Typer af motorer og hvordan de fungerer

Motorer er maskiner, der omdanner en energikilde til fysisk arbejde. Hvis du har brug for noget, der kan bevæge sig, er en motor lige noget, du kan sætte på det. Men ikke alle motorer er lavet ens, og forskellige typer motorer fungerer bestemt ikke ens.

Den mest intuitive måde at skelne dem fra hinanden på er nok den type energi, som hver motor bruger til at skabe kraft.

• Thermiske motorer
  • Interne forbrændingsmotorer (IC-motorer)
  • Eksterne forbrændingsmotorer (EC-motorer)
  • Reaktion motorer
• Elektriske motorer
• Fysiske motorer

Thermiske motorer

I den bredest mulige definition, disse motorer kræver en varmekilde for at blive omdannet til bevægelse. Afhængigt af hvordan de genererer denne varme, kan de være forbrændingsmotorer (som brænder ting) eller ikke-forbrændingsmotorer. De fungerer enten gennem direkte forbrænding af et drivmiddel eller gennem omdannelse af en væske for at generere arbejde. Som sådan har de fleste termiske motorer også et vist overlap med kemiske drivsystemer. De kan være luftdrevne motorer (som tager oxidationsmiddel som f.eks. ilt fra atmosfæren) eller ikke-luftdrevne motorer (som har oxidationsmidler kemisk bundet i brændstoffet).

Intern forbrændingsmotor

Intern forbrændingsmotor (IC-motorer) er ret allestedsnærværende i dag. De driver biler, plæneklippere, helikoptere og så videre. Den største forbrændingsmotor kan generere 109.000 hk til at drive et skib, der flytter 20.000 containere. Forbrændingsmotorer får energi fra brændstof, der forbrændes i et specialiseret område af systemet, der kaldes forbrændingskammeret. Ved forbrændingsprocessen dannes reaktionsprodukter (udstødning) med et meget større samlet volumen end reaktanterne tilsammen (brændstof og oxidationsmiddel). Denne ekspansion er det egentlige brød og smør i IC-motorer – det er det, der rent faktisk giver bevægelsen. Varme er kun et biprodukt af forbrændingen og udgør en spildt del af brændstoffets energilager, fordi det faktisk ikke giver noget fysisk arbejde.

Brændingsmotorer adskilles efter antallet af “slag” eller cyklusser, som hvert stempel udfører for en fuld omdrejning af krumtapakslen. De mest almindelige motorer i dag er firetaktsmotorer, som opdeler forbrændingsreaktionen i fire trin:

1. Induktion eller indsprøjtning af en brændstof-luftblanding (karburat) i forbrændingskammeret.
2. Kompression af blandingen.
3. Tænding ved et tændrør eller kompression – brændstoffet går bum.
4. Udstødning af udstødningen.

For hvert trin skubbes et 4-taktsstempel skiftevis ned eller op igen. Tænding er det eneste trin, hvor der genereres arbejde i motoren, så for alle andre trin er hvert stempel afhængig af energi fra eksterne kilder (de andre stempler, en elektrisk starter, manuel krumtap eller krumtakslens inerti) for at bevæge sig. Det er derfor, at du skal trække i akkorden på din plæneklipper, og at din bil skal have et fungerende batteri for at starte.

Andre kriterier til at skelne mellem IC-motorer er den anvendte brændstoftype, antallet af cylindre, den samlede slagvolumen (cylindernes indre volumen), fordelingen af cylindre (rækkemotorer, radialmotorer, V-motorer osv.), samt effekt og effekt i forhold til vægt.

Ekstern forbrændingsmotor

Ekstern forbrændingsmotor (EC-motorer)holder brændstof og udstødningsprodukter adskilt – de forbrænder brændstof i ét kammer og opvarmer arbejdsvæsken inde i motoren gennem en varmeveksler eller motorens væg. Den industrielle revolutions grand daddy-o, dampmaskinen, falder ind under denne kategori.

I nogle henseender fungerer EC-motorer på samme måde som deres IC-modeller – de har begge brug for varme, som opnås ved at forbrænde noget. Der er dog også adskillige forskelle.

EC-motorer anvender væsker, der undergår termisk dilatation-kontraktion eller et skift i fase, men hvis kemiske sammensætning forbliver uændret. Den anvendte væske kan enten være gasformig (som i Stirling-motoren), flydende (den organiske Rankine-cyklus-motor) eller undergå et faseskift (som i dampmotoren) – for IC-motorer er væsken næsten overalt en blanding af flydende brændstof og luft, der forbrændes (ændrer sin kemiske sammensætning). Endelig kan motorerne enten udtømme væsken efter brug, som IC-motorer gør det (motorer med åben cyklus), eller de kan fortsat bruge den samme væske (motorer med lukket cyklus).

Overraskende nok genererede de første dampmotorer til industriel brug arbejde ved at skabe et vakuum i stedet for et tryk. Disse maskiner, der blev kaldt “atmosfæriske maskiner”, var tunge og meget ineffektive med hensyn til brændstof. Med tiden fik dampmaskinerne den form og de egenskaber, som vi forventer at se fra motorer i dag, og de blev mere effektive – med frem- og tilbagegående dampmaskiner, der introducerede stempelsystemet (som stadig anvendes af IC-motorer i dag) eller sammensatte motorsystemer, der genbrugte væsken i cylindrene ved faldende tryk for at generere ekstra “oomph”.

I dag er dampmaskinerne ikke længere så udbredt: de er tunge og voluminøse ting, har en meget lavere brændstofeffektivitet og effekt/vægt-forhold end IC-motorer og kan ikke ændre output så hurtigt. Men hvis du ikke er generet af deres vægt og størrelse, og hvis du har brug for en konstant tilførsel af arbejde, er de fantastiske. Som sådan anvendes EC i øjeblikket med stor succes som dampturbine-motorer til flådeoperationer og kraftværker.

Kernekraftanvendelser har det særpræg at blive kaldt ikke-forbrændingsmotorer eller eksterne termiske motorer, da de fungerer efter de samme principper som EC-motorer, men ikke får deres kraft fra forbrænding.

Reaktionsmotorer

Reaktionsmotorer, der i daglig tale kaldes jetmotorer, genererer fremdrift ved at udstøde reaktionsmasse. Det grundlæggende princip bag en reaktionsmotor er Newtons tredje lov – grundlæggende er det sådan, at hvis man blæser noget med tilstrækkelig kraft gennem den bageste ende af motoren, vil det skubbe den forreste ende fremad. Og det er jetmotorer rigtig gode til at gøre det.

Den ting, vi normalt betegner som en “jetmotor”, dem, der er spændt fast på et Boeing-passagerfly, er strengt taget luftindblæsende jetmotorer og hører under klassen af turbinedrevne motorer. Ramjetmotorer, som normalt anses for at være enklere og mere pålidelige, da de indeholder færre (op til ingen) bevægelige dele, er også luftindblæsende jetmotorer, men hører til den ram-drevne klasse. Forskellen mellem de to er, at ramjetmotorer er afhængige af ren og skær hastighed for at føre luft ind i motoren, mens turbojetmotorer bruger turbiner til at suge luft ind og komprimere den i forbrændingskammeret. Ud over det fungerer de stort set ens.

I turbojetter suges luft ind i motorkammeret og komprimeres af en roterende turbine. Ramjets suger og komprimerer den ved at køre rigtig hurtigt. Inde i motoren blandes det med højtydende brændstof og antændes. Når man koncentrerer luft (og dermed ilt), blander det op med en masse brændstof og detonerer det (hvorved man genererer udstødning og termisk ekspanderer al gassen), får man et reaktionsprodukt, der har et enormt volumen i forhold til den luft, der er trukket ind. Det eneste sted, hvor al denne masse af gasser kan gå igennem, er til den bageste ende af motoren, hvilket den gør med ekstrem kraft. På vejen dertil driver den turbinen, der trækker mere luft ind og opretholder reaktionen. Og for at føje spot til skade er der i den bageste ende af motoren en fremdrivningsdyse.

Dette stykke hardware tvinger al gassen til at passere gennem et endnu mindre rum, end den oprindeligt kom ind af – og accelererer den dermed yderligere til ‘en jet’ af stof. Udstødningen kommer ud af motoren med utrolige hastigheder, op til tre gange lydhastigheden, hvilket skubber flyet fremad.

Non-airbreathing jetmotorer, eller raketmotorer, fungerer ligesom jetmotorer uden den forreste del – fordi de ikke har brug for eksternt materiale for at opretholde forbrændingen. Vi kan bruge dem i rummet, fordi de har alt det oxidationsmiddel, de har brug for, pakket ind i brændstoffet. De er en af de få motortyper, der konsekvent bruger fast brændsel.

Varmemotorer kan være latterligt store eller bedårende små. Men hvad nu, hvis du kun har en stikkontakt, og du har brug for strøm til dine ting? Tja, i det tilfælde har du brug for:

Elektriske motorer

Ah ja, den rene bande. Der findes tre typer af klassiske elektriske motorer: magnetiske, piezoelektriske og elektrostatiske.

Den magnetiske, ligesom batteriet der, er den mest anvendte af de tre. Det er baseret på samspillet mellem et magnetfelt og en elektrisk strøm for at generere arbejde. Den fungerer efter det samme princip som en dynamo bruger til at generere elektricitet, men omvendt. Faktisk kan man generere en smule elektrisk kraft, hvis man håndkurv en elektrisk-magnetisk motor.

For at skabe en magnetisk motor har man brug for nogle magneter og en viklet leder. Når en elektrisk strøm tilføres viklingen, inducerer den et magnetfelt, der interagerer med magneten for at skabe rotation. Det er vigtigt at holde disse to elementer adskilt, så elektriske motorer har to hovedkomponenter: statoren, som er motorens ydre del og forbliver ubevægelig, en rotor, der drejer rundt inde i den. De to er adskilt af et luftspalte. Normalt er magneterne indlejret i statoren, og lederen er viklet rundt om rotoren, men de to dele kan udskiftes. Magnetiske motorer er også udstyret med en kommutator, der skifter den elektriske strøm og modulerer det inducerede magnetfelt, mens rotoren snurrer, for at opretholde rotationen.

Piezoelektriske drev er typer af motorer, der udnytter nogle materialers egenskab til at frembringe ultralydsvibrationer, når de udsættes for en strøm af elektricitet, for at skabe arbejde. Elektrostatiske motorer bruger lignende ladninger til at støde hinanden fra sig og skabe rotation i rotoren. Da den første bruger dyre materialer, og den anden kræver forholdsvis høje spændinger for at køre, er de ikke så almindelige som magnetiske drev.

Klassiske elektriske motorer har nogle af de højeste energieffektiviteter af alle motorer derude, idet de omdanner op til 90 % af energien til arbejde.

Ion-drev

Ion-drev er en slags blanding mellem en jetmotor og en elektrostatisk motor. Denne klasse af drev accelererer ioner (plasma) ved hjælp af en elektrisk ladning for at generere fremdrift. De fungerer ikke, hvis der allerede er ioner omkring fartøjet, så de er ubrugelige uden for rummets vakuum.

De har også en meget begrænset udgangseffekt. Men da de kun bruger elektricitet og individuelle gaspartikler som brændstof, er de blevet studeret indgående med henblik på brug i rumskibe. Deep Space 1 og Dawn har med succes anvendt ion-drev. Alligevel synes teknologien bedst egnet til små fartøjer og satellitter, da det elektronspor, som disse drev efterlader, påvirker deres samlede ydeevne negativt.

EM/Cannae-drev

EM/Cannae-drev bruger elektromagnetisk stråling indeholdt i et mikrobølgekavitetsrum til at generere tillid. Det er nok den mest ejendommelige blandt alle typer motorer. Den er endda blevet omtalt som den “umulige” drivkraft, da den er en ikke-reaktionær drivkraft – hvilket betyder, at den ikke producerer nogen udladning for at generere fremdrift, hvilket tilsyneladende omgår den tredje lov.

“I stedet for brændstof bruger den mikrobølger, der preller af på et nøje afstemt sæt reflektorer for at opnå små kraftmængder og dermed opnå drivmiddelfri fremdrift,” rapporterede Andrei om drevet.

Der var en del debat om, hvorvidt denne type motor rent faktisk virker eller ej, men NASA’s tests har bekræftet, at den er funktionelt forsvarlig. Den vil endda få en opgradering i fremtiden. Da den kun bruger elektrisk energi til at generere fremdrift, om end i meget små mængder, ser den ud til at være den bedst egnede drivkraft til rumforskning.

Men det er i fremtiden. Lad os tage et kig på, hvordan det hele startede. Lad os tage et kig på:

Fysiske motorer

Disse motorer er afhængige af lagret mekanisk energi for at fungere. Urværksmotorer, pneumatiske og hydrauliske motorer er alle fysiske drev.

De er ikke særligt effektive. De kan normalt heller ikke trække på store energireserver. Urværksmotorer lagrer f.eks. elastisk energi i fjedre, og de skal trækkes op hver dag. Pneumatiske og hydrauliske typer af motorer skal bære rundt på tunge rør med komprimerede væsker, som generelt ikke holder særlig længe. Plongeur, verdens første mekanisk drevne ubåd, der blev bygget i Frankrig mellem 1860 og 1863, var f.eks. udstyret med en luftmotor med frem- og tilbagegående luftmotor, der blev forsynet af 23 tanke med 12,5 bar. De fyldte enormt meget (153 kubikmeter) og var kun nok til at drive fartøjet i 5 sømil (9 km) ved 4 knob.

Men alligevel var de fysiske drev sandsynligvis de første, der nogensinde blev anvendt. Katapulter, trebuchets eller rambukke er alle afhængige af denne type motorer. Det samme gælder menneske- eller dyredrevne kraner – som alle har været i brug længe før enhver anden form for motor.

Dette er på ingen måde en komplet liste over alle de motorer, mennesket har lavet. For ikke at nævne, at biologien også har produceret drev – og de er blandt de mest effektive, vi nogensinde har set. Men hvis du læser alt dette, er jeg ret sikker på, at din er ved at løbe tør for brændstof på dette tidspunkt. Så hvil dig, slap af, og næste gang du støder på en motor, så få hænderne og næsen helt smurt ind i den for at udforske den – vi har fortalt dig det grundlæggende.