Totaktsmotor

Totaktsmotor er ein stempelmotor med intern forbrenning, som nyttar ei omdreiing av veivakselen per termodynamiske periode. Ei takt er rørsla til stemplet frå øvre til nedre daudpunkt, eller omvendt. Kvar takt varar difor ein halv omdreiing av veivakselen.

Fig. 1 Totaktsmotor.

Ein totaktsmotor kan arbeida etter ein Beau de Rochas-syklusen, Seiliger-Sabathé-syklusen eller ein dieselsyklusen. Små totaktsmotorar arbeider ofte etter Beau de Rochas-syklusen og nyttar bensin som drivstoff, medan så godt som alle store totaktsmotorar er dieselmotorar.

Små totaktsmotorar vert nytta i mopedar, skuterar, motorsager, graskløpparar, påhengsmotorar, osv. Totaktsmotorar i storleiksklassen nokre hundre kW til nokre tusen kW vert nytta i anleggsmaskinar, medan totaktsmotorar på fleire tusen kW vert nytta i skip.

Dei to taktene

Arbeidstakta

Når stemplet er i øvre daudpunkt er sylinderen fylt med ei luft-gass-blanding eller berre luft om det er ein innsprøytingsmotor. Litt før stemplet når øvre daudpunkt vert luft-gass-blandinga antent, eller innsprøytinga av drivstoff tek til om det er ein innsprøytingsmotor. Når drivstoffet brenn vert det utvikla kraftig varme og gassen i sylinderen utvidar seg, slik at trykket stig. Trykket driv stemplet nedover og det vert utført arbeid.

Utblåsingstakta

Fig. 2 Stemplet og sylinder i ein gamal totaktsmotor.

Når stemplet er om lag halvvegen vert utblåsingskanalen opna og eksosen tek til å strauma ut or sylinderen. Litt etterpå vert òg innsugingskanalen opna. På små totaktsmotorar vert luft-gassblandinga fyrst sogen inn i veivhuset, gjennom ein tilbakeslagsventil. Når stemplet går nedover stenger tilbakeslagsventilen og luft-gass-blandinga i veivhuset vert komprimert. Når innsugingskanalen til sylinderen vert avdekt av stemplet, Fig. 1, strøymer den komprimerte luft-gass-blandinga i veivhuset inn i sylinderen. At det er overtrykk i veivhuset fører til at den innstraumande luft-gass-blandinga spyler ut eksosen frå veivhuset. Men noko av luft-gass-blandinga vil fylja med eksosen ut, noko som fører til at noko av drivstoffet går tapt. For å sikra god utspyling av eksosen og hindra at for mykje av luft-gass-blandinga forlet sylinderen saman med eksosen har stemplet ofte ein kam som styrer luft-gass-blandinga oppover, Fig. 2. I Fig. 2 ser ein innsugingskanalen til venstre for denne kammen, medan den eine av to eksoskanalar er synleg til høgre for kammen.

Når stemplet er på tur oppover vert fyrst innsugingskanalen stengd og rett etterpå utbåsingskanalen, Fig. 2. Når begge kanalane er stengde tek komprimeringa av luft-gass-blandinga i sylinderen til. Rett før stemplet når øvre daudpunkt vert blandinga antent og arbeidstakta tek til.

Totaktsmotorar som syg inn luft-gas-blandinga om veivhuset nyttar stemplet som ventil og er difor enkle og billege, men verknadsgraden er ikkje god. Slike motorar har vanlegvis ikkje trykksmørjing, men vert smurte ved at det vert blanda smørjeolje i drivstoffet. Ei ulempe med dette er at eksosen inneheld meir forureinande partiklar enn firetaktsmotorar. På grunn av dette har firetaktsmotoren fortrengt totaktsmotoren på mange område, som til dømes i motorsyklar, påhengsmotorar, snøskuterar, osb.

Totakts dieselmotorar syg ikkje inn lufta via veivhuset, men nyttar ein mekanisk driven kompressor som spyler ut eksosen og fyller sylinderen med frisk luft. Slike motorar har ofte innsugingskanalar i sylinderveggen og utblåsingsventilar i topplokket. Etter som det berre er luft som fyller sylinderen er det ikkje så farleg om noko av ho fer ut saman med eksosen. Totakts dieselmotorar er difor både meir økonomiske enn totakts bensinmotorar og har reinare eksos.

Utforming av eksosrøyret

På små totaktsmotorar som bles ut eksosen gjennom portar i sylinderveggen er utforminga av eksosrøyret viktig. Animasjonen i Fig. 3 syner korleis eksosrøyret fungerer. I fyrste delen av røyret aukar tverrsnittet og motstanden er liten og eksosen vert lettare å spyla ut av sylinderen. På grunn av at det er luft-gass-blandinga som spylar ut eksosen vil noko uforbrent drivstoffgass fylgja med ut i eksosrøyret. Når eksosen når innsnevringa ved enden av eksosrøyret vert tverrsnittet redusert og motstanden aukar. Dette fører til at det oppstår ei trykkbølgje i motsett retning. Denne trykkbølgja forplantar seg med lydhastigheita i retning mot sylinderen. Når trykkbølgja møter gasstraumen som er på tur ut av sylinderen aukar trykket i utblåsingskanalen. Trykkbølgja forsett inn i sylinderen og er med på å auka trykket i sylinderen rett før stemplet dekkjer til utblåsingskanalen. Dette fører til betre fylling av sylinderen og difor auka effekt.

Tida det tek før trykkbølgja kjem i retur avheng av lengda på eksosrøyret. For å få ei trykktopp i sylinderen og slik auka effekt må turtalet avstemmast slik at tida mellom kvar fylling av sylinderen høver med tida det tek før trykkbølgja kjem i retur. Effektauken er difor avgrensa til eit etter måten smalt turtalsintervall. Ved å justera lengda på eksosrøyret kan effekttoppen plasserast i det turtalsområdet ein ynskjer. Ved trimming av moped- og motorsykkelmotorar er det vanleg å bytta til eit eksosrøyr/ei lydpotte som flyttar effekttoppen til eit høgare turtal (ei sokalla «effektpotte»). Om ein er villig til å avgrensa effekttoppen til eit lite turtalsområde kan maksimaleffekten aukast. Effekten vil då auka brått når turtalet kjem opp i det avstemte området. Denne eigenskapen vert av og til kalla «ketchupeffekten», av di han minner om måten ketchup kjem ut av ei flaske. Motorar som er trimma på denne måten må køyrast med høgt turtal for å få høg effekt.

Soge

Tidlege motorar, som motorane til Lenoir, Siegfried Marcus og Carl Benz sin motor frå 1879, arbeidde med to takter, men skilde seg frå moderne totaktsmotorar ved at dei ikkje hadde kompresjon. Desse motorane hadde låg verknadsgrad og forsøk på å nytta dei i køyretøy synte at dei hadde for stor masse i høve til effekten.

I 1878 bygde Dugald Clerk ein totaktsmotor, med ein mekanisk kompressor som spylte ut eksosen og fylte sylinderen med luft. Kompressoren var utført som ein ekstern sylinder med eit stempel, som saug inn ei luft-gass-blanding frå forgassaren. Mot slutten av arbeidstakta avdekte arbeidsstemplet ein utblåsingsport i sylinderveggen, som eksosen vart sleppt ut gjennom. Når arbeidsstemplet var nær nedre daudpunkt var stemplet i kompressoren på veg oppover og pressa luft-gass-blandinga inn i arbeidssylinderen via eit røyr og ein tilbakeslagsventil i sylindertoppen. Den innstraumande luft-gass-blandinga spyla så ut gamal eksos frå sylinderen gjennom utblåsingskanalane i sylinderveggen. Når stemplet var på veg oppover vart utblåsingsporten stengd og luft-gass-blandinga i sylinderen vart komprimert. Clerk fekk patent på motoren i 1881. Motoren til Clerk var den fyrste totaktsmotoren med kompresjon.

I 1888 laga Joseph Day ein totaktsmotor som nytta trykket i veivhuset til å fylla sylinderen. Når stemplet var på tur oppover vart det undertrykk i veivhuset og ein tilbakeslagsventil opna og sleppte inn ei luft-gass-blanding frå forgassaren. Når stemplet var på tur nedover under arbeidsslaget stengde tilbakeslagsventilen inntaket, slik at luft-gass-blandinga i veivhuset vart komprimert. Motoren hadde ein utblåsningskanal i sylinderveggen. Når stemplet avdekte denne fall trykket i sylinderen og vart mindre enn i veivhuset. Ein tilbakeslagsventil i stemplet opna så og sleppte luft-gass-blandinga inn i forbrenningsrommet. Når stemplet atter var på tur oppover vart trykket på oversida av stemplet større enn i veivhuset, tilbakeslagsventilen i stemplet stengde og luft-gass-blandinga i sylinderen vart komprimert. Litt før stemplet nådde øvre daudpunkt vart luft-gass-blandinga antent og arbeidsslaget tok til. Day fekk patent på motoren i 1889.

Frederick Cock, som var tilsett hjå Day, kom så på å laga ein kanal frå veivhuset som munna ut i ein port i sylinderveggen. Denne porten var plassert litt nedanfor utblåsingsporten og vart avdekt av stemplet når det var på tur nedover, som vist i animasjonen i Fig. 1. Med dette hadde totaktsmotoren funne den endelege forma, som framleis vert nytta i små totaktsmotorar.

Sjå òg

• Firetaktsmotor