Tidiga Förbränningsmotorers Prestanda

Transkript

1 Tidiga Förbränningsmotorers Prestanda - Studie baserad på Statens Maskinprovningars meddelanden Olof Erlandsson Avdelningen för Förbränningsmotorer Institutionen för Värme och Kraftteknik Lunds Tekniska Högskola ISSN Box 118, SE LUND ISRN LUTMDN/TMVK SE

2

3 Sammanfattning Studien beskriver motorprestanda i form av verkningsgrad och effekt, för tidiga förbränningsmotorer i stationära applikationer och traktorer. Materialet är baserat på meddelanden från Styrelsen för Maskin- och Redskapsprovningsanstalterna och dess efterföljare, Statens Maskinprovningar. Materialet sträcker sig från år 1899 till år 1995 och omfattar 251 motorer. De första meddelandena behandlar motorer tillverkade i Sverige och fokuseringen ligger på de tidiga motorerna fram till 1950-talet. Därför får studien till mångt och mycket inriktning på svenska motorer. Verkningsgrad, specifik effekt, specifikt moment, bromsat medeltryck och kolvmedelhastighet visas för olika belastning, typ av motor och årtal. Studien beskriver även de olika typerna och deras utveckling. Studien vänder sig främst till tekniskt och historiskt motorintresserade.

4

5 Förord Ett par veckor innan julen 1999 jag fick tillgång till en stor samling med meddelanden från Statens Maskinprovningar (SMP). Av rent maskin- och motorintresse började jag bläddra bland dessa och insåg värdet av de mätningar SMP gjort på stationära motorer och på traktorer genom tiderna. Detta material utgör ett historiskt material på hur olika motorer och tekniker utvecklats under en period om nästan 100 år. En ganska intressant period eftersom flera olika typer av motorer existerade samtidigt och därmed konkurrerade med varandra. Materialet kompletterades senare och omfattar därefter en sammanställning av nästan alla motorelaterade meddelanden från SMP och dess föregångare från åren , totalt 251 motorer. Ett speciellt tack till mina föräldrar som genom att rädda en uppsättning provmeddelanden på sätt och vis initierat denna studie. Också tack till Prof. Bengt Johansson som korrekturläst och haft värdefulla synpunkter. Olof Erlandsson Lund Tidredovisning: Arbetet har pågått från julen 1999 hösten 2001, högst sporadiskt p.g.a. annan prioriterad forskning och utbildning. Insamling av material, kopiering: 0.5 v. Digitalisering och behandling av materialet i MATLAB: 2 v. Rapportskrivning, denna rapport: 4.5 v. SAE-artikel: 4 v. Totalt: 11 veckor

6

7 Innehåll FRÅN ÅNGMASKIN TILL FÖRBRÄNNINGSMOTOR... 1 STATENS MASKINPROVNINGAR... 3 HISTORIK...3 MEDDELANDEN - PROVRAPPORTERING... 4 MOTORRELATERADE MÄTMETODER... 6 Uppmätning av varvtal... 6 Vridmoment... 7 Bränsleförbrukning... 9 Indikatordiagram MOTORTYPERNA OTTOMOTORER Tändrör Tändstift TÄNDKULEMOTORER HESSELMANMOTORN DIESELMOTORER PRESTANDAUTVECKLINGEN VERKNINGSGRAD SPECIFIK EFFEKT DISKUSSION SLUTSATSER REFERENSER BILAGA A TABELLER MOTORDATA BRÄNSLEDATA OMRÄKNINGSFAKTORER BILAGA B INDIKATORDIAGRAM BILAGA C ANDRA MOTORRELATERADE MEDDELANDEN Omslagsbild: J. & C. G. Bolinders Mekaniska Verkstads Aktiebolag, 6hk lokomobil med tändrörständning. Den vägde 1870kg och kostade 2900kr år 1900 [smp5]. 5.98kW vid 256.3rpm, 15.5% verkningsgrad : Anpassad för web. Rättelse gjorda i figurtext: Figur 35 (referens [6] saknad) och Figur 35 (felaktig referens, [6] var [5]) : Förbrättrad PDF för web. /Olof E. Olof Erlandsson 2004

8

9 Från ångmaskin till förbränningsmotor Figur 1 Fole Mekaniska Verkstad, Visby. 1-cylindrig ånglokomobil. Notera arbetscylinderns storlek i förhållande till ångpannan. Lokomobilens vikt utan vatten i pannan: 2900kg., 10.2kW vid 188.0rpm, 3.00% verkningsgrad. Ångmaskinen var en av industrialiseringens genombrottsuppfinningar. Den innebar en revolution när det gällde att få en kraftkälla för allehanda tekniska applikationer. Vare sig det gällde att driva vattenpumpar för dränering av gruvor, eller driva generatorer för att kunna överföra kraft på ett enklare sätt i fabriker. Nackdelen med ångmaskinen var verkningsgraden, runt 3 % av tillfört värme omvandlades till nyttigt arbete [smp7]. Den låga verkningsgraden gjorde att maskinen blev väldigt stor i förhållande till levererad effekt och det är förståligt att man började se sig om efter nya lösningar. Gustav Timberg vid Styrelsen för Maskin- och Redskapsprovningsanstalterna skriver år 1900 [smp5]: "Vi berömma oss af att lefva i ångans tidehvarf, och dock är väl ångmaskinen hvad verkningsgraden beträffar en af de lägst stående maskiner, som uppfunnits sedan stenyxans dagar." Den första förbränningsmotorn som verkligen började konkurrera med ångmaskinen inom industriella och agrara tillämpningar i Sverige var tändkulemotorn. Dess styrka, driftsäkerhet, och främst driftskostnad var vida överlägsen ångmaskinen ( talet). Ottomotorn fick sitt stora genomslag något senare förmodligen p.g.a. att tändsystemets och förgasarens driftsäkerhet behövde utvecklas. Tändkulemotorn var oftast av 2-takts typ och var därför relativt enkel till sin uppbyggnad vilket var en stor fördel. Den kunde dessutom köras på de flesta oljor och t.o.m. utspädd tjära. När väl driftsäkerheten och kunskap kring elektriska tändsystem blev bättre kunde Ottomotorn konkurrera med tändkulemotorn (20-talet - 50-talet), bl.a. med sin korta uppstartningstid. Denna krävde någon uppvärmning innan motorn kunde startas, däremot tog det ca 5 10 minuter att få igång en tändkulemotor med hjälp av blåslampa. Men samtidigt gick utvecklingen av Dieselmotorn snabbt och snart dominerade denna (60-talet och framåt) i de flesta applikationer. Ett undantag var i bilarna, där Ottomotorns lägre vikt per effekt var av avgörande betydelse. 1

10 Förbränningsmotorns intåg innebar direkt en reduktion av energiåtgång i runda tal 70 % 90 %. Med det innebar även ett byte av bränsle, delvis från inhemsk ved till importerad olja och även en övergång från det vi idag kallar förnyelsebara bränslen till petroleum. Det senare reflekterade man inte över då, däremot insåg man den ekonomiska betydelsen direkt, Gustav Timberg igen: "Oaktat denna petroleummotorernas högre verkningsgrad är det ej afgjort, att för en landtbrukare bränsle blir billigare till en dylik maskin än till en ånglokomobil. Fotogen måste han nämligen köpa: till bränsle i ånglokomobilen kan han mången gång använda affall från såg eller dyligt, som han ej på annat sätt kunnat realisera, och som sålunda för honom har ett jämförelsevis mycket obetydligt värde." De första traktorerna, eller motorplogar som de kallades först, var kolosser tunga och med liten motor 3 4 ton och 20hk var typiskt. Det var först när man mer eller mindre byggde om bilar och lastbilar till dragare för jordbruk som traktorn föddes och denna utveckling gick snabbast i Amerika förstås, där man hade enorma arealer att bruka. Detta var även en bidragande orsak till att ottomotorn utvecklades ganska snabbt, transporter med bil, lastbil och flygplan krävde en lätt kraftkälla med hög specifik effekt. De första motorplogarna provades av Styrelsen för Maskinoch Redskapsprovningsanstalterna år 1920 (meddelande nr 60). Bland de tidiga stationära motorerna var det tändkulemotorer som dominerade även om en och annan renodlad dieselmotor började dyka upp på 1930-talet. Marknaden för stationära motorer mer eller mindre försvann i och med elektrifieringens snabba utveckling och att traktorerna även kunde användas som stationär kraftkälla inom lantbruket. Det var främst som kraftkälla vid mindre sågverk som den stationära motorn överlevde längst. Intensiv forskning och utveckling på motorer, och inte minst, bränslenas egenskaper, gav en successiv förbättring av motorernas prestanda och denna studie försöker återspegla resultatet från en del av denna utveckling. Följande citat handlar om provomdömet för en stationär tändkulemotor på 6hk (ca 4.4kW) som vägde ca 1.4 ton, anno 1900 [smp5]. Citatet visar också förbränningsmotorns fördelar som är desamma idag som för 100 år sedan: Hög specifik effekt, acceptabel bränsleförbrukning, hög driftsäkerhet och god flexibilitet. Skillnaden är att prestanda ökat så enormt att vi idag använder t.ex. gräsklippare som har en motor med nästan lika stor effekt. Men gräsklipparen kan vi med handkraft föra framför oss. Motorn är i förhållande till sin styrka liten och lätt flyttbar; konstruktionen är särdeles enkel, hvarför maskinen, sedan han satts igång, hvilket kräver mycket liten kraft, är så lättskött, att han sällan behöver någon tillsyn. Regleringsförmågan särdeles god; hastigheten kan varieras inom mycket vida gränser. Fotogenförbrukningen synnerligen låg. Priset, som i förhållande till maskinens storlek och föga komplicerade beskaffenhet är högt, försvaras af hans utmärkta egenskaper. 2

11 Statens maskinprovningar Källmaterialet till denna studie baseras på uppgifter om bränsleförbrukning och effekt från officiella prov på stationära motorer och traktorer. Dessa prov är dokumenterade i meddelanden som utgivits av Statens Maskinprovningar (SMP) och dess föregångare: Styrelsen för Maskin och Redskapsprovningsanstalterna (här förkortat StMRPa). Anledningen att dessa prov påbörjades var att [smp5]: Då det ansågs, att motorer drifna med petroleum, numera nått en sådan fulländning, att de för drifvande av lantbruksmaskiner torde kunna med framgång täfla med ångmaskinen, och då det i allt fall vore af intresse att få petroleummotorers användbarhet i lantbrukets tjänst bedömd, beslöt Styrelsen för Maskin- och Redskapsprofningsanstalterna, att den jämförande profningen vid Ultuna år 1900 skulle omfatta dylika maskiner. Inbjudan skickades ut till dels svenska verkstäder som tillverkade motorer på den tiden men även till firmor som sålde utländska fabrikat. Man vill se hvad våra svenska verkstäder kunna prestera i jämförelse med utländska. Tyvärr så lyckades man inte få tag i några importerade motorer till försöken, eller rättare sagt, inga importörer ställde upp med motorer. Till mångt och mycket blev därför de första proven gjorda på enbart svensktillverkade motorer, det var först med traktorerna som flera utländska, främst amerikanska fabrikat dök upp. Historik Provningarna initierades den 7 augusti 1896 i och med att Gustav De Laval donerade kronor till Kungliga Lantbruksstyrelsen för upprättande av en provningsinstitution för lantbruksmaskiner. Meddelanden kallade man publikationerna och provningsmeddelande nr 1 kom ut 1899 vilket var ett ganska omfattande meddelande med provning av 89 olika maskiner [1, smp3434] År 1900 inbjöds pionjärerna inom motorindustrin att ställa upp sina motorer för provning vilket resulterade i 8 provade motorer, varav 3 motorer i en s.k. särskild provning. Av dessa 8 provade motorer var 6 av 4-takts tändrörsmotorer (Ottomotorer) och 2 tändkulemotorer (2-takt) [smp5]. Det var inte bara motorer som provades, alla tänkliga redskap och förnödenheter från enklaste handredskap till plogar provades. I denna studie är det dock de motorrelaterade proven som är av intresse bytte StMRPa namn till Statens Maskinprovningar, SMP. I och med kriget och ransoneringen så provades mycket gengasutrustning under denna tid. Dessa försök återupptogs under energikrisen på 70-talet, om än i betydligt begränsad omfattning. Denna gång inriktad mot s.k. dieselgas d.v.s. där dieselinsprutning används för att tända en homogen blandning av gengas och luft [smp3216]. SMP s verksamhet utvecklades naturligtvis under åren fram till 1995 då de officiella provningarna och meddelandeserien upphörde blev SMP, Svensk Maskinprovning AB, ett dotterbolag till Sveriges Provnings och Forskningsinstitut, SP, och verksamheten har gått mot besiktning och certifiering med tjänster inom små och medelstora företag [1]. SMP hade provanläggningar i Uppsala (Ultuna), Alnarp, Teg (Röbäcksdalen) och Umeå. 3

12 Meddelanden - provrapportering Prov och försök gjorda av SMP rapporterades till allmänheten genom meddelanden vilka oftast bestod av häften i A5-format om sidor (Figur 2). Under StMRPa s regi förekom även inbundna samlade verk (se även Referenser). I meddelandet angavs det på vilket initiativ proven gjordes och i ganska hög detalj behandlades provets genomförande och resultat. När det gäller traktorer och dess bränsleförbrukning så gjordes senare prov i samarbete med utländska organisationer genom de så kallade OECD-proven. Meddelanden distribuerades till läsarna genom prenumeration. Figur 2 Exempel på provningsmeddelande (framsidan), från 1901 (vänster) och 1953 (höger). Före traktorernas tid så provades flertal stationära motorer och lokomobiler. I de senare traktorförsöken, meddelanden från grupp 2, redovisades inte enbart rena data som dragkraft och motordata. Här beskrevs även hur traktorn upplevdes hos förarna, t.ex. hur styr och bromssystem fungerade och det allmänna intrycket. Defekter och gjorda reparationer under provperioden redovisades. Proven var oftast indelade i tre delar: Först en beskrivning och en angivelse av specifikationer och måttuppgifter. Sedan resultaten från bromsprov där motorns effekt och bränsleförbrukning angavs dels mätt på utgående kraftuttagsaxel ( Power Take-Off, PTO) eller remskiva för planrem, men också dragkraftseffekt, d.v.s. traktorns dragande förmåga. Slutligen angavs hur traktorn upplevts och vilka brister som upptäckts under provperioden. Angivna motordata var typiska saker som motortyp, cylinderantal, slagvolym, borrning, slaglängd men även kompressionsförhållande. Ibland förekom även fotografier, illustrationer eller genomskärningar på motorn (Figur 3). 4

13 Figur 3 Exempel på motorillustration, snitt genom en tändkulemotor (råoljemotor) [smp433]. Startförfarande var särskilt viktigt att undersöka på de äldre motorerna. Dessa saknade ibland elektrisk start och startades då vanligen med vev eller att man drog runt svänghjulet för hand. Proven pågick ofta över en vintersäsong vilket gjorde att ordentlig kallstart kunde provas. Exempel: Den engelska Field-Marshall traktorn, provad 1947, var lite speciell i flera avseenden - även i startmomentet. Den var försedd med en vevhusspolad 2-taktsdiesel som kunde startas med startpatron, krutstart. Man fick en krutpatron att explodera i en kammare direkt ansluten till förbränningsrummet. Proven visade att denna startmetod fungerade bra, även i kyla. En startpatron kostade 40 öre september Förutsättningen för att detta skulle fungera var att man först vred motorn med svänghjulet till ett visst läge, strax efter ÖD under expansionsslaget, och sedan antände patronen på något sätt. I samma meddelande, nr 912 framgår även mödan och riskerna med vevstart: Som regel erfordras två man för att draga motorn runt. Vid två tillfällen fastnade veven i svänghjulet sedan motorn startats och slungades från traktorn. Veven kan vid sådana tillfällen träffa de som starta eller någon bredvidstående, varför start för hand endast bör företagas i nödfall. När traktorn blev allt vanligare och snart nästan varje gårds egendom på 50-talet så blev tyvärr SMP s provningsmeddelande allt fattigare på detaljer om motorernas uppbyggnad. Det fanns ju ganska mycket andra viktiga detaljer på traktorerna att skriva om, t.ex. hydraulik, kopplingsanordningar för redskap och förarmiljö. Det förekom även andra meddelande med viss motorrelevans, en lista på några av dessa tas upp i Bilaga C Andra motorrelaterade meddelanden. 5

14 Motorrelaterade mätmetoder De äldre stationära motorerna och traktorerna var oftast försedda med någon form av remskiva för bred planrem, ibland var denna remskiva integrerad med svänghjulet. Under de tidiga bromsproven användes antingen denna remskiva eller själva svänghjulet isig som en stor bromstrumma av typen bandbroms. Tidiga traktorer var ofta försedd remskiva medan moderna fick uttag för kraftuttagsaxel på vilka motorerna uppbromsades vid dessa försök. Transmission för remskiva och kraftuttagsaxel har vissa förluster, vilket kompenserats för i denna studie genom SMP s egna uppskattningar av den mekaniska verkningsgraden. Denna angavs oftast i meddelandena. Varvtalet uppmättes med någon form av takometer. Bränsleförbrukningen avlästes med hjälp av en våg med tidtagning mellan två utslag. För att kunna beräkna verkningsgrader skickades bränsleprover till Kungliga Tekniska Högskolans Materialprovningsanstalt för bestämning av värmeinnehåll (se sammanställning i Bilaga A Tabeller) Under de första motorproven i StMRPa s regi så försökte man även ta indikatordiagram, d.v.s. uppmätning av trycket i cylindern som funktion av kolvposition. Detta visade sig vara svårt eftersom förbränningen skapade oscillationer i mätutrustningen, vilken var mer anpassad för mätningar i ångmaskiner. Smörjoljeförbrukningen för de första motorerna var inte helt försumbar som i dagens moderna motorer varför det även var viktigt att undersöka detta. Speciellt 2-taktsmotorerna som saknade oljesump spottade ut ganska mycket smörjolja genom avgaserna vilket inte uppskattades av förare eller maskinister. Den tidens emissionsmätningar handlade mycket om spill och rökgasernas karaktär vilken fastställdes genom okulär bedömning: Såsom särskildt anmärkningsvärt för Simplexmotorn må framhållas, att förbränningen under samtliga profven skedde utan utveckling af synlig rök eller nämnvärdt fotogenos. Omdöme om Simplex tändrörsmotor 1901 [smp9] [smp44] Under de sista proven på moderna dieselmotorer mättes dock sotbildningen (Bosch tal) även om resultaten inte alltid togs med i meddelandena. Uppmätning av varvtal Under flera tidiga prov användes en Horns takograf som gav en grafisk representation av varvtalet (Figur 4). Till detta användes en Amsler-Laffons polarplanimeter för att bestämma medelhastigheten. Senare är det något ospecificerat vilken utrustning som använts till att mäta rotationshastigheten. För bestämning av motoreffekt användes tidigt även en Schäffer och Budenbergs slagtäljare direkt kopplad till vevaxeln för bestämning av varvtalet. 6

15 Figur 4 Takometerprov vid särskild provning av Petroleummotorn Fenix [smp11] (tändkulemotor). Varvtalsvariationerna beror på den relativt enkla regleringen av bränsleinsprutningen till motorn. Vridmoment För bestämning av motorns levererade arbete användes först väldigt enkla metoder. De tidiga motorerna var oftast försedda med stora kraftiga svänghjul. En enkel bandbroms kunde göras genom att lägga en lina (exempel: 14mm hamplina [smp9]) runt svänghjulet. Den ena ändan var fixt förankrad i golv eller mark via en fjädervåg, och i den andra ändan försedd med vågskål för att belasta motorn. Olika varianter användes allteftersom utveckling pågick, delvis för att öka säkerheten för de som vistades nära motorn under drift. Det kunde faktiskt hända att friktionen ökade plötsligt vilket fick följden att vågskål med vikter slungades över svänghjulet [smp11]. Vattenkylning av bromsen infördes och speciella vattenfyllda svänghjul byggdes som kunde flyttas från motor till motor (Figur 6). Uppbromsad effekt beräknades genom: N n = ( ) 2π ( ) P Q R+ r n där Nn = { Effekt}[ hk] ( P Q) = { Massa}[ kg] ( R+ r) = { Hävarmsradie}[ m] n = { Varvtal}[ varv min. ] Viss kompensation fick givetvis göras för vågskål och dylikt. Något senare provades även en s.k. Pronys broms som visas i Figur 5. På samma sätt som med varvtalbestämningen blir meddelande mer otydliga med åren, på vilken typ av utrustning som används. Det anges bara kort som hydraulisk bromsdynamometer 1929 [smp256-], vattenbroms 1932 [smp316-] och för de sista stationära motorerna bandbroms 1936 [smp431-]. För de tidiga traktorerna med remskiva användes först en vattenbroms, senare en elektrisk pendelbroms [smp643-]. För de sista mätningarna på traktorernas bakåtriktade kraftuttag användes en effektbroms (Figur 7) [smp2001]. Figur 5 Pronys broms [smp37]. 7

16 Figur 6 Olika varianter på bromshjul, överst svänghjul som direkt används för uppbromsning, nedre med speciellt utformat bromshjul med integrerad vattenränna för kylning [smp11]. Träklossar används för att styra linan på (sväng-) bromshjulet. Figur 7 Till vänster: Effektbroms för mätning på traktorers kraftuttag (PTO) Till höger: Automatisk bränslevåg. [smp2001]. 8

17 Bränsleförbrukning Under de första proven med stationära motorer använde man sig av en extra drivmedelsbehållare som man med en ventil kunde koppla in och ur. Provet pågick under 30 minuter varvid ändringen av mängden bränsle (viktändring) i denna behållare kunde bestämmas skarpt [smp5, smp9]. Tändrörsmotorerna behövde även en kontinuerlig låga och bränsleförbrukningen för denna inkluderades givetvis. En automatisk våg (Figur 7) användes för de senare proven men det framgår inte riktigt klart av provmeddelandena när denna infördes eller vilka andra metoder som använts under mellantiden. Indikatordiagram. Redan under de första proven försökte man få ut indikatordiagram, d.v.s. diagram över trycket inne i cylindern som funktion av volymen eller kolvposition. Man ville beräkna indikerat arbete precis som man gjort tidigare på ångmaskinerna. En Thomsons indikator användes vid dessa försök. Man insåg omedelbart att det skulle bli svårt att få så bra diagram med dessa mekaniska indikatorer (Figur 8) [smp5]: i det att explosionerna stundom bli starka, stundom svaga, ibland inträffa för tidigt, ibland för sent, ser man att de ingalunda lämpa sig för bestämning av det indikerade arbetet på samma sätt som de på en ångmaskin tagna diagrammen. Se även Bilaga B Indikatordiagram. Figur 8 Överst visas indikatordiagram för ånglokomobil och nedanför för en tändkulemotor (vänster) och en 4-takts tändrörsmotor (höger) [smp5]. 9

18 Motortyperna Motortyperna tas här upp någorlunda i kronologisk ordning, som de uppträtt i provningarna. De tidigt provade motorena var, av skäl som nämnts tidigare, av svenskt fabrikat varför dessa beskrivningar är fokuserade på utvecklingen i Sverige. Det bör påpekas att när man sätter ihop en sådan här studie kan man råka ut för problem när det gäller att sortera in olika objekt i olika klasser. Det finns alltid gökungar som hamnar vi sidan av, men dessa brukar vara speciellt intressanta därför att de ofta speglar tankegångar och idérikedom. Ottomotorer Tändrörsmotorer och tändstiftsmotorer räknas här som ottomotorer men, men tändprincipen är väsentligen olika så beskrivningarna hålls isär. Tändrör De första motorerna som provades vid StMRPa var 4-taktsmotorer med tändrörständning och drevs på fotogen. Att använda benzin ansågs för eldfarligt, och sprit ansågs vara för dyrt att framställa i Sverige (som motorbränsle) [smp5]. Gemensamt för denna motortyp är att bränslet tillfördes till luften via en förgasare. Antändningen av bränsleluftblandningen sker när denna blandning pressas ut i en rörformig kammare som värms externt av en brinnande låga (Figur 9). Denna kammare, tändröret, kunde vara av porslin eller metall. Lite olika varianter för styrning av tändtidpunkten användes. Antingen styrdes flödet av gas in och ut ur tändröret av en ventil och därmed tändtidpunkten, eller så bestämdes tändningen av var man värmde tändröret. Genom att flytta placeringen av uppvärmningslågan i förhållande till tändröret kunde man ställa antändningstidpunkten. Figur 9 Tändrörets princip [3] 1. Tändröret (b) är den provrörsliknande delen över den öppna lågan. Antingen ändrades tändtidpunkten med placeringen av lågan (c) som i vänstra figuren. Eller så använde man en ventil för att styra när bränsleluftblandningen fick komma i kontakt med det heta tändröret som i högra figuren. Varvtalet reglerades till en början av en regulator som påverkade avgasventilen, denna förhindras att stänga sig då varvtalet överskred ett viss värde. Det blev då inget vakuum i cylindern under insugsslaget och därmed kunde ingen bränsle-luftblandning sugas in i cylindern. Varvtalet sjönk 1 I de första meddelandena förekommer det väldigt lite illustrationer som i detalj visar uppbyggnaden av förgasare, tändrör, värmare och ventiler. Dessa delar ville tillverkarna säkert skydda så långt de gick för att försvåra det för konkurrenterna att stjäla ideer. Förbränningsmotorer var en ny marknad med enorm potential. 10

19 p.g.a. friktion och belastning. När varvtalet kom under en viss nivå tilläts avgasventilen återigen att stänga sig på vanligt sätt. Denna lösning på varvtalsreglering hade svårt att hävda sig med den betydligt enklare trotteln, d.v.s. den lösning som används än idag, ett spjäll som man stryper massflödet genom motorn. Tyvärr har denna en nackdel att det går åt ett pumparbete vid dellast vilket är en förlust som sänker motorns verkningsgrad. Man kan se det som att motorn arbetar som en kompressor och tar luft vid lågt tryck (i insuget efter trotteln) och trycker detta till normalt atmosfärstryck (avgasröret). På traktorer var oftast ottomotorn försedd med varvtalsregulator som påverkade trotteln. Föraren ställde med ett reglage in ett önskat varvtal. Insugsventilen på de tidiga stationära 4-taksmotorerna fungerade mer eller mindre som en fjäderbelastad backventil och förhindrade på så sätt gaserna från att strömma baklänges. Ibland var insugskanalen uppdelad så att en del av den rena luften gick direkt in i cylindern via en separat insugsventil. En annan, mindre del gick först genom ett uppvärmt rör, sedan genom förgasaren där bränslet tillfördes. Flödet genom bägge insugsrören och bränslemängden kunde ställas var för sig vilket visade sig ställa höga krav och tillsyn från operatören [smp5]. Kolven, eller kannan som det hette på den tiden var oftast försedd med 2 till 5 kolvringar. I vissa fall gick dessa inte att kränga över kolven utan kolven var delbar i kolvringspåren för att möjliggöra montering och byte. Smörjningen av vevmekanismen utgjordes oftast av smörjkoppar med konsistensfett medan cylindern smordes med olja via ett droppsystem, ofta i glas och med ett droppöga där man kunde se oljeflödet. Kylsystemen varierade väldigt i utförande men var oftast av mycket enkel typ (Figur 10). För att säkerställa kylning lät man vattnet antingen följa i luften hängande trådar, eller helt enkelt stråla ut genom en duschliknade anordning. Vattnet samlades upp i ett uppsamlingskärl, oftast en öppen trätunna. Från uppsamlingskärlet till cylindern pumpades vattnet vanligen med en excenterdriven kolvpump. Figur 10 Till vänster: Oljekopp med droppöga för smörjning av cylinder och kolvbult. Mitten: Kylvattenpump med tryckluftklocka. Till höger: Kylaren som den ofta såg ut på stationära motorer. Vattnet får rinna längs en mängd trådar ned i en tunna [smp5]. På omslaget visas en tändrörsmotor av fabrikat J. & C. G. Bolinders Mekaniska Verkstads Aktiebolag. Denna motor var försedd med dubbla insugskanaler, den ena med förgasare och den andra med vattentillsats för att förhindra spontan tändning av blandningen. Dock påpekas det i meddelandet att Bolinder infört denna teknik utan att höja kompressionen, vilket framgångsrikt praktiserats av Professor Donát Bánki vid Budapests Tekniska Universitet. Kompressionsförhållandena för tändrörsmotorerna vid denna tid var väldigt låga, ofta under 4. Med 6.5:1 i kompression och med vatteninsprutning kom Donát Bánki upp i en verkningsgrad på 28 %, år 1894 [2]. Insugsventilen på bröderna Bolinders motor var fjäderbelastad medan 11

20 avgasventil, och en ventil till tändröret styrdes av en excenter på en nedväxlad axel. Till mekaniken för avgasventilen var även varvtalsregulatorn kopplad så att när varvtalet blev för högt så lämnades avgasventilen öppen. När varvtalet sedan sjönk så aktiverades avgasventilens styrning igen. I stället för att hålla avgasventilen öppen då varvtalet blivit för högt så gick det ju lika bra att hålla den stängd vilket Aktiebolaget Vesterås Lantbruksmaskiner gjorde på sin motor. Fördelen med detta var att cylinder och tändrör inte kyldes ned under dessa frislag och tändtidpunkten av de påföljande cyklerna förblev mer eller mindre oförändrade. Carlsviks Gjuterier i Stockholm tillverkade en lite märklig hybrid. Den skulle kunna klassas som glödstiftsmotor eftersom att den hade en spiralformad tändkropp monterad i en okyld förbränningskammare (Figur 11). Under kompressionsslaget pressas bränsleluftblandning in i denna kammare och blandningen antänds. Före start värmdes denna kammare utifrån med en blåslampa (Optimuslampa), under drift behövdes inte denna värmning till skillnad från de renodlade tändrörsmotorerna vilket var syftet med denna konstruktion. Likheterna med tändkulemotorn var därför också stora. Figur 11 Insugsventil (p) och tändapparat (E) på Carlsviks 6hk fotogenmotor. Luftspjäll (n) för förvärmd luft, spiralformad tändkropp (r) [smp5]. Tändapparaten (höger) sitter alltså monterad i motorns topplock som inte är inritat. Startförfarandet för tändrörs- och för den delen tändkulemotorerna, var ganska tidsödande med dagens mått mätt, men jämfört med ångmaskinerna så upplevdes skillnaden nog som fantastisk. Först skulle tändröret värmas upp vilket tog en viss tid och sedan när detta är gjort kunde man dra runt motorn med startvev. Bolinders tändrörsmotormotor var dock försedd med en trycktank så att när motorn väl startats upp kunde denna fyllas genom att utnyttja förbränningstrycket i cylindern, upp till ca 12 atmosfärer. Vid nästa start så användes detta tryck för att dra runt motorn. Denna teknik användes även senare på tändkulemotorerna också och går under benämningen tryckluftsstart. Tändsystemet med upphettat rör och kontinuerlig låga (och för den delen glödstiftsliknande konstruktioner) var inte tillräckligt bra för att kunna användas i applikationer där belastningen och varvtal varierade mycket. Det var med det elektriska tändstiftet som ottomotorn verkligen fick sitt genomslag. 12

21 Tändstift Figur 12 Sandbäckens Mekaniska Verkstad, Katrineholm 7hk fotogenmotor. Notera magnetapparaten till tändningen på cylinderns ovansida. Vikten låg på 950kg och den kostade 1550kr år Introduktionen av tändstiftmotorerna gick ganska trögt i början på seklet. Genomslaget för dessa motorer kom egentligen inte förrän driftsäkerheten för elektriska tändsystem blev bättre. Ett par världskrig och tävlingar till land, sjöss och luften fungerade som en enorm katalysator för utveckling av motor- och fordonsteknik. Finesser som elektrisk start och belysning för fordonen ökade deras användbarhet och komfort. De första tändstiftsmotorerna använde sig av magnettändning dvs. en roterande permanentmagnet i en spole genererade högspänning till tändstiftet. Denna typ av tändning höll i sig ganska länge och används än i dag i mindre motorer t.ex. för mopeder, gräsklippare och motorsågar. Fördelen är att de inte kräver något batteri eller generator. Med batteriet, generatorn och startmotorn kom bekvämlighet. Den elektriska gnistan gick att styra, därmed gick det även att styra när förbränningen skulle ske i motorn. Till en början fick man göra detta manuellt som operatör men snart infördes regulatorer som automatiskt ställde om tändningen beroende på varvtal (centrifugalregulator) och senare även last (vakuumregulator). Bränslet bensin ( benzin ) blev också accepterat som motorbränsle. Detta något dyrare bränsle användes för start och varmkörning av fotogenmotorer. Fotogen behövde lite varmare insugsluft för att förångas tillräckligt. Luften till motorn värmdes därför före förgasaren, oftast väldigt enkelt genom att insugsröret låg i direkt kontakt med avgasröret eller t.o.m. med någon enkel form av värmeväxlare. 4-taktsmotorn blev den vanligaste typen, speciellt senare när man insåg fördelarna med oljebad och stänksmörjning av vevmekanismen. I och med detta reducerades smörjoljeförbrukningen högst väsentligt. Denna teknik blev dessutom helt nödvändig allteftersom mer effekt levererades 13

22 ur motorerna och kolvarna behövde därmed kylas mer effektivt. Större krav ställdes på att luften skulle vara ren vilket är förståligt då det kunde vara ganska dammigt på åkrar och grusvägar. Det förekom lite olika varianter på luftrenarna. Under en period dominerade oljebadsrenaren där luften leds ned i ett oljebad och sugs därefter upp i ett hopvecklat metallnät och drar då med sig olja. Olja och partiklar avskiljs i nätet och rinner tillbaka i badet. Även motsvarande med vatten istället användes tidigt. Man hävdade då att luften fick en förhöjd fuktighet som förhindrade uppkomsten av förtändningar [smp256]. Man kan fråga sig hur bra denna typ fungerade vid minus-grader. Tändkulemotorer Med tändkulemotorer menas här motorer där bränsle sprutades direkt in i förbränningsrummet tidigt under kompressionsslaget. Bränsle fick därmed ganska lång tid på sig att vaporisera innan det antändes spontant. För att säkerställa vaporisering och antändning var stora delar av förbränningsrummets, d.v.s. tändkulans, väggar okylda. I den ursprungliga tändkulemotorn av Mietz & Weiss konstruktion var förbränningsrummet avsnört i en sfärisk kula, därav namnet tändkula ( hot-bulb ). En kanal förband kulan med cylindern. Före start måste tändkulan värmas för att motorn skulle starta, därefter värmdes kulan inifrån genom värmeöverföring från förbränningen. Kompressionsförhållandet var överlag lågt, under 10:1 var vanligt. Figur 13 J. V. Svenssons Automobilfabriks 6hk tändkulemotor Avance, den vägde 1350kg och kostade 2550kr år 1900 [smp5]. De tändkulemotorer som byggdes i Sverige var till en början rena plagiat av den amerikanska Mietz & Weiss motorn. Enligt en sägen så skulle Johan Viktor Svensson, köpt en amerikansk tändkulemotor vid en utställning i Köpenhamn som han tog hem och kopierade för egen tillverkning. J. V. Svensson var grundare av J. V. Svenssons Automobilfabrik i Augustendal, som genom framgångarna med sin tändkulemotor Avance aldrig kom att tillverka några bilar [4]. En jämförelse mellan konstruktionerna (Figur 15) talar för att det var just så även om mycket förbättrades av konstruktionen med tiden. Hur det än var med denna sägen så var han säkert inte 14

23 ensam om att plagiera. Aktiebolaget Motorfabriken i Göteborg och Forsviks Aktiebolag började ungefär samtidigt tillverka tändkulemotor med samma likheter med den amerikanska förlagan. Figur 14 Munktells Mekaniska Verkstad motorlokomobil med 12hk tändkulemotor. Vägde 1980kg och kostade 3375kr år 1923 [smp94]. Figur 15 Vänster: Den amerikanska Mietz & Weiss motorn som den såg ut i patentansökan 1897 [2]. A Bränsletank, B Bränsleinsprutare, C Tändkula, D Startbrännare, E, F Kylvattenledningar, G Avgasport. Höger: Den svenskbyggda Avancemotorn [smp5]. Den typiska tändkulemotorn var av 2-taktstyp med vevhusspolning även om det förekom 4- taktvarianter. Själva uppbyggnaden av motorn var därför särdeles enkel och okomplicerad vilket sörjde för god acceptans hos landsortsbefolkningen och extremt god driftsäkerhet jämfört med den tidens tändstiftsmotorer. Att motorn senare kunde köras på relativt tjocka och billiga oljor (råoljemotorer) låg ju inte till dess last eftersom detta var ett billigare bränsle än både motorfotogen och bensin. 15

24 De stora principiella skillnaderna från tändrörsmotorn var således hur bränslet blandades med luften och hur tändningen gick till. I tändrörsmotorerna och tändstiftsmotorerna blandade man bränslet och (delar av) luften före de drogs in i cylindern. Vaporiseringen och blandningen med luften fick lång tid på sig innan blandningen kom i kontakt med det heta tändröret, eller när man lät gnistan från tändstiftet gå. På sätt och vis var tändkulemotorn ett mellanting mellan ottomotorn och dieselmotorn. Den utnyttjade insprutning av bränsle mer eller mindre direkt in i förbränningsrummet men denna insprutning skedde så tidigt att bränslet inte omedelbart antändes, vilket skedde i dieselmotorerna. Antändningen skedde först när bränslet gonat till sig lite d.v.s. vaporiserat genom kontakten med förbränningsrummets (tändkulans) heta väggar och blandats med luften under kompressionen. Tanken med en okyld del av förbränningsrummet som hjälpte till att vaporisera bränsle, gick senare igen i förkammar- och virvelkammardieslarna. Figur 16 Tändkulemotorns uppbyggnad, tvärgående snitt (vänster) och bild från sidan (höger) med delarna namn utsatta [5]. En kort beskrivning av motorns uppbyggnad och arbetsprincip (Figur 16): Under motorns kompressionsslag sugs luft in i vevhuset genom en backventil (luftventil) där den senare komprimeras under motorns expansionsslag. Under slutet av expansionsslaget öppnas en passage in till cylindern, spolporten. Luften kan då strömma från vevhuset via en kanal (luftövergångsrör) upp i cylindern och pressa ut föregående cykels brända gaser genom avgasporten. Under början på kompressionen sprutas bränsle in direkt i tändkulan eller i inloppet till densamma (Figur 17). I detta läge innehåller tändkulan mestadels brända gaser vilket gör att förbränning inte kan ske. Bränslet vaporiserar snabbt eftersom stora delar av tändkulan är okyld och därmed mycket varm till skillnad från cylindern som oftast var omgiven av en vattenmantel. Under kompressionen trycks allt mer frisk luft in i tändkulan samtidigt som tryck och temperatur ökar och det 16

25 vaporiserar bränslet blandar sig med denna luft. Under slutfasen av kompressionen tänder blandningen spontant och någon form av flamutbredning eller homogen förbränning tar vid. Tryck och temperatur stiger under förbränningen för att sedan sjunka under expansionsslaget. Strax innan kolven når sitt nedre vändläge öppnas först avgasporten och trycket i cylindern sjunker snabbt. Något senare öppnas spolporten och ny frisk luft trycks in i cylindern. Figur 17 Tändkula och insprutningsmunstycke [5]. Under drift hålls tändkulan varm av förbränningsgaserna och det är bara under uppstart man värmer kulan. Detta gjorde man oftast med en blåslampa (brännare). Senare tändkulemotorer förseddes med elektriska glödspiraler vilket eliminerade en extern värmning av tändkulan före start. Tändkulemotorn fick därigenom ännu större likheter med förkammar- och virvelkammardieslarna. Andra sätt att få ned uppstartningstiden var att man använde sig av värmeledande pluggar (tändproppar) i form av bultar och dylikt. Dessa kunde snabbare leda värmen genom tändkulans vägg under värmningen med blåslampan. Varvtalsregulatorn var oftast väldigt enkel och i detta exempel (Figur 18) förde en excentermekanism en pendelupphängd, senare fjäderbelastad, arm (regulatorvikt), fram och tillbaka över ett plan (regulatorplan). I ena vändläget stötte pendeln mot en egg (regulatoregg) som var i direkt förbindelse med en bränslepumpens kolv och bränsle trycktes då ut genom spridarmunstycket. Planet var försett med ett gupp så om varvtalet blev för högt så hoppade pendeln över eggen och därmed uteblev insprutning och förbränning. Varvtalet sjönk då p.g.a. belastningen och beroende på trögheten i svänghjulet (som var ganska stort) och all annan roterande massa. När varvtalet sjönk så hoppade inte pendeln lika mycket och träffade då åter eggen (on/off - reglering). Den insprutade bränslemängden var direkt beroende på hur mycket bränslepumpens kolv kunde röra sig. Det förekom senare andra konstruktioner och mängder av varianter, bl.a. infördes ställbar slaglängd på bränslepumpen så att antalet frislag kunde minskas. De sista tändkulemotorerna för mobila applikationer var försedda med centrifugalregulatorer som ändrade insprutad bränslemängd stegläst (proportionell reglering). Dessa motorer gjorde därför inga frislag, varvtalsvariationerna blev därmed mycket små. 17

26 Figur 18 Bränslepump och varvtalsregulator (vänster) samt anordning för vatteninsprutning i spolporten (höger) [5]. Det visade sig att om kulan blev för varm då man belastade motorn hårt kunde antändningen bli för tidig och knack uppstod 2. Det troliga är att detta rörde sig om samma fenomen som man fick i tändstiftsmotorerna som berodde på att en del av bränsleluftblandningen antändes spontant p.g.a. för hög temperatur. Man införde då vatteninsprutning för att kyla motorn invärtes genom att låta vatten droppa in och blanda sig med luften i spolporten. Mängden vatten gick att justera med en ventil så att de förtidiga tändningarna, som gifva sig tillkänna genom stötar i maskinen, uteblifva. [smp11]. Andra sätt att reglera tändkulans temperatur var att variera strålbilden från insprutaren beroende på vilket belastning motorn skulle jobba på och bränslets egenskaper (Figur 19). Om motorn fick gå länge på låg last (tomgång) blev tändkulan för kall, sot och koksbildning ökade. Motorn gick därför bäst om den fick belastas emellanåt. Figur 19 Vänster: Tändkula med glödspiral (c) och tändproppar (b, d) Bolinder-Munktells motor. Höger: Tändkula med ställbart spridarmunstycke. Lantz motor [6]. 2 För att detta fenomen ska uppstå krävs en spontan samtidig antändning av förblandad luft och bränsle och en efterföljande snabb detonationsliknande förbränning. Denna förbränning är så snabb att den orsakar tryckspikar i cylindern vilket upplevs som ett metalliskt knackande ljud. Om en motor får gå länge med detta fenomen slås kolven sönder av dessa tryckspikar och av de svängningar som uppstår i metallen. 18

27 Allteftersom utvecklingen pågick förekom en mängd olika former på tändkulan (Figur 20 - Figur 33). Det gällde att få så god förbränning vid olika driftsfall som möjligt och man ville gärna slippa vatteninsprutningen. Tändkulemotorerna fick högre kompressionsförhållanden vilket gjorde att man kunde senarelägga insprutningen allt mer, vatteninsprutningen kunde därmed slopas. Av samma skäl infördes även ställbara insprutningsmunstycken. I I TK TK Figur 20, J. V. Svensson Automobilfabrik Avance, [smp5], 1900, utvecklade 5.84 kw vid 358.5rpm och hade då en verkningsgrad, η b på 15.9%, I Insprutare, TK - Tändkula Figur 23, Forsviks Aktiebolag, Fenix 6hk, [smp11], 1905, gav 4.575kW vid 352.1rpm, η b : 15.0%, I Insprutare, TK - Tändkula TK SB I Figur 21, J. V. Svensson Automobilfabrik, Avance 10hk, [smp11], 1905, gav kw vid 554.2rpm, η b : 26.0%, I Insprutare, TK - Tändkula I c1 TK Figur 22, J. & C. G. Bolinder Mek. Verkstad, Columbia 7hk, [smp11], 1905, gav 6.369kW vid 389.2rpm, η b : 19.5% b, Notera att tändkulan har två portar, c1 och c2, för bättre gasväxling i tändkulan,. I Insprutare, TK - Tändkula c2 I Figur 24, Bergsunds Mekaniska Verkstad, Orginalmotor, [smp21], 1907, gav 10.06kW vid 492.5rpm, η b : 20.4%. Annorlunda design, en slags kula i kulan, insprutningen sker mot en förgasningsyta, E. Bränsle träffar även en okyld mantel, C som är isolerad genom en luftspalt. Den inre kulan, G får en något fetare blandning och för att blandningen ska tända där först. Denna kula är förbunden med det övriga förbränningsrummet via två kanaler, K och H. A motorblock, B topplock, I insprutare, SB - startbrännare. Senare insprutningstider kunde användas och därigenom undveks knack. Vatteninsprutning behövdes därför inte. 19

28 I TP SB TK TK I. Figur 25, J. V. Svensson Automobilfabrik, Avance 18hkr [smp28], 1910, 14.6kW vid 391rpm, η b : 17.3%. Toppinsprutning, d.v.s. insprutaren, I sitter i topplocket och här t.o.m. direkt i tändkulan, TK. SB startbrännare. Figur 28, AB Motokultur [smp37], 1912, 11.17kW vid 607rpm, η b : 21.4%. Denna motor var försedd med 2- stegs insprutning av bränslet. TP Tändpropp, I Insprutare, TK Tändkula. I N V TK K Figur 26 Munktells Mek. Verkstad, [smp28], Den provade motorns tändkula visas i Figur 27. Figuren antyder därigenom att Munktells provade den ursprungliga tändkulegeometrin, med insprutaren monterad i cylindern, men övergav den för toppinsprutning. Figur 29, Orginalmotor, Bergsunds Mekaniska Verkstad, [smp44], kW vid 350.5rpm, η b : 23.9%. Bränslet sprutades in i en rak stråle mot en vattenkyld stötkropp, K och spreds dels mot tändkulans heta väggar, V och dels på en glödande nickelinsats, N. Med denna konstruktion kunde insprutningen ske precis innan övre vändläge och problematiken med för tidig antändning uteblev. Vatteninsprutning behövdes därför inte på denna motor. Jämför med 8 år äldre variant från samma tillverkare, Figur 24. I Insprutare, TK Tändkula. TK c TK A Figur 27, Munktells Mek. Verkstad (endast tändkulan är illustrerad) [smp28], Motorn gav 7.311kW vid 306.7rpm, η b : 16.6 % (19 % vid 6.6kW). Den smala kanalen, c förband tändkulan, TK med cylindern och anledningen var att mani ville ha en god omblandning av bränsle och luft. A anslutning för insprutare. Figur 30, Fenix 6hkr, Forsviks Aktiebolag [smp44], kW vid 596.7rpm, η b : 17.7%. Enkel öppen tändkula, TK. Insprutaren sitter monterad i cylindern och pekar in i snittplanet, upp mot tändkulan. 20

29 TP TK TK I I Figur 31, Amis, Ohlssons motoraktiebolag [smp62], kW vid 551rpm, η b : 19.4%. TP Tändpropp, TK Tändkula, I Insprutare. Figur 33, J. & C. G. Bolinder Mek. Verkstad, [smp377], 1934, 2-cylindrig marinmotor kW vid 1154rpm. η b : 28.2%. TK tändkula, I Insprutare. A TP TK c SB Figur 32, Munktells Mekaniska Verkstad [smp94] kW vid 358rpm. η b : 22.9%. Notera kanalen, c mellan tändkulan, TK och cylindern. Man ville få en roterande luftrörelse i tändkulan för bättre omblandning. TP Tändpropp, A Anslutning för insprutare, SB Startbrännare. 21

30 För smörjningen av cylinder, vevaxel mm använde man sig av s.k. lubrikatorer. I exemplet nedan (Figur 34) drivs lubrikatorn genom en fram och tillbakagående rörelse som överförs till en roterande rörelse via ett tandhjul. Den roterande rörelsen överförs sedan i sin tur via en excenter till pumpkolvarnas fram och tillbakagående rörelse. Oljeflödet kunde ställas med justerventiler och för att underlätta detta kunde man se flödet genom droppkoppar. En enklare lubrikator till en mindre motor visas också nedan där oljeflödet styrs genom vekar som helt enkelt suger upp olja från en behållare. Figur 34 Överst till vänster: Lubrikator med pumpmekanism till Forsvik 15 hk Fenixmotor. (Till höger i denna vy syns tandhjulet och på lubrikatorns framsida syns siktglas för oljenivå och flöde.) Övers till höger visas snitt genom samma lubrikator. Man ser excenteraxel och pumpkolv, justerratt för flödet och backventil. Nederst: Lubrikator med vekar till Forsvik 6 hk Fenixmotor [smp44]. Tändkulemotorn fick ett enormt genomslag i Sverige vilket bara kan förklaras av dess enkelhet, driftsäkerhet och bränsleekonomi i förhållande till de första tändstiftsmotorerna. Den kom länge att konkurrera med dessa egenskaper tills det att kravet på snabbare start låg till för stor last i och med de mobila applikationernas uppkomst. Med tändstiftsmotorerna behövde man bara vrida på startnyckeln så gick de igång och kunde leverera full effekt inom mindre än en minut. Lika snabba var dieselmotorerna att få igång, möjligtvis behövde man värma lite grand med elektriskt glödstift men motorn kunde likväl leverera full effekt inom en minut. De direktinsprutade dieslarna behövde inte värmas alls före start och hade t.o.m. bättre driftsekonomi än tändkulemotorn och därmed var tändkuleepoken över. I sluttampen infördes elektriska glödspiraler men detta resulterade i enormt stora batterier och motorn behövde förmodligen ändå varmköras innan full effekt kunde levereras. 22

31 Hesselmanmotorn De första dieselmotorerna hade ett stort problem, de var svåra att få tillräckligt snabbgående. Förbränningen fullbordades inte vid höga varvtal förrän expansionen, och därmed sänkningen av temperatur, gått så långt att förbränningen avstannade. Problemet var även kopplat till att turbulensnivåerna inte var tillräckliga för att blanda in luft i bränslet. Resultatet blev sämre verkningsgrad och synliga, inte helt luktfria avgaser. Varvtalet direkt var avgörande för hur stor effekt motorn kunde leverera och för de allt mer mobila applikationerna var just effekten i förhållande till motorns storlek viktigt. Många började därför leta efter lösningar för att komma runt denna problematik. K. J. E. Hesselman 3 ville, trots erfarenheter och framgångsrika år som motorkonstruktör av insprutningssystem till dieselmotorer, utveckla en snabbgående lågtrycksmotor för råolja [7]. Han påbörjade detta arbete 1926 genom egna experiment vilket resulterade i en direktinsprutad motor med tändstiftständning. K. J. E. Hesselman Tanken var att spruta in bränslet direkt i ena periferin av förbränningsrummet och genom en starkt roterande luftrörelse i cylindern föra bränslet till ett på motsatta sidan placerat tändstift. Luftrörelsen åstadkoms med en speciellt utformad insugsventil som gav en roterande luftrörelse i cylindern. För att inte bränslet skulle träffa cylinderväggarna var kolven försedd med en krage, så att bränslet tvingades ned i en skålliknande grop i kolven. Under sin väg från insprutaren till tändstiftet vaporiserade bränslet och blandade sig med luften. För att säkerställa tändning var tändstiftet försett med 3 eller 4 elektroder. Kompressionsförhållandet var relativt lågt, runt 8:1, för att inte knack skulle uppstå, motorn utvecklades nämligen för råolja. Figur 35 Principbild över Hesselmanmotorns funktion. Insprutare till vänster och tändstift till höger [6]. 3 Knut Jonas Elias Hesselman tog examina från Kungliga Tekniska Högskolan 1899 (mekanisk teknologi och skeppsbyggnad) och var anställd vid AB Diesels motorer i Stockholm Han öppnade egen konstruktionsbyrå 1917 och bolag för förvaltning av egna patent 1925, Hesselman Patent AB. Han blev ledamot av Ingenjörsvetenskapsakademien 1920 och av Vetenskapsakademien Teknisk hedersdoktor 1949 [7]. 23

32 Konceptet var inte så lyckat eftersom motorn fordrade både insprutningspump och tändsystem. Dessutom blev inte motorn bränsleekonomisk eftersom man behöll trotteln och man fick därför pumpförluster vid låg last och tomgång. Vakuumet i insuget användes för att styra bränslepumpen och därmed den insprutade mängden bränsle. Detta var en konstruktion som även användes på många tidiga dieselmotorer och tanken var troligen att man ville slippa centrifugalregulatorn för styrning av motorvarvtal. Om varvtalet ökade över önskat värde så ökar vakuumet bakom trotteln och plunger -kolvarna vreds då med en vakuumklocka så att insprutad bränslemängd reducerades. En annan nackdel med Hesselmanmotorn var att den behövde startas på bensin, denna pumpades in i motorns insug före start med en handpump. När motorn väl startade (som vanlig ottomotor) kunde bränsleinsprutningen aktiveras. Figur 36 Vänster: Snitt av Hesselmanmotor [6]. Höger: Avgasventil, insugsventil, (notera den släta ytan på skaftet för styrningen av insugsventilen) och kolv till Hesselmanmotor (Volvo T43) [9]. Hesselmans motor blev ingen succé, ett relativt lågt antal motorer för bussar, lastbilar och traktorer utvecklades och kom i tillverkning. Driftsäkerheten verkar ha varit ett stort problem men framför allt hade motorn ingen chans konkurrensmässigt mot de alltmer snabbgående dieselmotorerna, ofta av förkammartyp som började dyka upp efter 2 a världskriget. Om Hesselman valt att använda bensin istället, då hade kanske historien fått ett annat slut. Direktinsprutade bensinmotorer för flygplan kom senare att tillverkas. En parantes: Insprutningspumpen till Hesselmanmotorn skilde sig på en punkt från den som användes till dieselmotorerna. För att blandningen av bränsle och luft skulle vara bra vid tändstiftet under tändningsögonblicket visade det sig viktigt att insprutningen alltid skulle avslutas vid en viss tidpunkt. När motorns belastning, och därmed insprutningstiden, ändrade sig så flyttades startpunkten för insprutningen. För dieselmotorerna var det tvärt om, för att tändning skulle ske var det viktigt att statpunkten för insprutningen skulle ske vid en viss punkt. 24