Firetaktsmotor

Fig. 1 Firetakts stempelmotor.
1: Innsugningstakt.
2: Kompresjonstakt.
3: Arbeidstakt.
4: Utblåsingstakt.

Firetaktsmotor er ein forbrenningsmotor med fire arbeidstakter. Den vanlegaste byggemåten er ein stempelmotor med lineær rørsle, men motorar med roterande stempel (wankelmotorar) er òg som oftast firetaktsmotorar. Ei takt i ein firetakts stempelmotor er rørsla til stemplet frå øvre til nedre daudpunkt, eller omvendt. Ei takt svarar til ei halv omdreiing av veivakselen.

Ein firetaktsmotor kan vera ein forgassarmotor (som arbeider etter Beau de Rochas-syklusen), ein glødehovudmotor (som arbeider etter Seiliger-Sabathé-syklusen) eller ein dieselmotor (som i praksis òg arbeider etter Seiliger-Sabathé-syklusen).

Dei fire taktane

Fig. 2 Firesylindra firetaktsmotor.

Kvar sylinder i ein firetaktsmotor tenner annankvar omdreiing, så ein arbeidssyklus er på to omdreiingar, Fig. 1. Ein tosylindra motor har difor ei arbeidstakt per omdreining, ein firesylindra motor, Fig. 2, har to arbeidstakter per omdreiing, osv. I motorar med fleire sylindrar er tenningsvinkelen forskyva, slik at arbeidstaktane vert spreidd jamt ut over. Motoren får dermed jamnare gange og mindre vibrasjon. Stempelmotorar må likevel ha eit svinghjul, Fig. 2, som lagrar rotasjonsenergi og slik gjev motoren ein jamnare gang. Saktegåande motorar og motorar med få sylindrar må ha større svinghjul enn når det er mange sylindrar. Dette er grunnen til at gamle saktegåande einsylindra motorar har svært store svinghjul.

Innsugingstakta

Fig. 3 a) Innsugingstakta.

Innsugingstakta, Fig. 3 a), tek til når stemplet er på topp. Innsugingsventilen vert opna og om det er ein ottomotor vert sylinderen fylt med ei luft-gass-blanding og om det er ein diesel-, semidiesel- eller hesselmannmotor vert sylinderen fylt med luft når stemplet er på tur nedover og sylindervolumet aukar.

Utforminga av innsugingskanalane i topplokket, innsugingsmanifolden og luftfiltret har stor innverknad på kor godt sylinderen vert fylt. For å auka gjennomstraumingsarealet på opninga har moderne motorar ofte to innsugingsventilar per sylinder.

Mange dieselmotorar, og nokre ottomotorar, nyttar ein eksosdriven kompressor (turboladar) for å fylla sylinderen. Kompressoren varmar opp lufta noko, slik at volumet aukar. For å få meir luft (større masse) inn i sylinderen har somme dieselmotorar ein ladeluftkjølar som reduserer temperaturen, og dermed volumet, på lufta. Når molekyltettleiken på lufta aukar får ein meir oksygen i sylinderen, så ein kan sprøyta inn meir drivstoff og slik auka effekten i høve til sylindervolumet.

Kompresjonstakta

Fig. 3 b) Komprimeringstakta.

Under kompresjonstakta, Fig. 3 b), er alle ventilane stengde og luft, eller luft-gass-blandinga, vert pressa saman (komprimert) når stemplet går oppover og sylindervolumet minkar. Kompresjonen er ein adiabatisk prosess (komprimering tilnærma utan varmeutveksling). Kompresjonsforholdet varierer mykje med motortype og drivstoff. Eldre ottomotorar som gjekk på parafin hadde så lågt kompresjonsforhold som 4,5:1, eldre bensinmotorar rundt 6:1, moderne bensinmotorar opp til 10:1, nokre motorsykkelmotorar opp til 12:1, ottomotorar som går på naturgass opp til 15:1, dieselmotorar frå 16:1 til 25:1. På grunn av kompresjonen stig temperaturen til i ein ottomotor til 300–400 °C og i ein dieselmotor til 700–1000 °C. Samstundes stig trykket til 1-1,2 MPa (ottomotor).

Verkingsgraden til motoren aukar med kompresjonsforholdet, men på grunn av at temperaturen i sylinderen aukar under kompresjonen er det fare for at luft-gassblandinga i sylinderen på ottomotorar kan sjølvantenna om temperaturen vert for høg. At blandinga tenner for tidleg reduserer effekten og er skadeleg for motoren. I ein dieselmotor, derimot, ynskjer ein at drivstoffet skal tenna når det vert sprøyta inn i forbrenningskammeret, så det er ein føremon med høg kompresjon.

Arbeidstakta

Fig. 3 c) Arbeidstakta.

Rett før slutten av komprimeringstakta vart luft-gass-blandinga i ottomotorar set fyr på av ein gneist frå ein tennplugg. I dieselmotorar vert brennstoffet sprøyta inn under høgt trykk og kompresjon er så høg at det fint forstøva brennstoffet tenner av seg sjølv når det kjem i kontakt med oksygena i lufta i sylinderen. Når stemplet har nådd toppen og starta på nedturen, Fig. 3 c), har forbrenninga kome så langt at varmeutviklinga får gassen i sylinderen til å utvida seg kraftig, slik at stemplet vert pressa nedover med stor kraft. Det er berre under arbeidstakta at firtaktsmotorar utfører arbeid. I ottomotorar foregår forbrenninga svært raskt, medan stemplet er på toppen, så varmeutviklinga skjer under tilnærma konstant volum. I dieselmotorar går forbrenninga langsamare og varmetilførselen held fram under fyrste delen av arbeidsslaget. Etter at forbrenninga er over er ekspansjonen adiabatisk.

Under arbeidstakta stig temperaturen i ein ottomotor til rundt 2000°C og trykket aukar til 5–7 MPa. I ein dieselmotor ligg forbrenningstrykket på 6–8 MPa. At det ikkje er større forskjell på forbrenningstrykket kjem at at forbrenninga varer lengre i ein dieselmotor.

Utblåsingstakta

Fig. 3 d) Utblåsingstakta.

Under utblåsingstakta, Fig. 3 d), er utblåsingsventilen open og når stemplet bevegar seg oppover og sylindervolumet minkar vert eksosen pressa ut gjennom utblåsingsventilane (eksosventilane). Etter utblåsingstakta tek motoren til med ei ny innsugingstakt.

Det er viktig at sylinderen vert godt tømt for eksos før innsugingstakta tek til. Utforminga av eksoskanalane i topplokket, eksosmanifolden og lyddemparane har stor innverknad på kor fullstendig tømminga vert. Utblåsings- og innsugingstaktane overlappar kvarandre i ein stutt periode, slik at lufta som kjem inn i sylinderen er med på å pressa ut eksosen. For å auka arealet på opninga har moderne motorar ofte to innsugningsventilar per sylinder. Når det vert nytta turboladar har innsugingslufta større trykk og er meir effektiv til å spyla ut gamal eksos.

Ventilstyring

Fig. 4 Hovuddelane i ein firesylindra firetaktsmotor med to overliggande kamakslar og doble innsugnings- og esksoventilar.

Fig. 5 Registerreima på ein bilmotor.

Firtaktsmotorar har ofte fleire sylindrar og har alltid ventilar som slepper inn ei luft-gassblandinga, eller berre luft, til sylinderen og syter for å sleppa ut eksosen. Tidlegare var det vanleg med sideventilar, men på moderne motorar sit ventilane i topplokket. Nokre motorar har ein innsugingsventil og ein utblåsingsventil per sylinder, men mange motorar har òg to ventilar for innsuging og to for utblåsing. Ventilane vert stengde av kraftige ventilfjører og opninga av dei vert styrt av ein kamaksel, som på moderne motorar ligg over ventilane i topplokket (overliggande kamaksel), Fig. 4. Eldre motorar hadde lågtliggande kamaksel, med støytstenger som opna ventilane ved hjelp av vippearmar. Kamakselen vert driven av eit kjedehjulsregister, eller ei registerreim (ei tannreim), frå veivakselen, Fig. 5. Kamakselen rotere med halve turtalet til veivakselen. Opningstida til ventilane vert styrt av kurveforma på kammane på kamakselen.

Soge

I 1862 publiserte Alphonse Eugène Beau ei omfattande termodynamisk utgreiing om firetaktssyklusen og i 1873 demonstrerte Christian Reithmann ein fungerande firetaktsmotor. Nikolaus August Otto, som truleg ikkje var kjent med arbeidet til Reithmann og Beau, tok utgangspunkt i motoren til Jean-Joseph Étienne Lenoir og klarte i 1876, saman med Eugen Langen, å laga ein firetaktsmotor. Otto fekk patent på firetaktsmotoren i 1877, men i 1884 vart det oppdaga at Christian Reithmann alt i 1873 hadde demonstrert ein fungerande firetaktsmotoren. Motoren var då alt sett i produksjon av Gasmotorenfabrik Deutz & Co., som Otto, saman med Eugen Langen, hadde stifta i 1869. Patentet til Otto var teke ut i namnet til Deutz, så Deutz hadde store økonomiske interesser i patentet og det enda med ei rettssak, som varte heilt til 1894 (Otto døydde i 1891). Deutz tapte rettssaka og retten oppheva patentert til Deutz. Men Deutz betalte Reithmann 25 000 goldmark, pluss lønn på livstid, for ei skriftleg erklæring om at det var Otto som fann opp firetaktsmotoren. Deutz klarte å halda avtalen hemmeleg heilt til 1949, då han vart avslørt i ei bok om Otto.

Sjølv om det viste seg at Otto ikkje var den fyrste som fann opp firetaktsmotoeren var det likevel han som starta industriell produksjon av motoren, ved at han stifta Gasmotorenfabrik Deutz & Co., som framleis produserer motorar under namnet Deutz AG.

Sjå òg

• Totaktsmotor