Nelitahtimoottori

Havainnekuva nelitahtimoottorin toimintaperiaatteesta. Toimintavaiheet ovat:
1. Imutahti
2. Puristustahti
3. Työtahti
4. Poistotahti

Nelitahtimoottori on lämpövoimakone, tarkemmin sanottuna polttomoottori, joka muuntaa polttoaineen palamisesta syntyvän lämpötehon pyörivän akselin vääntömomentiksi eli pyöriväksi tehoksi. Moottorin sisäisiä prosesseja voidaan kuvata termodynaamiseksi sykliksi (Otto- tai Diesel-sykli). Nelitahtimoottori vaatii neljä työvaihetta, joita kutsutaan "tahdeiksi" yhtä sykliä ("työkierto") kohden. Mäntämoottorissa tahti on liikettä, jonka aikana mäntä siirtyy liikeratansa yhdestä päätepisteestä toiseen. Nelitahtimoottorin kampiakseli pyörähtää puoli kierrosta yhden tahdin aikana.

26. lokakuuta 1860 itävaltalainen Christian Reithmann sai useita patentteja nelitahtimoottorille. Tästä riippumatta ranskalainen insinööri Alphonse Beau de Rochas kuvasi nelitahtisen prosessin vuonna 1861. Ottomoottorit ja dieselmoottorit eroavat toisistaan ​​seoksen muodostuksessa ja sytytysprosessissa. Molemmista on sekä neli- että kaksitahtisia versioita.

Kuinka nelitahtinen mäntämoottori toimii

1. Imutahti

Ensimmäisen tahdin alussa mäntä on yläkuolokohdassa (YKK). Pakoventtiili on kiinni ja imuventtiili avataan. Mäntä liikkuu kampiakselin suuntaan , palotila kasvaa. Männän liikkuessa alaspäin kaasuseosta tai ilmaa imetään sylinteriin imuventtiilin kautta . Moottoreissa, joissa on sisäinen seoksen muodostus , kuten dieselmoottoreissa tai bensiinimoottoreissa joissa on suorasuihkutus, imetään vain ilmaa. Ulkoisella seoksen muodostuksella, kuten kaasutinmoottoreissa tai moottoreissa joissa on imusarjasuihkutus, imetään sisään ilman ja sumutetun polttoaineen seosta. Kun mäntä saavuttaa alakuolokohdan, imuventtiili sulkeutuu ja ensimmäinen tahti päättyy.

Sylinterin täyttöastetta pystytään parantamaan pitämällä imuventtiili auki pidempään, jolloin männän jo liikkuessa taas ylöspäin kaasun virtaus vielä jatkuu imukanavassa olevan kaasun liike-energian vuoksi. Ihannetapauksessa venttiili sulkeutuu tarkalleen sillä hetkellä, kun kaasusos on pysähtynyt.

2. Puristustahti

Mäntä liikkuu takaisin yläkuolokohtaa kohti. Tätä varten tarvittava mekaaninen työ tulee vauhtipyörän pyörimisenergiasta tai monisylinteristen moottoreiden tapauksessa vauhtipyörästä ja toisen sylinterin työkierrosta. Sylinterissä oleva seos tai ilma puristetaan nyt murto-osaan sen alkuperäisestä tilavuudesta. Puristusaste riippuu moottorin tyypistä. Yli 10:1 puristussuhde on 2000-luvulta lähtien ollut bensiinimoottoreissa yleinen (ts. kaasuseos puristetaan alle kymmenesosaan sen alkuperäisestä tilavuudesta), dieselmoottoreissa 16–20:1. Puristus lämmittää seoksen bensiinimoottoreissa noin +450 Celsiusasteeseen ja dieselmoottoreissa ilman noin +650 Celsiusasteeseen. Vähän ennen kuin mäntä saavuttaa yläkuolokohdan, bensiinimoottorissa seos sytytetään kipinällä, dieselmoottorissa tapahtuu itsesyttyminen. Nykyaikaisissa tietokoneohjatuissa moottoreissa sytytyksen ja polttoaineen suorasuihkutuksen ajankohtaa ohjataan moottorin kuorman ja käyntinopeuden mukaan.

3. Työtahti

Palavan kaasuseoksen lämpötila saavuttaa lämpötilan 2200–2500 °C ja paine täydellä on kuormituksella jopa 120 baria. Mäntä liikkuu laajenevan palokaasun voimasta kohti alakuolokohtaa ja jäähtyy prosessin aikana. Hieman ennen alakuolokohtaa jäännöspaine on bensiinimoottorissa edelleen hieman alle 4 baria bensiinimoottorissa ja dieselmoottorissa hieman alle 3 baria. Pakoventtiili alkaa avautua.

4. Poistotahti

Kun mäntä ohittaa jälleen alakuolokohdan, pakokaasu työnnetään ulos sylinteristä männän ylöspäin suuntautuvalla liikkeellä. Poisto- eli pakotahdin lopussa tapahtuu niin kutsuttu overlapping eli venttiilien limitys. Siinä imuventtiili avautuu ennen kuin mäntä saavuttaa yläkuolokohdan ja ennen kuin pakoventtiili on sulkeutunut. Pakoventtiili sulkeutuu vasta pian sen jälkeen, kun mäntä on saavuttanut yläkuolokohdan.

Hyödyt ja haitat

Nelitahtisen moottorin edut ja haitat kaksitahtimoottoriin verrattuna ovat:

Edut

• Kaasunvaihto tapahtuu suurelta osin tilavuussiirtymän kautta ensimmäisessä ja neljännessä iskussa (poisto / imu) ja vain pienessä määrin kaasupylvään dynamiikan kautta venttiilien päällekkäisyyden aikana. Tämän seurauksena tuorekaasu ja pakokaasut erottuvat hyvin toisistaan ​​laajalla moottorin nopeusalueella, mikä vähentää polttoaineen kulutusta ja parantaa pakokaasupäästöjä.
• Suljettu öljypiiri painevoitelulla on vakiona, mikä tarkoittaa, että voiteluöljyn hävikki on erittäin pieni. Vain männän puristusrenkaiden voitelemiseen käytetty öljy häviää prosessissa. Nykyaikaisten moottoreiden valmistuslaadusta johtuen tämä voiteluöljyhäviö on hyvin pieni. Kaksitahtimoottoreita voidaan suunnitella myös suljetulla painekiertovoitelulla, mutta tämä toteutetaan yleensä vain monimutkaisissa suurissa moottoreissa.
• Lämpökuormalla on taipumus olla pienempi, koska palaminen tapahtuu vain joka toisella kampiakselin kierroksella.

Haitat

• Nelitahtisen mäntämoottorin pienempi tehotiheys. Syynä tähän on tyhjäkäynti: jokainen sylinteri tuottaa tehoiskun vain joka toisella kierroksella ja käy yhden kierroksen huuhtelupumppuna.
• Edellä mainittu seikka johtaa myös epätasaiseen vääntömomentin tuottoon.
• Nelitahtimoottoreilla on mekaanisesti monimutkaisempi rakenne kuin kaksitahtimoottoreilla. Vaikutus selittyy ohjatuilla venttiileillä ja lähes aina käytetyllä painekiertovoitelulla.
• Tämä johtaa myös korkeampiin tuotantokustannuksiin.

Tämän päivän käyttö

Vaikka nelitahtimoottorin konsepti on vanha, vielä 2020-luvun alussa se on auto- ja moottoripyöräteollisuudessa halllitseva voimanlähde. Myös kaksitahtisten moottorien vahvoilta alueilta löytyy nelitahtimoottoreita, mopojen, ruohonleikkureiden ja muiden pienien laitteiden 50-kuutioisista aina Honda GX25:n 25 kuutiosenttimetriin asti. Suurimmat nelitahtimoottorit ovat dieselmoottoreita, joiden iskutilavuus on jopa 50 litraa sylinteriä kohden ja polttoaineenkulutus 175 g/kWh raskasta polttoöljyä (esim. Wärtsilä 38) ja lämpöhyötysuhde noin 50 %. Maakaasulla käytettäessä niiden polttoaineenkulutus on 165 g/kWh tai hyötysuhde 52 % (esim. Wärtsilä 31).