ajoneuvon käyttövoima saadaan yleensä moottoreilla, jotka tunnetaan myös nimellä prime movers, eli mekaanisilla laitteilla, joilla voidaan muuntaa polttoaineen kemiallinen energia mekaaniseksi energiaksi. Muuten, Englanti termi ”engine”, on todennäköisesti peräisin ranskaksi vanhan ranskan sana” engin”, joka vuorostaan uskotaan tulevan latinan” ingenium ”(jakaa saman juuri” ingénieur ”tai”insinööri”).
polttoaineen kemiallinen energia muutetaan ensin polttamalla lämmöksi, minkä jälkeen lämpö muutetaan mekaaniseksi työvälineen avulla. Tämä työväline voi olla neste tai kaasu. Palamisen tuottama lämpö nimittäin lisää sen painetta tai sen ominaismäärää, ja sen laajenemisen ansiosta saadaan mekaanista työtä.
polttomoottoreissa (jää) palamistuotteet (esim. ilma ja polttoaine) itse käytetään työvälineenä, kun taas ulkoisissa polttomoottoreissa palamistuotteet siirtävät lämpöä eri työvälineeseen lämmönvaihtimen avulla. Lisäksi siinä missä jäissä palaminen tapahtuu sylinterin sisällä, ulkoisissa polttomoottoreissa palaminen saadaan erillisessä kammiossa, jota yleensä kutsutaan polttimoksi.
koska jään palamisprosessi muuttaa työskentelyaineen ominaisuuksia, syklinen toiminta voidaan saavuttaa vain vaihtamalla itse työväliaine määräajoin, eli avoimen syklin avulla. Jään termillä ”sykli” tarkoitetaan siis Moottorin käyttöjaksoa, joka on vaihdettava määräajoin, eikä käyttönesteen termodynaamista jaksoa. Polttoaineiden ominaisuuksien on oltava yhteensopivia jään toiminnan kanssa, mikä tarkoittaa, että niiden palamistuotteiden on mahdollistettava niiden käyttö väliaineena (esimerkiksi palaminen ei saa muodostaa tuhkaa kuten savupiipussa, mikä aiheuttaisi Moottorin mekanismin tarttumisen).
polttomoottori
Mäntäpolttomoottorit valitaan yleensä maakulkuneuvojen käyttövoimaksi joitakin poikkeuksia lukuun ottamatta (raitioteiden, vaunubussien tai sähköautojen sähkömoottorit) johtuen niiden suotuisasta tehotiheydestä ja suhteellisen alhaisista valmistus-ja huoltokustannuksista (verrattuna esimerkiksi kaasuturbiineihin).
mäntäjäässä männän liike sylinteriin, jonka vastakkaisesta päästä sylinterinkanta sulkee, saa aikaan sylinteritilavuuden syklisen vaihtelun. Mäntä on kytketty tankoon ja kampi akseliin, jonka tasainen pyöriminen aiheuttaa syklisen männän liikkeen kahden ääriasennon, ylimmän kuolleen Keskuksen (TDC, lähimpänä sylinterinkantta) ja alimman kuolleen Keskuksen (BDC, suurin etäisyys sylinterinkannesta) välillä. Nämä kaksi asentoa vastaavat vähimmäissylinteritilavuutta (välyksen tilavuus, Vc) ja suurinta sylinteritilavuutta (kokonaistilavuus, Vt). Max-ja min-tilavuuden eroa kutsutaan pyyhkäisytilavuudeksi tai sylinterin iskutilavuudeksi ja sitä kutsutaan Vd: ksi. Ja lopuksi, suhde max ja min tilavuus kutsutaan puristussuhde (RC).
jääluokitus
polttomoottorit voidaan luokitella eri luokkiin. Kaksi tärkeintä perustuvat palamisprosessiin (kipinäsytytys vs. puristussytytys) ja työkiertoon (2 iskua vs. 4 iskua). Lisäluokitus voi perustua ilmanottoon (luonnollisesti hengittävä tai turboahdettu), polttoaineen syöttöön (epäsuora tai suora ruiskutus) ja jäähdytysjärjestelmään (ilmajäähdytteinen tai vesijäähdytteinen). Tässä artikkelissa esitellään vain erot polttoprosessien välillä.
kipinäsytytys ja puristussytytys
kipinäsytytys
kipinäsytytysmoottoreissa käytetään suhteellisen heikosti reaktiivisia polttoaineita, kuten bensiiniä, paineistettua maakaasua (CNG) tai nestekaasua (GPL). Tällaiset polttoaineet sekoitetaan ilman kanssa palavaksi homogeeniseksi ilma-polttoaineseokseksi, minkä jälkeen ne puristetaan moottoriin noin 700 K (400 °C) asteen lämpötilaan ja noin 20 baarin paineeseen ilman itsesyttymistä.
tämä käyttäytyminen voidaan selittää polttoainemolekyylin ominaisuuksien perusteella: Kipinäsytytysmoottoreissa (SI) käytettävät hiilivetypolttoaineet on valmistettu lyhytketjuisista, jäykistä ja tiiviistä rakenteellisista molekyyleistä (kuten CNG: n CH4 tai bensiinin iso-oktaaninen C8H18), joiden palamisprosessin käynnistämiseen tarvitaan melko pitkä aika korkeissakin lämpötiloissa ja paineissa. Tätä käsitettä ei kuitenkaan pidä sekoittaa nestemäisen polttoaineen kykyyn haihtua huoneenlämmössä ja muodostaa palavaa seosta ilmassa. Tämä ominaisuus on korkea bensiinin kanssa ja määrittää räjähdysvaaran, jos syttymislähde on säädetty.
SI-moottoreissa palamisprosessi voidaan siis aloittaa vain (ainakin klassisessa palamisessa) ulkoisella energianlähteellä, kuten sähkökipinällä. Sähköpurkauksen seokseen lisäämä energia on pieni (noin 10 MJ magnitudia), mutta joka tapauksessa välttämätön palamisprosessin aloittamiseksi.
kipinän sytyttämästä ensimmäisestä ytimestä palaminen leviää sitten seoksen läpi: kerros kerrokselta liekkirintama kulkee kammion läpi pääasiassa palokaasujen ja tuoreen seoksen välisen konvektiivisen lämmönvaihdon ansiosta, kunnes saavutetaan viimeiset alueet (ns. ”loppukaasu”), jotka ovat kaukana kipinästä.
liekin etunopeus on noin 20-40 m / s, ja se kasvaa huomattavasti seoksen sisällä olevan turbulenssin myötä (turbulenssi lisää tuoreen ja poltetun kaasun välistä pinta-alaa, jolloin lämmönvaihto kasvaa ja liekin etenemisnopeus kasvaa). Koska turbulenssin voimakkuus kasvaa moottorin kierrosnopeuden myötä ja liekin etunopeus on verrannollinen turbulenssin intensiteettiin, liekin etunopeus kasvaa moottorin kierrosnopeuden myötä, mikä kompensoi palamiseen käytettävissä olevan ajan lyhenemistä. Tämän ansiosta SI-Moottoreille ei ole polttamisen kannalta juuri mitään moottorin kierrosnopeuden rajoitusta (Formula 1-moottori voi käydä jopa 20 000 kierrosta minuutissa).
ilma/polttoaine-seos voi kuitenkin lopulta syttyä itsestään, kun sitä säilytetään korkeissa lämpötiloissa ja paineissa pitkään. Tästä syystä epänormaali palaminen voi tapahtua, kun päätykaasuauto syttyy spontaanisti Ennen liekkirintaman saapumista. Tämä epänormaali palaminen aiheuttaa sylinterin paineen äkillisen nousun, jota seuraavat palotilan sisällä olevat paineaallot, jotka välittyvät Moottorin rakenteen kautta ympäristöön. Tätä kutsutaan ”Knockiksi” ja se voi aiheuttaa vaurioita männälle ja sylinterille lämpöväsymysjännitysten vuoksi. Koputuksen välttämiseksi SI-Moottorin on noudatettava useita rajoituksia, jotka koskevat liekin enimmäispituutta (joka rajoittaa sylinterin enimmäishalkaisijan, jota kutsutaan bore: ksi, noin 100 mm: iin) ja päätykaasun suurinta sallittua lämpötilaa ja painetta (jotka rajoittavat sekä puristussuhdetta että ahtopainetta).
lisäksi liekin nopeuden korkeat arvot voidaan saavuttaa vain, jos ilman ja polttoaineen suhde on melko lähellä stoikiometristä suhdetta:siksi, kun SI-moottoria on käytettävä osakuormalla, on mahdotonta vähentää vain polttoainetta säilyttäen samalla ilmamassan muuttumattomana sylinteriin. Tämän jälkeen kuorman ohjaukseen tarvitaan ilmamassavirran vähentämiseen tarkoitettu laite (imukaasu valitaan usein), vaikka se aiheuttaisi hyötysuhdeseuraamuksia osakuormalla.
Stoikiometria määritellään pisteeksi, jossa seoksessa kaikki happi kuluu ja kaikki polttoaine poltetaan. Bensiinin osalta massan antama suhde on 14,7: 1 (14,7 grammaa ilmaa 1 grammaan polttoainetta).
puristussytytys
käytettäessä polttoaineita, joilla on suurempi reaktiivisuus, kuten dieseliä, niitä ei voida sekoittaa ilmaan ja puristaa sylinteriin, koska muuten palamisprosessi käynnistyisi spontaanisti puristusvoiman aikana. Dieselpolttoaine on nimittäin hiilivetyjen sekoitus, jota voi edustaa setaani, C16H34, jolla on pitkä suoraketjuinen molekyyli, jossa hapetusprosessin alustavat reaktiot etenevät melko nopeasti korkeissa lämpötiloissa ja paineissa.
näin ollen dieselpolttoaine ruiskutetaan korkeapaineisena nestesuihkuna jo paineilmaan juuri ennen haluttua palamisen alkua (jos kyseessä on klassinen dieselpoltto). Pienet polttoainepisarat (halkaisijaltaan noin 10 µm), joita ympäröi kuuma paineilma (noin 900 K), haihtuvat nopeasti ja palamisprosessi alkaa spontaanisti erittäin lyhyellä syttymisviiveellä.
toisin kuin SI-moottoreissa, dieselmoottorin polttoprosessi ei pysty itse säätämään ominaisuuksiaan käytettävissä olevaan palamisaikaan, joka liittyy moottorin kierrosnopeuden kasvuun (eli polttoaineen haihtumiseen, sekoittumiseen ja syttymisviiveeseen vaadittu aika ei pienene moottorin kierrosnopeuden kasvaessa). Tämän vuoksi näitä moottoreita ei voida käyttää yli 5000 rpm: n kierrosnopeuksilla.
lopuksi, toisin kuin SI-moottoreissa, tällaiselle palamiselle ei ole tiukkoja vaatimuksia ilman ja polttoaineen suhteen. Osakuormalla ruiskutetun polttoaineen määrä pienenee samalla kun induktioilmamäärä pysyy samana, ilman kuristuslaitteen tarvetta ja sen jälkeen ilman lisähäviöitä.
lähde: Prof. Federico Millo, Politecnico di Torino
Romain Nicolasin mielipide:
kaksi yleisintä palamistyyppiä (kipinäsytytys ja puristussytytys) tunnetaan nykyään jo pitkään ja ne on hallittu hyvin. Olemme kuitenkin saavuttamassa näiden prosessien rajat, kun standardien asettamat saasteiden ja polttoaineenkulutuksen raja-arvot alenevat koko ajan. Näiden standardien saavuttaminen tulee yhä kalliimmaksi, ja joitakin vaihtoehtoisia polttoprosesseja ja moottoriarkkitehtuureja testataan laboratorioissa ja tutkimuskeskuksissa. Luuletteko, että kipinäsytytys-ja puristussytytysmoottorit, sellaisina kuin ne nykyään tunnemme, korvataan joillakin vaihtoehtoisilla ratkaisuilla, kuten CAI, PCCI, monipolttoainepoltto tai muilla?