Förbränningsmotorn är den i särklass vanligaste energiomvandlaren. En uppskattning av antalet förbränningsmotorer ger att det totalt i världen finns cirka en miljard motorer. Dessa används till största delen inom transportsektorn. Det finns flera anledningar till förbränningsmotorns popularitet, den är enkel, tillförlitlig och relativt billig. Men den främsta orsaken är utan tvekan att det använda bränslet, bensin eller diesel har en enorm energidensitet.
Förbränningsmotorn har en drygt hundraårig historia och förbränningsmotortekniken är därför vad man kan kalla mogen. Detta betyder emellertid inte att utvecklingen är avstannande utan snarast tvärtom. Liksom vid all omvandling av kemisk energi till termisk energi (och senare mekaniskt arbete) genom förbränning uppstår förbränningsprodukter som i många fall är skadliga. De emissioner som uppkommer kan delas in i två grupper, dels emissioner som har en global påverkan, dels emissioner som har en regional påverkan. Den förstnämnda kategorin består hos förbränningsmotorer av koldioxid (CO2). Den emitterade mängden CO2 står i proportion till bränsleförbrukningen om det använda bränslet är ett kolväte.
Den andra kategorin, emissioner med regional påverkan, utgörs av oförbränt bränsle (HC), koloxid (CO), kväveoxider (NOx) samt partiklar (PM). Det är sedan slutet av 1940-talet känt att avgaser från fordon påverkar den regionala miljön, och sedan 1960-talet har lagstiftning reglerat tillåtna utsläppsmängder per körd sträcka. Denna lagstiftning har gradvis skärpts så att utsläppsmängderna från ett nytt fordon vid slutet av 90-talet kommer att vara mellan 0,5 och 6% av vad ett icke renat fordon emitterade under 60-talet. Denna utveckling, som ingen trodde var möjlig för 10 år sedan, har kunnat genomföras genom en förbättrad kunskap inom främst områdena förbränning, katalys och reglerteknik. För närvarande diskuterar man de utsläppsnivåer som skall gälla ett stycke in på 2000-talet och mycket tyder på en ytterligare reduktion på i storleksordning ytterligare en tio-potens. När det gäller koldioxidemissioner kan dessa endast reduceras om fordonets bränsleförbrukning reduceras, så länge bränslet utgörs av ett kolväte. Även inom detta område pågår diskussioner om lämpliga framtida nivåer. Förslag finns inom EU att förbrukningen år 2005 inte får överstiga 0,5 liter per 10 km. För tillverkare av medelstora bilar innebär detta en förbrukningsreduktion av ungefär 40%. För att klara dessa framtida krav krävs utveckling av både nya motorer och framdrivnings-koncept.
Under de sista 20 åren har kunskapen om förbränningsprocesserna ökat signifikant. Bidragande till detta har varit förbättrade mätmetoder, speciellt de beröringsfria optiska metoderna varigenom detaljerad information kunnat utvinnas om strömning, ämneskoncentration, temperatur och flamutbredning.
En stor del av framgångarna inom området kan också tillskrivas utvecklingen av matematiska modeller som har kunnat fånga fysiken bakom förbränningsprocessen, liksom utvecklingen av numeriska metoder och den snabba frammarschen inom datorteknologin. Bland de nya motortyperna märks direktinsprutade bensinmotorer (så kallade lean burn motorer) som medger en minskning av förbrukningen på ca 20% jämfört med en konventionell bensinmotor, avancerade dieselmotorer och motorer med homogen kompressionständning. Vid homogen kompressionständning låter man en homogen förblandad mager luft/bränsleblandning självantända, varvid en förhållandevis mycket snabb förbränning erhålls. Denna motortyp har potential att i verkningsgrad överträffa dieselmotorn. En av de nya framdrivningskoncepten är hybridfordon, alltså ett fordon som har två energikällor för sin framdrivning; gasturbin, dieselmotor eller bensinmotor i kombination med lagrad energi från svänghjul, batterier eller kapacitanser. Ett sådant koncept innebär att förbränningsmotorn kan operera i sin verkningsgradsmässigt gynnsammaste punkt, varvid bränsleförbrukningen i bästa fall kan reduceras med upp emot 50%. Eftersom motorn i en sådan tillämpning arbetar under i det närmaste stationära förhållanden kan avgasemissionerna också bli mycket låga.
För att kunna möta framtidens krav kommer förbränningssystemen att behöva optimeras allt noggrannare och ett flertal parametrar kommer att behöva vara variabla, såsom gasrörelse, kompressionsförhållande, ventiltider, slagvolym (cylinder-deaktivering) mm. Även de använda bränslena kommer att förändras i avsikt att skapa gynnsammare avgasemissioner och på sikt måste förnyelsebara bränslen användas. En gemensam nämnare för utveckling av nya motorer är att det kommer att krävas en avsevärt mycket större kännedom och kontroll av de processer som äger rum i cylindern.
För att möta de växande kraven vad gäller prestanda, bränsleförbrukning och emissioner, måste man uppnå en bättre förståelse av förbränningsfenomenen. För både bensin- och dieselmotorer spelar bränsle-insprutningen och sprejdynamiken en stor roll. Sprejbildning, sprejutbredning och sprejens interaktion med gasrörelsen och väggarna i cylindern, har en avgörande betydelse för motoregenskaperna. Förbättringar av insprutningssystem och insprutningsstrategier kan endast åstadkommas genom en bättre kännedom om de bakomliggande fysikaliska fenomenen.
Även förståelsen för själva förbränningsprocessen behöver förbättras. Hos dieselmotorer består förbränningen av turbulenta diffusionsflammor i ett mycket heterogent system. Hos Otto-motorer måste töjning av flamman genom turbulensens inverkan liksom släckning/återantändning studeras. Baserat på en ökad förståelse och kunskap kan förbättrade och mer realistiska simuleringskoder skapas. Genom kombination av optiska mätmetoder och avancerad simuleringsteknik kan utveckling av förbättrade motorer och förbränningssystem, som uppfyller morgondagens krav, utföras på ett kostnadseffektivt sätt.
(Texten publicerades 1998 i skriften Ny kunskap.)
Med LIF (Laser Inducerad Fluorescens) kan man som här studera bränslekoncentrationen i cylindern som funktion av tid (kolvläge) hos en förbränningsmotor. Vit är högst koncentration, mörkblå lägst.