Tulta ja turbulenssia

P olttomoottori on pohjimmiltaan lämpövoimakone, jonka palamisprosessia pyritään säätelemään yhä tarkemmin. Nykyisten moottorien diesel- tai ottomoottoriprosessit ovat pitkän optimoinnin tulos, ja työ jatkuu edelleen.

Perinteisessä ottomoottorissa polttoaine suihkutetaan jo imusarjaan, jolloin se ehtii höyrystyä ja sekoittua kohtalaisen tasaiseksi seokseksi ilman kanssa.

Polttoaineen palamisen kemiallisista reaktioyhtälöistä määräytyy, kuinka paljon ilmaa tarvitaan esimerkiksi kilogramman polttoainemäärän polttamiseen. Kun ilmaa on tarkalleen polttoaineen palamiseen tarvittava määrä, puhutaan stökiömetrisestä seoksesta. Tällaisen seoksen ilmakerroin on tasan yksi.

Kun ilmaa on palamisen tarpeeseen nähden ylimäärä, seosta kutsutaan laihaksi ja ilmakerroin on yli yhden. Vastaavasti rikkaassa seoksessa ilmakerroin on alle yhden. Ilmakertoimen symboli on kreikkalainen lambda, mistä juontuu myös pakokaasun jäännöshappipitoisuutta mittaavan lambda-anturin nimi.

Palotapahtuma

Polttoaine–ilmaseos sytytetään palotilassa sähkökipinällä, ja palorintama lähtee etenemään sytytystulpalta ilman pyörteilyn mukana. Poikkeustilanteissa palamisnopeus saattaa nousta liian suureksi, tai seos syttyy samaan aikaan useammasta kohdasta. Tällöin muodostuvat paineiskut alkavat vaurioittaa moottoria, ja paineiskut kuuluvat myös äänenä – moottori nakuttaa.

Vailla imuilman pyörteilyä moottorien toiminta olisi olematonta. Normaalissa kipinäsytytteisessä ottomoottorissa liekkirintama ei turbulenssin puuttuessa ehtisi työtahdin aikana juuri muutamaa milliä kauemmas tulpan kärjestä.

Stökiömetrisellä seoksella ajettavan ottomoottorin imuvirtausta joudutaan kuristamaan tehon tarpeen mukaan, mikä aiheuttaa pumppaushäviöiksi kutsuttaja painehäviöitä. Ilman kuristusta moottori pyörisi niin suurella pyörintänopeudella kuin se vain kuormituksensa puolesta pystyisi.

Uusissa moottoreissa sylinterin täytös eli sylintereihin päästetyn polttoaine­seoksen määrä toimii keskeisimpänä säätösuureena, joka lasketaan momentintarpeesta. Sytytyksen säädöllä pyritään saavuttamaan kullakin pyörintänopeudella suurin mahdollinen vääntömomentti.

Suorasuihkutus

Polttoainetta ei tarvitse välttämättä syöttää epäsuorasti imusarjaan, vaan se voidaan suihkuttaa suoraan sylinteriin. Nykyisin tällä tavoitellaan lähinnä parempaa polttoainetaloutta, sillä suorasuihkutuksen avulla voidaan käyttää laihempaa seosta kuin imusarjasuihkutuksessa.

Suorasuihkutteisissa ottomoottoreissa käytetään niin sanottua kerrossyöttöä, jotta sytytystulpan kohdalle saataisiin riittävän rikas ja siten syttymiskelpoinen seos. Mitä laihemmaksi seos sytytystulpan läheisyydessä käy, sitä suurempienerginen kipinä syttymiseen vaaditaan, eikä seos lopulta syty lainkaan.

Kerrossyötössä sylinterin sisäinen virtauskenttä tulee tuntea hyvin. Polttoainesuihkun täytyy olla läpi moottorin toiminta-alueen vakaa, ja sytytysjärjestelmän pitää olla tehokas. Kerrossyöttöä käytettäessä ilman ja polttoaineen sekoittumiselle on paljon vähemmän aikaa kuin imusarjasuihkutuksessa.

Päästöjen hallinta

Tehokkaan palamisen myötä palotapahtuman huippulämpötila nousee, jolloin typen oksideja muodostuu runsaasti. Kun palamislämpötilaa lasketaan esimerkiksi pakokaasun takaisinkierrätyksellä, typen oksidien muodostus saadaan alas, mutta toisaalta nokihiukkasten muodostus alkaa vaivata.

Perinteisen, imusarjasuihkutteisen ottomoottorin kannalta päästökuvion ratkaisu on ollut kohtalaisen yksinkertainen. Typen oksidit on pelkistetty kolmitoimikatalysaattorilla typpikaasuksi, eikä hiukkasista ole ollut korkean palamislämpötilan takia murhetta.

Suorasuihkutus tuo mukanaan ongelmia sekä typenoksidien että hiukkasten osalta. Koska suorasuihkutusmoottori toimii laihaseosalueella, pakokaasussa on liikaa jäännöshappea kolmitoimikatalysaattorin kannalta, eikä se pysty pelkistämään typen oksideja.

Tämän takia käytetään katalysaattoria, joka kerää typenoksidit talteen laihaseoskäytön ajaksi. Kun moottoria kuormitetaan raskaammin, seosta rikastetaan ensin ilmasuhteeseen yksi ja täyden tehon alueella jopa hiukan rikkaan seoksen puolelle.

Seoksen rikastaminen täydellä kuormituksella suojaa moottoria nakutukselta ja toisaalta mahdollistaa varaavan katalysaattorin tyhjentämisen. Hiukkasten osalta tilanne on huonompi, sillä dieselmoottoreista poiketen suorasuihkutteisissa ottomoottoreissa ei ole hiukkassuodattimia. Tähänkin voi toki tulla muutos, jos päästörajat tiukentuvat.

Reilu sata vuotta kehitetty ottomoottori ei ole vielä valmis. Kuten tämänkin vuoden talvivertailu (TM 4/15) osoitti, moottorin imemästä energiasta vain reilu kymmenen prosenttia päätyy auton liikuttamiseen.