Hur det började

Man gjorde experiment med förbränningsmotorer redan på 1600-talet, men det var först i början av 1800-talet som man fick fram en fungerande motor. Under första hälften av 1800-talet var det ångmaskinen som kom att betyda mest för industrialiseringen. Med en maskin blev man oberoende av både vattenkraft och vindkraft. Man kunde driva maskiner på ett bättre sätt och dessutom kunde man placera dem utan att vara inärheten av vattendrag.

Ångmaskinens stora nackdel är att den har väldigt dålig verkningsgrad, dvs den förbrukar mycket energi i relation till vad den ger. Motivationen var därför hög att få fram en effektivare motortyp. Under andra hälften av 1800-talet kom en hel uppsjö av olika motorkonstruktioner som sen undan för undan förfinades under 1900-talet. 

Tändkulemotorn

Under slutet av 1880-talet kom tändkulemotorn som oftast var av tvåtaktstyp. Det fanns många tillverkare och vanliga fabrikat här i Sverige i början av 1900-talet var Seffle, Bolinders, Skandia mfl. Motorn kallades ibland även för råoljemotor, lågtrycksdiesel och senare även semidiesel.

En tändkulemotor är i princip en tvåtakts förkammardiesel med dålig kompression. Värmen från kompressionen i tändkulemotorn räcker inte till för att tända det insprutade bränslet, vilket sker i en dieselmotor. Kompressionstrycket i en dieselmotor ligger runt 20 bar och för tändkulemotorn runt 6 - 8 bar.

Tändkulemotorn betydde mycket för utvecklingen i Sverige. Nu kunde man få kraft i fiskebåtarna och i lantbruket fick man användbara traktorer. Motorerna fanns från ca 3 hk upp till 600 hk.

En tändkulemotor har nästan alltid ett stort tungt svänghjul, motorn är lågvarvig och går typiskt vid 300 - 900 varv per minut (rpm). Tändanordningen sitter högst upp i cylindern och måste hettas upp före start. Man kan värma med el, blåslampa, tändpatron etc. När motorn har startat och blivit varm sköts uppvärmningen av motorns bränsle, dvs motorn går. Bränsleinsprutningen sköts av en kolvpump med varvtalsregulator. Bränslet sprutas in i cylindern av spridaren. Bränslepumpen har även manuell pumpning så att man kan starta. Mindre motor vevades normalt igång, men större motorer startades med tryckluft.

Det fanns en hel uppsjö av olika tändkulemotorer och konstruktionerna blev mer och mer sofistikerad genom åren. Om man ersätter en vridmomentstark tändkulemotor med en dieselmotor måste man ofta dubbla eller fyrdubbla dieselns effekt för att få likvärdiga prestanda. En encylindrig lågvarvig tändkulemotor känns igen på sitt typiska ljud, dunk-dunk-dunk... Känt karakteristiskt ljud från gamla fiskebåtar.

Bolinder-Munktell i Eskilstuna tillverkade traktorer med tändkulemotorer från ca 1913 - 1953. Första traktorn med dieselmotor, MB 35, gjorde man 1952. Dieseln segdragningsförmåga var vida överlägsen tändkulemotorernas.

Fördelar

Fördelen med tändkulemotorn är att den är enkel och okomplicerad. Motorn är lågvarvig och får litet slitage. Stort vridmoment i förhållande till effekten. Extremt tillförlitlig och långlivade. Gamla tändkulemotorer från 1920-talet fungerar fortfarande och driftstider upp mot 20´000 timmar är vanliga. Man kan tillverka de flesta delarna själv med en metallsvarv. Kan köras på nästan vilket flytande bränsle som helst. Man har även experimenterat med smält smör!!

Nackdelar

Nackdelen är att de är tunga, stora och allmänt otympliga. Det stänker sot och olja ur avgasröret. Allmänt dåliga mot miljön.

Dieselmotorn

Dieselmotorn uppfanns av Rudolf Diesel. Det är en av världens viktigaste och banbrytande uppfinningar på motorområdet. Det speciella med dieselmotorn är att man komprimmerar luft till ett högt tryck och sprutar in bränsle med ännu högre tryck. Blandningen av het komprimerad luft och bränsle förbränns och trycker ner kolven. Rudolf Diesel utgick från de grundläggande teorierna om termodynamik och teoretisk kunskap. Övriga "motoruppfinnare" från ungefär samma tidsperiod gjorde mest praktiska försök utan djupare teoretisk förståelse.

Rudolf Diesel studerade på tekniska högskolan i München och under en föreläsning om termodynamik 1878 fick han höra om ångmaskinens dåliga verkningsgrad och den franske fysikern Sadi Carnot och hans sk Carnotprocess med en gas som arbetsmedia. Carnotprocessen hade i teorin en betydligt bättre verkningsgrad. Den unge Diesel gjorde en notering i sina föreläsningsanteckningar att han skulle undersöka om man kan förverkliga den teoretiska Carnotprocessen. Det var aldrig möjligt för Rudolf Diesel att bygga en motor som byggde på Carnotprocessen, men han lyckades göra en maskin, dieselmotorn, som idag är helt självklar för lastbilar, bussar, personbilar, fartyg och fritidsbåtar. Dieselmotorn är fortfarande den effektivaste förbränningsmotorn.

Patent

I februari 1892 lämnade han in en handskriven patentansökan till Kaiserlichen Patentamt i Berlin (Kejserliga patentbyrån) med tideln "Neue, rationelle Wärmekraftmaschine". Ett knappt år senare var patent nr 67207 "Arbeitsverfahren und Ausführungsart für Verbrennungskraftmaschinen" klart.

Stationära motorer

Diesel behövde nu en stark partner som kunde bygga en motor som byggde på patentet. Han började sammarbeta med Maschinenfabrik Augsburg i Essen.

Avtalet med Maschinenfabrik Augsburg gjorde att man byggde en försöksmotor. I juli 1893 var den första försöksmotorn klar som dock inte fungerade utan "hjälp" av en yttre drivkälla. Man exprimenterade till 17 februai 1897 då man fick den första dieselmotorn att fungera. Den vägde 4,5 ton, gav 20 hk och hade en verkningsgrad på 26% vilket var överlägset ångmaskinen som samtidigt hade en verkningsgrad på 12%. Varje dieselhästkraft vägde hela  250 kg. Dieselmotorn var helt enkelt inte möjlig att sätta i fordon utan det var frågan om stationära motorer.

^{Bild föreställande försöken vid Maschinenfabrik Augsburg 1893 med den absolut första försöksmotorn. Principen om kompressionständning fungerade. Förbränningsförloppat var dock sporadiskt och motorn måste driva av en yttre kraftkälla. Bild från Deutches Museum där en uppställning finns i skala 1:3.}

Varför var nu en dieselmotor så mycket större och tyngre än en jämförbar ottomotor (bensinmotor)? Skälet var att man behöver ett betydligt större tryck (kompression) i cylindrarna vilket gör att man måste ha en robustare konstruktion. På den här tiden kunde man enbart få in bränslet mha tryckluft och man behövde därför tryckluftsagregat vilket var skrymmande och tungt.

Fyra år senare, 1897 var man uppe i en verkningsgrad på 30,2% vilket visade att motorn var ytterst effektiv. Med hjälp av svensken Jonas Hesselman kom man upp i 36% verkningsgrad år 1901 vilket motsvarar verkningsgraden för dagens moderna bensimotorer i bilar.

Dieselmotor i fordon

1903 började man med mindre dieselmotorer och från 1910 större motorer för fartyg och framförallt satte man dieselmotorer i U-båtar.

Med insprutningspumpen som kunde dosera bränsletillförseln kunde man ta bort tryckluftsagreggaten och nu kunde man sätta dieselmotorer i lastbilar. 1923-24 kom de första dieseldriva lastbilarna och 1936 kom första serieproducerade personbilarna, Mercedes-Benz 260-D och Hanomag Rekord.

^{Första lastbilen med direktinsprutad dieselmotor från MAN visades på Berlins Automobilutställning december 1924.}

^{1936 började Mercedes-Benz serieproduktion dieselbilar av typ 260-D. Bilen producerads 1936 - 1939. Motorn var 4-cylindrig och gav 45 hk vid 3000 rpm. Toppfart var ca 95 km/h. Insprutningssystemet var från Bosch.}

Dieselmotorer i flygplan

Man införde även dieselmotorer i flygplan. Men det visade sig att dieseldrift bara skulle bli sällsynt i flygplan.

I Tyskland lyckades man bygga världens kanske enda användbara dieselmotor för flygplan. Tyska Junkerplan använde den välkända dieselmotorn Jumo 205. Motorerna var tekniskt mycket avancerade sexcylindriga tvåtaktsdieslar som utveckade kring 870 hk och enbart vägde 595 kg. Man använde motriktade kolvar med dubbla vevstakar.

Fo4 var första Junkers dieselmotorn som monterades i ett flygplan, troligen världens första dieseldr. Första testflygningen gjordes redan i augusti 1929 med en ombyggd Junkers F24 som fick modellbeteckningen W41, flygingen gjordes mellan Dessau och Köln i Tyskland. Man lyckades inte sälja någon W41 så därför fanns den i enbart ett exemplar.

Fo4 fick ett nytt namn 1931, då man ändrade till Jumo 4. I marknadsföringen användes däremot motornamnet SL1. Fo4 blev certifierad 1930 för användande i flygplan. Det var många problem att lösa och man modiferade både före och efter certifieringen och resultatet blev slutligen motorn Jumo 4. Men förbättrade ytterligare bla med härdade ventilsäten och motorn fick namnet Jumo 204 år 1932. Jumo 204 fanns i tre olika varienter, A, B och C. Jumo 204 var världens första flydieselmotor som marknadsfördes och såldes. Man hade viss framgång med försäljningen då motorn licenstillverkades både i Frankrike och England.

Motorerna användes i fraktflyglanet Junkers F24 och i Junkers G36 stora 4-motoriga passagerarflygplan. En Junkers G36 byggdes om 1934 och fick 4 st Jumo 4 motorer på vardera 750 hk monterade. Planet krachade dock i maj 1936 i Dessau.  Det var på sin tid världens största passagerarflygplan.

I december 1931 började man kommersiellt att använda Jumo 4 motorer i ombyggda Junkers G23 som var testflygpan för passagerare. Den ombyggda versionen var ett fraktflygplan som fick namnet F24. Den användes flitigt på sträckan Berlin Tempelhof - Amsterdam. 11 st passagerarplan byggdes om till fraktplan med dieselmotorer. De gamla G23 planen byggdes ursprungligen till största delen i Limhamn Sverige där även ombyggndad till F24 med dieselmotorer skedde.

Största problemen med 204 var att den var stor. Man började därför redan 1932 att konstruera Jumo 5. Den liknade föregångaren men var både mindre och lättare. Just Jumo 5 som fick namnet Jumo 205 var den mest framgångsrika flygplansdieselmotorn som har konstruerats.

1935 ersattes Jumo 204 med Jumo 205. Senare i samma serie kom Jumo 206 och Jumo 207. Den 12-cylindriga Jumo 208 projekterades men byggdes aldrig. Totalt tillverkades mer än 900 st Jumo 200 dieselmotorer för flygplan.

I huvudsak var Jumo motorena inte lämpliga för militärt bruk då de inte klarade inte de extrema påfrestningar som stridsflygplan utsätts för.

Det visade sig att för civil långdistansflygning var motorerna mycket tillförlitliga och ekonomiska. Lufthansa använde motorerna för atlantflygningar bla i sjöflygplanen Dornier Do18 och Do26. Planen hade även visst militärt användande under kriget.

Ett användningsområde för tyskt militärt bruk för Jumo 205 var i planet BV 138 Seedrache - Sjödraken som var ett bevakningsplan. Man hade 3 st dieselmotorer. Planet var bränslesnålt och kunde hålla sig upp i 16 timmar, ännu mer om det startades med katapultstart från fartyg. Planet användes bla för att leda tyska u-båtar till de allierades fartyg och konvojer. Planet gick att landa med på havet och man kunde faktiskt även tanka diesel från U-båtar för att fortsätta sina bevakningsuppdrag.

Under kriget försökte man även använda Jumo 205 i mindre attackbåtar. Man byggde enbart 12 båtar åren 1942 - 44.

Mot slutet av andra världskriget så hade britterna stora problem mot motorerna i sina motortorpedbåtar. Man tog och gjorde en variant på den tyska junkersmotorn och satte tre par av motriktade kolvar som en trekant. Motorn fick namnet Napier Deltic. Motorerna blev dock användbara i först början av 1950-talet. Läs mer om denna egendomliga dieselmotor på Wikipedia här.

Efter kriget började man 1949 att använda motorerna i Öst-Tyska kustbevakningens båtar. 26 st båtar i 26 metersklassen byggdes åren 1950 - 1952. Varje båt hade tre st Jumo 205C/D motorer. Det var mycket problem men de användes ända in på 1960-talet.

Ett sista försök i DDR (Östtyskland) att använda gamla Jumo 205 som marinmotor gjordes i slutet av 1950-talet. En testbåt byggdes för en framtida attackbåt vid ett varv i Greifswald.

Konceptet med motriktade kolvar är annars mycket tillförlitligt och har med stor framgång används på tex Amerikanska u-båtar ända sedan andra världskriget.

Dieselmotorns utveckling i Sverige

Även i Sverige experimenterade man med dieselmotorer.

Den svenske ingenjören Jonas Hesselman, som tidagare hade jobbat med Rudolf Diesel i Tyskkland, konstruerade den sk Hesselmanmotorn. Hesselmanmotorn är direktinsprutad råoljemotor med tändstift. Man startar på bensin och när motorn är varm slår man över till råolja. Motorn har tändstift. Det var betydligt billigare att köra på råolja än på bensin. Vad jag förstår så tillverkades Hesselmanmotorer enbart i Sverige.

En viktig punkt som skilde Hesselmanmotorn från dieselmotorn var att det var oerhört viktigt att insprutningen skulle avslutas vid en viss tidpunkt. När motorns belastning ökade så ändrades insprutningstiden, man var därför tvungen att flytta fram startpunkten för insprutningen. För dieselmotorn är det tvärt om startpunkten sker vid en viss punkt.

Hesselmanmotorn behövde både insprutningspump och tändsystem. Den blev inte så bränsleekonomisk som man hade hoppats. Hade man istället använt bensin och utvecklat åt det hållet hade man troligtvis nått större framgång. Men eftersom målet var att ta fram en lågtycks dieselmotor var man så att säga inne på fel spår. Det finns moderna japanska direktinsprutade bensinmotorer som är slående lika Hessalmans gamlamotor.

Volvo producerade mellan åren 1933 - 1947  Hesselmanmotorer som komplement till sina bensinmotorer.

1936 börjar Scania med förkammardieselmotorer.

1945 börjar Volvo med  förkammardieselmotorer. Motorn VDA var deras första dieselmotor för bussar. Den ersattes av den starkare VDB.

1948 inför Scania direktinsprutning i sammarbete med Brittiska Leyland. Övergången till direktinsprutning ökade kraftigt verkningsgraden och tillförlitligheten.

1950 inför Volvo direktinsprutning, motorn hette VDC.

1958 konstruerades den första direktinsprutade marindieselmotorn av Vovlo Penta. Motorn hette Volvo Penta MD1. Försäljningen startade 1959. Motorn tillverkades under många år ända in på 1970-talet innan den ersattes av Volvo Penta MD5. Se mer om Volvo Pentas Marinmotorer här.

Utvecklingen av dieselmotorer har gått vidare med både turbo och laddluftkylning. Elektroniken har gjort sitt intåg även i dieselmotorn för att både styra och övervaka förbränningen.

Dagens Dieselmotorer

Dagens dieselmotorer kan i stort sett delas in i två huvudgrupper, direktinprutade och förkammartyp.

Direktinsprutade

Bränslet sprutas direkt in i cylindern under högt tryck. Förbränningsrummet är utformat på ett sätt så att bränsledimman och den komprimerade luften ges en kontrollerad rörelse för att hålla igång förbränningen och att göra den så fullständig som möjligt.

Idag är istort sett alla bilmotorer direktinsprutade. Det är enbart Volvo/Perkins/Shikabura som har direktinsprutade dieselmotorer för fritidsbåtar. Läs mer här.

Förkammardiesel

En diesel med indirekt insprutning kallas för förkammardiesel. Bränslet sprutas in i en förkammare som står i förbindelse med förbränningsrummet. Förbränningen sker i två steg. En liten del av bränslet förbränns i förkammaren. Tryckökningen i förkammaren pressar resten av bränslet in i cylindern där förbränningen avslutas. Genom det stora trycket och den höga hastighet som resten av bränslet når i förbränningsrummet kommer bränsle och luften i turbulens och blandningen blir optimal. Före kallstart måste luften i förkammaren värmas av ett glödstift.

En förkammardiesel går lite tystare men ger en något sämre förbränning jämfört med direktisprutningen. I fritidsbåtar är förkammardieseln fortfarande vanlig. De stora tillverkarna är Lombardini, Kubota, Mitsubischi och Yanmar.

Dagens dieselmotorer har nästan undantagslöst elektronisk styrning för att få bättre prestanda.

För den som vill studera vidare om förbränningsmotorer så finns det massor på Internet. En intressant skrift om prestandautvecklingen hittar man i en skrift från år 2001 från Lunds Tekniska Högskola, skriven av Olof Erlandsson på avdelningen för Förbränningsmotorer. Här finns en länk till dokumentet.