Idémaskinen


Den ädla konsten att bränna kolväten

Posted in Energiteknik av Robert Wensman på 26 april 2010
Tags: ,

Det är nu många som tror att den interna förbränningsmotorns dagar är räknade, och många väntar sig att det ska komma allt bättre batterier som ska ersätta dagens teknik. Men kanske ska man ändå inte vara för snabb att  helt döma ut förbränningsmotorerna på förhand. För elbilen har fortfarande en del hinder att övervinna, och det finns många fler saker än fossila bränslen som man kan använda i en förbränningsmotor, som biodisel, metangas eller alkohol. Dessutom så finns det många spännande idéer på området. Den här artikeln är avsedd att ge en övergripande sammanfattning över olika sorters experimentella motorer.

Vissa menar på att det i själva verket är valet av bränsle som är den stora frågan när det gäller förbränningsmotorns framtid. Olika bränslen produceras på olika sätt, och har olika fördelar. Här är det många olika faktorer som spelar in, men i den här artikeln tänker jag inte gå in närmare på den frågan, utan jag lämnar detta åt andra bloggare som känner sig mer bevandrade på området. Istället så tänkte jag berätta om olika försök som görs att förbättra förbränningsmotorns rent mekaniska effektivitet.

För även om förbränningsmotorn nu har funnits i över hundra år, så kan man nämligen inte vara säker på att den nått sin fulländning! Om det är något vi kan lära oss av teknikutvecklings historien så kan även den mest beprövade tekniken plötsligt förbättras radikalt. Fast det är så klart upp till var och en om man vill tro på det, innan man kan se det. 

En förbränningsmotor handlar om att komprimera bränsle och luft, i en mekaniskt expanderbar kammare, som sedan skördar den energi som sedan utlöses vid förbränningen. En enkel princip, men som kan göras på väldigt många sätt. De olika parametrarna som det handlar om är:

  • Förbränningens kvalité
  • Intern friktion
  • Hur ovan nämnda egenskaper förändras under olika varvtal och effekt

Utöver detta så är också följande av intresse:

  • Vikt
  • Hållbarhet

Tänker man använda en motor i en hybridbil så kan man till exempel bortse ifrån hur bra motorn hanterar olika varvtal. Det finns därför idéer som går ut på att bygga in sterlingmotorer i elhybrider eftersom dessa har en oerhört hög termodynamisk effektivitet, men kan bara gå i ett konstant varvtal.

För att förbättra förbränningens kvalite så handlar det helt enkelt om att förbränna bränsleblandningen med ett högre tryck, och eller under en längre tid. På Svensk hemmafront har vi sedan länge en viss expertis vad gäller så kallade HCCI motorer. Det vill säga en sorts motor som komprimerar bränslebladningen till den grad att den självantänder i en homogen och därför mycket effektiv förbränning. Men vad som gör den här metoden komplicerad är att det är lite svårt att säga exakt när förbränningen ska ske, och om motorn misstar sig och bränsleblandningen antänder för tidigt, så resulterar det istället att den energi som utvinns motverkar motorns rörelse. Man kan därför säga att HCCI har vissa likheter med Jasplanet. Det är en i grunden instabil process som datorer sedan stabiliserar. Fram till för något år sedan var det inte ens lätt att variera kompressionen under motorns gång, men en svensk ingenjör lyckades lösa detta med några smarta kugghjul. De motverkande kolvarna hjälper också till att rent mekaniskt hålla emot de enorma krafter som uppstår på grund av den höga kompressionen.

Men det finns också ett annat sätt att ta sig an problemet med ren förbränning. Istället för att öka kompressionen, så kan man istället öka förbränningstiden, vilket är idén bakom den cyklonbaserade förbränningen som förespråkas av Cyclonepower inc. Genom att sätta förbränningen i rörelse runt en kammare, så stannar de tunga partiklarna tillräckligt länge för att fullständigt förbrännas, samtidigt som den lättare koldioxiden kan ta sig ut ifrån cyklonens centrum. Men eftersom detta i praktiken är en extern-förbränningsmotor så ställs sedan frågan om hur bra den alstrade energin kan tas tillvara. Cyclonepower har löst detta med en slags helförsluten ångcykel med superhet ånga. Enligt företagets hemsida så ska verkningsgraden på dessa motorer ligga nära den hos bra diselmotorer, men företaget framhåller de rena avgaserna och flexibiliteten vad gäller bränsle som de främsta fördelarna.

Men ett annat sätt att försöka göra förbränningsmotorn mer effektiv är genom att minska den interna friktionen och göra motorn lättare. Detta hänger ofta ihop, eftersom flera rörliga delar i en motor inte bara innebär mer tyngd, men också mer friktion.

Det kanske mest klassiska exemplet på denna inriktning är wankelmotorn som i allmänhet ger en hög effekt per viktenhet. Dess låga vikt har bland annat gjort att den används i Paul S. Moller livslånga utveckling av en flygande bil. Moller International har ett avknoppningsföretag Freedom motors som saluför den typ av motor som används i prototyperna på de flygande bilarna, och enligt uppgift ska de ha förbättrat tekniken bland annat genom att deras motor inte behöver smörjas med olja i lika hög grad som tidigare wankelmotorer. De påstår också att de uppnått en imponerande ren förbränning i dessa motorer.

En motor som har vissa likheter med wankelmotorn är Saint-Hilaires Kvasiturbin. Istället för wankelmotorns trekantiga rotor använder Qvasiturbinen en fyrsidig och deformerbar och rombformad rotor, vilket tycks kunna ge en mer balanserad gång. Denna motor säljs bland annat som kompressor.

Både wankelmotorn och kvasiturbinen utgör exempel på cylinderfria interna förbränningsmotorer. De har en förbränningskammare precis som i en vanlig cylindermotor, men inga egentliga cylindrar. Men även om kvasiturbinen och wankeln kan verka eleganta, så har de en nackdel. Den avlånga förbränningskammaren har visat sig vara besvärlig att hantera. Vissa wankelmotorer har till exempel därför haft 3 tändstift för att få till en bra tändning, och de stora metallytorna leder fort bort värmen. Kanske är det därför som wankelmotorerna aldrig har framförts som några direkta miljövänner?

Så utifrån detta kan man fråga sig om det går att åstadkomma en något mer normal förbränningskammare, samtidigt som man försöker att behålla de cylinderfria interna förbränningsmotorernas fördel i och att med de inte behöver några ventiler.

Det första steget i den riktningen är helt enkelt genom att dela in förbränningskammaren i ett antal sektioner med hjälp av skivor. En variant på det är Regtechs så kalla de Radmax motor. De framhåller framför allt den låga vikten som ett starkt argument till varför deras motor ska användas.

Men man kan gå ännu längre i den här riktningen, och skapa en toroid cylinderkammare som innehåller cylindrar inte helt olik de som finns i dagens bensinmotorer, men som går runt i en cirkel och därför inte behöver några ventiler, vilket i sin tur minskar motorns interna friktion avsevärt. Utvecklingen av toroida motorer är tämligen gammal, och redan under andra världskriget experimenterade tysken Otto Lutz med denna typ av motor. Men det verkar som att man under den perioden inte lyckades skapa någon tillräckligt bra mekanism för att låsa cylindrarna som inte ska röra sig på rätt sätt. Men det verkar som att ett antal aktörer på marknaden idag har hittat sätt som verkar rimliga att göra detta på.

I dagsläget finns tre företag som arbetar med detta, utifrån lite olika principer. Den mest enkla varianten är kanske Roundengine som utvecklas av VGT Technologies Inc. Deras motor använder en enkel roterande skiva som mothåll, men vid närmare inspektion är detta inte en vanlig intern förbränningsmotor och förbränningen sker utanför cylindern.

Två företag som har konstruerat varsin variant på toroida motorer som är riktiga interna förbränningsmotorer är Angellabs med sin MYT engine och Rotoblock. Rotoblock är ett börsnoterat företag, och har faktiskt lyckats köra en intern toroid förbränningsmotor på bensin. I deras maskin så rör sig ”cylindrarna” fram och tillbaka samtidigt som det är motorblocket som roterar, och cylindrarnas oscillerande rörelse överförs till axeln med en så kallat skotch yoke.

Men den som kanske har lyckats skapa den mest eleganta lösningen på den toroida motorn är Ralph Gordon Morgado med Angellabs, som istället använder en planetväxel för att överföra kraften från cylindrarna till den centrala axeln. I hans maskin är det också bara dessa som rör sig, och motorhuset står stilla. Han kallar sin design för ”MYT engine”, där MYT står för ”massive yet tiny”

Det har uppstått en del dispyter angående beräkningen av cylindervolym på MYT motorn. Vissa menar att eftersom planetväxeln i sig utgör en reduktion på 4 gånger, så kan man inte räkna på ett helt varv för ut-axeln, utan man måste räkna på ett kvarts varv. Om man räknar på detta sättet så motsvarar ändå cylindrarna till vänster på bilden ovanför en normal V8 (då med en 4 gångers reduktionsväxel).

MYT motorn presenterades nyligen på Society of Automotive Engineers International. Här är ett klipp där Ralph pratar om sin motor:

Ralph meddelar också att han mycket snart är på väg att börja tillverka och sälja en liten 5,5 tums (14 cm i diameter) variant av sin motor, vilket enligt honom ska räcka för att driva en mindre bil.

Men konsten att förbränna kolväten i syfte att skapa rörelse kommer säkert att fashinera människor för en lång tid framöver. Det finns också många tänkbara riktningar att gå i utöver de som nämnts här. Vad sägs till exempel om en helt hydraulisk bil där kraften fån en cylindermotor används direkt för att pumpa upp trycket i en kammare.  Eller en helt fri cylinder som direkt omvandlar sin kraft till elektricitet, lite som en skakgenerator.  Även Tesla drömde om en förbränningsmotor helt fri ifrån cylindrar, tack vare sin ganska kluriga teslaturbin, en slags turbin som istället för aerodynamiska egenskaper utnyttjar gasens vidhäftningsförmåga genom en stapel med tunna skivor.  Här, här, här, här och här finns ytterligare några varianter på förbränningsmotorer som jag inte ens orkar kommentera.

Även om de flesta av dessa idéer kommer visa sig vara blindspår, så är det ändå ganska intressant att betrakta den mänskliga uppfinningsrikedomen på området.  Vi får hoppas att det leder till någonting intressant. Speciellt i hybridbilar kan man tänka sig att en mindre och lättare motor skulle vara att föredra, eftersom den i många fall endast fungerar som barlast, och eftersom bilen då även måste ha plats för elmotorer och batterier.

8 svar to 'Den ädla konsten att bränna kolväten'

Subscribe to comments with RSS eller TrackBack to 'Den ädla konsten att bränna kolväten'.

  1. t said,

    Reinfeldt tillsattes av Bilderberg gruppen – han är bara en stackare – en slav för dessa bankirer:
    https://www.flashback.org/t49943

    Det finns folk i USA som har fattat:
    Live Video-Cast from Berkeley, Calif: Truth Emergency International

    Carl Bildt är en återkommande besökare av Bilderberggruppens möten. Reinfeldt blev inbjuden strax

    innan valet. Just detta att det var innan valet gör besöket suspekt. Reinfeldt önskar heller inga frågor angående det besöket.När en yngling ställde frågan på ett torgmöte

    blev han avvisad från platsen av polis med motiveringen att Reinfeldt inte ville ha med honom att göra. Det var Kissinger som sammanförde de båda ovännerna Reinfeldt

    och Bildt. Den ena blev statsminister och den andra utrikesminister.
    Bilderberggruppens nya logo sedan år 2005 visar till vänster den amerikanska flaggan som speglar sig i den israeliska, till höger ser man den amerikanska flaggan som

    speglar sig i FN-banèret. Runt om går en gul linje som symboliserar ländernas samarbete. Denna logo hade de amerikanska soldaterna fastsydda i sina uniformer när de

    invaderade Irak. Den nya världsordningens logo.

    I USA pratar de – försöker fatta?
    ”Christopher Bollyn” ”Keeping It Real with Mike & Jeff”

    Och de skriver:
    Solving 9-11: The Deception that Changed the World – Online Book
    ”Svenska media” tiger – var finns svenskar som har fattat – skriver och pratar? Varför låter vi oss luras? Är vi ”die dumme Schweden”?

    Hur länge har vi låtit oss luras?
    Birka var aldrig befolkat av ”vikingar” och styrdes varken av ”kungen” eller ”kungens hird”. Kungen eller

    kungens män kanske aldrig satte sin fot i Birka!

    Birkas utveckling sammanfaller istället i allt väsentligt med Sidenvägens utveckling över Volga och Östersjön. Denna handelsled gick mellan det turkiska Khazarriket

    (runstenarnas Särkland) i sydöstra Europa och de frankiska, anglosaxiska och senare tyska rikena i nordväst och hade sin blomstringstid
    under 200 år ca 770 – 970 e.Kr.

    Shlomo Sand en historieprofessor i Israel vet ju – varför ska inte vi veta?

    Varför ska vi låta dem lura oss? Få oss att skämmas! De skäms inte! Reinfeldt är ju bara deras lakej!

    De mördade Palme och Anna Lindh och vi ska inte få fatta! Fy fan för dessa och deras medier!

    Vill du veta hur 911 och War o Terror startade så sök så här:
    Benjamin

    Netanyahu Jonathan Institute

    Världen vet!!! men deras media tiger!!!

  2. MrPerfect72 said,

    Make it simple, Robert! Det kommer garanterat bli elmotorer i framtiden. Sol vind och vatten.😉

    …intressant om ”Benjamin Netanyahu Jonathan Institute”

  3. Magnusgus@AD said,

    Elbilar?
    Jo, om vi glömmer problemen med att lagra den högsta energiformen, el…
    Garantier gällande ej lösta tekniska problem är inte mycket värda.
    Som Robert skriver är egentligen frågan i första hand vilka bränslen vi vill använda i framtiden, och först därefter vilka motorer som bäst kan omvandla dessa till rörelseenergi.


  4. Jag gillar också tanken om elbilar, men det är ju det där med att få räckvidden tillräckligt lång, att få ner laddningstiderna och att göra batterierna tillräckligt små för att inte ta upp allt för mycket plats i bilen. Jag hoppas också på elbilen, men vill vara öppen för andra alternativ samtidigt.

    Men sedan en annan sak som jag inte riktigt gillar med elbilar, är att de kräver litium i batterierna, vilket bara vad jag förstår bryts på några platser i världen. Man måste betänka att detta är en säkerhetsrisk för världen om någon krigsmakt gör anspråk på platsen i fråga.

    En MYT-motor till exempel skulle å andra sidan kunna byggas med relativt enkla produktionsmedel utifrån enkel metall och tankas med lokalt odlade biobränslen av olika slag. Man kan ju säkert hitta på något sätt att omvandla lokalproducerad el till syntetiska bränslen också, om nu inte vätgas och bränsleceller skulle vara bättre i det fallet.

    Just MYT-motorn tror jag lite på faktiskt. Man kan inte förneka att det blir bra mycket mindre rörliga delar i jämförelse med en vanlig motor med kamaxel och allt. Jag väntar med spänning på ”Ralphs” serieproducerade lilla 6 tums motor ska börja säljas och vad omdömena blir. RotaBlock har ju redan bevisat att det går att köra den här typen av motor på vanligt bränsle.

    • Magnusgus@AD said,

      Även om MYT-motorn ser ut att ha få rörliga delar, så är den komplicerad att få tät, Wankelmotorn har liknande problem.
      Sedan delar den en annan nackdel, risken för överhettning av de rörliga delarna är stor, vilket kan ge både livslängdsproblem såväl som rena haverier om man inte begränsar effekten.
      Så frågan är om den kommer att slå igenom.


      • Ja, det är spännande att se om det lyckas. Enligt Ralph så ska det räcka med en rund tätningsring för att täta den.

        Hur man hanterar problem med överhettning är ju också en bra fråga. I moderna jetmotorer så har de tydligen små luftkanaler inuti turbinbladen, kanske man kan ha något liknande här? Det som förvånar lite är att Ralph menar på att det räcker med luftkylning, men man kan undra hur genomtänkt det är. RotaBlock verkar i och för sig inte heller ha någon direkt kylning, utan hela deras motorhus har bara kylflänsar och roterar sedan som en fläkt.

        Men vi lär väl få lite svar på dessa frågor om nu Ralph lyckas bygga sin första 5,5 tums modell. Enligt vad jag har förstått så tänker han bygga den motorn helt genom att fräsa ut delarna från stora metallblock (ingen gjutning alls).

        Det blir ett kul försök i alla fall🙂

  5. Magnusgus@AD said,

    Nu tror jag att jag hittat något!
    Grundproblemet med alla interna förbränningsmotorer är ju att man har problem att få expansionsfasen tillräckligt lång i förhållande till kompressionsfasen, På ångmaskinernas tid ledde utvecklingen till slut till särskilda expansions-cylindrar som skulle tillvarata energin i ångan som kom ut från huvudcylindrarna. Det blev stora maskiner och när dieslarna och tändkulemotorerna kom istället så var de ändå underlägsna med hästlängder.
    Men tänk om man kunde öka expansionen på dagens motorer…
    Då skulle man kunna få ännu högre effektivitet och kanske även behålla eller öka de fördelar som dagens interna förbränninsmotorer har.
    Motiv Engines verkar ha kommit rätt långt med sin CCI-motor:
    http://www.motivengines.com/page2/page2.html
    För den som vill lära sig det mesta om effektivitets-aspekterna på Otto, Diesel, Atkinsson och Brayton-cyklerna, så rekommenderas detta paper:
    http://www.motivengines.com/page2/page1/files/CCIPaper5.pdf
    Uppfinnaren, John M. Clarke, förklarar där ingående hur den teoretiska verkningsgraden kan höjas i från dieselns ”världsrekord” på 74% till 88% med en väl realiserad Brayton cykel.
    På köpet får man en ganska lätttillverkad motor (motgående kolvar på enkla vevaxlar, vanliga motorventiler och vanlig direktinsprutning från en diesel) som inte borde ha några större läckage, eller kylproblem, med 1/4, eller halva storleken jfrt med en konventionell diesel. Fullt utbalanserbar dessutom, vilket inte är möjligt utan många cylindrar eller balansaxlar på konventionella motorer.
    Ideerna är inte nya, de appliceras faktiskt i gasturbinmotorer där man separerar kompression, förbränning, och expansion i olika steg, skillnaden här är man slipper läckageproblemen med turbinerna utan sköter alla stegen i dedikerade cylindrar.
    Motorn går att turboladda om man önskar och sägs också ha potential att ge kraftigt reducerade NOx-emissioner eftersom förbränningen inte ske vid så högt tryck och temperatur som i en diesel, samtidigt som varvtalsspannet blir i klass med en Ottomotors. Slut på växlandet alltså!

    Hmm.. verkligt lovande måste jag säga, första motorstart beräknas till om bara några månader!


    • Tack för länken! Grymt intressant idé där, Ja, kanske detta rentav är min nya favorit…

      Det känns lite som att du har kommit på något angående det där med oberoende expansion. Jag kommer också ihåg att jag har sett ångmotorer med 3 cylindrar, där den första är liten, och att de sedan blir större. Ja vi väntar med spänning på eventuella resultat från det där företaget!


Kommentera

Fyll i dina uppgifter nedan eller klicka på en ikon för att logga in:

WordPress.com Logo

Du kommenterar med ditt WordPress.com-konto. Logga ut / Ändra )

Twitter-bild

Du kommenterar med ditt Twitter-konto. Logga ut / Ändra )

Facebook-foto

Du kommenterar med ditt Facebook-konto. Logga ut / Ändra )

Google+ photo

Du kommenterar med ditt Google+-konto. Logga ut / Ändra )

Ansluter till %s


%d bloggare gillar detta: