Eksploderende gas gav motoren superkræfter

Verdens største motor er kulminationen på 200 års ingeniørarbejde, som revolutionerede alle former for transport. Og selvom nye eldrevne fartøjer vinder frem, fejrer forbrændingsmotoren stadig store triumfer.

Verdens største motor er kulminationen på 200 års ingeniørarbejde, som revolutionerede alle former for transport. Og selvom nye eldrevne fartøjer vinder frem, fejrer forbrændingsmotoren stadig store triumfer.

WIN GD

I 1863 triller et særpræget køretøj afsted på en testkørsel fra Paris til forstaden Joinville-le-Pont. Hippomobile minder mest om en trehjulet kærre, men der er ingen heste foran. I stedet er køretøjet udstyret med en encylindret forbrændingsmotor udtænkt af franskmanden Étienne Lenoir.

Den blot 11 km lange tur varer hele tre timer, men den markerer alligevel et vendepunkt i ingeniørvidenskabens og transportens historie. Lenoir er som den første lykkedes med at skabe en intern forbrændingsmotor, som ikke bare er en enkeltstående prototype. Den er et rigtigt produkt, som fremstilles i flere eksemplarer, og motoren indvarsler en revolution af transport og industri verden over.

Fra at være flere meter høje konstruktioner, der kun producerede en håndfuld hestekræfter, har forbrændingsmotoren siden udviklet sig til kompakte, effektive og superstærke maskiner. I dag leverer de drivkraften i landjordens biler og lokomotiver, vandvejenes både og skibe og lufttrafikkens fly og helikoptere.

Hippomobile-Lenoir

Étienne Lenoir demonstrerede sin forbrændingsmotor i Hippomobile med en testkørsel, som foregik med under 4 km/t.

© DR

Det ingeniørmæssige højdepunkt i motorens historie er skibsmotoren Wärtsilä RT-flex96C, der med sine 2300 tons og 114.800 hestekræfter driver gigantiske containerskibe på tværs af verdenshavene. Men forud for den moderne forbrændingsmotor er gået et utal af eksperimenter med forskellige konstruktioner og brændstoffer spændende fra kul og krudt til brint og benzin.

Kulstøv og harpiks som brændstof

Langt op i 1800-tallet var de fleste mennesker stadig henvist til at gå på deres egne ben eller lade sig transportere på hesteryg eller i hestevogn for at komme rundt til hverdagens gøremål.

Dampmotorens indtog i skibe, lokomotiver og industrimaskiner havde godt nok skudt den industrielle revolution i gang, men den effektive forbrændingsmotor lod endnu vente på sig.

Opfindere som Lenoir havde dog gennemskuet dampmotorens begrænsninger, herunder dens lave energiomsætning, som gjorde motorerne upraktisk store. Allerede i 1807 havde de franske brødre Nicéphore og Claude Niépce fremstillet en prototype på et nyt koncept, der anses for en af de allerførste såkaldt interne forbrændingsmotorer.

Francois-Isaac-de-Rivaz-motor-brint
© Henri Michelet

Rivaz brugte brint i sin motor

Den franske opfinder François Isaac de Rivaz (1752-1828) skaber i 1807 en motor, som er drevet af brintgas. Gassen antændes vha. tændrør, og motoren regnes blandt de første praktisk anvendelige. Den sættes dog aldrig i produktion.

Étienne-Lenoir-motor-brint-kulgas
© E. Thomas

Lenoir gjorde motoren tilgængelig

Den første interne forbrændingsmotor, som bliver kommercielt tilgængelig, udvikles af Étienne Lenoir (1822-1900). Motoren er drevet af kulgas, og Lenoir patenterer den i 1860. Tre år efter demonstrerer han dens evner som bilmotor.

nikolaus-otto-motor-benzin
© Unknown

Ottos motor spandt i fire takter

Den første firetaktsmotor udvikles i 1876 af tyskeren Nikolaus Otto (1832-1891). Motoren gennemgår fire takter i hver forbrændingscyklus: indtag, kompression, forbrænding og udstødning. Motortypen er i dag den mest ubredte i biler.

rudolf-diesel-motor
© Unknown

Diesel fik mere ud af brændstoffet

Rudolf Diesel (1858-1913) udvikler dieselmotoren i begyndelsen af 1890’erne. I 1897 demonstrerer han en firetakts dieselmotor med 25 hk. Dieselmotoren udnytter brændstoffet bedre end benzinmotoren og har ikke tændrør.

Det nye koncept gjorde op med dampmotorens svage punkt. En dampmaskine virker ved, at vanddamp bliver skabt ved opvarmning uden for selve motoren og først bagefter ledt ind i cylinderen. Men brødrene demonstrerede, at man ved at lade en gas udvide sig under forbrænding inde i selve cylinderen kunne drive et stempel internt i motoren.

Det princip skulle vise sig at blive afgørende for at skrumpe forbrændingsmotoren i størrelse og gøre den mere effektiv. Brødrene patenterede motoren, der forbrændte en blanding af kulstøv og harpiks, under navnet Pyréolophore i 1807 og installerede den på en båd. De fik dog aldrig sat motoren i kommerciel produktion.

Fra kemisk energi til rotation

En forbrændingsmotor fungerer grundlæggende ved at omdanne den kemiske energi i et brændstof til mekanisk energi. Det flydende brændstof omdannes til gasform i et kammer – cylinderen – og sammenblandes med ilt, hvorefter blandingen antændes.

Under forbrændingen frigives der energi i form af varme, som får gassen til at udvide sig og presse stemplet i bund i cylinderen. Gassen afkøler, og når stemplet vender tilbage til sin topposition, gentager processen sig.

Udviklingen af forbrændingsmotoren havde ikke været mulig uden tre afgørende nyskabelser. Tilsammen gjorde de motorerne stærkere og mindre og derfor også mere anvendelige end dampmaskinerne.

forbraendingsmotor-benzin
© Shutterstock & Lotte Fredslund

1. Forbrændingen sker i cylinderen

Forbrændingsmotoren flyttede forbrændingen af gassen ind i cylinderen, hvor den komprimeres, så temperaturen stiger. I dampmaskinen foregik opvarmningen af dampen uden for cylinderen, hvilket gjorde maskinerne upraktisk store.

forbraendingsmotor-benzin
© Shutterstock & Lotte Fredslund

2. Ventiler kontrollerer forbrændingen

For at forbrændingen kan finde sted i cylinderen, kræves der ilt, som tilføres via en indsugningsventil. Når forbrændingen er sket, skal udstødningsgassen ledes ud af cylinderen, hvilket udstødningsventilen sørger for.

forbraendingsmotor-benzin
© Shutterstock & Lotte Fredslund

3. Nye brændstoffer giver mere energi

Energirige brændstoffer som benzin og diesel gjorde det muligt at omdanne langt større mængder kemisk energi fra brændstoffet til varme og derefter til mekanisk energi til at drive hjul, skruer og turbiner rundt.

Hvert stempel i motoren skubber med sin op- og nedadgående bevægelse til motorens drivaksel kaldet krumtapakslen, lidt på samme måde som når en cykelrytters ben tramper pedalerne rundt. Via krumtapakslen oversættes bevægelsen til den rotation, som får bilhjulene, skibsskruen eller turbinen i flymotoren til at snurre.

Langt fra teori til praksis

Selvom princippet grundlæggende er simpelt, var udviklingen af den interne forbrændingsmotor flere hundrede år undervejs.

Siden 1600-tallet havde ingeniører og videnskabsmænd forsøgt at udtænke og bygge motorer med intern forbrænding; for eksempel havde den berømte hollandske astronom, fysiker og matematiker Christiaan Huygens forsøgt sig med et design, der benyttede krudt som brændstof.

Men først i 1824 fik ingeniørerne den teoretiske ballast, der gjorde det muligt at udvikle den interne forbrændingsmotor. Den franske ingeniør og fysiker Nicolas Léonard Sadi Carnot, som anses for at være en af hovedmændene bag termodynamikkens love, fremsatte på det tidspunkt en teori om den optimale varmekraftmaskine og udviklede den såkaldte Carnot-kredsproces.

De første bilmotorer leverede kun to hestekræfter.

Ud fra sine formler og beregninger konkluderede Carnot, at effekten i en forbrændingsmotor stiger, jo større forskellen er på brændstoffets kolde og varme stadie. Det stod dermed klart, at der var brug for at udvikle nye motorer, der arbejder med højere temperaturer inde i cylinderen end de 100 °C, vanddamp kan levere. Der skulle med andre ord nye og bedre brændstoffer til.

Otto-motoren gav gennembruddet

Da Étienne Lenoir trillede rundt uden for Paris i sin Hippomobile i 1863, skete det således med en motor, som kunne forbrænde brint. Motoren anses i dag som en succes for sin tid med mellem 500 og 1500 producerede eksemplarer i Europa.

Med nutidens øjne var Lenoir-motorerne dog hverken brændstoføkonomiske eller højtydende. En 18-liters Lenoir-motor producerede blot to hestekræfter. Til sammenligning yder almindelige bilmotorer på 1-2 liter i dag oftest 100 hestekræfter eller mere.

Så før forbrændingsmotoren for alvor kunne blive udbredt, skulle den tages til det næste niveau. Det stod den tyske ingeniør Nikolaus Otto for, da han opfandt den såkaldte Otto-kredsproces, som er grundprincippet i de fleste moderne bilmotorer.

I løbet af motorens fire takter bliver brændstof og luft, der indtages gennem en ventil, blandet i cylinderen, mens stemplet er helt nede. Derefter føres stemplet opad, hvorved gasblandingen presses sammen.

En gnist antænder nu gassen, som driver stemplet ned igen pga. gassens udvidelse. Når gassen afkøler, føres stemplet igen opad, mens udstødningsgassen presses ud af cylinderen gennem en anden ventil. Herefter gentages processen.

Ottos motorprincip adskilte sig fra Lenoirs ved kompressionen af gassen, som gjorde det muligt at øge temperaturen i cylinderen gennem en såkaldt adiabatisk proces. Den højere temperatur gjorde motoren mere effektiv.

Den første Otto-motor blev bygget i 1876 og de følgende 17 år solgt i knap 50.000 eksemplarer. I løbet af 1880’erne forfinede de tyske ingeniører Gottlieb Daimler og Wilhelm Maybach, begge pionerer i bilindustrien, konceptet ved bl.a. at opfinde karburatoren. Den gjorde det muligt at bruge benzin som brændstof i stedet for kulgas, som Otto brugte i begyndelsen.

På to århundreder forvandlede motorens udvikling samfundet på alle fronter – først med dampmaskinen og siden med den interne forbrændingsmotor, som gjorde de kunstige hestekræfter endnu mere anvendelige.

atmosfaeremotor-forbraendingsmotor
© Granger/Shutterstock/Ritzau Scanpix

1712: Pumper holdt minerne tørre

Den såkaldte Newcomen-motor fra 1712 drives af damp, som presser et stempel op i en cylinder. Når dampen derefter fortættes, ved at der sprøjtes vand ind, suges stemplet ned igen. Motoren blev typisk brugt i vandpumper til miner.

Dampmotor-forbraendingsmotor
© The Print Collector/Alamy/Ritzau Scanpix

1768: Damp satte gang i industrien

James Watt forfinede dampmotoren, så den blev mere effektiv, ved at forsyne den med et separat kondensationskammer. Det betød mindre varmetab fra cylinderen. Watts dampmotor blev et ikon for den industrielle revolution.

benzinmotor-forbraendingsmotor
© SPL

1876: Benzin fik bilerne til at rulle

Firetaktsmotoren med intern forbrænding blev i praksis den første benzinmotor. Mens opfinderen Nikolaus Otto ville bruge den i store fabrikker, insisterede hans chef, Gottlieb Daimler, på at gøre den kompakt nok til brug i køretøjer.

dieselmotor-forbraendingsmotor
© CC BY-SA 4.0

1897: Diesel gav skibe superkræfter

Rudolf Diesel opdagede, at han kunne komprimere gassen i cylinderen så meget, at den antændte uden brug af tændrør. Dieselmotoren er mere brændstoføkonomisk og bliver bl.a. brugt til tunge fartøjer som skibe, tog og lastbiler.

En af de sidste store landvindinger for forbrændingsmotoren i 1800-tallet skete i 1890’erne, da Rudolf Diesel udviklede og i 1895 patenterede motoren af samme navn.

Diesel indså, at forbrændingsgassen kunne antændes uden brug af en gnist fra et tændrør ved i stedet blot at presse gassen så hårdt sammen, at varmen fra den adiabatiske proces i sig selv antændte gassen.

Fordelen ved dieselprincippet er, at den højere kompression og dermed temperatur under forbrændingen udnytter brændstoffet mere effektivt. I begyndelsen blev dieselmotorerne primært benyttet i industrien og til store maskiner i for eksempel skibe, men i dag er dieselmotorer også udbredte i personbiler netop pga. deres brændstoføkonomi.

Gigantmotor kører i to takter

Dieselmotoren er fortsat dominerende i skibstrafikken – og det gælder også for havets absolutte sværvægtere, containerskibene. Målt i ren råstyrke er skibsmotoren Wärtsilä RT-flex96C kulminationen på forbrændingsmotorens historie.

Alle fakta vidner om dens kolossale dimensioner og ydeevne. 14 cylindre, 114.800 hestekræfter og en vægt som ca. 400 afrikanske elefanter er blot nogle af tallene bag den 26,6 meter lange dieselmotor.

Bag bygningen af gigantmotoren står det finske firma Wärtsilä, og det første eksemplar blev sat i drift i det 397 meter lange containerskib Emma Mærsk i 2006.

Allerede året efter debuten var der solgt 500 eksemplarer af motortypen, der kan drive de store containerskibe frem med en hastighed på op til 45 km/t.

emma-maersk-containterskib-motor

Containerskibet Emma Mærsk blev som det første forsynet med verdens største dieselmotor. Den yder mere end 100.000 hestekræfter og driver skibet frem med op til 45 km/t.

© Maersk Line

Wärtsilä RT-flex96C er en såkaldt totaktsmotor, som gennemfører en forbrændingscyklus i løbet af to takter i stedet for fire. I totaktsmotoren sker der forbrænding, hver gang stemplet er i top, mens forbrændingen i firetaktsmotoren kun sker hver anden gang.

Opbygningen af totaktsmotoren er enklere, da den kræver færre bevægelige dele og komponenter end firetaktsmotoren. Fordelen er desuden, at ingeniørerne kan opnå højere effekt, dvs. flere hestekræfter, i forhold til motorens vægt.

Motoren kæmper med vægten

Netop tyngdekraften var den værste fjende, ingeniørerne måtte overvinde under udviklingen af den 2300 tons tunge motor.

For at sikre sig, at den kan holde til belastningen fra sin egen vægt, har ingeniørerne brugt avancerede computerberegninger kaldet finite element method til at fremstille 3D-modeller af bl.a. cylinderblokkene.

VIDEO: Se ingeniørerne bygge monstermotoren

Wärtsilä RT-flex96C er det hidtil mest ekstreme resultat af det pionerarbejde, Lenoir, Otto, Diesel og flere andre ingeniører lagde grunden til i 1800-tallet. Og forbrændingsmotoren vil også i fremtiden fejre nye triumfer, både til søs og andre steder.

For eksempel arbejder det japanske bilfirma Mazda på at bringe fordelen fra dieselmotoren – det høje kompressionsforhold – ind i selskabets nye benzinmotorer med såkaldt gniststyret kompressionstænding. Ifølge Mazda kan teknologien forbedre brændstoføkonomien med 20-30 procent sammenlignet med traditionelle benzinmotorer.

Så selvom elbilerne i disse år gør deres indtog i vores hverdag, er forbrændingsmotorerne ikke dømt ude endnu.