Ottomoottori

Bensiinimoottori on bensiinikäyttöinen polttomoottori, joka voi olla kaksi- tai nelitahtinen. Tyypillisesti polttoaineseos muodostetaan sylinterin ulkopuolella ja sytytetään sytytystulpan avulla sähkökipinällä. Seos voidaan muodostaa kaasuttimessa, jolloin se johdetaan putkea pitkin sylinteriin, tai polttoaine voidaan syöttää polttoaineen ruiskutuksella.

Ottomoottorilla tarkoitetaan yleensä nelitahtista bensiinimoottoria, joka käyttää Nicolaus Otton mukaan nimettyä ottosykliä.

Historia

Ottomoottorille nimen antanut Nicolaus Otto.

Kaksitahtista mäntämoottoria ehdotti Philippe LeBon vuonna 1801. Étienne Lenoir kehitti vuosina 1858–60 ilmanpaineessa toimivan kaksitahtisen kaasumoottorin, joka ei käyttänyt puristusta. Nelitahtista puristusta kuvasi Alfonse Beau de Rochas vuonna 1862 ja Lenoir teki tällä myös kokeiluita.^[1] Nicolaus Otto näki matkoillaan Lenoirin moottorin 1860-luvulla ja kehitti Eugen Langenin kanssa parannuksia. Vuonna 1876 Otto kehitti nelitahtisen moottorin, jossa käytetty seoksen esipuristus mahdollisti hyötysuhteen parannuksen. Polttoaineen puristukseen käytettävää neljää tahtia kutsutaan nykyään ottosykliksi.^[2]

Seoksenmuodostus

Ottomoottorissa polttoaine on perinteisesti sekoitettu imuilmaan kaasuttimessa tai imusarjassa 1980-luvulle asti. Polttoaineen ruiskutus korvasi kaasuttimen autoissa 1980-luvun lopulta lähtien. Haitallisten pakokaasupäästöjen puhdistaminen kolmitoimikatalysaattorin avulla edellyttää tarkkaa seossuhteen säätöä, mikä ei ole mahdollista kaasuttimen avulla. Elektroninen ruiskutus on korvannut kaasuttimen sekä eräissä yhteyksissä käytetyn mekaanisen ruiskutuksen lähes täysin, mutta kaasutinta käytetään vielä esimerkiksi ruohonleikkureissa.

Syttymiskelpoisessa seoksessa polttoaine on kaasumaista ja sen pitoisuuden on oltava oikeassa suhteessa ilmassa olevan hapen määrään. Nykyisillä moottoripolttoaineilla teoreettisesti oikea seossuhde on noin 14,5 kilogrammaa ilmaa yhtä polttoainekiloa kohden. Sekä kaasuttimessa että suihkutuslaitteistossa oleellista on saada polttoaine pisaroitumaan imuilmavirtaan. Tämän jälkeen polttoaineen on höyrystyttävä, jotta se voi muodostaa syttymiskelpoisen seoksen. Polttoaineen höyrynpaineen on oltava riittävän suuri, jotta se höyrystyy ennen sylinteriä. Polttoaineen höyrystyminen kuluttaa lämpöenergiaa, mistä syystä imusarjaa joudutaan kylmissä olosuhteissa lämmittämään.

Osa polttoaineesta tiivistyy imusarjan seinämille erityisesti kaasutinmoottoreissa, jossa kaasuttimen ja sylinterien välimatka on merkittävä, sekä ns. yksipistesuihkutuksella varustetuissa moottoreissa. Imusarjan seinämillä oleva polttoainekalvo vaikeuttaa seossuhteen tarkkaa säätöä, koska se tuo järjestelmään hitautta. Monipistesuihkutusjärjestelmissä on sylinterikohtaiset suuttimet, jotka pyritään sijoittamaan mahdollisimman lähelle imuventtiiliä kalvon massan minimoimiseksi.

Kuormituksen säätö

Koska ottomoottorissa polttoaineseoksen täytyy olla seossuhteeltaan lähes optimaalinen, kuormituksen säädössä ei voida käyttää yksinkertaista polttoaineen annostelua dieselmoottorin tapaan. Siksi ottomoottorin säätö perustuu moottorin sylintereiden saaman täytöksen hallintaan. Tähän voidaan käyttää eri menetelmiä ja myös niiden yhdistelmiä.

Kaasun virtauksen rajoittaminen säädettävällä kaasuläpällä. Helpon toteutuksensa vuoksi tämä menetelmä on perinteinen ja yleisimmin käytetty säätötapa. Säädettävällä kaasun virtausta vastustavalla kaasuläpällä hallitaan täytöstä tasaisesti. Menetelmän helpon toteutuksen hintana on moottorin huono hyötysuhde osakuormilla, sillä virtauksen rajoittaminen säädettävällä kaasuläpällä aiheuttaa pumppaushäviöitä.
Täytöksen hallinta imuventtiilin sulkemishetkeä säätämällä. Tähän on kaksi vaihtoehtoista tapaa. EIVC (early intake valve closing) perustuu siihen, että osakuormituksella imuventtiili suljetaan ennen imutahdin päättymistä, jolloin mäntä vetää imuventtiilin sulkeutumisen jälkeen sylinteriin hetkeksi alipaineen, johon käytetty energia välittömästi palautuu puristustahdin alussa. LIVC (late intake valve closing) perustuu siihen, että osakuormituksella imuventtiilin sulkeutumista myöhäistetään, jolloin puristustahdin alussa osa täytöksestä palautuu avonaisen imuventtiilin kautta takaisin imusarjaan.
Täytöksen hallinta pakokaasun takaisinkierrätyksen avulla. Pakokaasun takaisinkierrätys mahdollistaa periaatteessa säädön, jossa sylinterin täytöstä ei tarvitse rajoittaa kaasuläpällä tai venttiileillä. Takaisinkierrätetty pakokaasu syrjäyttää saman tilavuuden verran tuoretta seosta. Käytännössä menetelmän käyttöä rajoittaa eri polttoaineiden puutteellinen soveltuvuus pakokaasun takaisinkierrätyksen kanssa. Ottomoottoreissa polttoaineena tavallisesti käytetty bensiini ei sovi takaisinkierrätyksen kanssa yhtä hyvin kuin metanoli.^[3] Pakokaasun takaisinkierrätys on mahdollista toteuttaa myös imuventtiilin avautumista aikaistamalla tai pakoventtiilin sulkeutumista aikaistamalla. Molemmilla tavoilla jäännöskaasun osuus sylinterissä kasvaa.

Ottomoottoripalaminen

Havainnekuva nelitahtimoottorin toimintaperiaatteesta.
1. Imutahti
2. Puristustahti
3. Työtahti
4. Pakotahti

Syttyminen

Ottomoottorissa sylinterin ulkopuolella valmistettu seos sytytetään puristustahdin loppupuolella sytytystulpan kärkiväliin synnytettävällä sähkökipinällä. Ensimmäiset palamisreaktiot tapahtuvat siten sytytystulpan kärkivälissä, josta reaktiot lähtevät etenemään likimain pallomaisena laajenevana liekkirintamana. Tulevaisuudessa on mahdollista^{kenen mukaan?}, että varsinkin korkean puristussuhteen moottoreissa turvaudutaan lasersytytykseen perinteisen kipinäsytytyksen sijasta.

Liekin eteneminen

Ottomoottorissa liekki etenee sytytystulpasta kohti palotilan reunoja. Palaminen tapahtuu pääasiassa ohuehkossa liekkirintamassa. Palamisessa vapautuva lämpö nostaa kaasun lämpötilaa, ja kaasu laajenee noin nelinkertaiseksi. Tällöin liekkirintaman ulkopuolella oleva palamaton kaasu puristuu kokoon ja liikkuu poispäin sytytystulpasta. Rintaman sisäpuolella olevat palaneet kaasut puristuvat myös kokoon ja liikkuvat kohti sytytystulppaa.

Liekin etenemisnopeus on kaasujen pyörteilyn ansiosta moninkertainen laminaariseen palamisnopeuteen verrattuna. Itse asiassa moottorin pyörimisnopeus vaikuttaa varsin vähän palamisen kestoon kammenkulmissa mitattuna, sillä pyörimisnopeuden kasvaessa kaasujen pyörteily voimistuu. Yleisesti ottaen palaminen kestää noin 20...30 kammenkulma-astetta pyörimisnopeudesta riippuen.

Lämpötila

Koska liekkirintaman edellä oleva palamaton kaasu puristuu kokoon ennen palamistaan, palaneeseen kaasuun syntyy lämpötilajakautuma. Viimeksi palaneet alueet päätyvät matalimpaan lämpötilaan ja ensimmäisenä palaneessa kaasussa on korkein lämpötila. Yleisesti ottaen lämpötila palaneessa kaasussa on 2 500–3 000 K.

Epänormaali palaminen

Nakutus

Jos liekkirintaman edellä olevan palamattoman kaasun lämpötila kasvaa kokoonpuristumisen seurauksena riittävästi, kaasu saattaa syttyä itsestään. Tällöin palaminen tapahtuu erittäin nopeasti, räjähdyksenomaisesti, koko kaasutilavuudessa. Seurauksena paineaalto lähtee etenemään palotilassa ja heijastelee edestakaisin sen seinämien välillä. Tästä syntyy nakutusilmiölle ominainen terävä metallinen ääni. Moottorin rakenteille paineenvaihtelut ovat vahingollisia. Nakutuksen yhteydessä palotilan seinämien lämpötilat voivat myös kasvaa liian suuriksi.

Nakutusta voidaan parhaiten estää myöhäistämällä sytytystä. Tällöin suurin sylinteripaine jää alhaisemmaksi ja itsesytytystä ei pääse tapahtumaan. Toinen tärkeä seikka on polttoaineen nakutuskestävyys eli syttymisherkkyys. Parhaimpia ottomoottoripolttoaineita ovat lyhytketjuiset ja haaroittuneet alkaanit. Myös metyyliryhmät ja kaksoissidokset parantavat puristuskestävyyttä. Bentseeni olisi erittäin hyvä polttoaine, mutta se on valitettavasti myrkyllinen.

Nakutus asettaa ehdottoman rajan ottomoottorin puristussuhteelle ja siten myös hyötysuhteelle. Nykyaikaisissa ottomoottoreissa on nakutustunnistimet, joiden avulla moottorinohjausjärjestelmä pystyy säätämään sytytysennakon mahdollisimman suureksi siten, että moottori ei vielä nakuta.

Käyttämällä etanolia voidaan kasvattaa polttoaineen oktaanilukua. Väkiviinan oktaaniluku on 106 ja E85:llä yleensä yli 104. Myös metanoli, biokaasu, maakaasu ja puukaasu ovat puristuskestävyydeltään parempia kuin tavallinen moottoribensiini.

Polttoaineen nakutuskestävyyttä joudutaan käytännössä parantamaan lisäaineilla. Vuosikymmenten ajan lisäaineena käytettiin lyijytetrametyyliä ja -etyyliä, jotka kuitenkin osoittautuivat ympäristölle haitallisiksi lyijyaerosolipäästöjen takia. Lyijypohjaiset aineet korvattiin 1980-luvulta alkaen mm. metyylitertiääributyylieetterillä (MTBE), joka sekin on osoittautunut haitalliseksi. MTBE nimittäin on vesiliukoinen ja pahanmakuinen aine, joka pilaa jo pieninä pitoisuuksina veden juomakelvottomaksi.

Muu epänormaali syttyminen

Polttoaineseos voi ottomoottorissa syttyä myös esimerkiksi liian kuumana käyvän sytytystulpan vuoksi. Toinen mahdollinen sytytyslähde on kuumana hehkuva karsta. Nämä saattavat aiheuttaa sytytyksen aivan liian aikaisin, mikä rasittaa suuresti moottorin osia.

Päästöt

Typen oksidit

Lämpötila palaneessa kaasussa nousee lähes 3 000 K:iin. Näin korkeassa lämpötilassa muodostuu typpimonoksidia (NO). Vaikka suurin osa hapesta sitoutuukin hiilidioksidiin ja veteen, happea sitoutuu myös typpimonoksidiin. Työtahdin aikana kaasut laajenevat ja niiden lämpötila laskee. Typen oksidien tasapainoreaktiot jähmettyvät korkean lämpötilan tasolle työtahdin aikana lämpötilan ja paineen laskiessa. Täten pakokaasussa on paljon enemmän typen oksideja kuin kemiallinen tasapaino edellyttäisi.

Hiilivedyt

Ottomoottorissa osa polttoaineseoksesta joutuu männän ja sylinterin väliseen rakoon, jonne liekkirintama ei pääse ja jonne siten jää palamatonta polttoainetta. Työ- ja poistotahdin aikana nämä kaasut osittain purkautuvat raosta ja joutuvat pakokaasuun. Toinen hiilivetypäästöjen lähde on palotilan seinämissä oleva huokoinen karsta, joka puristustahdin aikana absorboi hiilivetyjä ja työ- ja poistotahdin aikana vapauttaa ne. Kolmas lähde on voiteluöljykalvo, joka niin ikään absorboi ja desorboi hiilivetyjä. Luonnollisesti osa polttoaineesta voi myös jäädä palamatta, mikä näkyy hiilivetypäästöinä.

Etuja ja haittoja

Edut
- hiljaisempi verrattuna dieselmoottoriin
- ottomoottori ei aseta niin tiukkoja vaatimuksia rakenteiden jäykkyydelle kuin dieselmoottori, mikä johtaa pienempään painoon ja hintaan
- polttoainelaitteet on helpompi valmistaa kuin dieselmoottorissa
- tehokas pyörimisnopeusalue on suurempi kuin dieselmoottorissa
- typen oksidien hallinta on helpompaa kuin dieselmoottorissa

haitat
- huonompi hyötysuhde osakuormilla
- suurempi hiilidioksidin tuotto kuin dieselmoottorissa
- suurempi kulutus kuin dieselmoottorissa
- palaminen epätäydellisempää kuin dieselmoottorissa, pakokaasut sisältävät häkää

Hyötysuhde

Polttomoottorin toiminnassa syntyy termistä hyötysuhdetta laskevia häviöitä johtuen muun muassa epätäydellisestä palamisesta ja moottorin sisäisestä rakenteesta. Puristuksen aiheuttama häviö, työsyklin hyötysuhde ja palamisesta saatava teho voidaan laskea ideaaliselle moottorille.^[4]^[5]

Carnot’n kiertoa sanotaan tehokkaimmaksi mahdolliseksi fysiikan lakien sallimaksi, mutta se on epäkäytännöllinen hitaudesta johtuen.^[6]

Katso myös

Lähteet

Sileghem, Louis; Van De Ginste, Maarten: Methanol as a Fuel for Modern Spark-Ignition Engines: Efficiency Study (PDF) (arkistoitu versio) 21.10.2011. Ghent, Belgia: Ghent University. Viitattu 7.4.2017. (englanniksi) Dokumentti on saatavissa myös osoitteessa http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.725.9991&rep=rep1&type=pdf

Viitteet

↑ Jean-François Tissot: Birth of an idea: Etienne Lenoir and the internal combustion engine charge-magazine.abb.com. 29.10.2020. Viitattu 18.4.2023. (englanniksi)
↑ Jean-François Tissot: How Nikolaus August Otto created the 4-stroke internal combustion engine charge-magazine.accelleron-industries.com. 5.11.2020. Viitattu 18.4.2023. (englanniksi)
↑ Sileghem & Van De Ginste, 2011. Lainaus: "The combustion characteristics of methanol offer also the potential of applying load control strategies with EGR and lean combustion which can improve the efficiency."
↑ Ideal Otto Cycle grc.nasa.gov. Viitattu 22.4.2023. (englanniksi)
↑ 3.5 The Internal combustion engine (Otto Cycle) web.mit.edu. Viitattu 22.4.2023. (englanniksi)
↑ Carnot Cycle hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. Viitattu 22.4.2023. (englanniksi)

[cmalenoir-1] Jean-François Tissot: Birth of an idea: Etienne Lenoir and the internal combustion engine charge-magazine.abb.com. 29.10.2020. Viitattu 18.4.2023. (englanniksi)

[2] Jean-François Tissot: How Nikolaus August Otto created the 4-stroke internal combustion engine charge-magazine.accelleron-industries.com. 5.11.2020. Viitattu 18.4.2023. (englanniksi)

[sileghem2011-1-3] Sileghem & Van De Ginste, 2011. Lainaus: "The combustion characteristics of methanol offer also the potential of applying load control strategies with EGR and lean combustion which can improve the efficiency."

[4] Ideal Otto Cycle grc.nasa.gov. Viitattu 22.4.2023. (englanniksi)

[5] 3.5 The Internal combustion engine (Otto Cycle) web.mit.edu. Viitattu 22.4.2023. (englanniksi)

[6] Carnot Cycle hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. Viitattu 22.4.2023. (englanniksi)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]