Johdatus moottorin toimintaan

Julkaistu 15. huhtikuuta 2013.

Moottori on auton toiminnan ydin. Moottori ei saa pelk�st��n autoa liikkumaan, vaan se lopulta my�s pit�� kaikki autoon kuuluvat osat toiminnassa. Jos moottoria ei olisi keksitty, ei autoja olisi – sen enemp�� kuin vaikkapa moottorisahoja, ruohonleikkureita ja pesukoneita. Nykyaikainen auton moottori on todella monimutkainen kokonaisuus, jossa tietotekniikalla on jatkuvasti suurentunut rooli. Toisaalta auton moottoreiden toiminnan ydinajatus on t�sm�lleen sama, kuin mit� moottoreiden keksij�t aikoinaan niihin loivat.

Apks.fi k�y ajoneuvon moottorin toimintaa l�pi useassa, satunnaisesti ilmestyv�ss� blogikirjoituksessa. Moottorin toiminta pohjautuu tapahtumiin sylinteriss�, mutta siihen ymp�rille on rakentunut valtavasti v�ltt�m�t�nt� tekniikkaa sek� ilmi�it�. T�m�n kirjoituksen tarkoitus on esitell� moottorin toiminta lyhyesti, jotta lukija saa perusk�sityksen moottorin toiminnasta. N�in ollen toimintaan on hyv� syventy� tulevissa teksteiss�.

Blogisarjan osien otsikointi on johdonmukaista, jolloin osat tunnistaakin otsikossa olevasta moottori-sanasta (esimerkiksi Moottorin j��hdytys, Dieselmoottori). Sen lis�ksi kaikki ilmestyneet osat on listattu Tekniikka-osion etusivulle.

Bensa- ja dieselmoottorit

Yksinkertaisesti moottorin teht�v� on tuottaa ajoneuvon liikuttamiseen tarvittava voima. Moottori-sanan alkuper� on latinan kieless�. Latinassa mōtor merkitsi liikuttajaa, joskin kielen kukoistuksen aikaan se tuskin tarkoitti mink��n kulkuneuvon liikuttajaa. Latinan kielen k�ytt�j�t meniv�t mets��n siin� mieless�, ett� nykyaikana moottori on itse asiassa muunnin eik� liikuttaja. Se muuntaa energian yht� olomuotoa toiseen olomuotoon. Esimerkiksi s�hk�energian se muuntaa liike-energiaksi, ja t�ll�in puhutaan s�hk�moottorista.

Moottori on itse asiassa muunnin eik� liikuttaja.

S�hk�moottoreita on alettu k�ytt�� autoissakin, mutta autoissa ja muissakin tieliikenteen kulkuneuvoissa kuitenkin viel� yleens� k�ytet��n polttomoottoreita. Ne ovat moottoreita, joissa muutetaan kemiallista energiaa liike-energiaksi ja joissa muuntaminen tapahtuu polttamalla. Kemiallinen energia tarkoittaa yht� kuin esimerkiksi polttoaine, koska polttoaineessa energia on kemiallisessa muodossa. Polttoaineeseen siis k�tkeytyy vaikkapa liikkeen mahdollisuus, vaikka tankissa se n�ytt��kin hyvin pysyv�n paikallaan.

Moottoreista k�ytet��nkin usein nimityksi� bensamoottori ja dieselmoottori. Bensamoottoriin my�s todella tankataan automaatilla bensaa, ysivitosta tai ysikasia, ja dieselmoottoriin tankataan mustasta pistoolista diesel�ljy�. Moottoreita ei ole kuitenkaan suunniteltu polttoaineita varten, vaan polttoaineet on nimenomaan tarkoitettu moottoreita varten. Oikeastaan bensamoottorin sijaan pit�isi puhua ottomoottorista, mutta k�yt�mme bensamoottori-sanaa siksi, ett� bensiini on niin vakiintunut ottomoottorin polttoaine. Joka tapauksessa etuliitteet otto- ja diesel- kuvaavat moottorin toimintaperiaatetta. Mit� siis toimintaperiaate on?

Sylinteri ja m�nt�

Ennen kuin t�h�n kysymykseen voi selke�sti vastata, pit�� palata moottorin tarkoitukseen: moottori muuntaa energiaa yhdest� olomuodosta toiseen. Auton moottorissa polttoaineen sis�lt�m� kemiallinen energia halutaan muuntaa py�rien py�rimisliikkeeksi. Energia on suorastaan varastoitunut polttoaineeseen, ja se voidaan vapauttaa siit� esimerkiksi polttamalla. Mutta mitenp� ottaa talteen mink��nlaista energiaa sellaisesta polttoaineesta, joka sytytet��n vaikka takapihan asfaltilla? Kaikki energiahan karkaa vain ymp�rist��n. Energian karkaamista onkin estett�v� sijoittamalla polttoaine suljettuun tilaan. Yksi t�llainen tila on moottorin sylinteri, ontto metallinen putki.

M�nn�n edestakainen liike muutetaan lopulta py�rimisliikkeeksi.

Sylinterin toinen p�� on muuten umpinainen, mutta siin� on pienet rei�t polttoaineen annostelemista ja pakokaasujen poistamista varten. Samassa p��ss� on my�s sylinterin palotila, jossa polttoaine siis palaa. Sylinteriputkessa on my�s m�nt�, eri hyvin hyvin v�h�n sylinterin sis�halkaisijaa ohuempi umpinainen lieri�. Kun palotilaan annostellaan polttoainetta ja polttoaine sytytet��n, palamisesta l�htev� paineaalto pyrkii tietysti suljetusta tilasta pois. N�in se saa ainoan periksi antavan osan, m�nn�n, ty�ntym��n sylinteriss� yhteen suuntaan. T�ll�in moottorin toiminnassa on otettu ensimm�inen askel kemiallisen energian muuntamisessa liikkeeksi.

Kaavamaisesti toistuvilla polttoaineen sytytyksill� m�nt� saadaan sylinteriss� tekem��n edestakaista liikett�. T�m� edestakainen liike muutetaan lopulta py�rimisliikkeeksi tavalla, joka k�sitell��n hetken p��st�. Nyt on kuitenkin vastattava aiemmin ilmaan j��neeseen kysymykseen, mik� on moottorin toimintaperiaate.

Toimintaperiaate

Niin bensa- kuin dieselmoottorissa on siis sylinteri ja sylinteriss� m�nt� ja m�nt� tekee edestakaista liikett� polttoaineen sytytt�misen ansiosta, mutta moottoreiden v�lill� on eroa tavassa sytytt�� polttoaine. Bensiinimoottorissa polttoaine sytytet��n ulkoisesti – yleens� sen sytytt�� sytytystulppa. Dieselmoottori on taas ehk� v�h�n, sanoisiko luonnonmukaisempi, sill� siin� polttoaineen sytytt�� riitt�v�n kuumaksi puristettu ilma. Siis ilmaa puristetaan kasaan, jolloin se alkaa l�mmet�. Lopulta ilma saavuttaa dieselpolttoaineen syttymispisteen l�mp�tilan. Moottorin toimintaperiaate tarkoittaa siis sit�, miten sylinteriin ruiskutettava polttoaine sytytet��n. Bensa- eli ottomoottorissa ulkoisesti, dieseliss� ilmaa puristamalla.

Suotta ei polttoainetta moottorit sytyt� eri tavoin, eik� todellakaan suotta bensa- ja dieselmoottorit ole maailman yleisimpi� polttomoottoreita. Kummassakin toimintaperiaatteessa on puolensa, jolloin bensiinimoottorit sopivat joihinkin tilanteisiin paremmin kuin dieselit ja p�invastoin. Bensiinimoottori on tavanomainen muun muassa mopoissa sek� ruohonleikkureissa, ja henkil�autoissa se on viel�kin ehk� tavanomaisempi valinta. Dieselmoottorit sen sijaan ovat olleet perinteisesti raskaan ja tosi raskaan kaluston moottoreita, sill� niit� on kuorma-autoissa ja niit� isommissa kulkupeleiss�. Mutta rajat ovat sin�ns� h�lventyneet, ett� dieseleit� on yh� useammassa henkil�autossa. Pakuissahan dieselit ovat olleet pitk��n paremminkin s��nt� kuin poikkeus.

Oli ennen vanhaan bensiinimoottoreita vaikkapa kuorma-autoissa. Armeijan ven�l�isiss� Zil-kuormureissa kulutuksen juoruiltiin olevan satanen satasella. Ei automiesten juttu ollut mitenk��n kyseenalaistettavissa, sill� bensiinimoottorissa bensiini� saa kyll� poltella tonnien liikkeelle saamiseksi. Parempi arvo bensiinill� oli oikeastaan jo l�mm�n tuottamisessa ohjaamoon – tai itse asiassa harakoille –, sill� kaikesta bensiinin si�lt�m�st� energiastahan pieni osa meni massan liikutteluun. Kevyiss� kamppeissa bensiini onkin sitten ripeydell� herkuttelevien kuskien suosikkiainetta: kierrokset nousevat korkealle ja sporttiauto tai pr�tk� kiihtyy ohjuksen lailla. Nooh, ei se dieselk��n nykyisin j�� kauas taakse...

Dieseli� voisi pit�� parempana moottorina kuin bensamoottoria.

Silti dieselin asema hy�tyajoneuvoissa, ja miksei muissakin ajoneuvoissa, on perusteltu. Dieseli� voisi pit�� parempana moottorina kuin bensamoottoria. Dieselin hy�tysuhde on korkeampi, eli toisin sanoen polttoaineesta suurempi osa menee sen varsinaiseen k�ytt�tarkoitukseen, ajoneuvon liikuttamiseen. Dieselmoottorin kulutuskin on suhteessa pienemp��, ja pakokaasujen haitallisten pienhiukkasten pitoisuus on puolet bensakoneen m��r�st�. Dieselmoottorit ovat my�s kest�v�mpi� ja pitk�ik�isempi�. Hyv�� ei sitten saa halvalla, sill� dieselkoneet ovat kalliimpia.

Kuorma-auton moottori ei ole mik��n pieni ja kevyt kokonaisuus.

Kiertokanki ja kampiakseli

Viel� emme p��se eroon sylinterin k�sittelyst�. Sylinteri� kannattaa pit�� polttomoottorin ytimen�, t�rkeimp�n� osana. Kaikki loput auton moottorista on vain v�ltt�m�tt�mi� osia, koska yksist��n sylinteri ei voi liikuttaa ajoneuvoa. Sylintereill� on oma paikka moottorissa, ja sit� kutsutaan sylinterilohkoksi. Pieness� kalustossa p�rj�t��n yhdell� sylinterill�, mutta autoissa sylintereiden lukum��r� alkaa yleens� nelj�st� ja voi nousta kymmeneen tai jopa kahteentoista. Toisinaan sylinterit ovat yhdess� riviss� vierekk�in, toisinaan niiden v�liss� on suorakulma. Moottoreita jaotellaankin sylintereiden asennon mukaan V-moottoreiksi, rivimoottoreiksi, t�htimoottoreiksi ja vastaiskumoottoreiksi. Nyt sitten aukeaa V8-k�sitekin!

Nyt voimme jatkaa sylinterist� eteenp�in. M�nt�h�n tekee sylinteriss� edestakaista liikett�. Miten sen voisi muuntaa py�rimisliikkeeksi? Ei h�t��, t�h�n kysymykseen on jo vastaus. Jokaisessa m�nn�ss� on er��nlainen varsi, jota kutsutaan kiertokangeksi. Kiertokangen p��ss� on rinkula, jossa on reik�. T�m�n rei�n l�pi kulkee kampiakseli. Jos moottorissa on useampi kuin yksi sylinteri, kampiakseli itse asiassa l�vist�� jokaisesta m�nn�st� tulevan kiertokangen. Toisin sanoen kiertokanget ovat riviss� sylinterilohkon pohjalla ja kampiakseli l�vist�� rivin.

Kuvittele perinteinen suomalainen kaivo, jossa vesi nostetaan �mp�rill�.

Kampiakseli ei ole kuitenkaan mik��n suora tanko. Mit� silloin tapahtuisi? Yl�s alas liikkuvat kiertokanget eiv�t itse asiassa voisi liikkua yl�s alas, koska j�ykk� tanko sitoisi ne pysym��n viivasuorasti samassa kohdassa. Kampiakselin toiminta voi olla valjennut jo t�ss� vaiheessa, mutta rautalankaversion tarjoamiseksi hyp�t��n perinteisiin suomalaisiin maisemiin.

Kuvittele perinteinen suomalainen kaivo, jossa vesi nostetaan �mp�rill�. �mp�ri� nostetaan kieritt�m�ll� kahvaa, jolloin narua alkaa kierty� p�kkel�n ymp�rille ja �mp�ri nousee. No onko se kahva vain luotisuoraa tankoa, jota kaksin k�sin py�rittelet p��st� keskiakselinsa ymp�ri? Ei, vaan luotisuoran tangon p��st� l�htee poikkisuuntainen lyhyt tanko, ja sitten taas p��tangon kanssa samansuuntainen kahva. Kahvan ymp�rill�kin on viel� holkki. Siis kun k�dell� liikutat ympyr�m�isesti lyhytt� kahvanp�tk��, poikkisuuntaisen tapin ansiosta p��tankokin py�rii hyvin v�h�ll� vaivalla. K�mmenen puristustakaan kahvasta ei tarvitse l�ysytt��, koska holkki viel� py�rii kahvan ymp�rill�.

Samaan tapaan kampiakselikin on v�lill� kaivon p��tankoa, sitten tulee poikkisuuntainen tanko, sitten kampiakseli jatkuu kahvana, sitten tulee poikkisuuntainen tanko, sitten p��tanko jatkuu ja niin edelleen. Vett� hakevan ihmisen k�mment� vastaakin sitten kiertokangen p��. Ja holkki l�ytyy siit� kampiakselin ja kiertokangen p��n v�list�. Vaikka kampiakseli onkin v�h�n muhkurainen, on siihen piirrett�viss� pitkitt�issuuntainen n�kym�t�n akseli, keskiakseli. Tuon akselin ymp�ri kampiakseli py�rii, eli meill� on viimeinkin py�rimisliikett�!

Kampiakselin rooli ei ole siltik��n n�in yksioikoinen. Muistele taas m�nt�� ja sylinteri�: syttyv� polttoaine sylinterin toisessa p��ss� sys�� m�nn�n liikkeeseen. Mutta mik� sitten sys�� m�nn�n takaisin kohti sylinterin p��t�, jotta se voitaisiin taas syttyv�n polttoaineen avulla pist�� liikkeeseen? Kyll�, vastaus on kampiakseli, ja kampiakselin tiilimuurin harjaa muistuttava muotoilu. Tai hauskempi vertailukohde rautalangoittamiseen on Z-kirjaimen muotoinen kuusiokoloavain. Kun otat avaimen k�rjist� sormilla kiinni ja py�r�yt�t avainta, ylh��ll� ollut poikkisuuntainen osa painuu alas ja p�invastoin.

Nyt varmaan viimeist��n tajusitkin: kampiakselissa on per�kk�isi� Z-kuusiokoloavaimia. Kun kiertokanki painuu alasp�in polttoaineen syttymisen ansiosta, se painaa kampiakseliin kuuluvan, yl�asennossa olevan poikkitangon alas. Samaan aikaan ala-asennossa olleet poikkitangot nousevat yl�asentoon, ja kappas, nostavat niihin kiinnitetyn m�nn�n yl�sp�in.

Aikamoista rautalankaa, eik� vain? Mutta moottorissa vain hy�dynnet��n suorastaan kauniin kekseli��sti vipuvarsia ja niihin liittyv�� fysiikkaa. K�yt�nn�ss� kampiakselissa on jo sellainen py�rimisliike, jota voidaan alkaa vied� eteenp�in voimansiirtoon kuuluvien osien avulla. T�rke� moottoriin kuuluvaksi katsottava osa kuitenkin pit�� viel� mainita. Kampiakselin toisessa p��ss� on vauhtipy�r�, joka on varsin raskas. Se ensinn�kin varastoi py�rimisliikett� itseens� ja toiseksi tasoittaa moottorin v�r�htelyj�, joita v�kisin syntyy rajuista m�ntien edestakaisista liikkeist�.

Voitelu ja j��hdytys

Oliko t�ss� siis kaikki oleellinen tieto moottorin toiminnasta? Mietip�, mink�laisia oheisilmi�it� moottorissa syntyy, kun rauta liikkuu ja polttoaine palaa. Esimerkiksi m�nn�n halkaisija ei ole kovin monta millimetrin murto-osaa pienempi kuin sylinteriputken sis�halkaisija. Eik� vaikkapa kiertokangen ja kampiakselin v�lisiss� laakereissa ole turhan paljon v�lyst�. Metallit hieroutuvat toisiaan vasten. Mik��n metallipinta ei n�yt� mikroskooppisesti tarkasteltaessa sile�lt�, vaan ennemmin rivilt� vuorenhuippuja. Ne kuluvat hankautuessaan toisiaan vasten. T�h�n v�liin tarvitaan ohuen ohut liukastekerros, joka rajoittaa kulumista. Liukaste saadaan moottori�ljyst�. �ljy siis voitelee ja siten suojaa moottorin osia. Lis�ksi �ljy jonkin verran j��hdytt��, suojaa ruostumiselta ja korjaa v�ljyyksi�.

Varsinainen j��hdytys on j��hdytysj�rjestelm�n vastuulla. Moottorin j��hdytysj�rjestelm� voi olla ilmaj��hdytys tai nestej��hdytys. Ilmaj��hdytys on aika vanha juttu autojen moottoreissa, koska se on aika tehoton. Tai no, kaksipy�r�isiss� ilmaj��hdytys on varsin yleinen. Motskareiden moottoreissa kun on yksi sylinteri, ei sen j��hdytt�miseen tarvita enemp�� kuin paljaaseen pintaan osuva ajoviima. Toisaalta isommissakin kulkupeleiss� ilmaj��hdytys on tavallaan j��nyt osaksi nestej��hdytysj�rjestelm��.

Mik��n metallipinta ei n�yt� mikroskooppisesti tarkasteltaessa sile�lt�. Pinnat kuluvat hankautuessaan toisiaan vasten.

Nestej��hdytyksen ajatus on se, ett� moottoria j��hdytet��n saattamalla kuumat osat kosketuksiin viile�n nesteen kanssa, jolloin l�mp�tilojen erot tasaantuvat. T�ll�in kuumat osat j��htyv�t ja kylm� neste kuumenee. Neste siis kiert�� pitkin moottoria, mutta varsin tarpeen se on sylinterilohkossa. Kuumuutta ei tule vain kitkan vaikutuksesta metallipintojen hieroutuessa toisiaan vasten, vaan yksinkertaisesti jatkuvaasti syttyilev�st� polttoaineesta.

Neste siis kuumenee l�mp�tilaerojen tasaantuessa, eik� se en�� silloin j��hdyt�. Siksi tilalle on saatava koko ajan viile�� nestett�. T�st� syyst� neste kiert�� j��hdyttimeen, eli lauhduttimeen, joka on suuri putkikennosto yleens� mahdollisimman l�hell� ajoneuvon keulaa. T�llainen sijainti taas sitten mahdollistaa ajoviiman hy�dynt�misen nesteen j��hdytyksess�. T�st� syyst� aiemmin todettiin, ett� ilmaj��hdytys on tavallaan j��nyt osaksi nestej��hdytyst�. Ilmaj��hdytyksen kanssa samaa on my�s tuuletinpropelli: Vaikkapa sellaisessa tilanteessa, kun vauhtia on v�h�n mutta kuorma on raskas, moottori kuumenee paljon mutta vauhti ei nouse niin kovaksi, ett� ajoviima olisi riitt�v� j��hdytt�m��n nestett�. Siksi kennoston edess� voi olla tuuletin, joka alkaa py�ri� tarvittaessa ja tehostaa nesteen j��htymist�.

Polttoaine ja pakokaasut

Oleellista moottorissa on tietysti viel� se, ett� ensinn�kin siihen tulee jostain yht� ainetta ja toiseksi toista ainetta poistuu johonkin. Polttonestes�ili�ss�, eli tankissa, on se moottoriin kulkeutuva aine. Ilman polttoainetta ei liikkeen tuottamisesta tietenk��n tulisi mit��n. Polttoaine on polttomoottorin ravintoa! Polttoainetta ei kuitenkaan voi sellaisenaan p��st�� herkkiin sylintereihin, tai tarkemmin ruiskutussuuttimiin, koska polttoaineessa on pienhiukkasia ja vett�. Vett� siis p��tyy polttoaineeseen, vaikka korkki olisi kuinka tiivis ja tankkauss�� kuinka kuiva. Joka tapauksessa t�st� syyst� polttoaine suodattuu jo tankista l�htev�n polttoaineletkun p��ss� olevan esisuodattimen ansiosta ett� erillisen polttoainesuodattimen ansiosta.

Pois moottorista taas kulkeutuvat pakokaasut. Palamisessahan syntyy pakokaasua, ja koska palaminen tapahtuu sylinteriss�, on jo sylinteriss� hetkellisesti pakokaasua. Ne pit�� saada tietysti pois sylinterist�. T�ll�in kuvioon astuu pakoventtiili. Se on siis avautuva ja sulkeutuva reik� sylinteriputken siin� p��ss�, jossa polttoaine syttyy ja sys�� m�nn�n liikkeelle. Pakoventtiilin kautta polttoaineet pakenevat, siis poistuvat. Reik�� sulkee ja availee nokka-akseli. Koska nokka-akseli on kytketty kiertokankeen, saadaan hyv�ll� osien muotoilulla pakoventtiilit aukenemaan ja sulkeutumaan eritt�in t�sm�llisesti muiden sylinterin osien liikkeiden kanssa. T�ten moottorin perustoiminnassa on ihailtava osien v�linen sopusuhta.

Oikeastaan muutenkin moottori on perusajatuksen yksinkertaisuudessa mutta toisaalta sen perusajatuksen ymp�rille rakentuvan j�rjestelm�n monimutkaisuudessa upea ihmisen taidonn�yte.

Kommentointi

Kommentit tarjoaa Disqus

Seuraava kirjoitus | Kaikki kirjoitukset | Edellinen kirjoitus



apks.fi Youtubessa Tilaa RSS-sy�te