En kolvmotor är en motor som omvandlar ett gas- eller vätsketryck i en cylinder till en mekanisk rörelse av en kolv i cylindern. Kolven driver via en vevstake en vevaxel, som ger ett utgående vridmoment. Trycket kan antingen bildas i en extern process till exempel ångpanna, luftkompressor (gastrycksmotor) eller vätsketrycksmotor (hydraulmotor) eller bildas genom förbränning av gasen i cylindern (förbränningsmotor).
En kolvmotor kan under vissa förhållanden reversera energiutbytet och fungera som pump istället.
Om kolven endast ger en linjär kraft utan vevstake och vevaxel, till exempel slaghammare, betraktas det inte som en kolvmotor. miniatyr|200px|Renault Formula 1 V8-motor från 2006 I denna artikel beskrivs kolvmotorn som förbränningsmotor. För gas-/vätsketrycksmotorer hänvisas till artiklarna ångmaskin, pneumatisk motor och hydraulmotor.
Kolvmotorns kemi och konstruktion Den generella kemin beskrivs i artikeln förbränningsmotor.
För kolvmotorns förbränningsprocess gäller speciellt:
Oxidationsmedlet för bränslet är det syre, som finns i den tillförda luften, varför kolvmotorer är svåra att använda i ubåtar i undervattensläge. I vissa racermotorer kan extra oxidationsmedel blandas in i bränslet, till exempel nitrometan eller lustgas. Luften kan tas in i cylindern på två sätt: Kolven kan suga in luften – en "sugmotor". Det gör att lufttrycket i cylindern blir lägre än atmosfärstrycket. Motorn blir enkel men får sugförluster speciellt vid låg belastning, och begränsningar i möjlig effekt vid hög belastning. Luften kan komprimeras utanför cylindern och tryckas in i denna. Detta ger för en given cylindervolym mer syre och därmed möjlighet att tillföra mera bränsle och fortfarande ha en stökiometrisk (fullständig) förbränning. Motorn säges vara överladdad, och ger en högre effekt för en given motorvolym. Kompressionen kan ske på två sätt: Med en kompressor, som drivs mekaniskt av vevaxeln. Kompressorns laddtryck är i proportion till motorvarvtalet eftersom kompressorvarvtalet är synkront med detta, vilket ger en enklare motorstyrning. Med en avgasturbo, som utnyttjar kvarvarande energi i avgaserna. Turbon består av en turbin och en kompressor på samma axel. Turbinen sätts i rotation av motorns avgaser och driver kompressordelen. Mängden avgaser varierar med motorns varvtal och effekt, vilket ger stora variationer av turbons laddtryck. Vid en plötslig ökning av motoreffekten sker ökningen av turbons laddtryck med en viss fördröjning. Dessa nackdelar kan i viss mån kompenseras. En avgasturbo kombineras ofta med en laddluftkylare som sänker den komprimerade luftens temperatur. Detta förbättrar motorns effekt och verkningsgrad samt sänker motorns temperatur vilket kan minska slitage och öka livslängd.
Bränsleblandningen med luften. Om bränslet är i vätskeform (ej gasdrift), sprids det i ett munstycke till fina droppar som sedan förgasas i luften. Om bränslet är i gasform, till exempel biogas, så blandas det med luften i insugningsröret. Bränsle i vätskeform kan tillföras på tre sätt: I en förgasare utanför motorns grenrör in i cylindrarna. Förgasare användes tidigare i alla Ottomotorer, men numera endast i mindre motorer till exempel tvåtakts motorsågar och fyrtakts gräsklippare. Förgasarna var kompromisser, som trots många kompensationsfunktioner inte förmådde styra bränsle/luftblandningen stökiometriskt i alla situationer. Motoreffekten reglerades genom att lufttillförseln varierades med ett gasspjäll. I dieselmotorer används aldrig förgasare. I en bränsleinsprutare i inloppsröret. Det är en magnetventil, som öppnar till en spridare under ett mycket kort ögonblick. En högtryckspump krävs som ger ett exakt och högt bränsletryck. Genom elektronik styrs bränsletillförseln genom att öppningstiden varieras. Numera används vanligen en insprutare per cylinder för att styrningen ska bli än mer exakt. Man mäter luftmängden som passerar spjället och styr insprutningstiden därefter. Används ej för dieselmotorer. I en insprutare inne i cylindern (direktinsprutning). Om luften inte innehåller något bränsle under kompressionstakten kan man öka kompressionen utan att riskera självantändning. Eftersom verkningsgraden ökar med gastrycket är det önskvärt att portionera in bränslet i cylindern först under förbränningstakten. Direktinsprutning kräver att bränsletrycket är avsevärt högre än i cylindern (100–200 bar vid bensin och 1600–2000 bar vid diesel). Styrningen av insprutningen kan ske på tre sätt: En mekanisk bränslepump som pulsar ut bränslet i rätt tid till ett rör till varje insprutare som då öppnas. Användes i alla tidigare dieselmotorer. Effekten reglerades genom att bränslemängden varierades medan lufttillförseln var fri (ej gasspjäll) Elektromagnetiska insprutare. Insprutarna styrs elektroniskt. Vanligen återcirkuleras bränslet till tanken när insprutaren är stängd för att låta bränslet kyla insprutaren. Användes endast för dieselmotorer. Piezoelektriska insprutare. Tekniken medger avsevärt kortare insprutningstider. Genom att dela in insprutningen i flera pulser (vanligen fem) kan man sprida förbränningen över hela takten (se förbränning nedan). Började användas i dieselmotorer i början av 2000-talet. Bidrar till att minska bullret mycket eftersom momentan tryckökning undviks. År 2009 hade tekniken även kommit på ottomotorer vilket bedöms öka verkningsgraden.
Förbränningen. Önskemålet är att den ska ske under hela förbränningstakten så att ett jämnt vridmoment erhålles (se dynamik nedan). Förbränningen sker i två faser: Antändning. Med tändstift – en ottomotor. En antändande gnista skapas som tänder strax innan övre dödläget. Gnistan skapas med en tändspole som har två lindningar med hög omsättning (sekundärlindning med många varv). När primärströmmen bryts induceras en mycket hög sekundärspänning (>12-25 kV). Tändläget (brytningen av primärströmmen) är mycket viktigt för att få högsta verkningsgrad. Vissa motorer har två tändstift (till exempel Alfa Romeo Twin Spark) för att få bredare flamfront och minska misständningar. Se mer i separat artikel tändsystem (ottomotor). Med självantändning – en Dieselmotor. Sker om kompressionen är så hög att upphettningen överstiger bränslets flampunkt. Metoden kräver att bränslet sprutas in först när kolven närmar sig övre dödläget. Tidigare fanns risk att kompressionen ej höjde temperaturen tillräckligt vid starten av en kall motor. Man tog då hjälp av glödstift som värmdes före start. En annan variant var en tändkula som man skruvade ur som ett tändstift och värmde upp med en blåslampa. Den varma kulan skruvades åter in när motorn skulle startas. Fram till 2000-talet har vanligen dieselolja med relativt hög flampunkt använts. Men kring år 2000 började man experimentera med bensin som bränsle. För att förbränningen ej ska bli för häftig krävs, som ovan nämnts, att bränslet sprutas in i flera portioner med en piezoelektrisk insprutare. Oönskad självantändning kan ske i en ottomotor om bränslets flampunkt sjunker och belastningen är hög (mycket syre och bränsle). Det kallas knackning, eftersom den för tidiga tryckökningen skapar vibrationer i cylindern (motorblocket). Det kan framför allt uppstå i slutet av förbränningstakten då förbränningen är ojämn och kan återtända nära nedre vändpunkten. Moderna ottomotorer har en eller flera knackningssensorer som gör att tändläget kan justeras och motorn automatiskt kan anpassa sig till olika oktantal (flampunkter) hos bränslena. Flamfrontens fortplantning. Är normalt 15–25 m/s. Hastigheten beror på bränslet och bestämmer det varvtal som ger bäst verkningsgrad. En stor fartygsdiesel går på tjockolja som brinner långsamt. Cylindern är lång och varvtalet måste vara så lågt som ca 100 varv/min vilket är ett utmärkt propellervarvtal. Motsatsen är en 40 kubikcentimeters motorsågsmotor som går bäst uppåt 10 000 varv/min. Flamfrontens hastighet kan avta nära kallare ytor i cylindern och gaser kring kolvringarna kan bli oförbrända.
Kolvmotorns dynamik Kolvmotorn har en kolv som rör sig linjärt och med en vevstake som delvis gör en cirkelrörelse och får vevaxeln att rotera. Det ger två fundamentala problem: Variabelt vridmoment. Vridmomentet är positivt endast under förbränningstakten och är då sinusliknande. Noll vid kolvens toppläge, ökar till max när vevslängen är i 90 grader och går sedan åter mot noll. Beroende på förbränningsfronten kan det variera däremellan. Vid kompressionstakten är vridmomentet negativt med liknande sinusform. Vid de övriga två takterna i en fyrtaktsmotor är vridmomentet svagt negativt. Om motståndet från den drivna utrustningen, till exempel bilhjulen är konstant, så uppstår torsionssvängningar dels i hela motorn och dels i vevaxel och drivlina. För att kompensera detta så använder man två metoder: Öka antalet cylindrar så att expansionstakterna kan spridas över hela cykeln. En 6-cylindrig fyrtaktare får då bara 2*360/6=120 grader mellan varje momenttopp i stället för 720 grader. Se dock V-8-motorer där två kolvar driver samma vevsläng vilket ger ett mer mullrande ljud. Förse vevaxeln med ett svänghjul i ena änden. Svänghjulet som har högt tröghetsmoment jämnar då ut vridmomentet. Eftersom svänghjulet sitter i ena ändan av vevaxeln uppstår ändå mindre torsionssvängningar i vevaxeln. Man placerar då ibland en svängningsdämpare i andra ändan, vanligen i drivremshjulet i bilmotorer.
Massrörelser (vibrationer) från kolv,vevstake och vevaxeln: Kolvens och kolvbultens linjära svängning kan kompenseras med en motvikt i vevaxeln men det ger då istället en obalans vinkelrätt i vevaxeln. Det är därför viktigt att kolven har liten massa. Tillverkas vanligen av aluminium. Vevstaken ger samma linjära svängning som kolven, men dessutom en vinkelrät svängning i vevslängsändan. Dessa båda svängningar kan kompenseras med motvikter på vevslängen. Den vinkelräta svängningen ger även viss sidosvängning på kolvbulten och kolven. På små kolvmotorer gör detta ingenting, men på till exempel stora fartygsdieslar kan det innebära cylinderslitage. Man delar därför upp vevstaken i två armar, där den övre pistongen styrs av en "tärning" i en tvärbalk så att den bara rör sig vertikalt, medan den undre rör sig även i sidled som en vanlig vevstake. En fördel med denna lösning är att man får en vägg mellan vevhus och cylinder vilket förbättrar tvåtaktscykeln vilken dessa dieslar vanligen använder och tillåter stänksmörjning. Vevaxeln balanseras med motvikter till varje vevsläng. Dessutom ytterligare vikt för att kompensera mot kolvens och vevstakens rörelser. Men eftersom detta ökar den vinkelräta svängningen förses till exempel vissa bilmotorer med en balansaxel som enbart har funktionen att utjämna dessa svängningar. I andra fall, till exempel Harley-Davidsons V-twin-motor, ser man vibrationerna som en del av körupplevelsen och behåller en lite ogynnsam tändföljd/vevslängs-konstruktion.
Vad som ovan nämnts gäller för en cylinder. Genom att placera cylindrarna i olika vinklar mot varandra kan man ytterligare kompensera svängningarna: Genom att sprida flera cylindrar jämnt över varvet (stjärnmotor – se nedan). Genom att parvis placera cylindrarna motställda (boxermotor – se nedan). Genom att placera cylindrarna på rad med viss tändföljd (radmotor – se nedan).
Kolvmotorns konfigurering Fysiska variabler som ofta används: Kompressionsförhållande = Volymen av utrymmet ovanför kolven i nedre vändläget / Volymen ovanför kolven i övre vändläget. Ca 10 vid ottomotorer och 20 vid dieselmotorer. Slagvolym = Volymen mellan undre och övre vändlägena. En ottomotor kan ha ca 1 liter per 100 hk. Verkningsgrad = Tillförd energi / Avgiven energi. Vanligen 30-50%. Effekt = Avgiven nettoeffekt i drivaxeln sedan nödvändig effekt för kylning, smörjning, el mm avdragits. Uttrycks i watt (eller hästkrafter). Vridmoment = Kraften i drivaxeln uttryckt i newtonmeter vid olika varvtal. Fordon med jämnt och högt vridmoment från till exempel en turbomotor eller diesel behöver ej växlas så ofta.