Taustaa Polttomoottorissa polttoaine palaa joko sumupisaroina tai puhtaasti kaasumaisessa olomuodossa. Polttomoottorin perusperiaate on sama sekä nestemäisillä että kaasumaisilla polttoaineilla. Nestemäiset polttoaineet syötetään suuttimien avulla polttoilman joukkoon, niin että neste hajoaa sumuksi. Näin sekä polttoaine että polttoilma ovat samassa olomuodossa (kaasumaisia) ja poltto on homogeenista.
Periaate Moottori ja turbiini ovat menetelmiä, joilla polttoaineesta saadaan tuotettua mekaanista energiaa. Moottorin ominaispiirteenä on, että polttoaine palaa itse koneessa eli sen sylinterissä. Palamiskaasut tekevät työtä liikuttaen mäntä-kiertokanki-kampiakseli mekanismia.
Jaottelua Moottorit jaetaan tyypillisesti otto- ja diesel-moottoreihin. Otto-moottorissa polttoilma ja kaasu sekoitetaan ennen syöttöä sylinteriin. Mäntä puristaa sylinterissä seosta. Diesel-moottorissa sylinteriin syötetään aluksi polttoilma ja puristuksen loppuvaiheessa kaasu. Mäntä puristaa vain ilmaa.
Etuja ja haittoja Yleisesti ottaen polttomoottorin hyötysuhde on heikko, jos savukaasujen lämpöä ei hyödynnetä. Seuraava vertailu liittyy mekaanisen energiantuotantoon eli lähinnä ajoneuvoihin. Diesel-moottorin eduksi voidaan lukea parempi hyötysuhde (0,30-0,42) ja parempi säädettävyys osakuormilla.
Säätö tapahtuu diesel-moottorissa polttoaineen määrää muuttamalla. Otto-moottoria säädetään kuristamalla tulovirtausta. Otto-moottorin hyötysuhde on 0,25-0,32. Diesel-moottorin paino on suurempi vankemman rakenteen vuoksi.
Prosessi Prosessit ovat tyypillisesti 2- tai 4-tahtisia. Yksi työkierto käsittää neljä vaihetta: Aineen imu sylinteriin, puristus, (syttyminen), paisunta ja palokaasujen poisto. Kaksitahtisessa nämä tapahtuvat yhden kierroksen aikana, kun taas nelitahtisessa kahden kierroksen.
Palaminen Otto-moottorissa sylinteriin syötetään polttoaineen ja polttoilman seos. Koska polttoilma ja polttoaine pystytään sekoittamaan hyvin ennen sylinteriä, polttoilmaa voidaan käyttää juuri oikea määrä (stökiömetrinen seossuhde). Tämä seossuhde tuottaa suuren seoslämpöarvon ja työn työkiertoa kohti.
Seos sytytetään sähkökipinällä juuri ennen yläkuolonkohtaa. Palo on räjähdysmäistä ja paine työntää männän alas. Mitä enemmän seosta pystytään puristamaan, sitä enemmän saadaan työtä eli parempi hyötysuhde.
Puristuksella on kuitenkin rajansa, sillä seos lämpenee puristuksessa ja korkea lämpö sytyttää polttoaineen. Niin sanotussa nakutusilmiössä polttoaine syttyy liian aikaisin ja aiheuttaa moottorille vaarallisen suuria paine- ja lämpörasituksia.
Diesel-moottorissa puristetaan pelkkää ilmaa, jolloin puristus voidaan viedä pidemmälle. Juuri ennen yläkuolonkohtaa polttoaine syötetään suurella paineella sylinteriin. Puristus on nostanut lämpötilan korkeaksi ja tämä sytyttää polttoaineen. Nestemäinen polttoaine tulee sylinteriin pisaroina, jolloin sekoittuminen on huonompaa.
Epätäydellinen palaminen synnyttää hiukkaspäästöjä. Jotta palaminen olisi täydellistä, tarvitaan polttoilmaa teoreettista määrää enemmän. Ilmakerroin on 1,4-2, joka laskee polttoarvoa.
Oktaani ja setaani Polttomoottoreiden polttoaineista (bensiini ja diesel) on perinteisesti ilmoitettu joko oktaanit tai setaanit. Otto-moottorissa polttoaineen oktaaniluku ilmoittaa nakutuskestävyyden. Oktaaniluku saadaan vertaamalla polttoainetta normiseokseen, joka on iso-oktaani-heptaaniseos. Puhtaan oktaanin oktaaniluku on 100. Mitä korkeampi polttoaineen oktaaniluku on, sitä suurempaa puristusta voidaan käyttää (korkeampi hyötysuhde).
Setaaniluku sen sijaan ilmoittaa, kuinka herkästi polttoaine syttyy. Diesel-moottorissa hyvällä polttoaineella on korkea setaaniluku. Herkästi syttyvää polttoainetta ehtii moottoriin vähemmän ja käynti on tasaisempaa. Oktaaniluvun noustessa setaaniluku laskee, joten otto-moottoirin polttoaineet eivät sovellu dieselmoottorille ja päinvastoin.
Ympäristö Autoissa käytettävä katalysaattori poistaa pakokaasuista häkän (CO), hiilivedyt ja NOxin. Katalysaattoria käyttävän otto-moottorin pitää toimia tarkalleen teoreettisella polttoilman seossuhteella.
Lähdekirjallisuus
Raiko, R., Saastamoinen, J., Hupa, M. ja Kurki-Suonio, I. 2002. Poltto ja palaminen (2. painos). IFRF - Suomen kansallinen osasto. Jyväskylä.
sivun alkuun