den med innsprøyting direkte i sylindrene. En dyse per sylinder gir enda bedre regulering helt ned på sylindernivå enn konvensjonell innsprøytning hvor dysene sitter i innsugningsmanifolden. Dessuten reduseres massen som skal forflytte seg forbi innsugingsventilene, og det gjør det lettere å ta inn mer luft.

Direkte innsprøytning bidrar også til bedre kjøling i sylinderen og gjør det mulig å heve kompresjonsforholdet som igjen øker virkningsgraden i motoren.

Dieselmotoren har hatt slik direkteinnsprøytning lenge, og her opereres det med trykk på fra 1500 til over 2000 bar. Det er verken mulig eller nødvendig med bensin. Drivstoffet har ikke smørende egenskaper slik som dieselolje, men er betydelig mer flyktig. Det vil si at det fordamper mye lettere inne i sylinderen og ikke trenger så høyt pumpetrykk for å knuse opp drivstoffet i så små dråper.

Men en ulempe med direkte innsprøytning er at bensinen får kortere tid til å fordampe. Dråper som ikke er 100 prosent fordampet vil kunne danne partikler i eksosen. Dette medfører at en slik motor vil ha høyere partikkelutslipp (målt i milligram pr. kilometer) enn en bensinmotor med konvensjonell innsprøytning.

Les også: Nytt Statoil-drivstoff skal gi flere kilometer på «liter'n»

Variable ventiltider

Et problem med bensin er tendensen til selvantenning, som gir skadelig tenningsbank. Når man hever kompresjonen for å øke virkningsgraden, slik man har gjort over mange år, må det gjøres tiltak mot motorbank.

Tradisjonelle metoder for å unngå tenningsbank er justering av tenningstidspunktet (retardere tenningen) og/eller øke tilført mengde bensin. Med variable ventiltider har bilprodusentene fått et nytt våpen.

Når motoren nærmer seg bankegrensen, kan man lukke eksosventilene sent og/eller strupe innsugingen. Kontroll med ventiler på denne måten er ikke noe nytt.

Det nye er at man i moderne motorer kan kontrollere dem over et større antall grader av motorens omdreining. Variable ventiltider gir bedre fylling av sylinderen med minst mulig pumpetap, og det bidrar til bedre dreiemoment- og effektkurve.

Mercedes har introdusert det de kaller Camtronic som er to sett med ventilløftere med ulike løftehøyder og kamtider på innsugningssiden. VAG benytter denne teknologien til å stenge av to (av fire) sylindre når motoren går på lav belastning, så det er mange måter å utnytte teknologien på.

Kontroll med ventiltider i kombinasjon med tenningstidspunktet gjør også at man kan kjøre motoren på en magrere blanding enn ellers og det sparer drivstoff.

Hovedkilder: Arne Sørli, teknisk leder i Mercedes-Benz personbil og Knut Skårdalsmo, Skaardalsmo Fuel Consulting AS.

Les også:

Sjekk ut den elektriske Bobla

Billig-Tesla får 320 km rekkevidde  

Shell: Bensin og diesel kan være utfaset mellom 2050 og 2060