Av Erik Edlund
Kolvmotorn är idag drivkälla i alla lastbilar och personbilar. Eftersom de flesta transporter idag sker med dessa fordon är kolvmotorn en viktig pelare för hela industrisamhället. Denna artikel beskriver hur bensinmotorn som är den vanligaste motortypen fungerar och är uppbyggd. Lite extra tonvikt har lagts där den största utvecklingen har skett de sista åren.
Historia
Det var under 1800-talet som grunden till dagens förbränningsmotorer lades. Uppfinnarverksamheten var omfattande och vid 1900-talets början fanns mer än 200 olika motorkonstruktioner redovisade. Nikolaus Otto konstruerade 1876 en fyrtaktsmotor som fick namnet ottomotor. Drivmedlet var olika gaser men efterhand övergick han till att blanda luft med bensin. Bensinmotorn som den idag kallas är den klart vanligaste motortypen och återfinns tex. i en majoritet av alla världens personbilar och motorcyklar
.
Bensinmotorn tillhör gruppen vändkolvsmotorer. Motorns kärna utgörs av cylindrar där kolvar rör sig med en fram och återgående rörelse. Cylinderns ena ända är tillsluten av ett cylinderlock och kolven kan ses som en rörlig botten i cylindern. Bränslet och luften blandas ihop till en gas som förs in i cylindrarna. En gnista från tändstiftet startar en explosionsartad förbränning och trycket som uppstår påverkar kolven. I topplocket så finns det ventiler som ser till att den förbrända gasen hela tiden kan bytas ut mot ny gas. Kolvens fram och återgående rörelse omvandlas av vevstaken och vevaxeln till en roterande rörelse.
Fyrtakts och tvåtaktsprincipen
Motorerna kan arbeta enligt två olika principer. Idag är fyrtaktsmotorn den klart mest utbredda och finns i alla person och lastbilar. Fyrtaktsmotorns fördelar är lägre bränsleförbrukning, renare avgaser och en jämnare gång. Tvåtaktsprincipen utnyttjas oftast i små bensinmotorer i motorcyklar, gräsklippare mm. Fördelen med tvåtakts motorn är att de blir förhållandevis enkla och billiga att tillverka samt får en låg vikt jämfört med den effekt de utvecklar.
I fyrtaktsmotorn går det fyra takter för att genomföra ett arbetsförlopp eller arbetscykel. Arbetsförloppet upprepar sig hela tiden som en serie.
Inloppstakten: Under den första takten rör
sig kolven nedåt i cylindern och inloppsventilen är öppen. Bränsleluftblandningen
strömmar nu in i cylindern och när kolven når sitt nedersta läge stängs
inloppsventilen och den första takten är avslutad.
Kompressionstakten: Kolven har nu vänt och rör sig uppåt. Alla ventiler är stängda och gasen komprimeras allt mer. Strax innan kolven har nått sin högsta punkt så antänds den komprimerade gasen av en gnista från tändstiftet. Tidpunkten när förbränningen startar varieras bl.a. beroende på belastning och varvtal.
Arbetstakten: Tryckökningen som uppstår under förbränningen pressar ner kolven. Detta är den arbetsgivande fasen i fyrtaktsmotorns arbetscykel. När kolven når sitt nedersta läge så öppnar sig utloppsventilen.
Utloppstakt :Kolven rör sig nu uppåt och de förbrända gaserna drivs ut genom den öppna avgasventilen. När kolven sedan når sitt översta läge stängs utloppsventilen och inloppsventilen öppnas återigen. Fyrtaktsmotorns arbetscykel är nu slutförd men en ny cykel startats direkt.
I de enklaste utförandena av tvåtaktsmotorn har cylindern spolportar där
gasväxlingen sker. Utloppsporten är alltid placerad högre upp än inloppsporten vilket
innebär att avgaserna kan strömma ut ur cylindern innan ny gas kan komma in.
Kompressionstakt: När kolven når sitt nedersta läge har cylindern fyllts med bränsleluftblandning. Kolven rör sig sedan uppåt och komprimerar gasen. Antändningen och förbränningen sker sedan precis som hos fyrtaktsmotorn.
Arbetstakt: Kolven trycks nedåt och i slutet av takten avtäcks utloppsporten och avgaserna strömmar ut. Därefter avtäcks sedan inloppsporten och ny gas trycks in i cylindern av kolvens undersida. Den nya gasen hjälper till att driva ut avgaserna. Kompressionstakten påbörjas och cykeln börjar på nytt.
Det är många delar i motorn som utsätts för stora krafter och slitage. Detta gäller framförallt de inre delarna som står i nära kontakt med förbränningen. Om man tänker sig att man kör en motor med 3500 varv/minut i två timmar så blir det 360000 varv på vevaxeln och 720000 förbränningar. Motorn skall dock klara detta i tusentals timmar vilket ställer mycket höga krav på kvalitet och utförande av cylindrar, kolvar, tätningsringar, vevstake och vevaxel.
Motorblocket är ramen för hela motorn.
Vevaxeln är lagrad i motorblockets underdel och hålls på plats med ett
ramlageröverfall. Blocken var tidigare oftast gjorda av gjutjärn men på många nya
motorer har man övergått till en aluminiumlegering. Vinsten blir lägre motorvikt och
enklare gjutning.
Cylindern styr upp kolven och bildar vägg i förbränningsrummet. Den kan vara borrad direkt i motorblock av gjutjärn men det vanligaste är att man använder cylinderfoder. Fördelen med fodret är att ett material med högre slitstyrka än gjutjärnet kan väljas. Motorer med aluminiumblock har därför alltid foder.
För att minimera kolvens massa görs de av en aluminiumlegering. Materialet väljs också så att kolvens form och storlek inte ändras för mycket när det värms upp.
Eftersom kolven inte kan ha så tät passning mot cylindern att den själv håller tätt mot förbränningstrycket så använder man tätningsringar för detta. Kolven har också en oljering som ser till att oljemängden på cylinderväggen är lämplig. Oljan minskar friktionen och hjälper dessutom till med tätningen.
En exakt gasväxling är en förutsättning för att få en bra förbränning i
motorcylindrarna. Bränsleluftblandningen skall kunna tillföras och avgaserna drivas ut
vid exakta tidpunkter. Fyrtaktsmotorn har ventiler som styr detta. Tvåtaktsmotorn saknar
oftast ventilsystem utan gasväxlingen sköts med spolportar som redan beskrivits
tidigare. Detta system blir enkelt och billigt men nackdelen är att gasväxlingen inte
blir lika bra som med ventiler. 
Det finns två olika typer av ventilsystem. I båda systemen styr kamaxeln med dess kammar ventilerna. Genom utformningen på kammarna kan man styra när och hur länge ventilen skall vara öppen. Motorns vridmoment och andra prestanda är direkt beroende av denna utformning. När kammen inte påverkar ventilen ser en kraftig fjäder till den blir stängd.
Äldre motorer gjordes ofta med stötstänger. Det blir många rörliga delar som överför rörelsen från kammen till ventilen.
På nya motorer har man övergått till överliggande kamaxel där ventilen påverkas direkt av kammen.. Antalet rörliga delar blir betydligt färre vilket möjliggör högre varvtal. Kamaxeln kan drivas av en rem, en kedja eller kugghjul.
För att ytterligare förbättra motorns gasväxling övergår man allt mer till fyrventilsteknik. Man får då två inlopps- och två utloppsventiler per cylinder vilket ger en större ventilöppningsarea än vad som var möjligt med en ventil av varje.
Små och äldre bensinmotorer använder sig av en förgasare för att fördela bränsle till cylindrarna. Ökade krav på personbilsmotorerna ledde utvecklingen mot system med mer precis bränslefördelning än vad förgasaren kan erbjuda. Första steget var helt mekaniska insprutningssystem. Mängden bränsle är bättre avpassat än hos förgasaren men inte helt optimerat. För att förbättra detta försöker man hela tiden ta hänsyn till alla parametrar som påverkar motorn. De elektroniskt styrda systemen visade sig lämpade för uppgiften och har idag ersatt de mekaniska.
Förgasare
Bensinen pumpas från tanken till
förgasaren av bränslepumpen. Bränslet leds ner i flottörhuset och regleras av en
flottör. När mer bränsle fylls på i huset så stiger flottören och till slut så
stänger den en ventil. Eftersom motorn hela tiden förbrukar bränsle så sjunker snart
flottören igen och ventilen öppnas. Från flottörhuset så fortsätter bränslet till
spridaren i förgasarhalsen. När luften som är på väg till cylindrarna passerar så
sugs bränsle ut. Halsringen är smalare än övriga luftkanalen vilket ger en högre
lufthastighet och därmed bättre bränslefördelning. Motorns varvtal styr man sedan med
gasspjället genom att reglera hur mycket luft som tillåts passera till cylindrarna.
Vid kallstart av bensinmotorn behövs mer bränsle i förhållande till mängden luft. Choken sköter detta genom att strypa lufttillförseln framför bränslespridaren.
Mekaniska insprutningssystem
En elektrisk bränslepump pumpar bensinen från tanken. När bensinen kommer in i insprutningssystemet ser en regulator till att trycket är konstant och den överflödiga bensinen leds tillbaka till tanken.
Kärnan i hela systemet är luftmängdsmätaren. Den känner av hur mycket luft motorn förbrukar och styr därefter mekaniskt den mängd bränsle som motorn behöver.
Före inloppet till varje cylinder finns en insprutare där bränslet sprutas in. De är gjorda så att de öppnar vid ett bestämt tryck och sedan stängs igen. Hur ofta denna öppning sker kommer alltså att bero på luftmängdsmätarens läge som styr tillflödet till insprutaren.
För att klara av kallstarter finns ett separat system med en temperaturgivare och en extra insprutare. Den är placerad före insugningsröret och förgrenar sig till respektive cylinder.
Det mekaniska insprutningssystemet förfinades efterhand genom att allt mer elektronik i form av givare och reglersystem byggdes till runtomkring.
Elektroniska insprutningssystem
Bränslet pumpas från tanken till insprutningsaggregatet av en elektriskt driven pump. En regulator ser sedan till att ett konstant tryck ligger på till varje insprutare.
Det centrala i systemet är nu den elektroniska styrenheten. Denna tar in information från givare och räknar sedan ut hur mycket bränsle motorn behöver för tillfället. De två viktigaste parametrarna är motorns varvtal och luftmassan, vilka brukar kallas huvudvariabler. För att sedan ytterligare förfina motorns egenskaper får den information om motortemperaturen, inloppsluftens temperatur, avgasernas syrehalt och gasspjällets läge.
Insprutarna sitter också vid inloppet till varje cylinder, men de är nu elektroniskt styrda från styrenheten. När inloppsventilen till cylinderrummet öppnar så sprutas bensinen in och blandar sig med luftströmmen. Mängden bränsle bestäms av hur länge insprutaren hålls öppen.
Alla olika driftsförhållanden som tex. kallstart, acceleration mm tar styrenheten hänsyn till och kompenserar för.
I början användes analog teknik till styrenheten men numera är de digitalt styrda och sköter dessutom om tändningen till motorn.
Tändsystemets uppgift är att se till att förbränningen i cylindrarna startar i rätt tidpunkt. Detta har stor betydelse för motorns prestanda och för att inte avgaserna skall få onödiga föroreningar. När tändningen bör ske beror på hur hårt motorn arbetar, varvtalet, motortemperaturen och inloppsluftens temperatur.
Äldre och enklare motorer använder sig av ett mekaniskt system med brytarspetsar. Den enda faktorn som påverkar när tändningen sker är hur mycket luft motorn suger i sig.
För att kunna ta hänsyn till fler variabler som påverkar motorn än hur mycket luft den använder så har man successivt gått över till ett system som styrs av en elektronisk styrenhet. Det visar sig att praktiskt taget alla relevanta variabler är de samma som insprutningssystemet använder sig av. Det är det här skälet som gjort att man numera ofta väljer att integrera tänd- och insprutningssystemen, tidigare alltid betraktade som olika system.
Det finns olika typer av katalysatorer, men
den vanligaste är den så kallade enbädds 3-vägs katalysator. 3-vägs innebär att de
tre föroreningarna CO, HC och NOx omvandlas till vatten, kodioxid och kvävgas.
Omvandlingen sker när avgaserna strömmar igenom en keramikinsats som har en beläggning
av ädelmetaller. Insatsen är fullt av porer som bildar en yta på ca 30000 kvadratmeter.
När katalysatorn har fått upp rätt temperatur så tar den bort ca 95 % av de skadliga
ämnena.
För att katalysatorn skall fungera som bäst så skall avgaserna innehålla en viss kemisk sammansättning. En så kallad lambdasond känner av detta och skickar information till motorns styrenhet för bränsle och tändsystemen. De tre systemen samverkar alltså för att tillsammans minimera föroreningarna.
Oljan i motorn har fyra huvuduppgifter, att smörja, kyla, rengöra och täta. Smörjningen sker genom att ett tunt oljelager hamnar mellan olika glidytor och minskar deras friktion. De viktigaste smörjställena är cylindrar, vevlager, ramlager och ventilmekanism.
Genom att oljan cirkulerar så transporterar den bort mycket värme från många detaljer. Motorer med stor värmeutveckling utrustas ofta med en oljekylare för att förhindra för hög oljetemperatur.
Skadliga föroreningar som kan bildas eller komma in i motorn tas upp av oljan och transporteras till oljefiltret.
Ett exempel på där oljan hjälper till att täta är mellan cylinderväggen och kolven.Oljepumpen ser till att olja levereras med ett högt tryck till motorns kanaler och smörjställen.
För att klara av de höga temperaturerna som uppstår krävs ett väl fungerande kylsystem. Små motorer kan vara luftkylda men alla bilmotorer har idag ett kylvattensystem. Vattnet pumpas runt i motorn på många ställen för att avleda värme. Med hjälp av kylaren kan den värme som vattnet tar upp överföras till luften. Vattentemperaturen hålls konstant på ungefär 80 grader C genom att en termostat reglerar när vattnet skall passera kylaren för avkylning.
Ellinger, Herbert E och Halderman, James D; Automotive engines theory and servicing, New Jersey 1991
En introduktion om bensinmotorer, Volvo personvagnar komponenter AB, Skövde 1990
Mayer, F et al; Automotive electric/ Electronic systems, Stuttgart 1988