Eksploderende gass ga motoren superkrefter

Det ingeniørmessige høydepunktet i motorens historie er skipsmotoren Wärtsilä RT-flex96C, som med sine 2300 tonn og 114 800 hestekrefter driver gigantiske containerskip på tvers av verdenshavene. Men forut for den moderne forbrenningsmotoren har det vært et utall eksperimenter med ulike konstruksjoner og drivstoff, fra kull og krutt til hydrogen og bensin.

Kullstøv og harpiks som drivstoff

Langt inn på 1800-tallet var de fleste mennesker henvist til å gå på sine egne bein eller la seg frakte på hesteryggen eller i hestevogn for å komme rundt til hverdagens gjøremål.

Dampmaskinens inntog i skip, lokomotiver og fabrikker hadde riktignok satt i gang den industrielle revolusjonen, men den effektive forbrenningsmotoren lot fortsatt vente på seg.

Oppfinnere som Lenoir hadde imidlertid innsett at dampmaskinen hadde noen avgjørende begrensninger, blant annet lav effektivitet, noe som gjorde at de måtte være så store. Allerede i 1807 hadde de franske brødrene Nicéphore og Claude Niépce lagd en prototype som betraktes som en av de aller første motorene med indre forbrenning.

Det nye konseptet var et oppgjør med dampmaskinens svake punkt. I en dampmaskin varmes vann opp og blir til damp utenfor selve motoren. Deretter slippes dampen inn i sylinderen. Men brødrene viste at man kunne la stemplet i motoren bli presset ned av en gass som utvider seg under forbrenning inne i selve sylinderen.

Det prinsippet skulle vise seg å bli avgjørende for å lage mindre og mer effektive motortyper. I 1807 tok brødrene patent på motoren, som gikk på en blanding av kullstøv og harpiks, under navnet Pyréolophore, og installerte den på en båt. De fikk imidlertid aldri satt motoren i kommersiell produksjon.

Fra kjemisk energi til rotasjon

En forbrenningsmotor fungerer ved å gjøre om den kjemiske energien i et drivstoff til mekanisk energi. Det flytende drivstoffet gjøres om til gassform i et kammer – sylinderen – før det blandes med luft og antennes.

Under forbrenningen frigjøres det energi i form av varme, som får gassen til å utvide seg og presse ned stemplet i sylinderen. Gassen avkjøles, og når stemplet vender tilbake til utgangsstillingen, gjentar prosessen seg.

Hvert stempel i motoren beveger seg opp og ned. Den bevegelsen driver igjen motorens veivaksel, litt på samme måte som når beina til en syklist tråkker på pedalene. I veivakselen overføres opp-og-ned-bevegelsen til den rotasjonen som får bilhjulene, skipspropellen eller generatoren til å snurre.

Langt fra teori til praksis

Selv om prinsippet er enkelt, tok det flere hundre år å utvikle forbrenningsmotoren.

Siden 1600-tallet hadde ingeniører og vitenskapsfolk forsøkt å tenke ut og bygge motorer med indre forbrenning; for eksempel hadde den berømte nederlandske astronomen, fysikeren og matematikeren Christiaan Huygens forsøkt seg med en konstruksjon som brukte krutt som drivstoff.

Men først i 1824 fikk ingeniørene den teoretiske ballasten som gjorde det mulig å utvikle forbrenningsmotoren. Den franske ingeniøren og fysikeren Nicolas Léonard Sadi Carnot, som betraktes som en av oppdagerne av termodynamikkens lover, framsatte på det tidspunktet en teori om den optimale varmekraftmaskinen og utviklet det som fikk navnet Carnots kretsprosess.

Ut fra sine formler og beregninger konkluderte Carnot med at effekten i en forbrenningsmotor stiger med forskjellen på den kalde og varme fasen til drivstoffet. Det ble dermed klart at det var behov for å utvikle nye motorer som arbeider ved høyere temperaturer inne i sylinderen – vanndampen i de første dampmaskinene var bare på 100 °C. Det måtte med andre ord nye og bedre former for drivstoff til.

Ottomotoren ga gjennombruddet

Da Étienne Lenoir trillet rundt utenfor Paris i sin Hippomobile i 1863, skjedde det med en motor som kunne forbrenne hydrogen. Motoren betraktes i dag som en suksess. Det ble produsert mellom 500 og 1500 eksemplarer i Europa.

Med dagens øyne var Lenoir-motorene imidlertid verken effektive eller kraftige. En 18-liters Lenoir-motor produserte bare to hestekrefter. Til sammenligning har vanlige bilmotorer på 1–2 liter i dag som regel 100 hestekrefter eller mer.

Så før forbrenningsmotoren for alvor kunne bli utbredt, måtte den videreutvikles. Det sørget den tyske ingeniøren Nikolaus Otto for. Han fant opp den såkalte ottoprosessen, som er grunnprinsippet i de fleste moderne bilmotorer.

Motoren har fire faser. Først blir drivstoff og luft, som tas inn gjennom en ventil, blandet i sylinderen, mens stemplet er helt nede. Deretter føres stemplet oppover slik at gassblandingen presses sammen.

En gnist antenner gassen, som driver stemplet ned igjen fordi gassen utvider seg. Når gassen avkjøles, føres stemplet igjen oppover, mens eksosen presses ut av sylinderen gjennom en annen ventil. Deretter gjentas prosessen.

Ottos motorprinsipp skilte seg fra Lenoirs ved kompresjonen av gassen, noe som gjorde det mulig å øke temperaturen i sylinderen gjennom en såkalt adiabatisk prosess. Den høye temperaturen gjorde motoren mer effektiv.

Den første ottomotoren ble bygd i 1876, og de følgende 17 årene ble det solgt nesten 50 000 eksemplarer. I løpet av 1880-tallet videreutviklet de tyske ingeniørene Gottlieb Daimler og Wilhelm Maybach, begge pionerer i bilindustrien, konseptet ved blant annet å finne opp forgasseren. Den gjorde det mulig å bruke bensin som drivstoff i stedet for kullgass, som Otto brukte i begynnelsen.

En av de siste store landevinningene for forbrenningsmotoren på 1800-tallet skjedde på 1890-tallet, da Rudolf Diesel utviklet og i 1895 patenterte motoren med samme navn.

Diesel innså at forbrenningsgassen kunne antennes uten bruk av en gnist fra en tennplugg ved bare å presse gassen så hardt sammen at varmen fra den adiabatiske prosessen i seg selv antente gassen.

Fordelen med dieselprinsippet er at den høyere kompresjonen og dermed temperaturen under forbrenningen utnytter drivstoffet mer effektivt. I begynnelsen ble dieselmotorene først og fremst brukt i industrien og til store maskiner i for eksempel skip, men i dag er dieselmotorer også utbredt i personbiler, nettopp på grunn av brennstofføkonomien.

Gigantmotor går i to takter

Dieselmotoren er fortsatt dominerende i skipstrafikken – og det gjelder også for havets absolutte tungvektere, containerskipene. Målt i ren styrke er skipsmotoren Wärtsilä RT-flex96C kulminasjonen av forbrenningsmotorens historie.

Alle fakta vitner om kolossale dimensjoner og voldsom yteevne. 14 sylindre, 114 800 hestekrefter og en vekt som om lag 400 afrikanske elefanter er bare noen av tallene bak den 26,6 meter lange dieselmotoren.

Bak konstruksjonen av gigantmotoren står det finske firmaet Wärtsilä, og det første eksemplaret ble satt i drift i det 397 meter lange containerskipet Emma Mærsk i 2006.

Allerede året etter debuten var det solgt 500 eksemplarer av motortypen, som kan drive de store containerskipene med en hastighet på opptil 45 km/t.

Wärtsilä RT-flex96C er en totaktsmotor, noe som betyr at forbrenningssyklusen har to takter i stedet for fire. I totaktsmotoren skjer det forbrenning hver gang stemplet er på toppen, mens forbrenningen i firetaktsmotoren bare skjer annenhver gang.

Oppbygningen av totaktsmotoren er enklere siden den krever færre bevegelige deler enn firetaktsmotoren. Fordelen er dessuten at ingeniørene kan oppnå høyere effekt, altså flere hestekrefter, i forhold til motorens vekt.

Motoren strever med vekten

Nettopp tyngdekraften var det største problemet ingeniørene måtte overvinne under utviklingen av den 2300 tonn tunge motoren.

For å sikre at motoren kan tåle belastningen av sin egen vekt, har ingeniørene brukt den såkalte finittelementmetoden til å lage 3D-modeller av blant annet sylinderblokkene.

VIDEO: Se ingeniørene bygge monstermotoren

Wärtsilä RT-flex96C er det hittil mest ekstreme resultatet av det pionerarbeidet Lenoir, Otto, Diesel og flere andre ingeniører la grunnlaget for på 1800-tallet. Og forbrenningsmotoren vil også i framtiden feire nye triumfer, både til sjøs og andre steder.

For eksempel arbeider det japanske bilfirmaet Mazda med å bringe fordelen til dieselmotoren – det høye kompresjonsforholdet – inn i selskapets nye bensinmotorer med såkalt gniststyrt kompresjonstenning. Ifølge Mazda kan teknologien forbedre brennstofføkonomien med 20–30 prosent sammenlignet med tradisjonelle bensinmotorer.

Så selv om elbilene i disse dager gjør sitt inntog i hverdagen vår, er ikke forbrenningsmotorenes dager talte enda.