Ero sivun ”Ottomoottori” versioiden välillä

246 merkkiä lisätty ,  11 vuotta sitten
Kuvitus lisätty
p (Botti lisäsi: nn:Bensinmotor)
(Kuvitus lisätty)
[[Kuva:Volkswagen W16.jpg|thumb|250px|[[Bugatti Veyron]]in moottori.]]
[[Kuva:Nicolaus-August-Otto.jpg|thumb|250px|Ottomoottorille nimen antanut Nicolaus Otto.]]
'''Ottomoottorilla''' tarkoitetaan yleensä kaksi- tai [[nelitahtimoottori|nelitahtista]] bensiinikäyttöistä [[polttomoottori]]a, jossa polttoaineseos muodostetaan sylinterin ulkopuolella ja [[sytytystulppa|sytytetään]] bensiinimoottoreissa sähköisellä [[kipinä]]llä. Moottori on saanut nimensä keksijänsä [[Nikolaus Otto]]n mukaan.
 
==Seoksenmuodostus==
Ottomoottorissa polttoaine yleensä sekoitetaan imuilmaan kaasuttimessa tai imusarjassa. Aina 1980-luvulle asti sekoituksesta huolehti kaasutin. Haitallisten [[pakokaasu]]päästöjen puhdistaminen [[Katalysaattori|kolmitoimikatalysaattori]]n avulla edellyttää tarkkaa seossuhteen säätöä, mikä ei ole mahdollista mekaanisen kaasuttimen avulla. Tästä syystä
sähköisesti ohjatut suihkutuslaitteet ovat pitkälti syrjäyttäneet kaasuttimen nelitahtimoottoreissa.
 
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.
Ottomoottorissa polttoaine yleensä sekoitetaan imuilmaan kaasuttimessa tai imusarjassa.
Aina 1980-luvulle asti sekoituksesta huolehti kaasutin. Haitallisten [[pakokaasu]]päästöjen puhdistaminen
[[Katalysaattori|kolmitoimikatalysaattori]]n avulla edellyttää tarkkaa seossuhteen säätöä,
mikä ei ole mahdollista mekaanisen kaasuttimen avulla. Tästä syystä
sähköisesti ohjatut suihkutuslaitteet ovat pitkälti syrjäyttäneet
kaasuttimen nelitahtimoottoreissa.
 
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.
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.
 
==Ottomoottoripalaminen==
[[Kuva:4-Stroke-Engine.gif|thumb|250px|Havainnekuva nelitahtimoottorin toimintaperiaattesta.]]
 
===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.
 
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.
 
===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.
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 2500...3000 K.
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
2500...3000 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.
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.
 
Nakutus asettaa ehdottoman rajan ottomoottorin puristussuhteelle ja siten myös hyötysuhteelle. Nykyaikaisissa ottomoottoreissa on nakutustunnistimet, joiden avulla moottorinohjausjärjestelmä pystyy säätämään sytytystennakon mahdollisimman suureksi siten, että moottori ei vielä nakuta.
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 sytytystennakon mahdollisimman suureksi siten, että
moottori ei vielä nakuta.
 
Käyttämällä [[etanoli]]a voidaan kasvattaa polttoaineen oktaanilukua. [[Väkiviina]]n oktaaniluku on 106 ja [[E85 (polttoaine)|E85:llä]] noin 100.
 
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.
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.
 
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 3000 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.
 
Lämpötila palaneessa kaasussa nousee lähes 3000 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.
 
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.
 
[[Luokka:Polttomoottorit]]
11 063

muokkausta