Teknik

Stämmer uttrycket “ju fler desto bättre” i motorvärlden?

publicerad 4 veckor sedan av
Samuel Frobell

Idag finns det två olika typer av förbränningsmotorer. Jag syftar självklart inte på bensin- kontra dieseldrivna då det endast är olika bränsle, utan två- och fyrtaktsmotorer. De har många likheter men också många skillnader. Ni har säkert stött på båda utan att veta om det, men efter denna text hoppas jag att ni kan lägga märke till en supermotard och dess skrikande tvåtaktsmotor.

Den första moderna förbränningsmotorn uppfanns 1876 av tysken Nicolaus Otto. Denna är numera känd som “Otto engine” och är en encylindrig fyrtaktsmotor. Drygt fyra år därefter byggde den tyske ingenjören och senare biltillverkaren Carl Benz den första tvåtaktsmotorn. Men varför byggde Benz den så snart efter Ottos upptäckt? För att få svar på detta måste vi sätta oss in i de tekniska skillnaderna mellan motorerna.

En fyrtaktsmotor har fyra olika steg i en förbränningscykel, därav namnet. Cykeln börjar med att inloppsventilen öppnas och släpper in en blandning av luft och bränsle i kammaren vilket pressar kolven nedåt. Därefter stängs ventilen och kolven vänder, detta pressar bränsleblandningen uppåt vilket utgör kompressionsfasen. När kolven är på toppen och blandningen är rejält komprimerad avger tändstiften en gnista vilket tänder på blandningen och skapar en explosion som trycker kolven nedåt igen. Denna fas kallas förbränningsfasen. När kolven sedan vänder inleds den fjärde och sista fasen, avgasventilen öppnas och avgaserna färdas ut ur cylindern. Därefter börjar det om från början. I en fyrtaktsmotor snurrar alltså vevaxeln två varv per cykel, där varje cykel drivs av förbränningsfasen. 

Benz ansåg att de tre faserna som bygger upp till förbränningsfasen, den man faktiskt vill åt var lite onödiga och försökte därför komma på ett sätt att knyta ihop de andra tre till en enda fas. Detta löste han genom att använda båda sidorna av kolven i cykeln vilket skapade tvåtaktsmotorn. En tvåtaktscykel ser ut på följande sätt: När kolven är på väg uppåt skapar den ett vakuum i vevhuset vilket gör att bränsleblandningen sugs in. Tack vare vakuumet krävs ingen mekanisk aktivitet från inloppsventilen. Därefter färdas blandningen via en passage i cylinderhuset runt om kolven som trycks ner, upp i förbränningskammaren. När kolven sedan är påväg upp igen komprimeras blandningen och tänds på av en gnista från tändstiften likt en fyrtaktsmotor. När kolven sedan pressas ner igen avlägsnas avgaserna från kammaren samtidigt som ny bränsleblandning ansluter till kammaren via passagen runt kolven. Detta innebär alltså att varje gång kolven är uppe sugs det in bränsleblandning i vevhuset samtidigt som bränsleblandning komprimeras i förbränningskammaren, och varje gång kolven är nere avlägsnas avgaser från kammaren samtidigt som ny bränsleblandning kommer in. Detta gör att en förbränningscykel kortats ner till två faser istället för fyra, då man lyckats kombinera de olika stegen. Varje cykel utgör alltså bara ett varvs rotation av vevaxeln istället för två, men drivs fortfarande av förbränningsfasen. Man använder kolvens storlek i kombination med passagen istället för aktiva ventiler för att kunna flytta runt de olika reaktanterna.

Vad utgör då de olika varianterna för praktiska skillnader. Jo, på grund av simpelheten tvåtaktsmotorn har i förhållande till fyrtaktaren är den mycket billigare att tillverka. Den lägre prislappen kommer från att tvåtaktaren har färre komponenter vilket gör att en tvåtaktsmotor ofta även också har högre “Power to weight ratio” (effekten/vikten) . Fyrtaktsmotorn har tre faser som är väldigt termodynamiskt krävande till skillnad från tvåtaktsmotorn som bara har en, vilket i kombination med att tvåtaktaren alltid har ny kall luft i systemet samt att simpelheten gör det lättare att kyla med luft utifrån inte har samma överhettningsproblem som fyrtaktaren. Vad är det då som gör att nästintill alla moderna bilar med förbränningsmotor har en fyrtaktsmotor?

För att förstå detta måste vi gå tillbaka till lite teori. Som vi minns drog tvåtaktsmotorn nytta av utrymmet under kolven, nämligen vevhuset. Dessa två delar är totalt separerade i en fyrtaktsmotor vilket gör att man kan hålla isär oljan som smörjer vevkonstruktionen från bränsleblandningen. I en tvåtaktsmotor däremot går inte detta då vevhuset utnyttjas i förbränningscykeln. Man måste därför blanda oljan med bränslet och sedan låta den förbrännas tillsammans med blandningen i förbränniningsfasen. Detta gör såklart att en tvåtaktsmotor kräver mycket mer olja än en fyrtaktsmotor vilket kostar pengar, men det är inte allt. Olja blandat med bränsle smörjer inte lika bra som enbart olja, och bränsle blandat med olja tänder inte lika bra som enbart bränsle. Avsaknaden av mekaniska ventiler är inte heller bara positivt då senaste tidens digitalisering tillåter oss att finjustera “valve-timingen” i en fyrtaktsmotor för att få ut optimal effekt, dvs. när avgas- och insloppsventilen skall öppnas. Detta gör att tvåtaktsmotorns övertag kan uppfattas som en form av Pyrrhusseger. 

Tvåtaktsmotorn är alltså billigare att tillverka och mindre komplex men den slits mycket fortare. Den är även oftast mindre eller har färre cylindrar samtidigt som den har hög “power to weight ratio”. Detta gör att den främst används i mindre fordon eller arbetsredskap då de är lättare att reparera samt viktigare att hålla vikten nere i. Ett exempel är bland annat bensindrivna motorsågar, vissa motorcrossar samt vattenskotrar. De flesta bilar har fyrtaktsmotorer för ökad durabilitet samt lättare att utföra i optimalt tillstånd ur bränsleförbrukningsaspekt och liknande. 

Sist men inte minst ska vi komma tillbaka till hur ni nu på egen hand skall kunna identifiera tvåtaktsmotorn i den supermotarden som jag nämnde tidigare. Det är väldigt svårt att kunna avgöra den inre motortekniken på sikt men vad som är karaktäristiskt för en tvåtaktsmotor är det skrikiga ljudet i kombination med det något “rökigare” avgaserna till följd av oljeförbrukningen. 

Det finns anledningar till varför en förbränningscykel ser ut som den gör ur ett termodynamiskt perspektiv, men det kan vara ett ämne för en kommande artikel.