Fra venstre: Dieselmotor, bensinmotor og HCCI-motor. I sistnevnte er bensinen svært godt fordelt før stemplet beveger seg oppover. Til slutt tenner blandingen, som kan være svært mager, av kompresjonsvarmen.
Fra venstre: Dieselmotor, bensinmotor og HCCI-motor. I sistnevnte er bensinen svært godt fordelt før stemplet beveger seg oppover. Til slutt tenner blandingen, som kan være svært mager, av kompresjonsvarmen.

STEMPELMOTOR

Slik fungerer fremtidens stempelmotor

Dette er løsningene inntil elmotoren tar over.

Dieselmotoren er for skitten. Ottomotoren bruker for mye bensin, og er heller ikke veldig ren. Så hva er løsningen?

Elmotoren selvfølgelig, men vi kommer til å være omgitt av forbrenningsmotorer i mange år. Vi trenger noe nytt!

Og noe nytt kommer – i flere former. Virkningsgraden skal opp og forurensingene skal ned. La oss se. 

HCCI

HCCI står for Homogeneous charge compression ignition og er ingen ny tanke. Dette har vært «the next great thing» aldri så lenge. Poenget med en HCCI-motor er at den bruker bensin som drivstoff, men den tenner ved hjelp av kompresjonsvarme som en dieselmotor.

Enkelt og greit i teorien, men forbasket vanskelig i praksis. Men nå er det håp. Mazda har sagt at de skal lansere en slik motor om to år.

For å få HCCI til å virke kreves ekstrem god kontroll med temperatur og andre driftsparametre. En datamaskin må fra millisekund til millisekund kjenne sylindertemperatur og pådrag for å kunne styre bensinmengden som sprøytes inn. Ikke i sylinderen, men i manifolden hvor den får bedre tid til å blande seg med luften.

Sannsynligvis bruker Mazda også en veldig enkel resirkulering av eksosgass – EGR – ved å slippe litt eksos direkte fra manifolden til innsuget. Med denne formen for kortreist varm gass kan man lettere kontrollere betingelsene i forbrenningskammeret.

Ferdig blandet

En HCCI-motor trenger å ha drivstoffet homogent fordelt i forbrenningskammeret når kompresjonsslaget begynner. Typisk vil kompresjonsforholdet være høyt. Kanskje mer enn 14:1, noe som er uvanlig i en Ottomotor. Poenget med den er at Ottoprosessen er støkiometrisk. Luft/bensin forholdet skal ha λ=1. Det betyr at det skal være nok O2 til at all bensin forbrenner fullstendig. I moderne motorer måles det med lamdasonden som sjekker om det er fritt O2 i eksosen.

En HCCI-motor kan gå med λ opp mot 2. Det vil si svært mager blanding. En blanding som ikke ville la seg antenne av en tennplugg. I stedet forbrenner hele den komprimerte blandingen samtidig, og flammeløst. Det gjør at en slik motor må være mekanisk sterk. Det blir litt som å slå til stemplet med en slegge. Fraværet av en flammefront ut fra en tennplugg i en Ottomotor og langs den innsprøytede dieseloljen i en Dieselmotor gjør at forbrenningstemperaturen blir lavere. Da dannes det svært lite NOx og partikler. I en Ottomotor dannes det sotpartikler fordi store dråper lengst bort fra tennpluggen ikke får tid til å forbrenne skikkelig.

En HCCI-motor vil ha et lavere dreiemoment enn en konvensjonell motor. Det betyr at for et gitt kraftuttak vil man kjøre med spjeldet mer åpent enn i en Ottomotor. Det betyr mindre pumpetap og bedre virkningsgrad (motoren slipper å løpe Marathon og puste gjennom et sugerør).

Hvorfor har man ikke da laget slike motorer for lenge siden, kan man spørre. De knallharde kravene til prosesskontroll er en utfordring. En annen er at det er vanskelig å få en slik motor til å kaldstarte og gå på tomgang, men også til å gå på svært høyt turtall. Mazda har løst dette ved å bruke en tennplugg og gjøre blandingen fetere når den skal brukes ved kaldstart og på lavt og høyt turtall.

En HCCI-motor vil derfor kunne forbruke langt mindre drivstoff enn en Ottomotor, kanskje til og med mindre enn en Dieselmotor. (Når man sammenlikner forbruk ser vi vanligvis på liter drivstoff, men her har dieselolje en fordel fordi den har høyere egenvekt enn bensin. Målt i kg/mil er ikke forskjellen like stor.)

Selv om Mazdas motor vil ha tennplugger vil det aller meste av kjøringen foregå i HCCI-modus. Mens en vanlig Ottomotor har en virkningsgrad på rundt 25 prosent under vanlig kjøring vil en HCCI-motor kunne komme over 35 prosent.

Variabelt kompresjonsforhold

HCCI er ikke den eneste gamle motordrømmen som ser ut til å bli oppfylt. Motorer som kan variere kompresjonen så den gir best mulig virkningsgrad til kjørebetingelsene dukket opp for hundre år siden, SAAB eksperimenterte med dette på 80-tallet. De vippet rett og slett sylinderblokka sideveis i forhold til veivakselen slik at slaglengden varierte.

Nissan har annonsert at de vil lansere en Otto-motor i USA som har variabelt kompresjonsforhold. Den kan på et øyeblikk endre kompresjonen fra lave 8:1 til svært høye 14:1 ved å påvirke slaglengden mekanisk i veivhuset. Dette betyr ikke så mye for en HCCI-motor, men vil kunne få stor betydning for de som bruker tennplugg.

Det har jo Mazdas motor også, men det blir nok for dyrt å utstyre den med variabel kompresjon for det lille den vil ha av tennpluggdrift.

Variabel kompresjon vil først og fremst være en teknikk for å kjøre motoren mer optimalt uten å utløse tenningsbank. Den vil kjøre med høy kompresjon under lav belastning og redusere den når det kreves mer kraft. Teknikken vil først og fremst gi bedre virkningsgrad på lav og middels belastning. Virkningsgraden er veldig avhengig av kompresjonsforholdet, men den gode effekten flater ut ved 15:1 – 16:1.

Variable ventiltider uten kamaksel

Siden forbrenningsmotorens barndom har den vært en kompromissmaskin. En mekanisk innretning som skulle håndtere driftsbetingelser på en rekke områder som varierte med omdreininger, pådrag og andre ting. En nesten umulig oppgave. Men gradvis har elektronikk og sofistikert mekanikk fikset noen av vanskene. Et av de mer gjenstridige parameterne har vært ventiltider. Riktignok har mange motorer nå såkalte variable ventiltider, men innen et snevert område.

Variable ventiler: Ved å bruke elektronikk, trykkluft og litt mekanikk har FreeValve klart å lage en ventilmekanisme som kan varieres kontinuerlig uten å være mekanisk kobliet til veiakselen. Det åpner et vell av nye muligheter og forbedringer av stempelmotoren.
Variable ventiler: Ved å bruke elektronikk, trykkluft og litt mekanikk har FreeValve klart å lage en ventilmekanisme som kan varieres kontinuerlig uten å være mekanisk kobliet til veiakselen. Det åpner et vell av nye muligheter og forbedringer av stempelmotoren.

Et svensk selskap, Freevalve, med bakgrunn i motorindustrien, som Teknisk Ukeblad skrev om for mange år siden, har jobbet svært lenge med et ventilsystem som er elektronisk regulert og ikke mekanisk koblet til motoren. I stedet for å åpnes med kamaksler åpnes ventilene med trykkluft og de låses i åpen stilling med hydraulikk. Lukkingen skjer med en vanlig ventilfjær.

Det kan høres ut som et komplisert system, men det er det ikke. Tvert imot sparer man en masse mekanikk i form av aksler og drivreimer. Topplokket til motoren blir mye mindre og gir bedre plass under panseret. I en 1,6 liter testmotor er topplokket 5 cm lavere og motoren er 7 cm kortere på grunn av fraværet av drivreimer.

 
 

Ved å la en datamaskin ta seg av ventilåpningen og -lukkingen kan både innsugnings- og eksosventilene kontrolleres helt individuelt. De er ikke avhengige av vinkelen på veivakselen, men kan kontrollers avhengig av turtall, pådrag, utslipps- og ytelseskrav. Ikke minst kan man kjøre motoren uten spjeld som er en viktig årsak til den lavere virkningsgraden i en Ottomotor. I stedet kan åpningsforløpet til innsugingsventilen kontrollere mengden luft inn i sylinderen. Slike pumpetap gjør seg spesielt merkbare på lave og middels turtall.

EGR

Ventiler som kan varieres på denne måten kan også fungere som en ekstremt billig form for EGR – EksosGass Resirkulering. Når det trengs kan eksosventilen åpnes litt når stemplet går ned. Da vil det blandes litt eksos inn i luften som også suges inn gjennom innsugingsventilen. Det gjør det mulig å ha et høyt kompresjonsforhold uten å risikere tenningsbank.

Men et slikt prinsipp åpner også andre muligheter. Motoren kan til en viss grad kjøres som totakter og man kan ganske enkelt stenge av sylindre som ikke trengs og redusere slagvolumet. Det er bedre å kjøre to sylindre hardt enn fire sylindre på middels belastning.

Motoren kan også fungere som en kompressor og sørge for å regenerere bremseenergi som trykkluft, som så kan gjenvinnes i motoren ved å kjøre den som en trykkluftmotor.

Mest kuriøst er at en slik motor burde kunne kjøres som en dampmaskin. Ved å utnytte varmetapene i en forbrenningsmotor kan man lage damp. Da vil ikke være så vanskelig å slippe høytrykksdamp inn i sylindrene i noen arbeidsslag for drive stemplene nedover. Det vil også kjøle motoren og redusere den termiske belastningen.

Med så mange nye teknologier på beddingen, hva kan det bety for Ottomotorens virkningsgrad? Det vil betyr veldig mye, selv om alle de gode effektene ikke er kumulative. Det er godt håp om at vi i fremtiden kan får stempelmotorer som går på bensin med langt bedre virkningsgrad enn dagens dieselmotorer. Som også bevarer virkningsgraden over et mye større register av turtall og belastning. Kanskje fremtidens bensinmotor slår de store moderne skipsdieslene som kommer opp i 50 prosent? Eller kommer de for sent før bilverden har blir helt elektrisk.

Kilde: Konsulent for motorer og drivstoff, siv. ing. Knut Skårdalsmo

Kommentarer (68)

Kommentarer (68)