Kolvmotor

En kolvmotor är en motor som omvandlar ett gas- eller vätsketryck i en cylinder till en mekanisk rörelse av en kolv i cylindern. Kolven driver via en vevstake en vevaxel, som ger ett utgående vridmoment. Trycket kan antingen bildas i en extern process till exempel ångpanna, luftkompressor (gastrycksmotor) eller vätsketrycksmotor (hydraulmotor) eller bildas genom förbränning av gasen i cylindern (förbränningsmotor).

En kolvmotor kan under vissa förhållanden reversera energiutbytet och fungera som pump istället.

Om kolven endast ger en linjär kraft utan vevstake och vevaxel, till exempel slaghammare, betraktas det inte som en kolvmotor.

Renault Formula 1 V8-motor från 2006

I denna artikel beskrivs kolvmotorn som förbränningsmotor. För gas-/vätsketrycksmotorer hänvisas till artiklarna ångmaskin, pneumatisk motor och hydraulmotor.

Kolvmotorns kemi och konstruktion

Den generella kemin beskrivs i artikeln förbränningsmotor.

Gasutbytet i en tvåtaktsmotor

För kolvmotorns förbränningsprocess gäller speciellt:

Oxidationsmedlet för bränslet är det syre, som finns i den tillförda luften, varför kolvmotorer är svåra att använda i ubåtar i undervattensläge. I vissa racermotorer kan extra oxidationsmedel blandas in i bränslet, till exempel nitrometan eller lustgas. Luften kan tas in i cylindern på två sätt:

Bränsleblandningen med luften. Om bränslet är i vätskeform (ej gasdrift), sprids det i ett munstycke till fina droppar som sedan förgasas i luften. Om bränslet är i gasform, till exempel biogas, så blandas det med luften i insugningsröret. Bränsle i vätskeform kan tillföras på tre sätt:

Tryck/volym-diagram för en ideal ottomotor
Olika typer av förbränningsrum i en dieselmotor

Förbränningen. Önskemålet är att den ska ske under hela förbränningstakten så att ett jämnt vridmoment erhålles (se dynamik nedan). Förbränningen sker i två faser:

Kolvmotorns dynamik

Kolvmotorn har en kolv som rör sig linjärt och med en vevstake som delvis gör en cirkelrörelse och får vevaxeln att rotera. Det ger två fundamentala problem:

Vad som ovan nämnts gäller för en cylinder. Genom att placera cylindrarna i olika vinklar mot varandra kan man ytterligare kompensera svängningarna:

Kolvmotorns konfigurering

Fysiska variabler som ofta används:

Beroende på kolvmotorns användningssätt finns olika variabler att bestämma vid en konfigurering:

Animerad tvåtaktscykel i en ottomotor.
Animerad fyrtaktscykel i en ottomotor. Cykler:
1. Insugningstakt (Luft med bensinångor tillförs)
2. Kompressionstakt (Gasen upphettas) (
3. Expansionstakt (Ett tändstift antänder gasen)
4. Utblåsningstakt. (Avgaserna pressas ut)

Förbränningscykel. I praktiken finns endast två principer:

Bränsleantändning:

Kylmetod:

Stjärnmotor. Observera vevstakshållaren på ena vevstaken
Roterande stjärnmotor för flygplan där vevaxeln är fast och motorn roterar (Le Rhone 9C). Bränsle och ricinolja för smörjning tillfördes genom en borrhål i vevaxeln.

Cylinderplacering. Cylindrarna kan placeras olika för att passa bättre i tillgängligt utrymme eller placera vevaxeln bättre för drivningen. Genom historien har de flesta möjliga kombinationer testats. Följande har överlevt:

Boxermotor med motställda vevslängar (cylindrarna lite förskjutna). Finns i BMW-motorcyklar.
Elektrisk startmotor till bil
Wolsley tryckluftsystem för start av en råoljemotor

Start – Tomgång

Problem. Kolvmotorns processcykel bygger på att den rörelseenergi som skapas vid expansionstakten, delvis utnyttjas till att komprimera gasen i efterföljande cykel. Därför blir vridmomentet omväxlande positivt och negativt. Men den rörelseenergi som kan upplagras minskar med kvadraten på varvtalet. Det finns därför ett minsta varvtal där processen kan hållas igång. Det kallas tomgångsvarvtal. För att en kolvmotor ska starta krävs att den fås att rotera så att åtminstone en tändning drar upp varvtalet till tomgång. Startmetoder. Det finns i princip 4 metoder att tillföra den rotationsenergi som krävs:

Centrifugalkoppling i en motorsåg
1 Friktionsbackar med egenvikt
2 Tärning som ger radiellt tryck på friktionsbackarna
3 Dragfjäder som avstämts mot tomgång

Urkoppling. På fordon krävs en koppling som tillåter att motorn går fastän fordonet stannar och som kan slira igång fordonet vid start. Typer av kopplingar:

Tomgångsreglering. Tomgångsvarvtalet är ofta lite högre än minsta möjliga för att avgasemissioner ska undvikas. Är även högre vid kall motor. Reglering:

En av de mest avancerade kolvmotorerna som gjorts: Stjärn/radmotor för propellerplan Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major

Huvudkomponenter

Beskrivs mer i egna artiklar:

Övriga komponenter beror på motortyp och beskrivs under deras artiklar.

Historia

Kolvmotorns historia började med ångmaskinen då man under 1800-talet lärde sig grunderna för cylindrar, kolvar, vevaxlar mm.

Uppfinningarna av två- och fyrtakts-principerna, Ottos tändteknik och Diesels insprutningsteknik satte fart på utvecklingen kring sekelskiftet. Under 1900-talet fortsatte man med mängder av motortyper och förbättring av de olika funktionerna. Ofta var det nya material och nya produktionstekniker med allt snävare toleranser som drev utvecklingen.

Under slutet av 1900-talet introducerades datoriserade motorstyrsystem, som radikalt minskade emissionerna och ökade verkningsgraden. Dagens motorer har mycket hög tillförlitlighet, trots den avancerade konstruktionen.

Referenser