Bensinmotor

En bensinmotor er en intern forbrenningsmotor som først og fremst brukes i biler. Omtrent 80 % av alle biler har firetakts bensinmotor, de aller fleste andre har firetakts dieselmotor. I desember 2005 ble det for første gang i Norge registrert flere nye personbiler med dieselmotor enn med bensinmotor. I 2006 var 51,7 % av de nyregistrerte personbilene i Norge utstyrt med bensinmotor.

Typer

Bensinmotorer opererer vanligvis etter stempelprinsippet. Unntaket er Wankelmotoren.

Firetaktsmotoren er mest vanlig fordi den har virkningsgrad på omkring 35 %, noe som er høyt i forhold til totaktsmotoren. Ulempen med firetaktsmotoren er at den er relativt tung og komplisert i forhold til arbeidet den kan utføre, derfor brukes totaktsmotoren ofte i lette kjøretøy og maskiner, som i snøscootere, gressklippere, påhengsmotorer, motorsager og mopeder.

Virkningsgraden er imidlertid høyest i dieselmotorer og nyere dampmaskiner.

Virkemåte

I motsetning til i dieselmotorer blir drivstoffet i en bensinmotor blandet med inntaksluften før blandingen blir sluppet inn i sylinderen. I tradisjonelle firetaktsmotorer og i totaktsmotorer brukes en forgasser til å blande inntaksluft og drivstoff, men i så godt som alle nye biler med firetaktsmotor benyttes elektronisk innsprøytning, der monterte injektorer sprøyter drivstoff inn i inntaksmanifolden når inntaksventilen åpnes. At det brukes elektronisk innsprøytning vises ofte ved en i i slutten av bilens modellnavn. Fordelen med dette er at en elektronisk motorstyringsenhet (ECU) kan regulere nøyaktig hvor mye drivstoff som skal sprøytes inn hver gang i forhold til innsugningsluftens trykk og temperatur, som igjen bestemmer hvor rik luften er på oksygen. Dette bidrar til at motoren får riktig forbrenning, og blir mer miljøvennlig med tanke på både forbruk og avgasser.

Firetaktsmotor

Et sylinderoppsett for en firetakts bensinmotor med doble, overliggende kamaksler. (E) kamaksel for eksosventil, (I) kamaksel for inntaksventil, (S) tennplugg, (V) ventiler, (P) stempel, (R) råde, (C) veivaksel, (W) kjølekanaler

Firetaktsmotoren eller «Otto-motoren» ble utviklet av den tyske ingeniøren Nikolaus Otto i 1876. Den har ventiler i toppen av hver sylinder hvor en eller flere slipper inn en blanding av luft og drivstoff, og andre slipper ut eksos. Bakgrunnen for navnet «firetakt» er at prosessen foregår i fire takter eller slag.

Innsugningstakt – stempelet trekkes utover, innsugsventilen(e) åpner seg, og blandingen av luft og bensin suges inn.
Kompresjonstakt – stempelet dyttes innover, ventilene er stengte, blandingen komprimeres til omtrent en 1/10 av volumet.
Forbrenningstakt – en tennplugg antenner bensin-luft-blandingen. Ventilene er fortsatt stengte. Energien ved forbrenningen presser stempelet tilbake med voldsom kraft.
Utblåsningstakt – stempelet dyttes innover igjen, eksosventilen(e) åpner seg, og stempelet skyver forbrenningsgassene ut av sylinderen.

Ventilene styres av en eller flere kamaksler som roterer nøyaktig halvparten så fort som veivakselen. En overliggende kamaksel dytter på ventilløftere, som åpner ventilene. I en vanlig firesylindret motor har man gjerne 8 ventiler, men noen motorer har to innsugsventiler og to eksosventiler for hver sylinder. Ved overliggende kamaksel går det en tannet registerreim eller registerkjede fra veivakselen til kamakselen. Eldre motorer hadde vanligvis underliggende kamaksler. Disse ble drevet direkte av veivakselen med tannhjul. Støtstenger på utsiden av sylindrene overfører bevegelsen fra kamakselen til vippearmer, som i sin tur overfører bevegelsen til ventilene. Denne konstruksjonen er lite brukt i nyere bilmotorer.

Ved introduksjon av hybridbiler med bensinmotor har først Toyota og siden Mercedes valgt motorer med Atkinsonsyklus fremfor den tradisjonelle Ottosyklusen.

Totaktsmotor

Bensintotaktsmotorer er svært enkle, med få bevegelige deler. De trenger ikke ventiler, fordi det er stempelet som dekker og avdekker innsugs- og utblåsningsåpningen(e). Fordi begge sider av stempelet er i bruk, blir det litt feil å si at stempelet går ut og inn. Vi kan heller kalle det opp og ned, der opp er mot topplokket. De 2 taktene:

Når stempelet er på topp, forbrenner bensin-luft-blandingen, og energien presser stempelet ned. Samtidig under stempelet, i veivhuset, stenges en tilbakeslagsventil, såkalt Reedventil, slik at blandingen av luft og bensin som er der nede ikke kommer ut, og den blir komprimert.

Før stempelet når bunnen, avdekker stempelet utblåsningsåpningen(e), og mesteparten av eksosen forsvinner ut. Like før stempelet når bunnen, avdekker det også åpningen til en eller flere kanaler (innsuget) som forbinder oversiden og undersiden av stempelet. Mye av den komprimerte blandingen av luft og bensin slipper inn i rommet over stempelet og fortrenger det som er igjen av eksos.

Når stemplet har kommet så vidt over bunnpunktet, dekker det innsugningskanalen(e). Utblåsningsåpningen(e) er fortsatt åpne en bitteliten stund til, og dessverre er det ikke til å unngå at noe av bensin-luft-blandingen også forsvinner ut i eksosrøret. Stempelet fortsetter oppover, dekker over utblåsningsåpningen(e), og komprimerer blandingen. Samtidig under stempelet øker volumet, og det stadig lavere trykket får tilbakeslagsventilen til å åpne seg, slik at mer av bensin-luft-blanding slipper inn.

Legg merke til at forbrenningen bare skjer på oversiden av stempelet, men dobbelt så ofte som på firetakt.

For at minst mulig ubrent bensin og luft skal komme ut i eksosrøret, bør totaktsmotorer ha litt motstand i eksosrøret. Ikke bare er det miljøvennligere, men en totaktsmotor går faktisk bedre med riktig motstand enn med fri eksos. Derfor er totaktsmotorer godt egnet å ha turbo på, etter som det skaper litt motstand. Eksospotta har en spesiell funksjon på totaktsmotorer: Når utblåsningsåpningen(e) åpnes, sprer forbrenningen seg ut i eksosrøret. Dette er en trykkbølge. Når den møter enden av det store rommet i eksospotta, kommer ekkoet tilbake inn i sylinderen. Ved et visst turtall vil trykkbølgen komme tilbake igjen rett før utblåsningsåpningen(e) lukker seg igjen, slik at ubrent luft og bensin i eksosrøret dyttes tilbake inn i sylinderen. Resultatet blir omtrent det samme som om motoren skulle hatt turbo.

Blanding av luft og bensin

I motsetning til dieselmotorer, finnes det for bensinmotorer et optimalt blandingsforhold mellom luft og drivstoff. Blandingsforholdet er optimalt når drivstoffet forbrennes kjemisk fullstendig og eksosen ikke inneholder hydrokarboner. Med bensin som drivstoff er blandingsforhold mellom oksygen og bensin for kjemisk fullstendig forbrenning 14,67 vektdeler luft til 1 bensin, 14,67:1. Dette kjemisk fullstendige blandingsforholdet benevnes med lambda 1, og er nødvendig å opprettholde for at en katalysator skal fungere optimalt. Oksygenrester vil det fortsatt være i forbrenningsgassene når man har en kjemisk fullstendig forbrenning. Man regner vanligivis med at man har oksygenrester med blandingsforhold så feit som 12,5-13,2:1, lambda 0,85-0,9, avhengig av motorkonstruksjon. Tilførselen av luft bestemmes av gasspjeldet, som reguleres av føreren, typisk med en gasspedal. Bensin tilsettes denne lufta med enten forgasser eller elektronisk bensininnsprøytning. Med mindre det er snakk om direkte innsprøytning, blandes bensin og luft før det kommer inn i forbrenningskammeret. På grunn av utslippskrav, er forgasseren avløst på serieproduserte biler siden omkring 1989.

Forgasser

Utdypende artikkel: Forgasser

En forgasser er et rør med innsnevring, slik at undertrykket som oppstår ved luftgjennomstrømning suger bensin inn. På grunn av sin mangel på tilbakekobling, må forgassere justeres for å fungere optimalt. Fordi oksygeninnholdet i et volum luft avhenger av været, er justeringen væravhengig. På grunn av sin ulineære natur (se Bernoulli-prinsippet), bør forgassere ha flere justeringsparametere, eksempelvis for tomgang og full gass [1] Arkivert 25. februar 2009 hos Wayback Machine..

Elektronisk bensininnsprøytning

Dette er et diskret reguleringssystem bestående av:

Pådragsorgan: En eller flere elektrisk styrte høytrykksventiler (dyser) som kan sende en fin dusj av forstøvet bensin inn i innsugsmanifolden, eventuelt rett i sylindrene på motorer med direkteinnsprøytning.
Sensorer: Oksygensensor (lambdasonde) i eksosrøret og en form for måling av lufta som går inn i innsuget, for eksempel trykksensor på motorsiden av gasspjeldet, såkalt MAP-sensor (Manifold Absolute Pressure), kombinert med en lufttemperatursensor. Luftmengdemålere er også brukt på eldre biler, og den mer nøyaktige luftmassemåleren er mest brukt på moderne motorer.
Regulator: Motorstyringsenheten (datamaskin).

Regulatoralgoritmen benytter følgende prinsipper:

Tilbakekobling: Blandingsforholdet korrigeres hele tiden ved å opprettholde en minimal mengde oksygen i eksosen som kan måles av oksygensensoren.
Foroverkobling: Målingen av luftinntaket brukes til å forutsi hvor mye bensin som trengs. Tilpasningen skjer allerede før avviket i oksygennivå i eksosen oppstår, og motoren får en rask gassrespons.

Volum per sylinder

På høyt turtall blir tregheten i stemplene et problem, og fører til stor slitasje på motordelene. Derfor bør ikke stemplene være for tunge eller ha for lange bevegelser. Effekten til motoren er til enhver tid lik dreiemomentet ganger turtallet. For å øke dreiemomentet, kan man øke volumet i hver sylinder eller legge til flere sylindre. Øker man volumet per sylinder, øker også tregheten i hvert stempel, slik at motoren ikke tåler høyt turtall; dermed må en motor forstørres betraktelig hvis man for eksempel vil doble effekten.

Virkningsgraden blir ofte noe bedre med stort volum per sylinder, fordi friksjonen for eksempel er større i to små sylindre enn i én dobbelt så stor sylinder. Dessuten bruker store motorer ofte å kjøre på mer økonomiske turtall. Har motoren mer enn nok effekt, kan man også trimme den ned på en slik måte at det maksimale dreiemomentet kommer på lavere turtall. Det vil redusere effekten men øke virkningsgraden. Et mer drastisk alternativ er Atkinson-syklusen. Volumet per sylinder er også en balansegang mellom virkningsgrad og vekt. Bilmotorer har omkring 0,5 liter per sylinder. 1,1 liter og 0,23 liter per sylinder finnes også. Hvis resten av kjøretøyet veier mye, spiller det liten rollesten av kjøretøyet veier mye, spiller det e for kjøreegenskapene om motoren også er tung. Det er ikke sikkert at en bil med stor motor bruker mer bensin enn en undermotorisert bil på å kjøre den samme veien, selv om en stor motor bruker mer bensin på å holde seg i gang.

Boksermotoren

Animering av en boksermotor

En boksermotor har veivakselen på midten med sylindrene ut til begge sidene. en firesylindret boksermotor har 2 sylindre på hver side og en 6-sylindret har 3 sylindre på hver side. Boksermotorer brukes i de fleste småfly, og i biler som VW-boble, Porsche og Subaru. Det er litt enklere å lage en boksermotor med lite vibrasjon fordi stemplene beveger seg i takt med stemplene som ligger i samme plan på den andre siden av motoren, slik at risting i motoren er direkte i motfase for et par sylindre. En boksermotor trenger derfor ikke motvekter på veivakselen slik som andre motorer.

Rekkemotorer

Mange biler har 3-, 4-, 5- eller 6-sylindrede rekkemotorer der alle sylindrene står rett etter hverandre på en rett linje, og veivakselen liggende under. Mindre vanlig er 2-sylindrete rekkemotorer, men disse finnes og 8-sylindrete rekkemotorer har også eksistert.

V-motorer

Noen biler har V-motor, noe som innebærer at motoren har to rekker med sylindre som driver en felles veivaksel. Meningen med dette er å gjøre motoren kompakt, slik at den kan ha mange sylindre uten å bli for lang. Motoren er konstruert slik at veivakselen er i bunnen av V-en, og stemplene går opp til hver sin side i toppen av V-en. V-motorer generelt kan ha 2, 4, 6, 8, 10, 12, 16 eller flere sylindre. De 2- og 4-sylindrete motorene er vanlige i motorsykler, mens biler med V-motor som oftest har 6 eller 8 sylindre. 10-, 12-, og 16-sylindrete motorer sitter helst i større kjøretøy, men det har også forekommet personbiler med slike.

Se også

Eksterne lenker

(en) Petrol engines – kategori av bilder, video eller lyd på Commons