Inde i cylinderen

En bilmotor har én opgave: at omdanne varmen fra brændstof, der brænder til rotation af en aksel. Næsten alle benzin- og dieselbiler gør det med det samme trick, gentaget i flere cylindre: et stempel, der glider op og ned i et rør, og en mekanisme, der omdanner denne lineære bevægelse til rotation.

De vigtigste dele af én cylinder, fra top til bund:

• Cylinder og topstykke. Det rør, stemplet glider i, lukket øverst af topstykket. Rummet mellem stemplet og topstykket er forbrændingskammeret.
• Ventiler. To eller flere små døre i topstykket: indsugningsventiler lukker frisk luft (og i mange motorer brændstof) ind; udstødningsventiler lukker forbrændt gas ud. En roterende knastaksel skubber dem op på de rigtige tidspunkter.
• Tændrør (benzinmotorer). Det laver en gnist, der antænder brændstoffet og luften.
• Stempel. Stemplet. Ringe rundt om det lukker mellemrummet til cylindervæggen.
• Plejlstang. En stærk stang, der forbinder stemplet med krumtapakslen. Den svinger, mens den bevæger sig.
• Krumtapaksel. En aksel med en forskudt del, krumtappen. Når stemplet skubber til plejlstangen, skubber stangen krumtappen rundt i en cirkel, ligesom en fod drejer en cykelpedal.
• Svinghjul. En tung skive på enden af krumtapakslen, der lagrer rotationsenergi.

Slaglængden er den afstand, stemplet bevæger sig mellem sit højeste punkt, øverste dødpunkt (TDC), og sit laveste punkt, nederste dødpunkt (BDC). Krumtappens radius er en afstand r fra akslens centrum, så stemplet bevæger sig op med r og ned med r på en halv omdrejning: slaglængde = 2r.

Stempelets højde følger af geometrien for krumtappen og plejlstangen. Med krumtapvinklen θ målt fra TDC og en plejlstang med længden l er afstanden fra akslens centrum til stempelbolten x(θ) = r cos θ + √(l² − r² sin² θ). Du behøver ikke regne med den, men læg mærke til, hvad den fortæller: stempelets position er altid bestemt af krumtapvinklen. Drej krumtappen, så bevæger hele motoren sig; intet kan komme ud af takt.

Stemplet drejer ikke rundt. Det glider lige op og ned; plejlstangen svinger fra side til side; kun krumtapakslen drejer rundt. Og stemplet stopper faktisk et øjeblik i toppen og bunden, hvor det skifter retning, og bevæger sig hurtigst omkring midten af hvert slag.

To størrelser beskriver en motor. Slagvolumen (motorens volumen) i én cylinder er stemplets areal gange slaglængden: V = (π/4) × boring² × slaglængde. For en boring og slaglængde på hver 86 mm er V = (π/4) × 0.086² × 0,086 ≈ 0,0005 m³ = 0,5 liter, så fire af disse cylindre giver en motor på 2,0 liter.

Kompressionsforholdet sammenligner den største og mindste volumen, gassen nogensinde har: CR = (V_swept + V_clearance) / V_clearance, hvor spillerumsvolumen er det, der er tilbage over stemplet ved TDC. Hvis én cylinder har et slagvolumen på 500 cm³, og der er 50 cm³ tilbage i toppen, er CR = 550 / 50 = 11 : 1.

Hvor hurtigt bevæger stemplet sig? Dets middelhastighed er 2 × slaglængde × (omdrejninger pr. sekund). Ved 6 000 rpm (100 omdr./s) med en slaglængde på 86 mm er det 2 × 0,086 × 100 ≈ 17 m/s, cirka 62 km/t, mens det bevæger sig op og ned hundredvis af gange i sekundet. Det er en af grundene til, at der er en grænse for, hvor hurtigt motorer sikkert kan dreje rundt.