Polttomoottori

Polttomoottoreiden kehitykseen vaikuttivat lukuisat henkilöt ennen ensimmäistä onnistunutta ratkaisua. Ennen polttomoottoreita Nicolas-Joseph Cugnot kehitti höyrykoneella toimivan auton.

John Barber patentoi ensimmäisen kaasuturbiinin vuonna 1791 "hevosetonta vaunua" varten.[5]

François Isaac de Rivaz rakensi ensimmäisen vedyllä toimivan polttomoottorin vuonna 1806.[6] Jean-Joseph-Etienne Lenoir kehitti ensimmäisen kaupallisesti menestyksekkään kaasumoottorin 1858-1860.[7][8] Lenoir rakensi moottoriaan käyttävän kulkuneuvon vuonna 1862 tai 1863.[9][7] Lenoirin moottori ei käyttänyt puristusta, mutta hän teki kokeita Alfonse Beau de Rochasin vuonna 1862 patentoimalla nelitahtisella puristuksella.[8] Nicolaus Otto näki matkoillaan Lenoirin moottorin ja yritti patentoida nestemäistä polttoainetta käyttävän kopion vuonna 1861. Otto ja Eugen Langen rakensivat oman ilmanpaineessa toimivan moottorinsa vuonna 1864, joka sai vuoden 1867 Pariisin maailmannäyttelyssä paremman vastaanoton kuin muut kaasumoottorit koska se toimi paremmalla hyötysuhteella. Vuonna 1876 Otto kehitti nelitahtisen ottomoottorin, jossa käytetty seoksen esipuristus mahdollisti merkittävän hyötysuhteen parannuksen 1880- ja 1890-luvuilla.[10] Siegfried Marcus kehitti noin vuonna 1875 moottoriajoneuvon, joka oli mahdollisesti ensimmäinen auto, joka käytti nelitahtista bensiinimoottoria, jossa oli ensimmäinen kaasutin ja ensimmäinen magneettosytytys.[11] Vuonna 1883 Edouard Delamare-Deboutteville ja Léon Malandin rakensivat polttomoottorin, joka perustui Nicolaus Otton kehittämään nelitahtimoottoriin.[9] Vuodesta 1893 alkaen Rudolf Diesel rakensi prototyyppejä ja vuonna 1897 sai valmiiksi dieselmoottorin, jonka hyötysuhde oli yli kaksi kertaa parempi kuin Otton moottori.[12] Gottlieb Daimler sai patentin ahdinjärjestelmälle vuonna 1885 ja Diesel pohti sen käyttöä omassa moottorissaan. Alfred Büchi patentoi turboahdetun moottorin vuonna 1905.[13]

EU:ssa suunniteltiin polttomoottoriautojen täyskieltoa vuodesta 2035 alkaen, jolloin vain sähköakkua tai polttokennoa käytettävät autot olisivat sallittua. EU kuitenkin muutti linjaa sallimaan synteettisiä polttoaineita, jotka ovat hiilineutraaleja myös kun niitä käytetää polttomoottoreissa.[14][15]

Pääartikkeli: Mäntämoottori

Mäntämoottoreissa polttoaineen palamisen synnyttämä paine muutetaan sylintereissä liikkuvien mäntien avulla mekaaniseksi energiaksi. Mäntämoottorit voidaan luokitella monella tavalla:[16]

• Mäntämekanismi (Iskumäntä- tai Kiertomäntämoottori)
• Kiertoprosessi (Ottomoottori tai Dieselmoottori)
• Työkierto (kaksitahtimoottori tai nelitahtimoottori)
• Polttoaine (esim. polttoöljy, bensiini tai nestekaasu)
• Polttoaineen syöttöjärjestelmä (esim. kaasutin tai ruiskutus sylinteriin korkealla paineella)
• Jäähdytys (Ilmajäähdytteinen moottori tai nestejäähdytteinen moottori
• Moottorin pyörintänopeus (isot dieselmoottorit luokitellaan nopeiksi, keskinopeiksi tai hitaiksi)
• Käyttökohde (paikallismoottorit, laivamoottorit, auton moottorit, lentokoneen moottorit, veturin moottorit)
• Voitelujärjestelmä (esim. märkäsumppu tai kuivasumppu)
• Sylinterien määrän mukaan (yksi tai useampi)
• Sylinterien sijoittelun mukaan (esim. rivi, V, tähtimoottori, vastaiskumoottori)
• Venttiilikoneiston mukaan (esim. kannen yläpuoliset venttiilit, kannen yläpuolinen nokka-akseli tai sivuventtiilit)
• Tehon säätö vaihtelevan kuorman mukaan (esim. seoksen rikastaminen dieselissä tai virtauksen lisääminen ottomoottorissa)
• Palotilan muodon mukaan (esim. puolipallon muotoinen)

Otto- ja dieselmoottori

Otto-kiertoprosessi nelitahtimoottorissa.
1. Imutahti
2. Puristustahti
3. Työtahti
4. Poistotahti

Pääartikkelit: Ottomoottori ja Dieselmoottori

Lukumäärällisesti yleisimmät polttomoottorityypit ovat ottomoottori ja dieselmoottori, jotka ovat saaneet nimensä keksijöidensä mukaan. Ottomoottori sai nimensä keksijänsä saksalaisen Nikolaus Otton mukaan.[17] Moottorin sylinteriin syötetään polttoaineen ja ilman seosta ja seos sytytetään kipinällä. Seoksen erittäin nopea palaminen aiheuttaa palotilaan paineen joka työntää mäntää kohti kampiakselia. Männän liike työntää kiertokankea, mikä pakottaa kampiakselin pyörimisliikkeeseen.

Dieselmoottori on nimetty Rudolf Dieselin mukaan. Dieselmoottoreissa on samanlainen kampikoneisto kuin otto- ja kaksitahtimoottoreissa. Dieselmoottoreissa polttoaine kuitenkin sytytetään eri tavalla kuin otto- ja kaksitahtimoottoreissa. Dieselmoottori voi olla kaksi- tai nelitahtinen.

Dieselmoottorissa nestemäinen polttoaine ruiskutetaan hieman ennen tarkoitettua syttymishetkeä kuumaa ilmaa sisältävään palotilaan, jolloin polttoaine höyrystyy ja sekoittuu kuumaan ja paineistettuun ilmaan. Ilman kuumuus ja paine sytyttävät polttoaineen ja paine sylinterissä nousee nopeasti. Tästä johtuu dieselin hieman nakuttava käyntiääni. Dieselprosessin suurimpana vahvuutena ottoprosessiin verrattuna voidaan pitää verraten pieniä pumppaushäviöitä osakuormituksilla. Dieselmoottoria voidaan ajaa ja ajetaan ilmaylimäärällä, jolloin osakuormituksilla pumppaushäviöitä aiheuttavia ja ilman määrää rajoittavia kuristuksia ei imuputkistoissa tarvita. Ottomoottorissa taas ilma/polttoaine-suhde on pidettävä hyvin lähellä stoikiometrista muutoin aiheutuvien ongelmien vuoksi.

Nykyaikaisissa ottomoottoreissa pumppaushäviöitä pienennetään käyttämällä polttoaineen suorasuihkutusta. Kun sytytystulpan ympärille suihkutetaan syttymiskelpoinen seos, voi sylinterissä olla ilmaylimäärä, jolloin ilman määrää ei tarvitse rajoittaa kaasuläpän avulla, mikä pienentää pumppaushäviöitä.

Luettelo tyypillisen ajoneuvomäntämoottorin peruskomponenteista:

• Mäntä
• Kampiakseli
• Kiertokanki
• Sylinterinkansi
• Sylinteri
• Imu- ja pakoventtiilit
• Nokka-akseli
• Nostajat
• Kansitiiviste
• Männän renkaat
• Imusarja
• Pakosarja
• Sytytystulpat
• Sähköjärjestelmä
• Hihnat ja tiivisteet
• Laturi
• Vesi- ja öljypumppu
• Öljypohja
• Öljynjäähdytin
• Jäähdytysjärjestelmä
• Starttimoottori

Moottorissa on öljypumppu, jonka tehtävä on kierrättää moottoriöljyä moottorissa voidellen, puhdistaen ja jäähdyttäen sen komponentteja. Öljy kiertää öljynsuodattimen läpi, jolloin se suodattaa öljystä kiinteät ainekset, kuten metallien kulumahiukkaset, palamisjäänteet ja pölyn. Näin ollen öljyn toimintakyky säilyy huoltovälin aikana. Tästä syystä öljyn ja öljynsuodattimen vaihto säännöllisin väliajoin on moottorille elintärkeää.

Voiteluaineen käyttötarkoitus on koneen liikkuvien osien kitkan pienentäminen. Käytettävä voiteluaine riippuu voitelukohteesta ja ympäristöolosuhteista.

Moottoreissa käytetään polttoaineina dieselöljyä, bensiiniä, biopolttoainetta ja maakaasua.

Moottorinteho on suoraan verrannollinen moottorin ilmankäyttöön m_z, koska käytetty ilmamassa on suoraan verrannollinen sylinterissä olevan ilman tiheyteen. Näin ollen moottorin tehoa voidaan nostaa ahtimen avulla.

Ahtimet jaetaan mekaanisiin- ja pakokaasuahtimiin.

Mekaanisessa ahtimessa ahdin saa käyttövoimansa suoraan moottorin kampiakselista. Ahtimen päällekytkemiseen käytetään useimmiten mekaanisia tai sähkömagneettisia kytkimiä. Mekaanisen ahtimen etuja ovat: suhteellisen yksinkertaiset ahdintyypit moottorin ''kylmällä puolella''. Moottorin pakoputkistoon ei tarvitse tehdä muutoksia. Ahdin reagoi herkästi ja ilman viiveitä kuormitusmuutoksiin. Haittana on polttoainekulutuksen nousu, koska ahdinteho otetaan suoraan moottorin akselilta.

Pakokaasuahtimen käyttöenergia otetaan moottorin pakokaasusta. Pakokaasuahtimia ovat turboahdin ja harvinaisempi paineaaltoahdin. Turboahtimessa pakokaasuenergia muutetaan turbiinilla mekaaniseksi energiaksi ja pakokaasuturbiinin pyörittämä virtausahdin esipuristaa uuden sylinterilatauksen. Pakokaasuturbiinin ja virtausahtimen yhdistelmää kutsutaan turboahtimeksi. Pakokaasuahtimen etuja: huomattava ominaistehon ja tilavuustehon lisäys, hyvä vääntömomenttikuvaaja käyttökierrosnopeusalueella, selvä polttoaineen kulutuksen aleneminen vastaavan tehoisiin vapaasti hengittäviin moottoreihin verrattuna ja pakokaasun puhtauden parantaminen. Pakokaasuahtimen haittoja: ahtimen sijoittaminen moottorin kuumalla puolelle edellyttää lämpöä kestävien komponenttien käyttöä, ahtimen ja välijäähdyttimen tilantarve ja rakennemuutokset ja turboahtimen tapauksessa huono perusvääntömomentti alhaisilla kierroksilla.

Pääartikkeli: Euro-päästöluokitukset

Polttomoottorilla varustetut autot saavat liikkumiseen tarvittavan energian kiinteän, nestemäisen tai kaasumaisen polttoaineen kemiallisesta energiasta. Polttoaineen palamisessa syntyy pakokaasuja, joiden haittoja ovat mm. näkyvyyttä haittaava savusumu sekä ihmisen terveyteen ja luontoon vaikuttavat päästöyhdisteet. Nykyään polttomoottoreiden päästöjä rajoitetaan erilaisilla määräyksillä suuremmassa osassa maailmaa. Euroopassa päästömääräyksiä on tiukennettu asteittain viime vuosikymmenien aikana. Henkilöautoissa bensiini- ja dieselmoottoreille on omat määräyksensä, joiden tiukkeneminen vähentää päästöjä ja tuo uusiin autoihin entistä monimutkaisempaa tekniikkaa. Hengitysilman laatua pilaavia päästöjä ovat typenoksidit (NOx), hiukkaspäästöt (PM), häkä eli hiilimonoksidi (CO) sekä hiilivedyt (HC). Näille päästöille on asetettu raja-arvot joita autot eivät saa ylittää päästömittaussykliä ajettaessa. Bensiinikäyttöisissä autoissa katalysaattorit ovat vähentäneet hiukkaspäästöjä ja muitakin säänneltyjä päästöjä huomattavasti. Dieselmoottoreiden hiukkaspäästöjä on vähennetty polttoaineita ja moottoritekniikkaa kehittämällä ja pakokaasuja edelleen puhdistavat hiukkassuodattimet ovat yleistyneet.[18]

Pääartikkeli: Suihkumoottori

Suihkumoottoreissa työntövoima tuotetaan kiihdyttämällä massaa moottorin sisällä. Moottorin sisään ahdettu ilma päätyy polttokammioon, jossa polttoaine sekoitetaan ilmaan. Palokaasut pyörittävät polttokammion takana olevaa turbiinia, joka on samalla akselilla kuin ahdin. Turbiinin jälkeen palokaasut poistuvat suihkuputken kautta suurella nopeudella ulos.

Pääartikkeli: Rakettimoottori

Useimmat rakettimoottorit ovat polttomoottoreita, niiden lisäksi on olemassa mm. ydinpropulsiomoottoreita, joita on vain testattu sekä ionimoottoreita, joiden työntövoiman tuotantokyky on rajallinen. Nk. kemialliset rakettimoottorit tuottavat työntövoiman kiihdyttämällä suuttimessa raketista poistuvia kuumia ja korkeapaineisia palamiskaasuja, jotka on yleensä aikaansaatu polttamalla polttoainetta hapettimella, jotka molemmat kuljetetaan raketin mukana. Tämä mahdollistaa raketin toiminnan avaruuden tyhjiössä.

• Stone, Richard: Introduction to Internal Combustion Engines, Third Edition. MACMILLAN PRESS LTD, 1999. ISBN 0-7506-2176-1
• Challen, Baranescu: Diesel Engine Reference Book, Second Edition. Butterworth-Heinemann, 1999. ISBN 0-333-74013-0
• Brass, Seiffert: Handbook of Automotive Engineering. SAE International, 2005. ISBN 978-07680-0783-1
• Taylor, Charles Fayette: The Internal Combustion Engine in Theory and Practise, Volume 1 and Volume 2, Second Edition. The M.I.T. Press, 1985. ISBN 0-262-20051-1, ISBN 0-262-70027-1
• Makartchouk, Andrei: Diesel Engine Engineering, 2nd Edition. King Printing Company, Inc. ISBN 0-9846346-0-6
• Basshuysen, Schäfer: Internal Combustion Engine. SAE International, 2002. ISBN 0-7860-1139-6
• Heywood, John B: Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill Book Company, 1988. ISBN 0-07-100499-8
• Bosch: Auto-teknillinen Taskukirja, 5. painos. Robert Bosch Gmbh, 1991. ISBN 951-9155-12
• Heisler, Heinz: Advanced Engine Technology. Butterworth-Heinemann, 1998. ISBN 0-34056822-4. ISBN 978-0-34056822-4. (englanniksi)