Typer av motorer och hur de fungerar

Motorer är maskiner som omvandlar en energikälla till fysiskt arbete. Om du behöver något som kan förflytta sig är en motor precis vad du kan sätta på det. Men alla motorer är inte tillverkade på samma sätt, och olika typer av motorer fungerar definitivt inte på samma sätt.

Det mest intuitiva sättet att skilja dem åt är förmodligen den typ av energi som varje motor använder för att få kraft.

• Thermiska motorer
  • Intern förbränningsmotor (IC-motorer)
  • Extern förbränningsmotor (EC-motorer)
  • Reaktion. motorer
• Elektriska motorer
• Fysiska motorer

Thermiska motorer

I en så bred definition som möjligt, kräver dessa motorer en värmekälla för att omvandlas till rörelse. Beroende på hur de genererar denna värme kan de vara förbränningsmotorer (som förbränner saker) eller icke-förbränningsmotorer. De fungerar antingen genom direkt förbränning av ett drivmedel eller genom omvandling av en vätska för att generera arbete. Som sådan har de flesta termiska motorer också en viss överlappning med kemiska drivsystem. De kan vara luftandningsmotorer (som tar oxidationsmedel, t.ex. syre, från atmosfären) eller icke-luftandningsmotorer (som har oxidationsmedel kemiskt bundna i bränslet).

Intern förbränningsmotor

Intern förbränningsmotor (IC-motorer) är ganska allestädes närvarande idag. De driver bilar, gräsklippare, helikoptrar och så vidare. Den största förbränningsmotorn kan generera 109 000 hästkrafter för att driva ett fartyg som flyttar 20 000 containrar. Förbränningsmotorer hämtar energi från bränsle som förbränns i ett specialiserat område av systemet som kallas förbränningskammare. Förbränningsprocessen genererar reaktionsprodukter (avgaser) med en mycket större total volym än reaktanterna tillsammans (bränsle och oxidationsmedel). Denna expansion är det egentliga brödet och smöret i förbränningsmotorer – det är detta som faktiskt ger rörelsen. Värme är bara en biprodukt av förbränningen och utgör en slösad del av bränslets energilager, eftersom den faktiskt inte ger något fysiskt arbete.

Förbränningsmotorer skiljer sig från varandra genom det antal ”slag” eller cykler som varje kolv gör för att få en full rotation av vevaxeln. De vanligaste motorerna i dag är fyrtaktsmotorer, som delar upp förbränningsreaktionen i fyra steg:

1. Induktion eller insprutning av en blandning av bränsle och luft (förgasning) i förbränningskammaren.
2. Komprimering av blandningen.
3. Tändning genom ett tändstift eller kompression – bränslet går i luften.
4. Utsläpp av avgaserna.

För varje steg trycks en 4-taktskolv alternativt nedåt eller uppåt igen. Tändning är det enda steg där arbete genereras i motorn, så för alla andra steg är varje kolv beroende av energi från externa källor (de andra kolvarna, en elektrisk startmotor, manuell vevning eller vevaxelns tröghet) för att förflytta sig. Det är därför du måste dra i ackordet på din gräsklippare, och varför din bil behöver ett fungerande batteri för att börja köras.

Andra kriterier för att särskilja IC-motorer är typen av bränsle som används, antalet cylindrar, det totala deplacementet (cylinderns inre volym), fördelningen av cylindrar (rad-, radial-, V-motorer osv.), samt effekt och effekt i förhållande till vikt.

Förbränningsmotorer med extern förbränning

Förbränningsmotorer med extern förbränning (EC-motorer)håller bränsle- och avgasprodukterna åtskilda – de förbränner bränsle i en kammare och värmer arbetsvätskan inne i motorn genom en värmeväxlare eller motorns vägg. Den industriella revolutionens grand daddy-o, ångmaskinen, hör till denna kategori.

I vissa avseenden fungerar EC-motorer på samma sätt som sina motsvarigheter med förbränningsmotorer – båda kräver värme som erhålls genom att bränna saker. Det finns dock flera skillnader.

EC-motorer använder vätskor som genomgår termisk dilatation-kontraktion eller en fasförskjutning, men vars kemiska sammansättning förblir oförändrad. Den vätska som används kan antingen vara gasformig (som i Stirlingmotorn), flytande (den organiska Rankinecykelmotorn) eller genomgå en fasförändring (som i ångmaskinen) – för IC-motorer är vätskan nästan genomgående en blandning av flytande bränsle och luft som förbränns (ändrar sin kemiska sammansättning). Slutligen kan motorerna antingen släppa ut vätskan efter användning som IC-motorer gör (motorer med öppen cykel) eller kontinuerligt använda samma vätska (motorer med sluten cykel).

Förvånansvärt nog genererade de första ångmaskinerna som användes industriellt arbete genom att skapa ett vakuum i stället för ett tryck. Dessa maskiner, som kallades ”atmosfäriska motorer”, var tunga och mycket bränsleineffektiva. Med tiden fick ångmaskinerna den form och de egenskaper som vi förväntar oss att se hos dagens motorer och de blev effektivare – med fram- och återgående ångmaskiner som introducerade kolvsystemet (som fortfarande används av IC-motorer idag) eller sammansatta motorsystem som återanvände vätskan i cylindrarna vid lägre tryck för att generera extra ”pampighet”.

I dag har ångmaskinerna förlorat sin allmänna användning: de är tunga, otympliga saker, har en mycket sämre bränsleeffektivitet och effekt-till-vikt-förhållande än IC-motorer, och kan inte ändra effekt lika snabbt. Men om man inte störs av deras vikt och storlek och behöver en stadig arbetsmängd är de fantastiska. Därför används EC för närvarande med stor framgång som ångturbinmotorer för marin verksamhet och kraftverk.

Kärnkraftstillämpningar har den skillnaden att de kallas icke-förbränningsmotorer eller externa termiska motorer eftersom de fungerar enligt samma principer som EC-motorer, men får inte sin kraft från förbränning.

Reaktionsmotorer

Reaktionsmotorer, som i vardagligt tal kallas jetmotorer, genererar dragkraft genom att utstöta reaktionär massa. Grundprincipen bakom en reaktionsmotor är Newtons tredje lag – i princip gäller att om man blåser något med tillräcklig kraft genom motorns bakre del kommer det att skjuta den främre delen framåt. Och jetmotorer är riktigt bra på att göra det.

Det vi vanligen kallar en ”jetmotor”, de som sitter fastspända på ett Boeing-passagerarflygplan, är i strikt bemärkelse luftandande jetmotorer och hör till klassen av turbindrivna motorer. Ramjetmotorer, som vanligtvis anses vara enklare och mer tillförlitliga eftersom de innehåller färre (upp till inga) rörliga delar, är också luftandande jetmotorer men hör till den ramdrivna klassen. Skillnaden mellan de två är att ramjetmotorer förlitar sig på ren hastighet för att föra in luft i motorn, medan turbojetmotorer använder turbiner för att dra in och komprimera luft i förbränningskammaren. Utöver detta fungerar de i stort sett likadant.

I turbojetmotorer sugs luft in i motorkammaren och komprimeras av en roterande turbin. Ramjets drar in och komprimerar den genom att gå riktigt fort. Inne i motorn blandas den med högpresterande bränsle och antänds. När man koncentrerar luft (och därmed syre), blandar den med mycket bränsle och detonerar den (vilket genererar avgaser och termiskt expanderar all gas) får man en reaktionsprodukt som har en enorm volym jämfört med den luft som dragits in. Det enda ställe där all denna gasmassa kan passera är till motorns bakre ände, vilket den gör med extrem kraft. På vägen dit driver den turbinen som drar in mer luft och upprätthåller reaktionen. Och bara för att lägga till skada till skada finns det i motorns bakre ände ett drivmunstycke.

Den här delen av hårdvaran tvingar all gas att passera genom ett ännu mindre utrymme än vad den ursprungligen kom in genom – vilket ytterligare accelererar den till ”en stråle” av materia. Avgaserna lämnar motorn med otroliga hastigheter, upp till tre gånger ljudets hastighet, och driver planet framåt.

Non-airbreathing jetmotorer, eller raketmotorer, fungerar precis som jetmotorer utan den främre biten – eftersom de inte behöver externt material för att upprätthålla förbränningen. Vi kan använda dem i rymden eftersom de har allt oxidationsmedel de behöver, packat i bränslet. De är en av de få motortyper som konsekvent använder fasta bränslen.

Värmemotorer kan vara löjligt stora eller bedårande små. Men vad händer om allt du har är ett uttag och du behöver driva dina saker? I så fall behöver du:

Elektriska motorer

Ah ja, det rena gänget. Det finns tre typer av klassiska elektriska motorer: magnetiska, piezoelektriska och elektrostatiska.

Den magnetiska, som batteriet där, är den mest använda av de tre. Den bygger på interaktionen mellan ett magnetfält och ett elektriskt flöde för att generera arbete. Den fungerar enligt samma princip som en dynamo använder för att generera elektricitet, men i omvänd ordning. Faktum är att man kan generera lite elektrisk kraft om man vevar för hand en elektrisk-magnetisk motor.

För att skapa en magnetisk motor behöver man några magneter och en lindad ledare. När en elektrisk ström läggs på lindningen inducerar den ett magnetfält som interagerar med magneten för att skapa rotation. Det är viktigt att hålla dessa två element åtskilda, så elmotorer har två huvudkomponenter: statorn, som är motorns yttre del och förblir orörlig, en rotor som snurrar inuti den. De två är åtskilda av en luftspalt. Vanligtvis är magneterna inbäddade i statorn och ledaren är lindad runt rotorn, men de två är utbytbara. Magnetmotorer är också utrustade med en kommutator för att skifta det elektriska flödet och modulera det inducerade magnetfältet när rotorn snurrar för att bibehålla rotationen.

Piezoelektriska motorer är typer av motorer som utnyttjar vissa materials egenskap att generera ultraljudsvibrationer när de utsätts för ett flöde av elektricitet för att skapa arbete. Elektrostatiska motorer använder likadana laddningar för att stöta bort varandra och skapa rotation i rotorn. Eftersom den första använder dyra material och den andra kräver jämförelsevis höga spänningar för att fungera är de inte lika vanliga som magnetiska motorer.

Klassiska elektriska motorer har en av de högsta energieffektiviteten av alla motorer som finns, och omvandlar upp till 90 % av energin till arbete.

Iondrivning

Iondrivning är en slags blandning mellan en jetmotor och en elektrostatisk motor. Denna klass av motorer accelererar joner (plasma) med hjälp av en elektrisk laddning för att generera framdrivning. De fungerar inte om det redan finns joner runt farkosten, så de är värdelösa utanför rymdens vakuum.

De har också en mycket begränsad effekt. Men eftersom de endast använder elektricitet och enskilda gaspartiklar som bränsle har de studerats flitigt för användning i rymdskepp. Deep Space 1 och Dawn har framgångsrikt använt jonmotorer. Ändå verkar tekniken vara bäst lämpad för små farkoster och satelliter eftersom det elektronspår som dessa drivsystem lämnar efter sig påverkar deras totala prestanda negativt.

EM/Cannae-drivsystem

EM/Cannae-drivsystem använder sig av elektromagnetisk strålning som finns i en mikrovågshålighet för att generera förtroende. Det är förmodligen den mest märkliga av alla typer av motorer. Den har till och med kallats den ”omöjliga” drivningen eftersom den är en icke-reaktionär drivning – vilket innebär att den inte producerar någon urladdning för att generera dragkraft, vilket till synes kringgår den tredje lagen.

”Istället för bränsle använder den mikrovågor som studsar mot en noggrant avstämd uppsättning reflektorer för att uppnå små kraftmängder och därmed uppnå drivmedelsfri dragkraft”, rapporterade Andrei om drivningen.

Det fanns en hel del debatt om huruvida den här typen av motor faktiskt fungerar eller inte, men NASA:s tester har bekräftat att den är funktionellt sund. Den kommer till och med att få en uppgradering i framtiden. Eftersom den endast använder elektrisk kraft för att generera dragkraft, om än i små mängder, verkar den vara den bäst lämpade drivkraften för rymdforskning.

Men det är i framtiden. Låt oss ta en titt på hur allt började. Låt oss ta en titt på:

Fysiska motorer

Dessa motorer är beroende av lagrad mekanisk energi för att fungera. Klockverksmotorer, pneumatiska och hydrauliska motorer är alla fysiska motorer.

De är inte särskilt effektiva. De kan vanligtvis inte heller åberopa stora energireserver. Klockverksmotorer lagrar till exempel elastisk energi i fjädrar och måste dras upp varje dag. Pneumatiska och hydrauliska typer av motorer måste bära runt på rejäla rör med komprimerade vätskor, som i allmänhet inte håller särskilt länge. Plongeur, världens första mekaniskt drivna ubåt som byggdes i Frankrike mellan 1860 och 1863, hade till exempel en luftmotor som matades av 23 tankar med 12,5 bar. De tog upp ett enormt utrymme (153 kubikmeter) och räckte bara till för att driva farkosten i 5 nautiska mil (9 km) vid 4 knop.

Fysikaliska drivkrafter var troligen de första som någonsin användes. Katapulter, trebuchets eller slagbillar är alla beroende av denna typ av motorer. Detsamma gäller för kranar som drivs av människor eller djur – alla har använts långt före alla andra typer av motorer.

Detta är på intet sätt en fullständig förteckning över alla motorer som människan har tillverkat. För att inte nämna att biologin också har skapat drivkrafter – och de är bland de mest effektiva vi någonsin sett. Men om du läser allt detta är jag ganska säker på att din motor börjar få slut på bränsle vid det här laget. Så vila, slappna av, och nästa gång du stöter på en motor, ha händerna och näsan helt smorda för att utforska den – vi har berättat grunderna för dig.