År 1863 rullar ett egendomligt fordon iväg på en testkörning från Paris till förorten Joinville-le-Pont. Hippomobile, som fordonet kallas, påminner mest av allt om en trehjulig kärra, men saknar hästar. I stället har fordonet en encylindrig förbränningsmotor skapad av fransmannen Étienne Lenoir.
Den endast elva kilometer långa färden tar hela tre timmar, men den utgör ändå en milstolpe i ingenjörskonstens och transportens historia. Lenoir var först med att skapa en förbränningsmotor som inte bara var en prototyp. Den var en riktig produkt som tillverkades i flera exemplar, och motorn bebådade en världsomfattande revolution på transport- och industriområdet.
Från att vara flera meter höga konstruktioner som bara utvecklade en handfull hästkrafter har förbränningsmotorn utvecklats till kompakta, effektiva och superstarka maskiner. I dag driver de bilar och lok på land, båtar och fartyg på vattnet och flygplan och helikoptrar i luften.
Étienne Lenoir demonstrerade förbränningsmotorn i sin Hippomobile med en testkörning i under fyra kilometer i timmen.
Den ingenjörsmässiga kulmen av förbränningsmotorns historia är fartygsmotorn Wärtsilä RT-flex96C, som med sina 2 300 ton och 114 800 hästkrafter driver enorma containerfartyg på världshaven. Innan den moderna förbränningsmotorn kunde förverkligas gjordes dock ett otal experiment med diverse konstruktioner och bränslen, allt från kol och krut till väte och bensin.
Koldamm och harts som bränsle
Långt in på 1800-talet var de flesta människor hänvisade till att antingen gå eller låta sig transporteras på hästrygg eller i en hästdragen vagn för att ta sig fram i vardagen.
Ångmotorns intåg i fartyg, lok och industrimaskiner satte visserligen fart på industriella revolutionen, men riktigt effektiva förbränningsmotorer lät vänta på sig.
Uppfinnare som Lenoir hade emellertid sett ångmotorns begränsningar, bland annat dess låga energiomsättning, som gjorde motorerna otympliga. Redan år 1807 hade de franska bröderna Nicéphore och Claude Niépce tillverkat en prototyp för ett nytt koncept, som räknas som en av de allra första förbränningsmotorerna.
Fyra män låg bakom förbränningsmotorn
Rivaz använde väte i sin motor
År 1807 skapar den franske uppfinnaren François Isaac de Rivaz (1752–1828) en motor som drivs av vätgas. Gasen antänds av tändstift och motorn räknas som en av de första praktiskt användbara. Den sätts emellertid aldrig i produktion.
Lenoir gjorde motorn tillgänglig
Den första förbränningsmotorn som blir kommersiellt tillgänglig utvecklas av Étienne Lenoir (1822–1900). Motorn drivs av kolgas och Lenoir patenterar den år 1860. Tre år senare demonstrerar han dess kapacitet som bilmotor.
Ottos motor spann i fyrtakt
Den första fyrtaktsmotorn utvecklas år 1876 av tysken Nikolaus Otto (1832–1891). Motorn går igenom fyra takter i varje förbränningscykel: insugning, kompression, förbränning och avgas. Denna motortyp är i dag den vanligaste i bilar.
Diesel fick ut mer ur bränslet
Rudolf Diesel (1858–1913) utvecklar dieselmotorn i början av 1890-talet. År 1897 demonstrerar han en fyrtaktsdiesel som utvecklar 25 hästkrafter. Dieselmotorn utnyttjar bränslet bättre än bensinmotorn och har inget tändstift.
Det nya konceptet gjorde upp med ångmotorns svaga punkt. En ångmaskin fungerar genom att vattenånga skapas vid uppvärmning utanför själva motorn och sedan leds in i cylindern. Bröderna visade att man genom att låta en gas utvidgas under förbränningen i själva cylindern kunde driva en kolv inne i motorn.
Denna princip skulle visa sig bli avgörande för att göra förbränningsmotorn mindre och effektivare. År 1807 patenterade bröderna motorn, som gick på en blandning av koldamm och harts, under namnet Pyréolophore och installerade den på en båt. De fick dock aldrig till någon kommersiell produktion av motorn.
Från kemisk energi till rotation
Grundläggande för en förbränningsmotor är att den omvandlar den kemiska energin i ett bränsle till mekanisk energi. Det flytande bränslet omvandlas till gasform i en kammare, cylindern, och blandas med syre, varefter blandningen antänds.
Under förbränningen utvecklas energi i form av värme, som får gasen att utvidgas och pressa ner kolven i cylindern. När gasen svalnar återgår kolven till sitt höga läge, varefter processen upprepas.
3 uppfinningar förvandlade motorn
1. Förbränningen sker i cylindern
Förbränningsmotorn flyttade in förbränningen av gasen i cylindern, där den komprimeras, så att temperaturen stiger. I ångmaskinen skedde uppvärmningen av ångan utanför cylindern, vilket gjorde maskinerna otympliga.
2. Ventiler kontrollerar förbränningen
För att förbränningen ska kunna äga rum i cylindern krävs syre, som tillförs via en insugningsventil. Efter förbränningen leds avgaserna ut ur cylindern, vilket styrs av avgasventilen.
3. Nya bränslen ger mer energi
Energirika bränslen som bensin och diesel gjorde det möjligt att omvandla betydligt större mängder kemisk energi i bränslet till först värme och sedan mekanisk energi, som drev kugghjul, skruvar och turbiner.
Med sin upp- och nedåtgående rörelse knuffar varje kolv i motorn till motorns drivaxel, vevaxeln, ungefär på samma sätt som när en cyklists ben trampar runt pedalerna. Via vevaxeln översätts rörelsen till den rotation som får bilens hjul, fartygets propeller eller flygplansmotorns turbin att snurra.
Långt från teori till praktik
Även om principen är enkel tog utvecklingen av förbränningsmotorn flera hundra år.
Sedan 1600-talet hade ingenjörer och vetenskapsmän försökt tänka ut och konstruera motorer med intern förbränning. Den berömde nederländske astronomen, fysikern och matematikern Christiaan Huygens försökte sig exempelvis på en utformning där krut användes som bränsle.
Först år 1824 fick emellertid ingenjörerna de teoretiska kunskaper som gjorde det möjligt att utveckla förbränningsmotorn. Den franske ingenjören och fysikern Nicolas Léonard Sadi Carnot, som räknas som en av upphovsmännen bakom termodynamikens lagar, lade då fram en teori om den optimala värmekraftsmaskinen och utvecklade den så kallade Carnotkretsprocessen.
De första bilmotorerna utvecklade bara två hästkrafter.
Med hjälp av sina formler och beräkningar kom Carnot fram till att effekten i en förbränningsmotor ökar ju större skillnaden är på bränslets kalla och varma stadium. Det stod därmed klart att man behövde utveckla nya motorer som arbetar med högre temperaturer i cylindern än de hundra grader som vattenånga kan ge. Det krävdes med andra ord nya, bättre bränslen.
Ottomotorn blev genombrottet
När Étienne Lenoir år 1863 rullade fram utanför Paris i sin Hippomobile gjorde han det med en motor som förbrände väte. Motorn räknas i dag som en framgång i sin tid, med mellan 500 och 1 500 producerade exemplar i Europa.
Med dagens ögon var dock Lenoirmotorn varken bränsleeffektiv eller gav hög utveckling. En 18-liters Lenoirmotor utvecklade inte mer än två hästkrafter. I jämförelse utvecklar vanliga bilmotorer på en–två liter i dag oftast 100 hästkrafter eller mer.
Så innan förbränningsmotorn kunde få verkligt stor spridning måste den utvecklas till nästa nivå. Det stod den tyske ingenjören Nikolaus Otto för när han uppfann den så kallade Ottokretsprocessen, grundprincipen i de flesta moderna bilmotorer.
Under loppet av motorns fyra takter blandas bränsle och luft, som släpps in genom en ventil, i cylindern när kolven befinner sig i sitt nedersta läge. Därefter förs kolven uppåt och komprimerar gasblandningen.
Gasen antänds sedan av en gnista, varefter gasens utvidgning pressar ner kolven igen. När gasen svalnar förs kolven upp på nytt, medan avgaserna pressas ut ur cylindern genom en annan ventil. Därefter upprepas processen.
Ottos motorprincip skilde sig från Lenoirs genom kompressionen av gasen, som gjorde det möjligt att öka temperaturen i cylindern via en så kallad adiabatisk process. Den högre temperaturen gjorde motorn effektivare.
Den första Ottomotorn byggdes år 1876, och under de följande 17 åren såldes närmare 50 000 exemplar. På 1880-talet förfinade de tyska ingenjörerna Gottlieb Daimler och Wilhelm Maybach, båda pionjärer inom bilindustrin, konceptet genom att bland annat uppfinna förgasaren. Den gjorde det möjligt att använda bensin som bränsle i stället för kolgas, som Otto ursprungligen använde.
Nya motorer drev samhället framåt
1712: Pumpar höll gruvorna torra
Den så kallade Newcomenmotorn från år 1712 drivs av ånga, som pressar upp en kolv i en cylinder. När ångan sedan förtätas genom att vatten sprutas in, sugs kolven ner igen. Motorn användes vanligen i vattenpumpar till gruvor.
1768: Ånga satte fart på industrin
James Watt förfinade ångmotorn och gjorde den effektivare genom att förse den med en separat kondenseringskammare. Det innebar att värmeförlusten från cylindern minskade. Watts ångmotor blev en av industriella revolutionens ikoner.
1876: Bensin fick bilarna att rulla
Fyrtaktsmotorn med intern förbränning blev i praktiken den första bensinmotorn. Uppfinnaren Nikolaus Otto ville använda den i stora fabriker, men hans chef Gottlieb Daimler insisterade på att göra den så kompakt att den kunde användas i fordon.
1897: Diesel gav fartyg superkrafter
Rudolf Diesel upptäckte att han kunde komprimera gasen i cylindern så mycket att den antändes även utan tändstift. Dieselmotorn, som är mer bränslesnål, används bland annat till tyngre transportmedel som fartyg, lok och lastbilar.
En av förbränningsmotorns sista stora landvinningar på 1800-talet gjordes på 1890-talet, då Rudolf Diesel utvecklade, och år 1895 patenterade, dieselmotorn.
Diesel insåg att förbränningsgasen kunde antändas utan någon gnista från ett tändstift om gasen bara komprimerades så kraftigt att värmen från den adiabatiska processen antände gasen.
Fördelen med dieselprincipen är att den högre kompressionen och därmed temperaturen under förbränningen utnyttjar bränslet på ett effektivare vis. I början användes dieselmotorerna främst inom industrin och till stora maskiner i exempelvis fartyg, men i dag är dieselmotorer även vanliga i personbilar, just för att de är bränslesnåla.
Enorm motor kör i två takter
Dieselmotorn är fortfarande dominerande inom fartygstrafiken. Det gäller även havets absoluta tungviktare, containerfartygen. Mätt i ren styrka utgör fartygsmotorn Wärtsilä RT-flex96C kulmen på förbränningsmotorns historia.
Alla fakta vittnar om dess kolossala dimensioner och prestanda: 14 cylindrar, 114 800 hästkrafter och en vikt som cirka 400 afrikanska elefanter är bara några av siffrorna bakom den 26,6 meter långa dieselmotorn.
Jättemotorn är 2 300 ton rå muskelkraft
Fjorton cylindrar och 114 800 hästkrafter. En höjd på 13,5 meter, en längd på 26,6 meter och en vikt på 2 300 ton. Det är siffrorna bakom Wärtsilä RT-flex96C, förbränningsmotorernas kung.
Cylindrarna är en meter breda
Var och en av de 14 cylindrarna, där diesel och luft komprimeras och antänds, har en diameter på 96 centimeter. Cylinderns volym är cirka 1,8 kubikmeter när kolven befinner sig längst ner. Vid maximal utveckling rör sig kolven upp och ner 102 gånger i minuten.
Vevaxeln väger 300 ton
När kolvarna rör sig upp och ner får de vevaxeln längst ner i motorn att vridas. Via ett kugghjul omsätts rörelsen till rotation av propellern. Vevaxeln, som väger 300 ton, går längs hela motorns 26,6 meter.
Kolvstång kopplar ihop kolven och vevaxeln
Kolvstången förbinder kolven med vevaxeln via ett så kallat tvärhuvud. Kolvstängerna är cirka sex meter långa och försedda med dysor, som sprutar in olja i kolvarna medan de rör sig upp och ner i cirka 30 kilometer i timmen.
Olja kyler kolvarna
Den kylande oljan fördelas via hål överst i kolvarna. Oljan gör så att kolvarna inte överhettas av friktionen mot cylindrarnas insida. Kolvens slaglängd, det vill säga avståndet mellan topp- och bottenläget i cylindern, är 2,5 meter.
Bakom bygget av jättemotorn står det finländska företaget Wärtsilä. Det första exemplaret togs i drift år 2006 i det 397 meter långa containerfartyget Emma Mærsk.
Redan året efter såldes 500 exemplar av motortypen, som kan driva de stora containerfartygen i en hastighet av upp till 45 kilometer i timmen.
Containerfartyget Emma Mærsk blev det första som försågs med världens största dieselmotor. Den utvecklar över 100 000 hästkrafter och kan få fartyget att köra i upp till 45 kilometer i timmen.
Wärtsilä RT-flex96C är en så kallad tvåtaktsmotor, som genomför en förbränningscykel under två takter i stället för fyra. I tvåtaktsmotorn sker förbränning varje gång kolven befinner sig i sitt högsta läge, medan förbränningen i en fyrtaktsmotorn sker bara varannan gång.
Tvåtaktsmotorns uppbyggnad är enklare, eftersom den kräver färre rörliga delar och komponenter än en fyrtaktsmotor. Fördelen är att ingenjörerna kan uppnå högre effekt, det vill säga fler hästkrafter, i förhållande till motorns vikt.
Motorn kämpar med vikten
Just gravitationen var ingenjörernas största fiende under utvecklingen av den 2 300 ton tunga motorn.
För att säkerställa att den tål belastningen av sin egen vikt har ingenjörerna använt sig av en avancerad datorberäkning, så kallade finite element method, för att ta fram 3D-modeller av bland annat cylinderblocken.
VIDEO: Se när ingenjörerna bygger monstermotorn
Jättemotorn Wärtsilä RT-flex96C kan förbruka hela 250 ton bränsle om dagen.
Wärtsilä RT-flex96C är det hittills mest extrema resultatet av det pionjärarbete som Lenoir, Otto, Diesel och flera andra ingenjörer gjorde på 1800-talet. Förbränningsmotorn kommer även i framtiden att fira triumfer, och inte bara till sjöss.
Den japanska biltillverkaren Mazda arbetar till exempel med att dra nytta av fördelen med dieselmotorn, den höga kompressionen, i utvecklingen av sina nya bensinmotorer med så kallad gniststyrd kompressionständning. Enligt Mazda kan denna teknik förbättra bränsleekonomin med 20–30 procent jämfört med traditionella bensinmotorer.
Så trots att elbilarna nu gör sitt intåg i vår vardag är förbränningsmotorerna inte utdömda.