Listor / Berzan / Bensinmotorn
1. Förbränningsmotorn
På 1800-talet arbetade uppfinnare över hela världen med att komma på en energikälla som kunde ersätta ångmaskinens eftersom denna var väldigt stor och dyr i jämförelse till den ganska låga energin. Genom många experiment ledde detta till förbränningsmotorns framväxt och året 1856 byggdes den första förbränningsmotorn i hela världen av Eugenio Barsanti och Felice Matteucci.
Definitionen för en motor är att den utvecklar fysiskt rörelse eller impulsenergi genom att omvandla energi. Det finns flera olika typer av förbränningsmotorer men grundfunktionen är den samma, de omvandlar kemisk energi till arbete via förbränning av ett bränsle.
Huvudtyperna är följande:
Gasturbin
Jetmotorn
Kolvmotorn
Rotationskolvmotor
Rammotorn
Raketmotorn
1.1 Förbränning och kemi
Gemensamt vid alla förbränningar är att bränslets väte och kol oxideras till vatten och koldioxid. Den kemiska energin som finns i bränslet omvandlas då till värme. När värmen frigörs minskar entalpin i systemet, denna process kan ske av sig själv men när det gäller förbränningar i de flesta förbränningsmotorer tillsätter man extra värme för att bränslet ska nå sin tändtemperatur med hjälp av till exempel ett tändstift eller ett glödstift. När bränslet nått sin tändtemperatur förbränns det på en gång och det blir en extrem hög temperatur. Under denna snabba förbränning ökar temperaturen till ca 2000-2500°C och trycket ökar med ca 3-5 MPa.
Gaslagen p*V = n*R*T (p = tryck, V = volym och T = temperatur) säger oss att samtidigt som denna värmeutveckling sker (T=extremt högt) måste också volymen eller trycket öka och vice versa. Alltså, om trycket ökar så kan man på det sättet få temperaturen att öka tills bränslet når tänd temperaturen (diselmotor). Men om det självantänds i t.ex. en ottomotor så att bränslet antänds innan kolvens kompression har blivit maximal uppstår det ett övertryck som kan skada motorn rejält. Oktantal är bränslets mått på att temperatur och tryck inte ska bli för högt så att motorn skadas. Alltså är det väldigt viktigt att ha ett högt oktantal vid t.ex. ottomotorn. E85, en blandning av etanol och bensin, har ett oktantal på 104 jämfört med vanlig bensin som har ett oktantal på 95.
1.2 Bensinmotorn
En av de vanligaste typerna av förbränningsmotorer brukar vi kalla för kolvmotorer. Den mest förekommande kolvmotorn idag kallar vi för bensinmotor.
Motorn består av ett flertal cylindrar, vanligast i Sverige är mellan 4 till 6 stycken. I varje cylinder finns det en kolv som rör sig upp och ner, kolven är kopplad till en vevstake som utför ett vridmoment tillsammans med vevaxeln. Principen är relativt enkel. Från den ena insprutningsvägen kommer det massvis med luft (oxideringsmedel) blandat med bensin (bränsle) som fyller tomrummet över kolven medan den är nere. När kolven sedan är påväg upp kommer det höga trycket göra att det blir extremt varmt. Efter det, med hjälp av en gnista ifrån tändstiftet (sitter över förbränningsrummet), antänds bränslet och exploderar. Kolven åker då ner och utför ett mekaniskt arbete med en linjär rörelse men som via vevaxeln omvandlas till en roterande rörelse. Avgaserna åker sedan ut genom den andra vägen när kolven rör sig uppåt igen och processen upprepas.
1.2.1 Fyrtakt och tvåtakt
Den vanligaste typen av bensinmotor är idag fyrtaktsmotorn som består av de fyra följande takterna:
Insugningstakt
Detta är första takten i ”fyrtaktscykeln”, kolven är då högst upp i cylindern och rör sig mot det nedre vändläget samtidigt som luft och bränsle sprutas in genom inloppsventilen[blåa vägen upp till höger på bilden].
Kompressionstakt
Nu är kolven längst ner och går mot det övre läget. Både inloppsventilen och avgasventilen är nu stängd så att bränslet och luften komprimeras. Det är här det finns risk för självantändning eftersom temperaturen ökar med trycket.
Expansions/förbränningstakt
Kolven är nu högst upp och är på väg ner på grund av explosionen som orsakas av att tändstiftets(som sitter över förbränningsrummet) gnista antänder bränsleluftblandningen [Båda ventilerna är stängda].
Avgas/utloppstakt
Sista takten i fyrtaktscykeln, kolven rör sig nu ifrån nedre läget till det övre samtidigt som avgasventilen öppnas så att avgaserna åker ut rätt väg [inloppsventilen är stängd].
Tvåtaktsmotorn har endast två takter som kallas kompressionstakt och arbetstakt. Och till skillnad från fyrtaktsmotorn så har inte tvåtaktsmotorn några ventiler som öppnar och stänger ”vägarna”. Men däremot har de spolportar där gasen åker in och ut. Avgasporten sitter längre upp än inloppsporten vilket gör att bränslet alltid hinner skjutas ut innan det nya tillkommer.
2. Växelströmsgeneratorn
Magnetiskt flöde (ϕ) – Styrkan på ett magnetiskt fält. Enhet: Weber (wb).
Magnetisk flödestäthet(B) – Hur stort flödet är per areaenhet. Enhet: Tesla (T).
Spolens varv – Antalet varv(N).
Generatorer är extremt viktiga i dagens samhälle eftersom nästan all energi som utvinns kommer ifrån denna källa (undantagen är solceller och bränsleceller). De förekommer också i ”små” konstruktioner som t.ex. bilar. Det är med hjälp av generatorn som bilens batteri laddas upp vilket leder till att bilen går att starta genom att endast vrida på nyckeln och att lamporna och bilens andra elektriska funktioner fungerar. Generatorn drivs via en generatorrem och vanligast förekommande i bilen är växelströmsgeneratorn och det är denna som kommer beskrivas i det här kapitlet. Denna typ har flera fördelar, eftersom den saknar kommutator används släpringar(-elektromekanisk komponent och en metod för elektrisk överföring mellan två roterande delar) istället. Släpringarna gör så att borstarna, som är anordningar som överför elektrisk ström mellan en roterande och en fast del, håller mycket längre än på en likströmsgenerator och den kan också generera tillräckligt hög laddningsspänning redan vid motorns tomgång. Grundfunktionen är simpel. Generatorn omvandlar rörelseenergi som utvunnits från en extern källa till elektrisk energi. I detta fall kommer rörelseenergin ifrån den kemiska energin i bilens motor. Det är otroligt viktigt att förstå att generatorn inte ”skapar” någon ny energi utan endast omvandlar energi som utvinns från motorn.
1830 gjorde Michael Faraday en enastående upptäckt som skulle förändra framtiden för alltid. Nämligen induktionseffekten. Det är med hjälp av elektromagnetisk induktion man omvandlar mekanisk energi till elektrisk energi. Det finns två stycken grundkonstruktioner som åstadkommer det här. I den ena roterar en spole i ett magnetiskt fält och i den andra roterar en/flera permanentmagneter förbi en/flera spolar. I båda fallen kommer det magnetiska flödet att ändras och därför induceras en spänning i spolarna.
Vi kollar närmare på konstruktionen där spolen roterar. När spolen roterar kommer flödestätheten träffa spolens area olika mycket beroende på hur mycket den har vridit sig. I beräkningar används vinkeln ”v” utifrån att 0 grader är när spolen rör sig vinkelrätt mot magnetfältet. När magnetfältet ändrar sig kommer elektronerna i spolen anpassa sig efter det nya magnetfältet. Detta betyder att när magnetfältet inte ändras längre kommer elektronerna ha anpassat sig klart och då kommer det inte heller uppstå någon spänning.
Om vi undersöker grafen på den högra bilden ovan ser vi att funktionen U = -N*dϕ/dt faktiskt är derivatan av funktionen till vänster. Det visar att när ändringen av ϕ är maximalt negativ är spänningen som högst och när ändringen av ϕ är maximal positiv är spänningen som lägst.
Den här enkla generatorn kommer användas för att demonstrera de olika perioderna i generatorn. Ha i bakhuvudet att denna naturligtvis är förenklad för att det ska vara lättare att förstå. I verkligheten brukar det oftast vara flera olika nord och sydpoler runt spolen och istället för permanentmagneter används elektromagneter eftersom de är mycket billigare och kan dessutom göras starkare.
Läge 1. På bilden åt vänster är vinkeln 0 grader. Här träffar det magnetiska flödet genom spolen överallt eftersom den är helt vinkelrät. Men pga. att det magnetiska flödet genom spolen inte förändras och spänning beräknas igenom derivatan av flödet så induceras ingen spänning.
Läge 2. När spolen roterat 90 grader kommer det magnetiska flödet inte träffa någonstans eftersom den är parallell med magnetfältet. Här är dock spänningen som högst eftersom det magnetiska flödet genom spolen har en maximal negativ förändring.
Läge 3. Spolen har nu ytterligare roterat 90 grader och den är helt vinkelrät igen, alltså det maximala magnetiska flödet. Den är tillbaka i ursprungsläget, förutom att b och a bytt plats, och eftersom det inte finns någon förändring i flödet så induceras ingen spänning längre. Här byter den inducerade strömmen riktning.
Läge 4. Totalt har det nu roterat 270 grader och det magnetiska flödet har en maximal positiv förändring vilket innebär att här är spänningen som lägst. När den roterar ytterligare 90 grader är spolen tillbaka i ursprungsposition byter den inducerade strömmen riktning igen och cykeln återupprepas så länge den får mekanisk energi från bilmotorn.
Utifrån formeln, för inducerad spänning, U = N*B*A*ω*sin(ω *t) kan man konstatera att igenom att öka antal varv på spolen, göra det magnetiska fältet starkare eller spolens roterande hastighet större kan man få ut extremt mycket högre spänning i generatorn. Om vi till exempel lägger till dubbelt så många varv på spolen blir också den inducerade spänningen dubbelt så hög.
Hittills är endast den roterande delen beskriven, rotorn. Statorn är en ring som sitter runt rotorn och kallas stator för att den står stilla. I den finns tre lindningar för att generatorn ska vara så effektiv som möjligt, därmed kallas den 3-fasgenerator. Det är där som det uppstår spänning när rotorn snurrar. Man brukar kalla den här typen av ström som induceras för växelström eftersom den hela tiden byter riktning. Den tillhörande spänningen kallar man för växelspänning pga. att den är omväxlande positiv och negativ. Men eftersom bilbatteriet har en likspänning på 12 volt används en likriktarbrygga som strömmen skickas till byggd av sex dioder för att transformera växelström till likström.
3. Koppling
I en bil snurrar motorn konstant när den är påslagen, men ibland vill du att bilen ska stå stilla även om motorn snurrar. Då behöver man en koppling som bryter energiöverföringen mellan motorn och hjulen. De flesta bilkopplingar är hydrauliska, men det finns även mekaniska och elektriska.
3.1 Hydraulisk koppling
En hydraulisk koppling består principiellt av fyra saker (se bild): svänghjul, kopplingslamell, tryckplatta och urkopplare.
Eftersom motorn ger energi stötvis används ett svänghjul för att få en jämnare hastighet på den drivande rotationen. Svänghjulets syfte är att lagra rörelseenergi och finns både med och utan balansvikter.
En kopplingslamell är ett friktionsbelägg som är fäst växellådans ingångsaxel. På så sätt kan du genom att pressa lamellen mot svänghjulet överföra energi från motorn till växellådan.
Tryckplattan överför motormomentet via kopplingslamellen till växellådans ingångsaxel.
Urkopplaren är överförningsleden mellan själva kopplingen och kopplingspedalen
.
Det finns flera typer av membranfjäderkopplingar. Den vanligaste typen är typ M. Den bygger på att du med hjälp av en membranfjäder pressar Mottrycksplattan mot lamellen.
Kopplingen överför motorns vridmoment vidare till växellådan. Tryckplattan är hopbultad med svänghjulet och pressar lamellen mot svänghjulet. Kopplingslamellen sitter ihop med växellådans ingångsaxel och för därför vidare motorns rotationsrörelse till växellådan.
Kopplingspedalen är nertryckt vilket med hjälp av en hävarm trycker in huvudcylindern. Med hjälp av hydralik förstärks kraften så att slavcylindern åker ut och trycker på urkopplingsgaffeln. Den trycker i sin tur på membranfjädern. Membranfjädern kommer då att sluta trycka tryckplattan mot lamellen vilket leder till att lamellen får snurra fritt. På så sätt finns det ingen energiöverföring mellan bilens motor och växellåda.
3.2 Hydraliken i en membranfjäderkoppling
Fysikens lagar säger att P = F/A. Om du då har ett slutet system kan du utnyttja det här för att förstärka en kraft. Man fyller systemet med en typ av vätska som är svår att komprimera. På så sätt är trycket alltid det samma i systemet. Bara för att trycket är samma behöver dock inte kraften vara samma. Detta utnyttjas bland annat i bilar. Huvudcylindern är en mindre cylinder än slavcylindern. Och eftersom P = F/A innebär det att du kan med en mindre kraft trycka in huvudcylindern så att slavcylindern åker ut med en större kraft.
3.3 Momentomvandlare
Den hydrauliska momentomvandlaren används som startelement, överförningssteg för varvtal och vridmoment samt vibrationsdämpare. Fördelen med momentomvandlaren är att den vid tillkoppling överför vridmomentet utan att slira och slita på lamellen. Detta leder till en högre verkningsgrad och därför en lägre bränsleförbrukning. Eftersom den även dämpar vibrationer minskar den risken att växellådan ska gå sönder.
Omvandlaren är inbyggd i växellådans tryckoljekretslopp så oljan kyls i ett yttre kretslopp.
Pumphjulet(se bild) är direkt kopplat till motorns vevaxel och turbinhjulet till växellådans ingångsaxel. Mellan styrhjulet och växellådhuset sitter en stödaxel och mellan styrhjulet och stödaxeln sitter en frikopplare. Detta gör att överförningen av vridmoment endast tillåts i en riktning.
Genom att studera den andra bilden kan vi se momentomvandlarens flödesförlopp.
Vid start trycker pumpen oljan till turbinen.
Oljeflödet anpassas efter skovlarnas form. Vridmomentets överföring uppnår på så sätt sitt högsta värde.
Turbinen roterar och accelererar bilen.
Styrhjulet leder oljan till pumpen
När turbinens varvtal ökar, utökas flödesförloppet.
Flödesförloppet blir jämnare.
Vridmomenters överföring avtar.
Styrhjulet vänder oljan för att få ett bättre flöde till pumpen.
När pumpen och turbinen nästan har samma varvtal, strömmar oljan genom de enskilda skovlarna i rät vinkel.
I denna fas kommer flödet mot styrhjulets baksida.
Styrhjulet roterar då fritt eftersom frihjulets spärrverkan upphävs.
Vridmomentet förstärks inte längre.
4. Från växellåda till hjul
4.1 Drivsystem
Framhjulsdrift
En framhjulsdriven bil har de främre hjulen som drivande hjul. Motorn placeras fram i en framhjulsdriven bil. Denna typ av drivsystem är den vanligaste typen nu för tiden.
Bakhjulsdrift
En bakhjulsdriven bil har de bakre hjulen som drivande hjul. Motorn kan placeras både fram, i mitten eller bak i bakhjulsdriven bil. Bakhjulsdrift är inte lika vanligt som framhjulsdrift i mer alldagliga bilar. Det är dock vanligt förekommande hos sportbilar. I en bakhjulsdriven bil med motorn placerad fram finns det en kardanaxel. Kardanaxelns uppgift är att transportera motorns kraft från växellådan till den bakre differentialväxeln.
Fyrhjulsdrift
Fyrhjuldrift innebär att bilen alla fyra hjul är drivande hjul. Motorn kan placeras både fram, i mitten eller bak i en fyrhjulsdriven bil. Fyrhjulsdrift är vanligt i mer terränganpassade fordon, men det förekommer även i mer alldagliga bilar och sportbilar. Fyrhjulsdriften har den fördelen att den ger bilen bättre grepp och mer kontakt med underlaget vid till exempel accelerationer. Fyrhjuldrift ger också en bil bättre framkomlighet i till exempel terräng och på snö.
4.2 Växellåda
I alla bilar, med undantag för vissa elbilar, finns det en växellåda. De kan se ut på olika sätt ha och olika uppbyggnad men de finns alla där av samma syfte, att ändra utväxlingen beroende på kraftbehov och fart. Detta gör växellådan vanligen med hjälp av en serie kugghjul av olika storlekar. Kugghjulens varierande storlek gör det möjligt att förändra utväxlingen beroende på behov. Ett mindre kugghjul mot ett större kugghjul minskar farten (bilens hastighet framåt) men ökar vridmomentet. Ett större kugghjul mot ett mindre kugghjul ökar farten men minskar vridmomentet.
Det finns många olika typer av växellådor. De vanligaste till användning i bilar är det som kallas för en manuell växellåda och det som kallas en automatisk växellåda.
4.2.1 Manuell växellåda
Den grundläggande principen för en manuell växellåda är att växellådan är kopplad till motorn via en koppling. I en manuell växellåda väljer föraren själv vilken växel som passar bäst för rådande förhållanden genom en växelväljare. Föraren väljer vilken växel som ska användas genom att trycka ned kopplingspedalen vilket lyfter kopplingen och på så sätt frikopplas växellådan från motorn. Sedan väljer föraren vilken växel som ska kopplas in genom att använda växelväljaren. Sedan släpper föraren upp kopplingspedalen så att växellådan sammankopplas med motor igen.
En manuell växellåda är uppbygga av en serie kugghjul som sitter efter varandra. Alla växelsteg består av 2 kugghjul, utom backen som består av 3.
Växellådans delar:
Ingående axel
Mellanaxel
Kopplingshylsan
Utgående axel
Motorns kraft kommer via kopplingen in i växellådan via den ingående axeln. Kraften överförs till mellanaxeln via de första kugghjulen. Dessa kugghjul är alltid i kontakt med varandra. När föraren nu väljer en växel via växelväljaren, trycker föraren först ner kopplingen för att bortkoppla växellådan från motorn. Sedan väljer föraren vilken växel hen vill använda. Det som händer då är att en av kopplingshylsorna fäster sig i ett av kugghjulen på den utgående axeln. När föraren nu höjer upp kopplingspedalen igen så kopplas motorn ihop med hjulen via en av växlarna i växellådan. För att byta växel, växla upp eller ner, upprepas samma process bara att någon av kopplingshylsorna nu kopplas samman med ett annat kugghjul, med annan utväxling, i växellådan.
4.2.2 Automatisk växellåda
Den grundläggande principen för en automatisk växellåda är att motorns kraft passerar genom flertalet planetväxlar som sitter på en rad. Utväxlingen ändras genom att man med hjälp av hydraulik låser olika delar av de olika planetväxlarna. En planetväxel består av ett solhjul, flertalet planetbärare och en ytterring. Man använder sig oftast av tre eller flera planetväxlar. Kraftöverföringen mellan motor och växellåda sker inte med hjälp av en koppling i en automatisk växellåda. Här används istället en momentomvandlare.
4.3 Differentialväxel
Innan motorns kraft överförs till hjulen passerar den minst en differentialväxel. Differentialväxelns uppgift är att låta hjulen som driver bilen framåt rotera med olika fart oberoende av varandra. I en kurva kommer ytterhjulen att rotera snabbare än innerhjulen eftersom att ytterhjulen måste färdas en längre sträcka. Det är här differentialväxeln kommer in i bilden och låter hjulen rotera olika fort genom att överföra olika mycket kraft till respektive hjul.
En differentialväxel fungerar på så sätt att motorns kraft kommer via en axel fram till själva differentialväxeln. Inuti differentialväxeln finns det ett så kallat kronhjul som den inkommande axeln är sammanlänkad med. Kronhjulets rörelse överförs sedan via kugghjul till ändarna av två utåtgående axlar. Till dessa utgåendeaxlar kopplar man sedan drivaxlarna.
Det finns olika typer av differentialväxlar. Den vanligaste typen kallas för en öppen differentialväxel där all kraft skickas till de hjul som roterar snabbast och lättast. Sedan finns det differentialväxlar som med hjälp av olika system förhindrar att all kraft skickas till det hjul som roterar snabbast. Detta är bra om en bil till exempel står med ena hjulet på en isfläck. Om differentialväxeln skulle vara av öppen typ så skulle all kraft skickas till hjulet som står på isfläcken och bilen skulle bara stå och spinna. Har man däremot en differentialväxel med en differentialspärr så kan kraften skickas till det hjulet med bäst friktionskontakt med underlaget och på så sätt kan bilen ta sig bort från isfläcken. Till dessa utgåendeaxlar kopplar man sedan drivaxlarna.
4.4 Drivaxlar
Det är drivaxlarna uppgift att göra den slutgiltiga överföringen av kraft från motorn till hjulen. Drivaxlarna sitter i ena änden sammankopplade med differentialväxeln och i andra änden med hjulnavet där man fäster bilens däck.
5. Hur påverkar bilar vår miljö idag?
Att bilen och dess motor har förändrat vår miljö går inte att förneka, men hur har de förändrat vår omvärld och är det positiva eller negativa förändringar som har skett? Finns det alternativa bränslen till dessa som skulle kunna fylla det behov som dagens samhälle kräver och ersätta den nuvarande bensinen och dieseln?
Samhällen har alltid varit beroende av infrastruktur, vägar, transporter m.m. När man uppfann en motor som kunde dra mångdubbelt av vad exempelvis en häst kunde samtidigt som den inte var lika omfattande som en ångmaskin, då föddes ett koncept för framgång. Även om motorn inte var särskilt effektiv så var den bättre än dåtidens alternativ. I och med förbränningsmotorns födelse slapp man att städer täcktes av gödsellukt, man kunde effektivisera transporter och när bättre vägar började byggas kunde varor fraktas snabbare.
Lukten av hästar har bytts ut mot avgaser; koldioxid, kolmonoxid och kväveoxider innesluter idag storstäder i så kallad ”smog”. Men problemen är inte endast lokala, hela jorden påverkas. Växthuseffekten förvärras av all koldioxid som släpps ut, jordens temperatur höjs och glaciärer riskerar att smälta bort vilket skulle kunna innebära att stora arealer av idag beboeligt land läggs under vatten. Utöver detta har vi gjort oss beroende av en produkt som inte kommer finnas tillgänglig för evigt. Om bensinen skulle ta slut just idag skulle hela Sverige stanna upp då vårt transportsystem är nästan helt beroende av just bensin och diesel. Så samtidigt som fordon som körs på fossila bränslen ger oss mycket frihet är vi väldigt utsatta ifall en allvarlig oljekris skulle uppstå.
Vi lever just nu i en period som tvingar oss att leta efter nya alternativ. Oljan kommer bara bli dyrare och tillgången kommer bli sämre. Om vi låter växthuseffekten skena kan levnadsvillkoren på jorden förändras i extrema proportioner. Det finns många aspekter som vi måste ta hänsyn till när vi bestämmer oss för vad framtidens transporter skall drivas med för bränsle. Priset är viktigt, om det blir för högt kommer det höja priser på så mycket mer än endast transporter. Minst lika viktigt är att bränslet har låga utsläpp. Målet är ju huvudsakligen att hitta något med så låga utsläpp som möjligt, men om priset blir för högt kommer det ändå knappt användas. Dessa två kriterier bildar i princip det sista; är produkten förnybar, eller rättare sagt hållbar. Går det att massproducera?
5.1 Vägvalet
Vilka alternativ ligger då öppna för oss? Förbränningsmotorn i sig är ganska dålig på att utnyttja den energi som förs in optimalt. Samtidigt har man haft lång tid på sig att göra den och den är billig att tillverka. Vilka bränslen finns och vilka fördelar och nackdelar har dessa?
Av de bränslen som en förbränningsmotor drivs på idag kommer diesel, bensin, etanol och biogas behandlas. Anledningen till detta är att de alla är bränslen som används idag. Hur framställs dessa bränslen? Vilka åtgärder krävs för att producera och distribuera dem och vilka egenskaper har de gällande pris och energitäthet?
5.1.1 Diesel och bensin
Diesel och bensin framställs ur råolja genom destillation som går till så att råoljan värms och de olika produkterna kan separeras genom att de har olika kok- och kondensationspunkt.
Råolja utvinns främst på två sätt. Antingen genom att borra ett hål ner till en oljereservoar och på så sätt pumpa upp oljan; om oljekällan ligger under vattnet byggs en oljerigg. Eller så kan man utvinna olja genom så kallad ”oljesand” som finns exempelvis i Kanada. Oljesanden är en kombination av bitumen, vatten, lera och självklart sand och utvinns främst genom dagbrott där tonvis av sand grävs upp för att renas. Reningen görs sedan på en anläggning där sanden blandas med hett vatten för att separera sand från bitumen, som är den mest lågraffinerade av råoljans produkter. Bitumen-produkten raffineras sedan vidare till syntetisk råolja. Man uppskattar att cirka två ton sand krävs för ett oljefat. (158 L)
Både konventionell- och oljesandsutvinning av olja medför stora risker och förändringar för miljön. I fallet med oljesanden måste man skövla stora områden för att skörda all sand och sedan bildas giftiga avfall under själva reningen av den. När det kommer till gammaldags oljeutvinning ligger den största risken hos transporten av den uppumpade råoljan. Om oljeledningar brister förgiftas vattendrag och sjöar lätt och om en oljetank läcker olja till havs skadas många fåglar samt marint djurliv i och med att de kletas ned av oljan.
Rent krasst så är oljan inte ett alternativ för framtiden då vi inte kommer kunna nyproducera olja i tillräckligt stor skala vilket leder till att den håller på att ta slut. Priset på petroleumprodukter kommer stiga till den gräns att ingen kommer ha råd att använda dem och vi kommer vara tvungna att leta efter andra alternativ. Detta är på ett sätt bra. Det ger oss ett driv att hitta nya vägar för att fortsätta leva som vi gör idag och om oljan hade varit oändlig finns det risk för att vi skulle kunna få en skenande växthuseffekt som eventuellt skulle leda till att jorden blir obeboelig för många nu levande livsformer.
Energiinnehållet i bensin är 9,06kWh/L kontra dieselns 9,8kWh/L och en liter bensin, (95 oktanig), och en liter diesel kostar idag för konsument ca 14 kr.
5.1.2 Etanol och biogas
Etanol framställs genom jäsning av sockerrika, stärkelserika eller cellulosarika växter. Biogas produceras på liknande sätt som etanol där biomassa får jäsa för att sedan bilda metan och koldioxid. Koldioxiden tas bort och kvar blir nästintill ren metan som sedan används som bränsle. Mängden koldioxid som bildas vid produktion är en ansenlig mängd, hela 40 volymprocent men om nya grödor odlas kan de binda den koldioxid som bildats vid jäsning av föregående skörds gröda.
Odling av grödor fram att framställa dessa två bränslen ställer oss inför ett dilemma: ska vi odla mat eller bränsle? Scenariot kan mycket väl bli att rika länder betalar fattigare för att odla energigröda som skulle kunnat föda befolkningen, men som istället används som bränsle till rika länders transportsystem. Det är just detta som begränsar etanolens och biogasens chans som ersättare till dagens fossila bränslen. Just det faktum att det skulle bli oerhört svårt om inte omöjligt att producera tillräckligt med bränsle samtidigt som matproduktionen måste räcka till. Men exempelvis biogas kan framställas av de rester som blir kvar efter den mat vi ätit vilket gör den effektiv för att verkligen utnyttja all energi hos maten.
Enligt NE skulle totalt ca 800 000 ha kunna användas till just odling av energigrödor i Sverige utan att påverka jordbruket. Totalt sett skulle den arealen kunna ge ca 34TWh under optimala omständigheter, om man kunde odla sockerbetor på all mark och om de senare användes till att framställa biogas, (motsvarande siffror för etanolframställning är 24TWh). För att sätta detta i proportion till vad transportsektorn i Sverige beräknades ha förbrukat år 2011, 93TWh, så är det inte tillräckligt för att täcka behoven men om just transportsektorn skulle få tillgång till all den energin i form av biogas skulle en global minskning av koldioxidutsläpp bli ca 1,8 miljoner ton förutsatt att alla fordon drivs med bensin. Det skulle minska Sveriges totala utsläpp med cirka 2,5 % baserat på utsläppen år 1990. Värt att tänka på är att dessa siffror är högst teoretiska och främst är till för att skapa ett perspektiv.
En till fördel med etanol och biogas (metan) jämfört med petroleum är möjligheten att producera dessa lokalt. Vi kan inte välja var vi kommer hitta råolja men vi kan välja att ha lokala, eller i alla fall nationella, produktionsanläggningar för exempelvis biogas som relativt lätt kan produceras där stora mängder människor bor. Exempelvis som här i Linköping och med tanke på att befolkningen i Sverige ökar så kommer tätbebyggda platser bli allt vanligare.
Energiinnehållet i E85 är 6,6kWh, (i E85 har blandat i 15 % bensin, under vintermånader kan denna mängd vara hela 25 %), och biogas samt 9,67kWh (97 % ren metan). Priset ligger på ca 9 kr/L för E85 och enligt tekniska verkens hemsida: www.tekniskaverken.se, ligger biogaspriset på ca 12 kr/L jämfört med bensin.
5.2 Förbränning och utsläpp
En bil som har en förbränningsmotor kommer att släppa ut avgaser, men beroende på vad som förbränns kommer mängden och även sammansättningen av avgaserna variera. De miljöfarliga resterna som fordon lämnar efter sig består främst av: kolväten, kväveoxider, kolmonoxid och den mest kända koldioxid.
5.2.1 Avgasers beståndsdelar
Kolväten är ett resultat av bränsle som inte blivit fullständigt förbränt i motorn och kan i kväveoxid-rik miljö bilda marknära ozon som kan utgöra bekymmer för personer med astma. Kväveoxider bildas inuti motorn när syre och kväve i luften reagerar under högt tryck och hög temperatur. Dessa kan, även de, senare bidra till bildandet av ozon och även vara en orsak till surt regn samt övergödning. Försurningen sker då växter inte kan ta upp kvävet som de annars gör vilket leder till övergödning. Kolmonoxid är även det en biprodukt vid ofullständig förbränning och kan minska mängden av syre i blodet vilket är farligt för människor med hjärtsjukdomar. Koldioxid bildas när bränslet förbrukats, när det blivit fullständigt förbränt.
Det är alltså omöjligt att komma ifrån koldioxidutsläpp med förbränningsmotorer, men ännu värre blir det vid förbränning av fossila bränslen så som diesel eller bensin. Anledningen är att den biomassa som bränslet består av tidigare inte ingått i vårt kretslopp. Om man odlar ett träd kommer det absorbera koldioxid från luften och därefter producera syre och vatten. När detta träd sedan huggs ned kan ett nytt träd ersätta det och absorbera den koldioxid som frigjorts när det gamla trädet eldats upp.
Situationen för fossila bränslen är annorlunda. Som man hör på namnet kommer dessa bränslen från fossil, gamla växter och djur som blivit komprimerade under hög värme. Dess bundna koldioxid har legat begravd i marken under miljontals år men nu när vi pumpar upp denna enorma mängd olja som vi vill bränna upp finns det inte träd nog att binda all den koldioxid som frigörs vilket gör att den stannar kvar i luften och istället bildar ett artificiellt växthus kring vår jord. Det är detta och fossila bränslens oförmåga att nyproduceras som är de största skillnaderna mellan dem och de ”förnybara” bränslena.
5.2.2 Åtgärder för att minska utsläpp
Ett hjälpmedel i renandet av avgaser är katalysatorn. En uppfinning som gör så avgasernas beståndsdelar bryts ned, eller förenas till ämnen som är mindre skadliga för miljön och/eller oss människor i ett direkt avseende. Katalysatorn består av en låda som har platinabelagd yta på insidan som fungerar som ett filter. I katalysatorn kan kväveoxiderna separeras och istället bildas kväve och syre och den farliga kolmonoxiden samt kolväten tas bort också. De reagerar med syret och bildar koldioxid och vatten som ett andra steg. Det som blir kvar är då kväve, koldioxid och vatten. Kvävet kan ha negativ inverkan på miljön genom övergödning och/eller försurning och koldioxiden är kvar den med så katalysatorn tar inte bort allt negativt från avgaserna men restprodukterna som blir kvar kan relativt lätt tas hand om då båda kan absorberas av växter.
Andra åtgärder som tagits är bland annat att blanda i etanol i bensin vilket gör att koldioxidutsläppen minskar. Enlig trafikverket minskar utsläppen med cirka 0,11 kg/L i bensin med 4,6 % etanol. Det finns även planer på att höja andelen etanol till 10 %. Ett stort mål, som Sverige och många länder inom FN har, är att bland annat minska växthusgasutsläppen med 20 % jämfört med 1990 års utsläpp fram till år 2020 vilket lagt press på att göra bilar och bränslen mer miljövänliga. Man subventionerar även ofta miljömedvetna val, miljöbilar kan säljas till rabatterat pris, biobränslen får skattelättnader och relativt stora miljöskatter läggs på petroleumbränslen.
5.3 Sammanfattning
Olja kommer inte vara tillgängligt för alltid och att länsa jorden på den resterande svåråtkomliga oljan är otroligt påfrestande för miljön. Petroleumprodukter begränsas av deras långsamma produktion och av deras höga koldioxidutsläpp som till skillnad från biobränslen inte tidigare funnits i jordens kolkretslopp utan tillförts till ett system som då blir överbelastat.
Biobränslen är till skillnad från råoljan inte svår eller tidskrävande att framställa men produktionen begränsas av att de tävlar med våra livsmedel om jordbruksareal. Detta sätter stopp för den stora produktion som skulle vara nödvändig för att kunna byta helt från fossila bränslen till etanol eller metangas.
Med förbränningsmotorer kommer utsläpp att för alltid vara oundvikliga men beroende på bränslet blir miljöpåverkan mer eller mindre allvarlig. Bensin och diesel är inte ett hållbart alternativ. Det är knappt så att de duger att användas som tillfälligt substitut på grund av den höga miljöbelastningen, men vi har inte mycket till val om världen som den ser ut idag ska fungera. Ett annat faktum som kvarstår är att förbränningsmotorer som enda val för framtiden inte erbjuder den hållbarhet som krävs. Bränslet kommer inte räcka till helt enkelt, detta gör oss tvungna att utveckla alternativ att använda parallellt med förbränningsmotorer för framtidens bilar.
6. Källor
Hur en koppling fungerar
http://auto.howstuffworks.com/clutch.htm
2013-03-22
Totalbeskriving av en koppling
http://www.reservdelar.se/infofliken/SE_schwedisch_Sachs_Pkw_AS_03_Final.pdf
2013-05-20
Förklaring av differential växel
http://www.youtube.com/watch?v=K4JhruinbWc
2013-05-21
Allmänt växellåda
http://sv.wikipedia.org/wiki/V%C3%A4xell%C3%A5da#Automatv.C3.A4xell.C3.A5da
2013-05-21
Allmänt differential växel
http://sv.wikipedia.org/wiki/Differentialv%C3%A4xel
2013-05-21
Planetväxel
http://sv.wikipedia.org/wiki/Planetv%C3%A4xel
2013-05-21
Differentialväxel
http://en.wikipedia.org/wiki/Differential_(mechanical_device)
2013-05-21
Bilars miljöpåverkan http://publikationswebbutik.vv.se/upload/6680/2012_129_index_over_nya_bilars_klimatpaverkan_2011.pdf
2013-05-21
Fakta om tjärsand
http://ostseis.anl.gov/guide/tarsands/
Översiktligt om bilars avgaser
http://www.epa.gov/otaq/consumer/05-autos.pdf
Info om kväveoxidutsläpp
http://www.ivl.se/download/18.7df4c4e812d2da6a416800071802/1366708477721/B1597.pdf
Effekter av oljeutsläpp
http://www.sweco.se/sv/SwecoOljejouren/Miljoeffekter/
Översiklig information om drivmedel
http://www.konsumentverket.se/Vara-omraden/Bilar-och-fordon/Miljotips-for-bilagare/Drivmedelochutslapp/Drivmedel/
Energiinnehåll i drivmedel
http://www.biogasportalen.se/FranRavaraTillAnvandning/VadArBiogas/Energiinnehall
Kostnad för drivmedel
http://www.bensinpriser.nu/stations/car/?search=&fuel=3&county=-1&commune=-1
Fakta om etanol
http://www.ne.se/lang/etanol?i_whole_article=true
Fakta om energigröda
http://www.ne.se/lang/energigr%C3%B6da
Fakta om biogas
http://www.ne.se/lang/biogas
Fakta om energigrödor
http://www.jti.se/uploads/jti/JTIinfo117.pdf
Fakta om utsläpp hos sektorer i sverige
http://www.jti.se/uploads/jti/JTIinfo117.pdf
Transportsektorns energianvändning
http://energimyndigheten.se/Global/Statistik/Transportsektorns_energianvandning_2012.pdf
Fakta om avgasrening, katalysator
http://energimyndigheten.se/Global/Statistik/Transportsektorns_energianvandning_2012.pdf
Info om Sveriges avgasutsläpp
http://www.regeringen.se/sb/d/12418/a/137097
Priser på biogas
http://www.tekniskaverken.se/sb/tankstallen/priser/
Förbränningsmotor
http://sv.wikipedia.org/wiki/F%C3%B6rbr%C3%A4nningsmotor
2013-03-19
Förbränningsmotor
http://www.ne.se/lang/f%C3%B6rbr%C3%A4nningsmotor
2013-03-19
Förbränningsmotor
http://sv.wikipedia.org/wiki/Motor2013-04-28
2013-03-19
Förbränningsmotor
http://www.nyteknik.se/nyheter/fordon_motor/motor/article3624570.ece
2013-03-19
Förbränningsmotor
http://www.learning4sharing.nu/forbranningsmotor-161025.html
2013-03-19
Förbränningsmotor
http://www.youtube.com/watch?v=W6ut98rsvS4
2013-03-19
Förbränningsmotor
http://biphome.spray.se/christian.henriksen/lydelse.html
2013-03-19
Förbränningsmotor
http://people.kth.se/~e96_eed/motor.htm
2013-03-19
Förbränningsmotor
http://sv.wikipedia.org/wiki/Ottomotor
2013-03-19
Förbränningsmotor
http://www.preem.se/upload/Milj%C3%B6%20och%20utveckling/Fakta%20om%20bensin%20och%20bensinmotorn.pdf
2013-03-19
Förbränningsmotor
http://www.nyteknik.se/nyheter/fordon_motor/motor/article435482.ece
Generator
http://sv.wikipedia.org/wiki/Generator
2013-03-19
Generator
http://www.mazdaklubben.com/teknik/pdf/MAZDA_generator.pdf
2013-05-18
Generator
http://www.walter-fendt.de/ph14se/generator_se.htm
2013-05-18
Generator
http://sv.wikipedia.org/wiki/Generatorprincipen
2013-05-18
Generator
http://www.dieselserviceandsupply.com/How_Generators_Work.aspx
2013-05-18
Generator
http://www.studerasmart.nu/kurshjalpen/fysik/fysik-2/induktion/
2013-05-18
Generator
http://www.saburchill.com/physics/chapters/0060.html
2013-05-18
Generator
http://www.sweethaven02.com/ModElec/electrical01/Lesson1002
2013-05-18
Generator
http://www.youtube.com/watch?v=IwM32ArGxm4&list=PL6F1066B7846E685D
2013-05-18
Lars Fraenkel, Daniel Gottfridsson, Ulf Jonasson (2012) Impuls Fysik 2, Malmö: Gleerups Utbildning AB
Publiceringsdatum: 2013-11-17