Brennandi gas gaf vélinni ofurkrafta

Heimsins stærsti mótor er hápunkturinn á 200 ára afreksstarfi verkfræðinga sem umbylti öllum gerðum flutninga. Og þrátt fyrir að ný, rafknúin farartæki ryðji sér til rúms, státar brunahreyfillinn enn af stórkostlegum sigrum.

BIRT: 15/01/2022

LESTÍMI:

10 mínútur
Share on facebook

Árið 1863 rúllar einkennilegt farartæki af stað við tilraunaakstur frá París til úthverfisins Joinville-le-Pont. Hippomobile minnir einna helst á kerru með þremur hjólum en þó er enginn hestur spenntur fyrir hana. Þess í stað er farartækið búið einum strokki með brunahreyfli sem er uppfinning Frakkans Étienne Lenoir.

 

Það tekur heilar þrjár klukkustundir að aka 11 km spotta en viðburðurinn markar samt nýtt skeið í sögu verkfræðinga og ekki síður samgangna og flutninga. Lenoir er fyrstur til að geta búið til innbyggðan brunahreyfil sem er ekki bara tilfallandi frumgerð. Brunahreyfillinn er síðan framleiddur í mörgum eintökum og mótorinn boðar þannig byltingu í samgöngum og iðnaði um heim allan.

 

Frá því að vera margra metra hár smíðisgripur sem gat einungis skilað fáeinum hestöflum hefur brunamótorinn síðan þróast yfir í að vera tiltölulega lítill, skilvirkur og ofursterkur mótor. Nú á dögum skilar hann drifkraftinum í bílum og lestum á jörðinni, á vatni bátum og skipum og flugvélum og þyrlum í lofti.

 

Étienne Lenoir sýndi brunahreyfill sinn í Hippomobile með reynsluakstri á u.þ.b. 4 km/klst.

Hápunkturinn í þessari verkfræðilegu þróun er skipavélin Wärtsilä RC-flex96c sem með sínum 2.300 tonnum og 114.800 hestöflum knýr risastór gámaskip þvert yfir heimshöfin. En áður en kom að því hefur brunahreyfillinn gengið í gegnum ýmis konar tilraunir með mismunandi byggingarefnum og eldsneyti sem spannar allt frá kolum og púðri yfir í vetni og bensín.

 

Kolaryk og trjákvoða sem eldsneyti

Langt fram eftir 19. öld þurftu flestir að fara leiðar sinna fótgangandi, á hestbaki eða í hestakerrum til að sinna hversdagslegum erindum sínum.

 

Gufuvélin var vissulega farin að starfa í skipum, lestum og iðnaðarvélum sem hratt af stað iðnbyltingunni en skilvirkur brunahreyfill lét ennþá á sér standa.

 

Uppfinningamenn eins og Lenoir höfðu þó grandskoðað takmarkanir gufuvélarinnar, þ.á m. hversu lítilli orku hún skilaði í raun og eins þótti hún alltof stór í sniðum.

 

Þegar árið 1807 höfðu frönsku bræðurnir Nicéphore og Claude Niépce smíðað frumgerð sem byggði á nýrri hugmynd og er vélin talin vera ein fyrsta gerð svonefndra innbyggðra brunahreyfla.

Fjórir menn sem stóðu að baki brunahreyflinum.

Rivaz notaði vetni í sinn hreyfil

Franski uppfinningamaðurinn Francois Isaac de Rivaz (1752 – 1828) smíðar mótor árið 1807 sem er knúinn með vetnisgasi. Gasið er tendrað með kerti og mótorinn er einn af þeim fyrstu sem var hagnýtur. Hann var samt aldrei settur í fjöldaframleiðslu.

Lenoir gerði mótorinn aðgengilegan

Fyrsti innbyggði brunahreyfillinn sem var fjöldaframleiddur var þróaður af Étienne Lenoir (1822 – 1900). Mótorinn er knúinn með kolagasi og Lenoir fékk einkaleyfi á honum árið 1860. Þremur árum síðar sýnir hann getu hans sem bílamótors.

Vél Ottos spann í fjórum töktum

Fyrsta fjórgengisvélin var þróuð árið 1876 af Þjóðverjanum Nikolaus Otto (1832 – 1891). Hreyfillinn fer í gegnum þrjú slög í hverjum brunahring: inntak, þjöppun, bruni og útblástur. Þessi gerð véla er algengust í dag í bílum.

Diesel náði meira út úr eldsneytinu.

Rudolph Diesel (1858 – 1913) þróar díselvélina upp úr 1890. Árið 1897 sýnir hann fjórgengisdíselvél sína sem er með 25 hestöfl. Díselvélin nýtir eldsneytið betur en bensínvélin og er ekki með kerti.

 

Þessi nýja hugmynd vann bug á veikum eiginleikum gufuvélarinnar. Gufuvél virkar með því að vatnsgufa er búin til með því að hita upp vatn í íláti fyrir utan sjálfa vélina og síðan er heit gufan leidd inn í strokk. En bræðurnir sýndu að með því að láta gas þenjast út við sjálfan brunann inni í strokknum mátti knýja stimpil inni í bullustrokk í sjálfri vélinni.

 

Þetta prinsipp átti eftir að skipta sköpum í viðleitninni að minnka stærð brunahreyfilsins og gera hann jafnframt skilvirkari. Bræðurnir fengu einkaleyfi á vélinni sem brenndi blöndu af kolaryki og trjákvoðu undir nafninu Pyréolophore árið 1807 og komu henni fyrir í skipi. Vélin sjálf fór þó aldrei í fjöldaframleiðslu.

 

Frá efnaorku yfir í snúning

Brunahreyfill virkar í grunninn með því að umbreyta efnaorku úr eldsneyti yfir í vélarorku. Fljótandi eldsneyti er breytt í gas í hólfi – bullustrokk – og blandað saman við súrefni en síðan er kveikt í þessari eldfimu blöndu.

 

Við brunann losnar orka í formi varma sem fær gasið til að þenjast út og þrýsta stimpli niður í botn strokksins. Gasið kólnar og þegar stimpillinn snýr aftur í sína fyrri stöðu endurtekur ferlið sig.

Þrjár uppfinningar gjörbreyta vélinni

Þróunin á brunahreyflinum hefði ekki verið möguleg án þriggja mikilvægra nýjunga. Til samans gerðu þær vélarnar öflugri og minni og þannig heppilegri heldur en gufuvélarnar.

1. Bruninn fer fram í strokknum

Brunahreyfillinn flutti bruna gassins inn í strokkinn, þar sem því var þjappað saman þannig að hitastigið hækkaði. Í gufuvél var gufan hituð upp fyrir utan strokkinn sem gerði vélina óheppilega stóra.

2. Ventlar stýra brunanum

Til að bruninn geti átt sér stað í strokknum þarf súrefni sem er leitt að í gegnum ventil. Þegar brunanum er lokið þarf að hleypa út gasinu úr strokknum sem útblástursventill sér um.

3. Nýtt eldsneyti veitir meiri orku

Orkuríkt eldsneyti eins og bensín og dísel gerir kleift að umbreyta mun meiri efnaorku úr eldsneytinu í varma og þaðan í vélarorku til að knýja hjól, skrúfur og túrbínur.

 

Hver stimpill í vélinni þrýstir með sinni upp- og niðurhreyfingu orku til drifskaftsins sem nefnist sveifarás, nokkurn veginn á sama máta og þegar hjólreiðamaður snýr pedulunum. Sveifarásinn breytir þessari hreyfingu í snúning sem fær bílhjólin, skipskrúfuna eða túrbínuna í flugvélinni til að snúast.

 

Langt frá fræðum yfir í praktík

Þrátt fyrir að prinsippið sé í grunninn einfalt tók nokkur hundruð ár að þróa innbyggðan brunahreyfil.

 

Allt frá 17. öld hafa verkfræðingar og vísindamenn reynt að hugsa upp og smíða vélar með innbyggðan brunahreyfil, t.d. hafði hinn víðfrægi hollenski stjarnfræðingur, eðlisfræðingur og stærðfræðingur Christiaan Huygens spreytt sig á hönnun slíkrar vélar sem nýtti púður sem eldsneyti.

 

En það var fyrst árið 1824 sem verkfræðingar voru komnir með þann fræðilega grunn sem gerði þeim kleift að þróa innbyggðan brunahreyfil. Franski verkfræðingurinn og eðlisfræðingurinn Nicolas Léonard Sadi Carnot sem er talinn vera einn af aðalmönnunum að baki lögmálum varmafræðinnar, kom fram á þessum tíma með kenningu um hámarks varmaaflvél og þróaði svonefnda Carnot-hringrás.

 

Fyrstu bílvélarnar skiluðu aðeins tveimur hestöflum.

Út frá jöfnum sínum og útreikningum ályktaði Carnot að skilvirknin í brunahreyfli eykst eftir því sem munurinn er meiri milli kalda og heita ástands eldsneytisins. Þar með var ljóst að hægt var að þróa áfram nýjar vélar sem unnu með hærra hitastig inni í strokkunum en þær 100°C sem vatnsgufa getur skilað. Með öðrum orðum þurfti nú að koma til nýtt og betra eldsneyti.

 

Otto-vélin markar þáttaskil

Þegar Étienne Lenoir rúllaði um fyrir utan París í sínum Hippomobile árið 1863 var það með vél sem brenndi vetni. Vélin þótti hin ágætasta á sínum tíma og voru milli 1.000 og 1.500 eintök framleidd í Evrópu.

 

Séð með augum nútímamanna voru Lenoir-vélarnar þó hvorki sparneytnar né skilvirkar. 18 lítra Lenoir-vél skilaði einungis tveimur hestöflum. Til samanburðar skila venjulegar vélar í bílum sem eru með 1 – 2 lítra rúmtak núna um 100 hestöflum eða meira.

 

Til þess að brunahreyfillinn gæti náð mikilli útbreiðslu þurfti að hefja hann upp á næsta stig. Það gerði þýski verkfræðingurinn Nikolaus Otto þegar hann fann upp svonefnda Otto-hringrás sem er nú til grundvallar í flestum nútímabílvélum.

Lestu einnig:

Þessar fjórgengisvélar nýta sér eldsneyti og loft sem er tekið inn í gegnum ventla, blandað í strokknum þegar stimplarnir eru í botni strokksins. Þessu næst færast stimplarnir upp og gasblandan þrýstist saman.

 

Neisti kveikir nú gasið sem knýr stimpilinn niður á ný vegna útþenslu gassins. Þegar gasið kólnar færist stimpillinn aftur upp meðan útblástursgasið þrýstist út úr strokknum í gegnum annan ventil. Þetta ferli endurtekur sig í sífellu.

 

Vél Ottos greinir sig þannig frá vél Lenoir með því að þrýsta gasinu saman sem gerir kleift að hækka hitastigið í strokknum verulega. En hærra hitastig gerir vélina mun skilvirkari.

 

Fyrsta Otto-vélin var smíðuð árið 1876 og á næstu 17 árum seldust tæplega 50.000 eintök af henni. Upp úr 1880 betrumbættu þýsku verkfræðingarnir Gottlieb Daimler og Wilhelm Maybach, báðir frumkvöðlar í bílaiðnaði, hugmyndina með því að finna upp m.a. blöndunginn. Þetta gerði kleift að nota bensín sem eldsneyti í staðinn fyrir kolagas sem Otto nýtti í upphafi.

 

Nýir mótorar knýja samfélagið fram á við

Á tveimur öldum umbreytti þróun vélanna samfélaginu á ótal vegu – fyrst með gufuvélinni og síðan með innbyggða brunahreyflinum sem gerir framleidd hestöflin mun nýtanlegri.

1712: Dælur halda námum þurrum

Svonefndur Newcomen-mótor frá 1712 er knúinn af gufu sem þrýstir stimpli ofan í strokk. Þegar gufan þéttist síðan með því að sprauta vatni inn sogast stimpillinn niður á ný. Vélin var einkum notuð til að dæla vatni upp úr námum.

1768: Gufa kom iðnaði í gang

James Watt betrumbætti gufuvélina svo hún varð skilvirkari með því að setja í hana aðskilið þéttihólf. Það fól í sér minna orkutap frá strokkunum. Gufuvél Watts varð að einskonar tákni fyrir iðnbyltinguna.

1876: Bensín fékk bílana til að rúlla

Fjórgengisvélin með innri bruna var í raun fyrsta bensínvélin. Þegar uppfinningamaðurinn Nikolaus Otto vildi nýta vélina í stórar verksmiðjur krafðist yfirmaður hans Gottelie Daimler að gera hana nægilega fyrirferðarlitla til að nýta í farartæki.

1897: Diesel veitti skipum ofurkrafta

Rudolph Diesel uppgötvaði að hann gæti þjappað gasinu í strokknum svo mikið saman að það kviknaði í því án kerta. Díselvélin er sparneytnari og er m.a. notuð fyrir þung farartæki eins og skip, lestir og flutningabíla.

 

Ein síðasta og mesta framförin fyrir brunahreyfilinn á 19. öld gerðist þegar Rudolph Diesel þróaði og fékk einkaleyfi árið 1895 á vél sem ber hans nafn.

 

Diesel gerði sér grein fyrir því að tendra mætti brunagasið án þess að nota neista frá kerti með því einfaldlega að þrýsta gasinu svo mikið saman að hitinn frá þessu innræna ferli (e. adiabatic) kveikti í sjálfu gasinu. Innrænt eða óvermið ferli á sér stað án þess að varmi vaxi eða minnki.

 

Kosturinn við díselvélar er sá að þessi mikla þjöppun og þar með hærra hitastig við brennsluna, nýtir eldsneytið mun betur. Í upphafi voru díselvélar einkum nýttar í iðnaði og í stórum vélum eins og í skipum en nú á dögum eru díselvélar einnig algengar í venjulegum bílum, m.a. vegna þess hve sparneytnar þær eru.

 

Risavél keyrir í tveimur slögum

Díselvélar ráða enn ríkjum í skipum – og það á einnig við um þungavigtartröllin, stærstu gámaskipin. Mælt í hreinu afli er skipsvélin Wärtsilä RC-flex96c hápunkturinn í sögu brunahreyfla.

 

Ýmislegar tölfræðilegar staðreyndir eru til vitnis um risavaxna stærð og afkastagetu vélarinnar. 14 strokkar, 14.800 hestöfl og þyngd sem nemur um 400 afríkufílum eru einungis fáeinar staðreyndir um þessa 26,6 löngu dieselvél.

Risamótor er með 2.300 tonna hráan vöðvakraft.

14 strokkar og 114.800 hestöfl. Hæðin er 13,5 metrar, lengdin 26,6 metrar og þyngdin heil 2.300 tonn. Þetta eru magntölur Wärtsilä RC-flex96c – konungs allra brunahreyfla.

Strokkarnir eru einn metri á breidd

Hver og einn af 14 strokkum þar sem díselolíu úr lofti er þjappað saman er með þvermál sem nemur 96 cm. Rúmtak strokkanna eru 1,8 rúmmetrar þegar stimpillinn er í botni. Við hámarks afköst hreyfist stimpillinn upp og niður 102 sinnum á mínútu.

Sveifarásinn vegur 300 tonn.

Þegar stimplarnir hreyfast upp og niður fá þeir sveifarásinn í botni vélarinnar til að snúast og með gírum er hreyfiorkan látin snúa skrúfu skipsins. Sveifarásinn vegur 300 tonn og liggur meðfram allri lengd vélarinnar sem er 26,6 metrar.

Stimpilstöngin tengir stimpil og sveifarás.

Stimpilstöngin tengir stimpilinn við sveifarásinn með svonefndum krosshaus. Stimpilstangirnar eru sex metra langar og búnar túðum sem sprauta í sífellu olíu inn í stimplana meðan þeir hreyfast upp og niður á um 30 kílómetra hraða á klukkustund.

Olía kælir stimpla

Kæliolían er dreift um holur efst á stimplunum. Olían tryggir að stimplarnir ofhitna ekki vegna núningsins við innra hliðar strokkanna. Slaglengd stimpilsins – þ.e. fjarlægðin milli efstu og neðstu stöðu í strokknum – er 2,5 metrar.

 

smíði vélarinnar stendur finnska fyrirtækið Wärtsilä og fyrstu eintökin voru tekin í notkun í hinu 397 m langa gámaskipi Emma Mærsk árið 2006.

 

Ári eftir jómfrúarsiglinguna var búið að selja 500 eintök af þessari vélargerð sem getur knúið risavaxin gámaskip með hraða sem nemur allt að 45 km/klst.

 

Gámaskipið Emma Maersk var það fyrsta sem var búið stærstu dísilvél heims – rúmlega 100.000 hestöfl og knýr skipið áfram á allt að 45 km/klst.

Wärtsilä RC-flex96c er svonefnd tvígengisvél sem felur í sér að brunahreyfillinn fer í gegnum tvö slög í staðinn fyrir fjögur. Í tvígengisvél á sér stað bruni í hvert sinn sem stimpillinn er í toppi, meðan bruninn í fjórgengisvél gerist í annað hvert skipti.

 

Bygging tvígengisvélar er einfaldari þar sem í hana þarf færri hreyfanlega hluti heldur en í fjórgengisvélina en það felur í sér að færri íhlutir geta bilað og viðhald er jafnan minna fyrir vikið. Kostur hennar er auk þess sá að verkfræðingar geta náð meiri skilvirkni úr henni, þ.e.a.s. fleiri hestöflum miðað við þyngd vélarinnar.

 

Vélar sligast undan eigin þyngd

Það er einmitt þyngdaraflið sem hefur verið versti óvinur verkfræðinga við smíði þessarar 2.300 tonna vélar.

 

Til þess að tryggja að vélin þoli álagið undan eigin þyngd hafa verkfræðingarnir nýtt sér flókna tölvuútreikninga sem nefnast finite element method til að búa til þrívíddarlíkön, m.a. af strokkunum.

 

Sjáðu verkfræðinga byggja risavélina

Eldsneytisnotkun risavélarinnar Wärtsilä RT-flex96C er allt að 250 tonn á dag.

Wärtsilä RC-flex96c er öfgakenndasta dæmið um árangurinn af þessu frumkvöðlastarfi sem Lenoir, Otto, Diesel og aðrir verkfræðingar lögðu grunninn að á 19. öld. Og brunahreyfillinn mun einnig í framtíðinni fagna nýjum áföngum, bæði til sjós og lands.

 

Sem dæmi vinnur japanski bílaframleiðandinn Mazda nú að því að nýta sér kosti dieselvélarinnar – mikla þjöppun – inn í nýjar bensínvélar fyrirtækisins með svonefndri neistastýrðri þjöppunarkveikingu. Samkvæmt Mazda getur tæknin bætt nýtingu eldsneytisins um 20 – 30% í samanburði við hefðbundnar bensínvélar.

 

Þannig að þrátt fyrir að rafbílar sæki á á mörgum sviðum, þá er brunahreyfillinn alls ekki búinn að syngja sitt síðasta.

 

BIRT: 15/01/2022

HÖFUNDARÉTTUR MYNDA: © DR, © Henri Michelet, © E. Thomas, © Shutterstock & Lotte Fredslund, © Granger/Shutterstock/Ritzau Scanpix, © The Print Collector/Alamy/Ritzau Scanpix, © SPL, © CC BY-SA , 4.0,Wärtsilä/Shutterstock & Lotte Fredslund, © Maersk Line

vinsælustu greinarnar

Lifandi vísindi

Lyf

Lifandi saga

Ertu áskrifandi að tímaritinu?

Áskrifendur að tímaritinu geta fengið frían aðgang að vefnum hér.

Innskráning

Ertu með áskrifandi að blaðinu?

Áskrifendur geta fengið áskrift af vefnum hér

FÁÐU AÐGANG AÐ VÍSINDI.IS

Viltu lesa greinina?

Fáðu aðgang að visindi.is

Ókeypis í 2 vikur!

Eftir það kostar eingöngu 1.390 kr. á mánuði og enginn uppsagnarfrestur.

Innifalið er aðgangur að öllum greinum á vefnum ásamt rafræna útgáfu af nýjustu tölublöðunum.

  • Fullur aðgangur að visindi.is
  • Frábærar myndir og myndbönd
  • Aðgengilegt í öllum snjalltækjum
  • Fullur aðgangur að gríðarlegu magni eldri greina
  • Nýjustu tölublöðin í rafrænu formi

Núverandi áskrifendur að tímaritinu fá að sjálfsögðu ókeypis aðgang að vefnum og þurfa bara að virkja aðgang sinn hér.

Ef þú ert þegar áskrifandi að visindi.is