Polttomoottori

Polttomoottori on moottori, jossa polttoaineen polttamisesta saatava energia muutetaan mekaaniseksi liikkeeksi.
Polttomoottoreita ovat mäntämoottorit ja kaasuturbiinit. Mäntämoottorissa laajeneva palamiskaasu työntää mäntää ja männän edestakainen liike muutetaan kiertokangen ja kampiakselin avulla käyttökelpoiseksi pyöriväksi liikkeeksi. Suihku- ja kaasuturbiinit perustuvat jatkuvaan palamiseen, jossa laajenevat palamiskaasut vaikuttavat turbiinisiivistön kautta pyörivään akseliin. Kemialliset rakettimoottorit ovat polttomoottoreita, joissa polttoaineen ja hapettimen palamisesta aiheutuvien palamiskaasujen virtaus luo työntövoiman.
Polttomoottorin polttoaineena voidaan käyttää nesteitä ja kaasuja. Yleisiä polttoaineita ovat öljyjalosteet kuten dieselöljy, bensiini, petroli, nestekaasu ja maakaasu. Nykyisin näiden lisäksi käytetään uusiutuvista raaka-aineista tehtyjä polttoaineita kuten etanoli, biodiesel ja biokaasu.
Polttomoottoreita voi muuttaa toimimaan toisella polttoaineella kuten vedyllä.
Historia.
Polttomoottoreiden kehitykseen vaikuttivat lukuisat henkilöt ennen ensimmäistä onnistunutta ratkaisua. Ennen polttomoottoreita Nicolas-Joseph Cugnot kehitti höyrykoneella toimivan auton. 
John Barber patentoi ensimmäisen kaasuturbiinin vuonna 1791 "hevosetonta vaunua" varten. Kaksitahtista mäntämoottoria ehdotti Philippe LeBon vuonna 1801.
François Isaac de Rivaz rakensi ensimmäisen vedyllä toimivan polttomoottorin vuonna 1806 ja oli pioneeri kipinäsytytyksen kehittämisessä. Jean-Joseph-Etienne Lenoir kehitti ensimmäisen kaupallisesti menestyksekkään kaasumoottorin 1858-1860 ja hän patentoi sytytystulpan. Lenoir rakensi moottoriaan käyttävän kulkuneuvon vuonna 1862 tai 1863. Lenoirin moottori ei käyttänyt puristusta, mutta hän teki kokeita Alfonse Beau de Rochasin vuonna 1862 patentoimalla nelitahtisella puristuksella. Nicolaus Otto näki matkoillaan Lenoirin moottorin ja yritti patentoida nestemäistä polttoainetta käyttävän kopion vuonna 1861. Otto ja Eugen Langen rakensivat oman ilmanpaineessa toimivan moottorinsa vuonna 1864, joka sai vuoden 1867 Pariisin maailmannäyttelyssä paremman vastaanoton kuin muut kaasumoottorit koska se toimi paremmalla hyötysuhteella. Vuonna 1876 Otto kehitti nelitahtisen ottomoottorin, jossa käytetty seoksen esipuristus mahdollisti merkittävän hyötysuhteen parannuksen 1880- ja 1890-luvuilla. Siegfried Marcus kehitti noin vuonna 1875 moottoriajoneuvon, joka oli mahdollisesti ensimmäinen auto, joka käytti nelitahtista bensiinimoottoria, jossa oli ensimmäinen kaasutin ja ensimmäinen magneettosytytys. Vuonna 1883 Edouard Delamare-Deboutteville ja Léon Malandin rakensivat polttomoottorin, joka perustui Nicolaus Otton kehittämään nelitahtimoottoriin. Vuodesta 1893 alkaen Rudolf Diesel rakensi prototyyppejä ja vuonna 1897 sai valmiiksi dieselmoottorin, jonka hyötysuhde oli yli kaksi kertaa parempi kuin Otton moottori. Gottlieb Daimler sai patentin ahdinjärjestelmälle vuonna 1885 ja Diesel pohti sen käyttöä omassa moottorissaan. Alfred Büchi patentoi turboahdetun moottorin vuonna 1905. 
EU:ssa suunniteltiin uusien polttomoottoriautojen myynnin täyskieltoa vuodesta 2035 alkaen, jolloin vain sähköakkua tai polttokennoa käytettävien uusien autojen myynti olisi sallittua. EU kuitenkin muutti linjaa sallimaan synteettisiä polttoaineita, jotka ovat hiilineutraaleja myös kun niitä käytetään polttomoottoreissa.
Mäntämoottori.
Mäntämoottoreissa polttoaineen palamisen synnyttämä paine muutetaan sylintereissä liikkuvien mäntien avulla mekaaniseksi energiaksi. Mäntämoottorit voidaan luokitella monella tavalla:
Kaksi- ja nelitahtimoottori.
Mäntämoottorit käyttävät yleisesti joko kahta tai neljää tahtia. Polttoaineena käytetään yleisesti bensiiniä tai dieseliä.
Kaksitahtisia dieselmoottoreita käytetään esimerkiksi laivoissa ja kaksitahtisia bensiinimoottoreita käytetään nykyään muun muassa mopoissa, skoottereissa ja moottorisahoissa.
Bensiini- ja dieselmoottori.
Kaksi nykyisin valmistettavien polttomoottorien päätyyppiä ovat kipinäsytytteinen bensiinimoottori ja puristyssytytteinen dieselmoottori. Näistä useimmat ovat nelitahtisia.
Merkittävin ero moottorityypeissä on sytytysratkaisu: dieselmoottorissa polttoaineen puristus aiheuttaa sytytyksen kun taas bensiinimoottoreissa käytetään yleensä kipinäsytytystä sytytystulpan avulla.
Puristussytytteinen "dieselmoottori" on saanut nimensä Rudolf Dieselin mukaan. Kipinäsytytteinen nelitahtinen "ottomoottori" sai nimensä Nikolaus Otton mukaan. 
Moottorin sylinteriin syötetään polttoaineen ja ilman seosta. Bensiinimoottorissa seos sytytetään kipinällä kun taas dieselmoottorissa seos syttyy puristuksen vaikutuksesta. Seoksen erittäin nopea palaminen aiheuttaa palotilaan paineen joka työntää mäntää kohti kampiakselia. Männän liike työntää kiertokankea, mikä pakottaa kampiakselin pyörimisliikkeeseen.
Dieselmoottorissa nestemäinen polttoaine ruiskutetaan hieman ennen tarkoitettua syttymishetkeä kuumaa ilmaa sisältävään palotilaan, jolloin polttoaine höyrystyy ja sekoittuu kuumaan ja paineistettuun ilmaan. Ilman kuumuus ja paine sytyttävät polttoaineen ja paine sylinterissä nousee nopeasti. Tästä johtuu dieselin hieman nakuttava käyntiääni. Dieselprosessin suurimpana vahvuutena ottoprosessiin verrattuna voidaan pitää verraten pieniä pumppaushäviöitä osakuormituksilla. Dieselmoottoria voidaan ajaa ja ajetaan ilmaylimäärällä, jolloin osakuormituksilla pumppaushäviöitä aiheuttavia ja ilman määrää rajoittavia kuristuksia ei imuputkistoissa tarvita. Ottomoottorissa taas ilma/polttoaine-suhde on pidettävä hyvin lähellä stoikiometrista muutoin aiheutuvien ongelmien vuoksi.
Nykyaikaisissa ottomoottoreissa pumppaushäviöitä pienennetään käyttämällä polttoaineen suoraruiskutusta. Kun sytytystulpan ympärille suihkutetaan syttymiskelpoinen seos, voi sylinterissä olla ilmaylimäärä, jolloin ilman määrää ei tarvitse rajoittaa kaasuläpän avulla, mikä pienentää pumppaushäviöitä.
Muita ratkaisuja ovat muun muassa Miller-sykli ja Atkinson-sykli (Atkinsonmoottori). Otto-sykliin verrattuna Atkinson-syklissä imuventtiilit ovat auki pidempään, jolloin osa polttoaineseoksesta syötetään takaisin imusarjaan ja puristustahdin alku muuttuu. Tällöin työtahti on pidempi ja seoksesta saadaan hyödynnettyä enemmän energiaa. Lisäksi puristuksessa ei menetetä yhtä paljoa energiaa. Miller-sykli toimii Atkinson-syklin tavoin, mutta vaatii ahtimen käyttöä seoksen tiheyden nostamiseen ja kompensoi tällä Atkinson-syklin pienempää tehoa.
Polttoaineen mukaan.
Eri polttoaineilla on valta-asema tietyissä käyttökohteissa. Autojen polttomoottoreissa käytetään usein dieseliä tai bensiiniä, mopot ja skootterit käyttävät pääasiassa bensiiniä ja traktorit käyttävät polttoöljyä. Laivat ja voimalaitokset voivat käyttää esimerkiksi polttoöljyä tai nestekaasua. Muita polttoaineita ovat muun muassa propaani, etanoli ja vety.
Käytetty polttoaine vaikuttaa myös muuhun tekniikkaan kuten sytytysjärjestelmään ja polttoaineen syöttöjärjestelmään sekä seoksen muodostamiseen.
Moottorin komponentit.
Luettelo tyypillisen ajoneuvomäntämoottorin peruskomponenteista:
Moottorin poltto- ja voiteluaineet.
Moottorissa on öljypumppu, jonka tehtävä on kierrättää moottoriöljyä moottorissa voidellen, puhdistaen ja jäähdyttäen sen komponentteja. Öljy kiertää öljynsuodattimen läpi, jolloin se suodattaa öljystä kiinteät ainekset, kuten metallien kulumahiukkaset, palamisjäänteet ja pölyn. Näin ollen öljyn toimintakyky säilyy huoltovälin aikana. Tästä syystä öljyn ja öljynsuodattimen vaihto säännöllisin väliajoin on moottorille elintärkeää.
Voiteluaineen käyttötarkoitus on koneen liikkuvien osien kitkan pienentäminen. Käytettävä voiteluaine riippuu voitelukohteesta ja ympäristöolosuhteista.
Moottoreissa käytetään polttoaineina dieselöljyä, bensiiniä, biopolttoainetta ja maakaasua.
Ahtaminen.
Moottorin teho on suoraan verrannollinen moottorin ilmankäyttöön mz, koska käytetty ilmamassa on suoraan verrannollinen sylinterissä olevan ilman tiheyteen. Näin ollen moottorin tehoa voidaan nostaa ahtimen avulla.
Ahtimet jaetaan mekaanisiin- ja pakokaasuahtimiin.
Mekaanisessa ahtimessa ahdin saa käyttövoimansa suoraan moottorin kampiakselista. Ahtimen päällekytkemiseen käytetään useimmiten mekaanisia tai sähkömagneettisia kytkimiä. Mekaanisen ahtimen etuja ovat: suhteellisen yksinkertaiset ahdintyypit moottorin "kylmällä puolella". Moottorin pakoputkistoon ei tarvitse tehdä muutoksia. Ahdin reagoi herkästi ja ilman viiveitä kuormitusmuutoksiin. Haittana on polttoainekulutuksen nousu, koska ahdinteho otetaan suoraan moottorin akselilta.
Pakokaasuahtimen käyttöenergia otetaan moottorin pakokaasusta. Pakokaasuahtimia ovat turboahdin ja harvinaisempi paineaaltoahdin. Turboahtimessa pakokaasuenergia muutetaan turbiinilla mekaaniseksi energiaksi ja pakokaasuturbiinin pyörittämä virtausahdin esipuristaa uuden sylinterilatauksen. Pakokaasuturbiinin ja virtausahtimen yhdistelmää kutsutaan turboahtimeksi. Pakokaasuahtimen etuja: huomattava ominaistehon ja tilavuustehon lisäys, hyvä vääntömomenttikuvaaja käyttökierrosnopeusalueella, selvä polttoaineen kulutuksen aleneminen vastaavan tehoisiin vapaasti hengittäviin moottoreihin verrattuna ja pakokaasun puhtauden parantaminen. Pakokaasuahtimen haittoja: ahtimen sijoittaminen moottorin kuumalla puolelle edellyttää lämpöä kestävien komponenttien käyttöä, ahtimen ja välijäähdyttimen tilantarve ja rakennemuutokset ja turboahtimen tapauksessa huono perusvääntömomentti alhaisilla kierroksilla.
Päästöt.
Polttomoottorilla varustetut autot saavat liikkumiseen tarvittavan energian kiinteän, nestemäisen tai kaasumaisen polttoaineen kemiallisesta energiasta. Polttoaineen palamisessa syntyy pakokaasuja, joiden haittoja ovat mm. näkyvyyttä haittaava savusumu sekä ihmisen terveyteen ja luontoon vaikuttavat päästöyhdisteet. Nykyään polttomoottoreiden päästöjä rajoitetaan erilaisilla määräyksillä suuremmassa osassa maailmaa. Euroopassa päästömääräyksiä on tiukennettu asteittain viime vuosikymmenien aikana. Henkilöautoissa bensiini- ja dieselmoottoreille on omat määräyksensä, joiden tiukkeneminen vähentää päästöjä ja tuo uusiin autoihin entistä monimutkaisempaa tekniikkaa. Hengitysilman laatua pilaavia päästöjä ovat typenoksidit (NOx), hiukkaspäästöt (PM), häkä eli hiilimonoksidi (CO) sekä hiilivedyt (HC). Näille päästöille on asetettu raja-arvot joita autot eivät saa ylittää päästömittaussykliä ajettaessa. Bensiinikäyttöisissä autoissa katalysaattorit ovat vähentäneet hiukkaspäästöjä ja muitakin säänneltyjä päästöjä huomattavasti. Dieselmoottoreiden hiukkaspäästöjä on vähennetty polttoaineita ja moottoritekniikkaa kehittämällä ja pakokaasuja edelleen puhdistavat hiukkassuodattimet ovat yleistyneet.
Suihkumoottori.
Suihkumoottoreissa työntövoima tuotetaan kiihdyttämällä massaa moottorin sisällä. Moottorin sisään ahdettu ilma päätyy polttokammioon, jossa polttoaine sekoitetaan ilmaan. Palokaasut pyörittävät polttokammion takana olevaa turbiinia, joka on samalla akselilla kuin ahdin. Turbiinin jälkeen palokaasut poistuvat suihkuputken kautta suurella nopeudella ulos.
Rakettimoottori.
Useimmat rakettimoottorit ovat polttomoottoreita, niiden lisäksi on olemassa mm. ydinpropulsiomoottoreita, joita on vain testattu sekä ionimoottoreita, joiden työntövoiman tuotantokyky on rajallinen. Nk. kemialliset rakettimoottorit tuottavat työntövoiman kiihdyttämällä suuttimessa raketista poistuvia kuumia ja korkeapaineisia palamiskaasuja, jotka on yleensä aikaansaatu polttamalla polttoainetta hapettimella, jotka molemmat kuljetetaan raketin mukana. Tämä mahdollistaa raketin toiminnan avaruuden tyhjiössä.