Moottori sai supervoimat räjähtävästä kaasusta

200 vuoden insinööritaito huipentui maailman suurimmassa moottorissa. Vaikka uudet sähkökäyttöiset liikennevälineet yleistyvät, kaikki kuljetustavat mullistanut polttomoottori puolustaa vielä paikkaansa.

200 vuoden insinööritaito huipentui maailman suurimmassa moottorissa. Vaikka uudet sähkökäyttöiset liikennevälineet yleistyvät, kaikki kuljetustavat mullistanut polttomoottori puolustaa vielä paikkaansa.

WIN GD

Erikoinen ajoneuvo lähti vuonna 1863 mennä päristämään Pariisista esikaupunkialueella sijaitsevaan Joinville-le-Pontiin. Testattava hippomobiili muistutti kolmipyöräisiä hevosvaunuja, vaikka vetojuhta puuttui. Sen sijaan ajoneuvo oli varustettu yksisylinterisellä polttomoottorilla, jonka ranskalainen Étienne Lenoir oli suunnitellut.

Vain 11 kilometriä pitkään matkaan kului kolme tuntia, mutta koeajo oli käänteentekevä tapaus tekniikan ja kuljetusten historiassa. Lenoir oli onnistunut ensimmäisenä rakentamaan toimivan kaasumoottorin, eikä se jäänyt ainoaksi kappaleeksi. Tuote oli hyvä, ja sitä valmistettiin useita kappaleita. Moottori ennakoi maailmanlaajuista kuljetusten ja teollisuuden mullistusta.

Useita metrejä korkeat koneet, joiden teho oli vain muutama hassu hevosvoima, korvautuivat kompakteilla polttomoottoreilla, joiden suorituskyky oli aivan omassa luokassaan. Nykyään polttomoottorit jylläävät maalla, merellä ja ilmassa autoista ja laivoista lentokoneisiin ja helikoptereihin.

Hippomobiili-Lenoir

Étienne Lenoir esitteli polttomoottoriaan hippomobiililla, joka teki koejon alle 4 kilometrin tuntinopeudella.

© DR

Moottoreita kehittävien insinöörien mahtavin voimannäyte on konttialuksiin suunniteltu Wärtsilä RT-flex96C. 2 300 tonnia painava 114 800 hevosvoiman polttomoottori kuljettaa valtavia rahtialuksia maailman merillä. Nykyaikainen polttomoottori on lukemattomien rakennekokeiden ja muun muassa kivihiilellä, ruudilla, vedyllä ja bensiinillä tehtyjen polttoainetestien huipentuma.

Hiilipöly ja hartsi polttoaineena

Vielä pitkään 1800-luvulla useimmat ihmiset kävivät asioilla kävellen tai hevosen kyyditsemänä, olipa matka sitten kuinka pitkä tahansa.

Höyrykoneita alettiin käyttää laivoissa, vetureissa ja tehtaissa, ja teollinen vallankumous pääsi täyteen vauhtiin. Tehokasta polttomoottoria ei kuitenkaan ollut vielä näköpiirissä.

Sellaiset keksijät kuin Lenoir olivat hyvin tietoisia höyrykoneen puutteista, kuten huonosta hyötysuhteesta, jonka takia voimakoneista piti tehdä epäkäytännöllisen suuria. Jo vuonna 1807 ranskalaisveljekset Nicéphore ja Claude Niépce suunnittelivat uudenlaisen moottorin prototyypin, jota pidetään varhaisena polttomoottorina.

Francois-Isaac-de-Rivaz-moottori-vety
© Henri Michelet

Rivaz käytti vetyä koneessaan

Ranskalainen keksijä François Isaac de Rivaz (1752–1828) kehitti vuonna 1807 vetyä polttavan moottorin, jossa sytytystulppa sytytti kaasun. Ensimmäisiin toimiviin polttomoottoreihin kuuluva malli ei päässyt koskaan tuotantoon.

Étienne-Lenoir-moottori-vety-hiilikaasu
© E. Thomas

Lenoir teki moottorin myyntiin

Ensimmäinen markkinoille tullut polttomoottori oli Étienne Lenoirin (1822–1900) kehittämä. Vuonna 1860 patentoitu malli toimi hiilikaasulla, ja sitä käytettiin ajoneuvon voimakoneena vuonna 1863 tehdyssä esittelyajossa.

nikolaus-otto-moottori-bensiini
© Unknown

Ottomoottori oli nelitahtinen

Ensimmäisen nelitahtimoottorin suunnitteli vuonna 1876 saksalainen Nikolaus Otto (1832–1891). Moottorissa toistuvat neljä toimintavaihetta eli tahtia: imu-, puristus-, työ- ja poistotahdit. Tämä moottorityyppi on nykyään yleisin autoissa.

rudolf-diesel-moottori
© Unknown

Diesel tehosti polttoaineen käyttöä

Rudolf Diesel (1858–1913) kehitti dieselmoottorin 1890-luvun alussa. Hän esitteli vuonna 1897 nelitahtisen dieselmoottorin, jonka teho oli 25 hevosvoimaa. Dieselmoottorin hyötysuhde on parempi kuin bensiinimoottorin, eikä siinä ole kipinäsytytystä.

Uudenlainen moottori ei kärsinyt höyrykoneen puutteista. Höyrykoneen toiminta perustuu siihen, että vettä höyrystetään kuumentamalla moottorin ulkopuolella ja vesihöyry johdetaan sylinteriin. Veljekset osoittivat, että kaasun voidaan antaa laajentua polton aikana itse sylinterissä ja liikuttaa polttomoottorin mäntää.

Toimintaperiaate oli tärkein tekijä siinä kehityksessä, joka johti voimakoneiden pienenemiseen ja tehostumiseen. Veljekset patentoivat Pyréolophore-nimisen hiilipölyä ja hartsia polttavan moottorinsa vuonna 1807 ja asensivat sen veneeseen. Moottoria ei kuitenkaan valmistettu koskaan myyntiin.

Kemiallisesta energiasta pyörimiseen

Polttomoottori toimii pohjimmiltaan muuttamalla polttoaineen kemiallista energiaa mekaaniseksi energiaksi. Polttoneste kaasuuntuu kammiossa – sylinterissä – ja sekoittuu happeen, ja seos sytytetään.

Poltto vapauttaa energiaa lämpönä, joka saa kaasun laajenemaan ja painamaan männän pohjaan sylinterissä. Kaasu jäähty, ja kun mäntä palaa alkukohtaan, tapahtumasarja alkaa alusta.

Polttomoottoria ei olisi saatu aikaan ilman kolmea merkittävää keksintöä. Ne vahvistivat ja pienensivät moottoria ja tekivät siitä samalla paljon höyrykonetta käytännöllisemmän.

polttomoottori-bensiini
© Shutterstock & Lotte Fredslund

1. Palaminen tapahtuu sylinterissä

Polttomoottori siirsi kaasun palamisen sylinteriin, jossa puristus nostaa lämpötilaa. Höyrykoneessa vesi höyrystettiin sylinterin ulkopuolella, minkä vuoksi kokonaisuudesta tuli epäkäytännöllisen suuri.

polttomoottori-bensiini
© Shutterstock & Lotte Fredslund

2. Venttiilit säätävät palamista

Jotta palaminen on mahdollista sylinterissä, läsnä pitää olla happea. Se johdetaan imuventtiilin kautta. Palamisen jälkeen pakokaasu poistuu sylinteristä pakoventtiilin päästämänä.

polttomoottori-bensiini
© Shutterstock & Lotte Fredslund

3. Uusilla polttoaineilla parempi lämpöarvo

Runsaasti energiaa sisältävät nesteet, kuten bensiini ja dieselöljy, tekivät mahdolliseksi muuttaa enemmän polttoaineen kemiallista energiaa lämmöksi ja edelleen pyöriä, potkureita ja turbiineja pyörittäväksi mekaaniseksi energiaksi.

Kampiakseli muuttaa moottorin jokaisen männän suoraviivaisen edestakaisen liikkeen kiertokankien välityksellä kiertoliikkeeksi samaan tapaan kuin pyöräilijän jalat polkevat pyörän polkimia. Kampiakselin tehtävä on siis saada auton pyörät, laivan potkuri tai lentokoneen moottorin turbiini pyörimään.

Tuumasta ei päästy toimeen

Vaikka toimintaperiaate on melko yksinkertainen, polttomoottorin kehitystyö kesti satoja vuosia.

Polttomoottoreita ideoitiin jo 1600-luvulla onnistumatta niiden rakentamisessa. Esimerkiksi kuuluisa alankomaalainen tähtitieteilijä, fyysikko ja matemaatikko Christiaan Huygens kehitti moottorityyppiä, joka olisi käyttänyt polttoaineena ruutia.

Vasta vuonna 1824 suunnittelijat saivat työnsä tueksi teoriaa, joka helpotti polttomoottorin toteuttamista käytännössä. Ranskalainen insinööri ja fyysikko Nicolas Léonard Sadi Carnot, jota pidetään yhtenä tärkeimmistä termodynamiikan pääsääntöjen määrittelijöistä, esitti tuolloin käsityksensä optimaalisesta lämpökoneesta eli keksimänsä Carnot'n kierron.

Ensimmäisten autonmoottoreiden teho oli kaksi hevosvoimaa.

Kaavojensa ja laskelmiensa pohjalta Carnot päätteli, että polttomoottorin hyötysuhde paranee sitä mukaa kuin polttoaineen kylmän ja kuuman vaiheen välinen ero kasvaa. Siten oli selvää, että kannatti kehittää moottoreita, joiden sylinterissä vallitsee korkeampi lämpötila kuin vesihöyryllä saavutettava 100 astetta. Toisin sanoen tarvittiin uusia, parempia polttoaineita.

Ottomoottori johti läpimurtoon

Kun Étienne Lenoir kaasutteli pitkin Pariisin teitä vuonna 1863, hippomobiilia kuljetti vetyä polttava moottori. Hänen kaasumoottoriaan voidaan pitää suurena menestyksenä, sillä sitä valmistettiin Euroopassa 500–1 500 kappaletta.

Nykymittapuun mukaan lenoirmoottori oli epätaloudellinen ja tehoton. 18 litran moottorin teho oli vaivaiset kaksi hevosvoimaa. Vertailun vuoksi mainittakoon, että tavalliset 1–2 litran autonmoottorit ovat nykyään teholtaan yleensä vähintään 100 hevosvoimaa.

Polttomoottori oli siis pakko nostaa seuraavalle tasolle, jotta siitä tuli oikeasti käyttökelpoinen. Tehtävään paneutunut saksalaisinsinööri Nikolaus Otto kehitti bensiinikäyttöisen moottorin toimintaperiaatteen, Oton kierron, jota sovelletaan myös moderneissa bensiinimoottoreissa.

Moottorin neljän tahdin aikana polttoaine ja ilma, joka otetaan venttiilin kautta, sekoittuvat sylinterissä, kun mäntä on alhaalla. Sitten mäntä nousee ja kaasuseos puristuu kokoon.

Kipinä sytyttää kaasun, ja kaasun laajeneminen painaa männän takaisin alas. Kun kaasu jäähtyy, mäntä nousee taas ja pakokaasu puristuu ulos sylinteristä toisen venttiilin kautta. Sen jälkeen tapahtumasarja toistuu.

Ottomoottorin erotti lenoirmoottorista kaasun puristaminen kokoon. Sen ansiosta saavutettiin korkeampi sylinterin lämpötila niin sanotun adiabaattisen prosessin myötä. Korkeampi lämpötila tehosti moottoria.

Ensimmäinen ottomoottori rakennettiin vuonna 1876, ja sitä myytiin seuraavien 17 vuoden aikana melkein 50 000 kappaletta. Autoteollisuuden pioneereihin kuuluvat saksalaisinsinöörit Gottlieb Daimler ja Wilhelm Maybach paransivat moottorin rakennetta 1880-luvulla muun muassa keksimällä kaasuttimen. Se mahdollisti Oton aluksi polttoaineena käyttämän hiilikaasun korvaamisen bensiinillä.

Kaksi vuosisataa kestänyt moottoritekniikan kehitys toi mukanaan – ensin höyrykoneen, sitten polttomoottorin siivittämiä – yhteiskunnallisia muutoksia. Konevoima alkoi jyllätä.

atmosfäärimoottori-polttomoottori
© Granger/Shutterstock/Ritzau Scanpix

1712: Pumput pitivät kaivoksen kuivana

Vuonna 1712 rakennetussa Newcomenin koneessa vesihöyry nosti mäntää sylinterissä. Kun höyry tiivistettiin ruiskuttamalla sisään vettä, mäntä laskeutui. Moottoria käytettiin yleensä kaivosten vesipumpuissa.

höyrykone-polttomoottori
© The Print Collector/Alamy/Ritzau Scanpix

1768: Höyry vauhditti teollistumista

James Watt teki höyrykoneesta tehokkaamman lisäämällä siihen ulkoisen lauhduttimen. Se vähensi merkittävästi sylinterin lämpöhäviötä. Wattin höyrykoneesta tuli teollisen vallankumouksen vertauskuva.

bensiinimoottori-polttomoottori
© SPL

1876: Bensiisi sai autot liikkeelle

Ensimmäinen bensiinikäyttöinen nelitahtinen polttomoottori oli sen kehittäjän Nikolaus Oton mukaan suunniteltava ennen kaikkea tehtaiden tarpeisiin, mutta hänen työnantajansa, Gottlieb Daimler, vaati tekemään siitä niin kompaktin, että se sopi ajoneuvoihin.

dieselmoottori-polttomoottori
© CC BY-SA 4.0

1897: Diesel antoi laivalle supervoimat

Rudolf Diesel totesi, että kaasu voi puristua kokoon sylinterissä niin paljon, että se syttyy ilman kipinää. Dieselmoottorin hyötysuhde on parempi kuin ottomoottorin, ja sitä käytetään muun muassa raskaissa kulkuneuvoissa kuorma-autoista laivoihin ja juniin.

Polttomoottorin kehittäjien viimeisiä suuria saavutuksia 1800-luvulla oli dieselmoottori, jonka Rudolf Diesel patentoi vuonna 1895.

Diesel osoitti, että poltettava kaasu syttyy ilman sytytystulpan tuottamaa kipinää, kun sitä puristetaan kokoon niin paljon, että adiabaattisen prosessin lämpö saa polttoaineen syttymään itsestään.

Dieselperiaatteen etuihin kuuluu se, että suurempi puristus ja siitä seuraava korkeampi palamislämpötila parantavat hyötysuhdetta. Aluksi dieselmoottoreita käytettiin enimmäkseen tehtaissa ja isoissa kulkuneuvoissa, kuten laivoissa, mutta myöhemmin ne yleistyivät myös henkilöautojen voimakoneina nimenomaan taloudellisuutensa vuoksi.

Moottorijätti on kaksitahtinen

Suurimmassa osassa laivoja on tätäkin nykyä dieselmoottori, eivätkä sen raskainta sarjaa edustavat konttialukset tee poikkeusta. Raa'alla voimalla mitattuna Wärtsilä RT-flex96C on polttomoottoreiden kehitystyön huipentuma.

Faktojen valossa moottori näyttää mitoiltaan ja suorituskyvyltään kolossilta. 14 sylinteriä, 114 800 hevosvoimaa ja noin 400 afrikannorsua vastaava paino antavat aavistaa, millainen järkäle 26,6 metriä pitkä dieselmoottori on.

Moottorijätin on rakentanut suomalaisyritys Wärtsilä, ja ensimmäisenä se asennettiin vuonna 2006 tanskalaisen laivanvarustamon 397 metriä pitkään Emma Mærsk -konttialukseen.

Kookkaita konttialuksia jopa 45 kilometrin tuntinopeudella kuljettavaa moottoria myytiin tuoreeltaan 500 kappaletta vuodessa.

emma-maersk-konttialus-moottori

Konttialus Emma Mærsk varustettiin ensimmäisenä maailman suurimmalla dieselmoottorilla, jonka teho on yli 100 000 hevosvoimaa ja joka kuljettaa alusta jopa 45 kilometrin tuntinopeudella.

© Maersk Line

Wärtsilä RT-flex96C on kaksitahtimoottori, eli sen työkierto koostuu kahdesta vaiheesta neljän sijasta. Kaksitahtimoottorissa polttoaine palaa aina, kun mäntä on ylhäällä, kun taas nelitahtimoottorissa palaminen tapahtuu vain joka toisella kerralla.

Kaksitahtimoottori on rakenteeltaan yksinkertaisempi, sillä se vaatii vähemmän liikkuvia osia kuin nelitahtimoottori. Etuihin kuuluu lisäksi suurempi teho eli hevosvoimamäärä suhteessa moottorin painoon.

Moottori taistelee painoa vastaan

Juuri painovoima oli pahin vastustaja, kun 2 300 tonnin painoista moottoria kehitettiin.

Varmistaakseen, ettei moottori luhistu omasta painostaan, insinöörit sovelsivat elementtimenetelmäksi kutsuttua monimutkaista tietokonelaskentaa mallintaessaan kolmiulotteisesti esimerkiksi sylinterisarjoja.

VIDEO: Näin monsterimoottori rakennettiin

Wärtsilä RT-flex96C on tähän mennessä äärimmäisin Lenoirin, Oton, Dieselin ja monen muun insinöörin 1800-luvulla alulle paneman kehityksen tulos. Polttomoottori saattaa kulkea vastaisuudessakin voitosta voittoon maalla, merellä ja ilmassa.

Esimerkiksi japanilainen autonvalmistaja Mazda pyrkii hyödyntämään dieselmoottorin parasta puolta – suurta puristussuhdetta – yhtiön uusissa bensiinimoottoreissa, joissa on niin sanottu kipinäohjauksinen puristussytytys. Mazdan mukaan tekniikka voi parantaa polttoainetaloudellisuutta 20–30 prosenttia verrattuna perinteisiin bensiinimoottoreihin.

Vaikka sähköautot ovat alkaneet viime aikoina yleistyä, polttomoottorille ei ole vielä julistettu kuolemantuomiota.