Definición y significado de förbränningsmotor

Från Wikipedia

En förbränningsmotor är en motor som i en intern process omvandlar kemisk energi (oxidation av ett bränsle) till mekanisk energi eller impulsenergi.

Motorer med en extern förbränning i t.ex. en ångpanna eller ånggenerator räknas ej som förbränningsmotorer utan gastrycksmotorer (t.ex. ångmaskin och ångturbin eller värmemotorer (Sterlingmotor).

Typer

• • Kolvmotorer. Utvecklar mekanisk energi i en roterande axel. Kan arbeta efter två processer oberoende av varandra:
    • Dels tvåtaktsmotor eller fyrtaktsmotor och
    • dels Ottomotor med tändstift eller dieselmotor med självantändning av bränslet.
  • Rotationskolvmotor eller Wankelmotor. Liknar en kolvmotor.
  • Gasturbin. Utvecklar mekanisk energi i en roterande axel. Om axeln driver en propeller kallas det turbopropmotor. Förbränningen sker kontinuerligt i en brännkammare där komprimerad luft oxiderar.

• • Jetmotor. Utvecklar impulsenergi genom att avgaserna slungas ut, ofta över 10 ggr ljudhastigheten. Liknar gasturbinen med en kompressor för luften som oxiderar bränslet.
  • Rammotor. Samma som en jetmotor men en kon för den inkommande luften som komprimerar luften tillräckligt vid hastigheter > 5 mach.
  • Raketmotor. Utvecklar impulsenergi genom att tillföra syre direkt och inte ur luften. Finns dels för fast bränsle, t.ex. krut, som innehåller både bränsle och oxidationsmedel. Dels med två tankar för flytande väte (vanligen) respektive flytande syre som pumpas in i en brännkammare.

Förbränningsprocessen

Förbränning innebär att:

• Ett bränsle och ett oxideringsmedel reagerar kemiskt med varandra varvid värme utvecklas.
• Värmeutvecklingen innebär att de avgasernas tryck och volym ökar. Härvid gäller den allmänna gaslagen där
  • p = gasens tryck (i N m^-2)
  • V = gasens volym (i m³)
  • n = substansmängd eller molantal (i mol)
  • R = gaskonstanten (8,3145 J mol⁻¹ K⁻¹)
  • T = absoluta temperaturen (i Kelvin).
• Oxideringen ska vara stökiometrisk d.v.s. mängderna av kolvätena och syret ska ge fullständig förbränning.

Den kemiska reaktionen beror på bränslet. Som exempel kan nämnas oktan som bl.a. finns i bensin:

2 C₈H₁₈ + 25 O₂ => 18 H₂O + 16 CO₂ + energi. Denna reaktion sker i flera steg:

1. En bindning mellan två kolatomer bryts. Detta sker då de har en svagare bindning jämfört med bindningen mellan kol- och väteatomer. De två kolväten som blir resultat är båda radikaler.

2. Fortsatt nedbrytning av kolväten genom att kol-väte-bindningar bryts. Detta leder till att fria väteatomer bildas.

3. Väteatomerna reagerar med syrgas, radikaler bildas.

4. Radikaler reagerar med kolväten som fortsätter brytas ner samtidigt som nya radikaler bildas.

5. Steg 2 återupprepas.

6. Kolväten reagerar med syre vilket leder till att de fortsätter brytas ner samtidigt som formyl och formaldehyd bildas.

7. Oxidering av mindre föreningar som metylradikaler och formaldehyd.

8. Kolmonoxid oxideras.

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.

Flampunkt. Flampunkten är den temperatur, vid vilken bränslet självantänds (reagerar med syret). Den är olika för varje kolväteblandning. Man kvantifierar flampunkten med oktantalet. När bränslet komprimeras ovanför en kolv i en cylinder så stiger temperaturen enligt allmänna gaslagen. Verkningsgraden ökar ju närmare man ligger flampunkten när kompressionsmaximum nås. Men om flampunkten 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. Det går bra för dieselmotorer och förväntas komma även på Ottomotorer.

Bränslen

• Petroleumbränslen. Vid fraktionerad destillation kan man främst skilja på sex fraktioner (tabelen ungefärlig):

• Biobränslen. Förnybara miljövänliga.
  • Gengas (väte och metan) framställd ur ved under andra världskriget. För Ottomotorer.
  • Biogas (huvudsakligen metan) framställd genom rötning av biologiskt avfall. För gasturbiner och Ottomotorer. Metanol kan även framställas ur skogsråvaror.
  • Etanol (C₂H₅OH) framställd från sockerarter. För Ottomotorer och dieselmotorer.
  • Biodiesel framställd ur växtoljor t.ex. palmolja och rapsolja. För Dieselmotorer.
  • Biojet framställd ur växtoljor. Test med jetflyg under 2009.
• Raketbränslen
  • Flytande väte.
  • Hydrazin. (N₂H₄). Kräver inget oxidationsmedel.
  • Krut. Används i fyrverkerier.

Oxidationsmedel

• Luft. Innehåller syrgas. Används i alla förbränningsmotorer som ska arbeta i atmosfären. Moderna Ottomotorer är försedda med sensorer som mäter atmosfärstrycket och möjliggör justeringar i motorstyrningen. Mängden syrgas kan ökas om luften överladdas med en kompressor eller en avgasturbo och ännu mer om den komprimerade och därmed värmda luften kyls ned i en laddluftkylare.
• Flytande syre. Används bl.a. i raketmotorer där det först pumpas genom den heta dysan för att kyla denna och därefter in i brännkammaren tillsammans med flytande väte.
• Nitrometan (CH₃NO₂) som blandas in i bensinen för vissa racermotorer.för att öka effekten.
• Lustgas (N₂O) för att ge kortvariga effektökningar i Ottomotorer.

Processcykler

Förbränningsmotorer 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. I en dieselmotor genom bränsleinsprutning. 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 är 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.

Se även

• Motor
• Termodynamik
• Förbränning
• Energi
• Vridmoment
• Rörelsemängd
• Verkningsgrad

Källor

• Heywood, John B.: Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill Book Co., Singapore 1988. ISBN 0-07-100499-8. 
• Encyclopedia Britannica: Encyclopedia Britannica: Internal Combustion engines
• Nasa: [1]