Siirry lukemaan lisää
Apks.fi

Apks.fi:ssä on asiaa liikenteestä ja autoilusta. Sivuston tekstit kirjoittaa jyväskyläläinen raskaan liikenteen ammattikuljettaja Aki Pouta. Kirjoitukset perustuvat asialähteisiin sekä kirjoittajan omaan kokemukseen ja näkemykseen. Vaikka jutuissa asiat kerrotaan niin kuin ne ovat, kuuluu teksteissä tienkäyttäjän ääni, joka on valmis kyseenalaistamaan totuuksia ja käytäntöjä.

Apks.fi on sivusto tienkäyttäjältä tienkäyttäjille.

Lue lisää sivustosta

Ylläpitäjän twiitit

Tutustu myös näihin

Apuvalineet Rekkakuvat.fi

Rekkakuvat.fi:ssä

Ammatti: kuljettaja -blogissa

Johdatus moottorin toimintaan

Julkaistu 15. huhtikuuta 2013.

Moottori on auton toiminnan ydin. Moottori ei saa pelkästään autoa liikkumaan, vaan se lopulta myös pitää kaikki autoon kuuluvat osat toiminnassa. Jos moottoria ei olisi keksitty, ei autoja olisi – sen enempää 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 täsmälleen sama, kuin mitä moottoreiden keksijät aikoinaan niihin loivat.

Apks.fi käy ajoneuvon moottorin toimintaa läpi useassa, satunnaisesti ilmestyvässä blogikirjoituksessa. Moottorin toiminta pohjautuu tapahtumiin sylinterissä, mutta siihen ympärille on rakentunut valtavasti välttämätöntä tekniikkaa sekä ilmiöitä. Tämän kirjoituksen tarkoitus on esitellä moottorin toiminta lyhyesti, jotta lukija saa peruskäsityksen moottorin toiminnasta. Näin ollen toimintaan on hyvä syventyä tulevissa teksteissä.

Blogisarjan osien otsikointi on johdonmukaista, jolloin osat tunnistaakin otsikossa olevasta moottori-sanasta (esimerkiksi Moottorin jäähdytys, Dieselmoottori). Sen lisäksi kaikki ilmestyneet osat on listattu Tekniikka-osion etusivulle.

Bensa- ja dieselmoottorit

Yksinkertaisesti moottorin tehtävä on tuottaa ajoneuvon liikuttamiseen tarvittava voima. Moottori-sanan alkuperä on latinan kielessä. Latinassa mōtor merkitsi liikuttajaa, joskin kielen kukoistuksen aikaan se tuskin tarkoitti minkään kulkuneuvon liikuttajaa. Latinan kielen käyttäjät menivät metsään siinä mielessä, että nykyaikana moottori on itse asiassa muunnin eikä liikuttaja. Se muuntaa energian yhtä olomuotoa toiseen olomuotoon. Esimerkiksi sähköenergian se muuntaa liike-energiaksi, ja tällöin puhutaan sähkömoottorista.

Moottori on itse asiassa muunnin eikä liikuttaja.

Sähkömoottoreita on alettu käyttää autoissakin, mutta autoissa ja muissakin tieliikenteen kulkuneuvoissa kuitenkin vielä yleensä käytetään polttomoottoreita. Ne ovat moottoreita, joissa muutetaan kemiallista energiaa liike-energiaksi ja joissa muuntaminen tapahtuu polttamalla. Kemiallinen energia tarkoittaa yhtä kuin esimerkiksi polttoaine, koska polttoaineessa energia on kemiallisessa muodossa. Polttoaineeseen siis kätkeytyy vaikkapa liikkeen mahdollisuus, vaikka tankissa se näyttääkin hyvin pysyvän paikallaan.

Moottoreista käytetäänkin usein nimityksiä bensamoottori ja dieselmoottori. Bensamoottoriin myös todella tankataan automaatilla bensaa, ysivitosta tai ysikasia, ja dieselmoottoriin tankataan mustasta pistoolista dieselöljyä. Moottoreita ei ole kuitenkaan suunniteltu polttoaineita varten, vaan polttoaineet on nimenomaan tarkoitettu moottoreita varten. Oikeastaan bensamoottorin sijaan pitäisi puhua ottomoottorista, mutta käytämme bensamoottori-sanaa siksi, että bensiini on niin vakiintunut ottomoottorin polttoaine. Joka tapauksessa etuliitteet otto- ja diesel- kuvaavat moottorin toimintaperiaatetta. Mitä siis toimintaperiaate on?

Sylinteri ja mäntä

Ennen kuin tähän kysymykseen voi selkeästi vastata, pitää palata moottorin tarkoitukseen: moottori muuntaa energiaa yhdestä olomuodosta toiseen. Auton moottorissa polttoaineen sisältämä kemiallinen energia halutaan muuntaa pyörien pyörimisliikkeeksi. Energia on suorastaan varastoitunut polttoaineeseen, ja se voidaan vapauttaa siitä esimerkiksi polttamalla. Mutta mitenpä ottaa talteen minkäänlaista energiaa sellaisesta polttoaineesta, joka sytytetään vaikka takapihan asfaltilla? Kaikki energiahan karkaa vain ympäristöön. Energian karkaamista onkin estettävä sijoittamalla polttoaine suljettuun tilaan. Yksi tällainen tila on moottorin sylinteri, ontto metallinen putki.

Männän edestakainen liike muutetaan lopulta pyörimisliikkeeksi.

Sylinterin toinen pää on muuten umpinainen, mutta siinä on pienet reiät polttoaineen annostelemista ja pakokaasujen poistamista varten. Samassa päässä on myös sylinterin palotila, jossa polttoaine siis palaa. Sylinteriputkessa on myös mäntä, eri hyvin hyvin vähän sylinterin sisähalkaisijaa ohuempi umpinainen lieriö. Kun palotilaan annostellaan polttoainetta ja polttoaine sytytetään, palamisesta lähtevä paineaalto pyrkii tietysti suljetusta tilasta pois. Näin se saa ainoan periksi antavan osan, männän, työntymään sylinterissä yhteen suuntaan. Tällöin moottorin toiminnassa on otettu ensimmäinen askel kemiallisen energian muuntamisessa liikkeeksi.

Kaavamaisesti toistuvilla polttoaineen sytytyksillä mäntä saadaan sylinterissä tekemään edestakaista liikettä. Tämä edestakainen liike muutetaan lopulta pyörimisliikkeeksi tavalla, joka käsitellään hetken päästä. Nyt on kuitenkin vastattava aiemmin ilmaan jääneeseen kysymykseen, mikä on moottorin toimintaperiaate.

Toimintaperiaate

Niin bensa- kuin dieselmoottorissa on siis sylinteri ja sylinterissä mäntä ja mäntä tekee edestakaista liikettä polttoaineen sytyttämisen ansiosta, mutta moottoreiden välillä on eroa tavassa sytyttää polttoaine. Bensiinimoottorissa polttoaine sytytetään ulkoisesti – yleensä sen sytyttää sytytystulppa. Dieselmoottori on taas ehkä vähän, sanoisiko luonnonmukaisempi, sillä siinä polttoaineen sytyttää riittävän kuumaksi puristettu ilma. Siis ilmaa puristetaan kasaan, jolloin se alkaa lämmetä. Lopulta ilma saavuttaa dieselpolttoaineen syttymispisteen lämpötilan. Moottorin toimintaperiaate tarkoittaa siis sitä, miten sylinteriin ruiskutettava polttoaine sytytetään. Bensa- eli ottomoottorissa ulkoisesti, dieselissä ilmaa puristamalla.

Suotta ei polttoainetta moottorit sytytä eri tavoin, eikä todellakaan suotta bensa- ja dieselmoottorit ole maailman yleisimpiä polttomoottoreita. Kummassakin toimintaperiaatteessa on puolensa, jolloin bensiinimoottorit sopivat joihinkin tilanteisiin paremmin kuin dieselit ja päinvastoin. Bensiinimoottori on tavanomainen muun muassa mopoissa sekä ruohonleikkureissa, ja henkilöautoissa se on vieläkin ehkä tavanomaisempi valinta. Dieselmoottorit sen sijaan ovat olleet perinteisesti raskaan ja tosi raskaan kaluston moottoreita, sillä niitä on kuorma-autoissa ja niitä isommissa kulkupeleissä. Mutta rajat ovat sinänsä hälventyneet, että dieseleitä on yhä useammassa henkilöautossa. Pakuissahan dieselit ovat olleet pitkään paremminkin sääntö kuin poikkeus.

Oli ennen vanhaan bensiinimoottoreita vaikkapa kuorma-autoissa. Armeijan venäläisissä Zil-kuormureissa kulutuksen juoruiltiin olevan satanen satasella. Ei automiesten juttu ollut mitenkään kyseenalaistettavissa, sillä bensiinimoottorissa bensiiniä saa kyllä poltella tonnien liikkeelle saamiseksi. Parempi arvo bensiinillä oli oikeastaan jo lämmön tuottamisessa ohjaamoon – tai itse asiassa harakoille –, sillä kaikesta bensiinin siältämästä energiastahan pieni osa meni massan liikutteluun. Kevyissä kamppeissa bensiini onkin sitten ripeydellä herkuttelevien kuskien suosikkiainetta: kierrokset nousevat korkealle ja sporttiauto tai prätkä kiihtyy ohjuksen lailla. Nooh, ei se dieselkään nykyisin jää kauas taakse...

Dieseliä voisi pitää parempana moottorina kuin bensamoottoria.

Silti dieselin asema hyötyajoneuvoissa, ja miksei muissakin ajoneuvoissa, on perusteltu. Dieseliä voisi pitää parempana moottorina kuin bensamoottoria. Dieselin hyötysuhde on korkeampi, eli toisin sanoen polttoaineesta suurempi osa menee sen varsinaiseen käyttötarkoitukseen, ajoneuvon liikuttamiseen. Dieselmoottorin kulutuskin on suhteessa pienempää, ja pakokaasujen haitallisten pienhiukkasten pitoisuus on puolet bensakoneen määrästä. Dieselmoottorit ovat myös kestävämpiä ja pitkäikäisempiä. Hyvää ei sitten saa halvalla, sillä dieselkoneet ovat kalliimpia.

Kuorma-auton moottori ei ole mikään pieni ja kevyt kokonaisuus.

Kiertokanki ja kampiakseli

Vielä emme pääse eroon sylinterin käsittelystä. Sylinteriä kannattaa pitää polttomoottorin ytimenä, tärkeimpänä osana. Kaikki loput auton moottorista on vain välttämättömiä osia, koska yksistään sylinteri ei voi liikuttaa ajoneuvoa. Sylintereillä on oma paikka moottorissa, ja sitä kutsutaan sylinterilohkoksi. Pienessä kalustossa pärjätään yhdellä sylinterillä, mutta autoissa sylintereiden lukumäärä alkaa yleensä neljästä ja voi nousta kymmeneen tai jopa kahteentoista. Toisinaan sylinterit ovat yhdessä rivissä vierekkäin, toisinaan niiden välissä on suorakulma. Moottoreita jaotellaankin sylintereiden asennon mukaan V-moottoreiksi, rivimoottoreiksi, tähtimoottoreiksi ja vastaiskumoottoreiksi. Nyt sitten aukeaa V8-käsitekin!

Nyt voimme jatkaa sylinteristä eteenpäin. Mäntähän tekee sylinterissä edestakaista liikettä. Miten sen voisi muuntaa pyörimisliikkeeksi? Ei hätää, tähän kysymykseen on jo vastaus. Jokaisessa männässä on eräänlainen varsi, jota kutsutaan kiertokangeksi. Kiertokangen päässä on rinkula, jossa on reikä. Tämän reiän läpi kulkee kampiakseli. Jos moottorissa on useampi kuin yksi sylinteri, kampiakseli itse asiassa lävistää jokaisesta männästä tulevan kiertokangen. Toisin sanoen kiertokanget ovat rivissä sylinterilohkon pohjalla ja kampiakseli lävistää rivin.

Kuvittele perinteinen suomalainen kaivo, jossa vesi nostetaan ämpärillä.

Kampiakseli ei ole kuitenkaan mikään suora tanko. Mitä silloin tapahtuisi? Ylös alas liikkuvat kiertokanget eivät itse asiassa voisi liikkua ylös alas, koska jäykkä tanko sitoisi ne pysymään viivasuorasti samassa kohdassa. Kampiakselin toiminta voi olla valjennut jo tässä vaiheessa, mutta rautalankaversion tarjoamiseksi hypätään perinteisiin suomalaisiin maisemiin.

Kuvittele perinteinen suomalainen kaivo, jossa vesi nostetaan ämpärillä. Ämpäriä nostetaan kierittämällä kahvaa, jolloin narua alkaa kiertyä pökkelön ympärille ja ämpäri nousee. No onko se kahva vain luotisuoraa tankoa, jota kaksin käsin pyörittelet päästä keskiakselinsa ympäri? Ei, vaan luotisuoran tangon päästä lähtee poikkisuuntainen lyhyt tanko, ja sitten taas päätangon kanssa samansuuntainen kahva. Kahvan ympärilläkin on vielä holkki. Siis kun kädellä liikutat ympyrämäisesti lyhyttä kahvanpätkää, poikkisuuntaisen tapin ansiosta päätankokin pyörii hyvin vähällä vaivalla. Kämmenen puristustakaan kahvasta ei tarvitse löysyttää, koska holkki vielä pyörii kahvan ympärillä.

Samaan tapaan kampiakselikin on välillä kaivon päätankoa, sitten tulee poikkisuuntainen tanko, sitten kampiakseli jatkuu kahvana, sitten tulee poikkisuuntainen tanko, sitten päätanko jatkuu ja niin edelleen. Vettä hakevan ihmisen kämmentä vastaakin sitten kiertokangen pää. Ja holkki löytyy siitä kampiakselin ja kiertokangen pään välistä. Vaikka kampiakseli onkin vähän muhkurainen, on siihen piirrettävissä pitkittäissuuntainen näkymätön akseli, keskiakseli. Tuon akselin ympäri kampiakseli pyörii, eli meillä on viimeinkin pyörimisliikettä!

Kampiakselin rooli ei ole siltikään näin yksioikoinen. Muistele taas mäntää ja sylinteriä: syttyvä polttoaine sylinterin toisessa päässä sysää männän liikkeeseen. Mutta mikä sitten sysää männän takaisin kohti sylinterin päätä, jotta se voitaisiin taas syttyvän polttoaineen avulla pistää liikkeeseen? Kyllä, vastaus on kampiakseli, ja kampiakselin tiilimuurin harjaa muistuttava muotoilu. Tai hauskempi vertailukohde rautalangoittamiseen on Z-kirjaimen muotoinen kuusiokoloavain. Kun otat avaimen kärjistä sormilla kiinni ja pyöräytät avainta, ylhäällä ollut poikkisuuntainen osa painuu alas ja päinvastoin.

Nyt varmaan viimeistään tajusitkin: kampiakselissa on peräkkäisiä Z-kuusiokoloavaimia. Kun kiertokanki painuu alaspäin polttoaineen syttymisen ansiosta, se painaa kampiakseliin kuuluvan, yläasennossa olevan poikkitangon alas. Samaan aikaan ala-asennossa olleet poikkitangot nousevat yläasentoon, ja kappas, nostavat niihin kiinnitetyn männän ylöspäin.

Aikamoista rautalankaa, eikö vain? Mutta moottorissa vain hyödynnetään suorastaan kauniin kekseliäästi vipuvarsia ja niihin liittyvää fysiikkaa. Käytännössä kampiakselissa on jo sellainen pyörimisliike, jota voidaan alkaa viedä eteenpäin voimansiirtoon kuuluvien osien avulla. Tärkeä moottoriin kuuluvaksi katsottava osa kuitenkin pitää vielä mainita. Kampiakselin toisessa päässä on vauhtipyörä, joka on varsin raskas. Se ensinnäkin varastoi pyörimisliikettä itseensä ja toiseksi tasoittaa moottorin värähtelyjä, joita väkisin syntyy rajuista mäntien edestakaisista liikkeistä.

Voitelu ja jäähdytys

Oliko tässä siis kaikki oleellinen tieto moottorin toiminnasta? Mietipä, minkälaisia oheisilmiöitä moottorissa syntyy, kun rauta liikkuu ja polttoaine palaa. Esimerkiksi männän halkaisija ei ole kovin monta millimetrin murto-osaa pienempi kuin sylinteriputken sisähalkaisija. Eikä vaikkapa kiertokangen ja kampiakselin välisissä laakereissa ole turhan paljon välystä. Metallit hieroutuvat toisiaan vasten. Mikään metallipinta ei näytä mikroskooppisesti tarkasteltaessa sileältä, vaan ennemmin riviltä vuorenhuippuja. Ne kuluvat hankautuessaan toisiaan vasten. Tähän väliin tarvitaan ohuen ohut liukastekerros, joka rajoittaa kulumista. Liukaste saadaan moottoriöljystä. Öljy siis voitelee ja siten suojaa moottorin osia. Lisäksi öljy jonkin verran jäähdyttää, suojaa ruostumiselta ja korjaa väljyyksiä.

Varsinainen jäähdytys on jäähdytysjärjestelmän vastuulla. Moottorin jäähdytysjärjestelmä voi olla ilmajäähdytys tai nestejäähdytys. Ilmajäähdytys on aika vanha juttu autojen moottoreissa, koska se on aika tehoton. Tai no, kaksipyöräisissä ilmajäähdytys on varsin yleinen. Motskareiden moottoreissa kun on yksi sylinteri, ei sen jäähdyttämiseen tarvita enempää kuin paljaaseen pintaan osuva ajoviima. Toisaalta isommissakin kulkupeleissä ilmajäähdytys on tavallaan jäänyt osaksi nestejäähdytysjärjestelmää.

Mikään metallipinta ei näytä mikroskooppisesti tarkasteltaessa sileältä. Pinnat kuluvat hankautuessaan toisiaan vasten.

Nestejäähdytyksen ajatus on se, että moottoria jäähdytetään saattamalla kuumat osat kosketuksiin viileän nesteen kanssa, jolloin lämpötilojen erot tasaantuvat. Tällöin kuumat osat jäähtyvät ja kylmä neste kuumenee. Neste siis kiertää pitkin moottoria, mutta varsin tarpeen se on sylinterilohkossa. Kuumuutta ei tule vain kitkan vaikutuksesta metallipintojen hieroutuessa toisiaan vasten, vaan yksinkertaisesti jatkuvaasti syttyilevästä polttoaineesta.

Neste siis kuumenee lämpötilaerojen tasaantuessa, eikä se enää silloin jäähdytä. Siksi tilalle on saatava koko ajan viileää nestettä. Tästä syystä neste kiertää jäähdyttimeen, eli lauhduttimeen, joka on suuri putkikennosto yleensä mahdollisimman lähellä ajoneuvon keulaa. Tällainen sijainti taas sitten mahdollistaa ajoviiman hyödyntämisen nesteen jäähdytyksessä. Tästä syystä aiemmin todettiin, että ilmajäähdytys on tavallaan jäänyt osaksi nestejäähdytystä. Ilmajäähdytyksen kanssa samaa on myös tuuletinpropelli: Vaikkapa sellaisessa tilanteessa, kun vauhtia on vähän mutta kuorma on raskas, moottori kuumenee paljon mutta vauhti ei nouse niin kovaksi, että ajoviima olisi riittävä jäähdyttämään nestettä. Siksi kennoston edessä voi olla tuuletin, joka alkaa pyöriä tarvittaessa ja tehostaa nesteen jäähtymistä.

Polttoaine ja pakokaasut

Oleellista moottorissa on tietysti vielä se, että ensinnäkin siihen tulee jostain yhtä ainetta ja toiseksi toista ainetta poistuu johonkin. Polttonestesäiliössä, eli tankissa, on se moottoriin kulkeutuva aine. Ilman polttoainetta ei liikkeen tuottamisesta tietenkään tulisi mitään. Polttoaine on polttomoottorin ravintoa! Polttoainetta ei kuitenkaan voi sellaisenaan päästää herkkiin sylintereihin, tai tarkemmin ruiskutussuuttimiin, koska polttoaineessa on pienhiukkasia ja vettä. Vettä siis päätyy polttoaineeseen, vaikka korkki olisi kuinka tiivis ja tankkaussää kuinka kuiva. Joka tapauksessa tästä syystä polttoaine suodattuu jo tankista lähtevän polttoaineletkun päässä olevan esisuodattimen ansiosta että erillisen polttoainesuodattimen ansiosta.

Pois moottorista taas kulkeutuvat pakokaasut. Palamisessahan syntyy pakokaasua, ja koska palaminen tapahtuu sylinterissä, on jo sylinterissä hetkellisesti pakokaasua. Ne pitää saada tietysti pois sylinteristä. Tällöin kuvioon astuu pakoventtiili. Se on siis avautuva ja sulkeutuva reikä sylinteriputken siinä päässä, jossa polttoaine syttyy ja sysää männän liikkeelle. Pakoventtiilin kautta polttoaineet pakenevat, siis poistuvat. Reikää sulkee ja availee nokka-akseli. Koska nokka-akseli on kytketty kiertokankeen, saadaan hyvällä osien muotoilulla pakoventtiilit aukenemaan ja sulkeutumaan erittäin täsmällisesti muiden sylinterin osien liikkeiden kanssa. Täten moottorin perustoiminnassa on ihailtava osien välinen sopusuhta.

Oikeastaan muutenkin moottori on perusajatuksen yksinkertaisuudessa mutta toisaalta sen perusajatuksen ympärille rakentuvan järjestelmän monimutkaisuudessa upea ihmisen taidonnäyte.

Kommentointi

Kommentit tarjoaa Disqus

Seuraava kirjoitus | Kaikki kirjoitukset | Edellinen kirjoitus

Kelvollista XHTML 1.0:aa Youtubeapks.fi Youtubessa Tilaa RSS-syöteTilaa RSS-syöte eXTReMe Tracker