Moottori – määritelmä, sähkö- ja polttomoottorit sekä toimintaperiaate
Moottori eli moottori on kone, jota käytetään muuttamaan energiaa käyttökelpoiseksi liikkeeksi. Energia voi olla missä tahansa muodossa. Yleisiä moottoreissa käytettyjä energiamuotoja ovat sähkö, kemikaalit (kuten bensiini tai diesel) tai lämpö. Kun energiaa tuotetaan kemikaalista, sitä kutsutaan polttoaineeksi.
Yleiskuva
Moottoreilla tarkoitetaan laajasti ottaen laitteita, jotka muuttavat jotakin energian muotoa mekaaniseksi työksi tai liikkeeksi. Niiden tärkeimmät suureet ovat teho (esimerkiksi watteina tai hevosvoimina), vääntömomentti (nykyään usein newtonmetreinä) ja kierrosnopeus (r/min). Moottorin valintaan vaikuttavat käyttötarkoitus, tehokkuus, koko, paino, kustannukset ja ympäristövaikutukset.
Sähkömoottorit
Sähkömoottori muuntaa sähköenergian mekaaniseksi liikkeeksi. Sähkömoottoreita on monenlaisia:
- AC- eli vaihtovirtamoottorit kuten induktiomoottorit, jotka ovat yleisiä teollisuudessa ja kodinkoneissa.
- DC- eli tasavirtamoottorit, joita käytetään sovelluksissa, joissa tarvitaan helppoa nopeudensäätöä.
- Harjattomat DC-moottorit (BLDC), jotka tarjoavat korkean hyötysuhteen ja pitkän käyttöiän ilman mekaanisia harjoja.
- Asynkroni- ja synkronimoottorit, joissa synkronimoottoreilla on usein parempi säätö ja induktiomoottoreilla yksinkertaisuus ja kestävyys.
Toimintaperiaate perustuu sähkövirran ja magneettikentän vuorovaikutukseen (Lorentz-voima): staattori tuottaa magneettikentän ja roottori pyörii kentän vaikutuksesta. Sähkömoottorit ovat tehokkaita, helposti säädettäviä ja ne voivat olla hyvin kompakteja. Niiden huoltokustannukset ovat usein pienemmät kuin polttomoottoreilla.
Polttomoottorit (sisäiset palokennot)
Polttomoottori (yleensä sisäisesti palava moottori) muuntaa kemiallisen energian suoraan mekaaniseksi työksi polttoprosessin avulla. Tavallisimmat tyypit:
- Ottomoottori (bensiini): toimii sytytystulpalla ja seoksella, jossa palaminen tapahtuu puristuksen jälkeen. Yleisimmin nelitahtinen (ime, purista, työ, poisto).
- Dieselmoottori: sytytys tapahtuu puristuksen aiheuttaman lämpenemisen seurauksena; hyötysuhde on usein parempi raskaassa käytössä.
- Kaksitahti- ja nelitahtimoottorit: kaksitahtimoottori on yksinkertaisempi ja kevyempi mutta yleensä vähemmän puhdas polttoaineenpolton suhteen.
Polttomoottorin keskeisiä osia ovat sylinterit, männät, kampiakseli, venttiilit (tai aukot kaksitahtisissa), polttoaineen ruiskutusjärjestelmä ja jäähdytys sekä voitelujärjestelmä. Polttomoottoreiden etuna on korkeadiensaivisyys ja energian tiheys (polttoaine), mutta haittoina ovat päästöt, liikkuvat osat ja tarpeelliset huoltotoimet.
Toimintaperiaate yksinkertaisena kuvauksena
- Sähkömoottori: sähkövirta synnyttää magneettikentän → vuorovaikutus magneettikentän kanssa synnyttää voiman → voima pyörittää akselia.
- Polttomoottori: polttoaine ja ilma syötetään sylinteriin → seos sytytetään (tai puristetaan dieselissä) → palaminen synnyttää korkeaa painetta → paine työntää mäntää, joka muuttaa liikkeen pyöriväksi kampiakselissa.
Hyötysuhde ja ympäristö
Hyötysuhde kertoo, kuinka suuri osa syötetystä energiasta saadaan käyttökelpoiseksi työksi. Sähkömoottorit voivat saavuttaa yli 90 % hyötysuhteen tietyissä olosuhteissa, kun taas polttomoottoreiden hyötysuhde on tyypillisesti 20–40 % henkilöautoissa ja jonkin verran parempi suurissa dieselmoottoreissa. Polttomoottorit myös tuottavat kaasumaisia päästöjä (CO2, NOx, hiukkaset), minkä vuoksi siirtyminen sähköiseen liikkeeseen on ollut merkittävä ympäristötrendi.
Sovellukset
- Liikenne: henkilöautot, kuorma-autot, junat, laivat, lentokoneiden apulaitteet.
- Teollisuus: pumput, kompressorit, kuljettimet, sorvit ja muut tehdaskoneet.
- Kodin laitteet: pesukoneet, jäähdyttimet, tuulettimet, sähkötyökalut.
- Pienlaitteet: lelut, dronet ja pienkokoiset sovellukset.
Huolto ja turvallisuus
Sähkömoottoreiden huolto koostuu yleensä laakereiden, kytkinten ja jäähdytysilman tarkastuksesta sekä sähkökytkentöjen kunnon seurannasta. Polttomoottoreissa huolto on laajempaa: öljynvaihdot, suodattimet, sytytysjärjestelmän ja polttoainejärjestelmän tarkastus, jäähdytysjärjestelmän ylläpito ja päästöjen säätö ovat tavallisia toimenpiteitä. Molemmissa on noudatettava turvallisuusohjeita; polttomoottoreissa on huomioitava palovaarat ja pakokaasut, sähkömoottoreissa sähköisku- ja oikosulkuriskit.
Tulevaisuuden kehitys
Trendit suuntaavat kohti sähkökäyttöä, hybridijärjestelmiä ja polttoaineen tehokkaampaa käyttöä. Sähkömoottoreiden kehitys keskittyy parempaan hyötysuhteeseen, pienempään painoon ja edullisempaan säätöelektroniikkaan. Polttomoottoreissa kehitys kohdistuu puhtaampiin polttoaineisiin, polttoaineen ruiskutuksen tarkkuuteen ja päästöjen vähentämiseen katalysaattoreilla ja jälkikäsittelyllä.
Yhteenvetona: moottori on laite, joka muuntaa energiaa liikkeeksi. Valinta sähkö- ja polttomoottorin välillä riippuu käyttötarkoituksesta, tehokkuusvaatimuksista, saatavilla olevasta energiasta ja ympäristövaikutuksista.
Terminologia
Menneinä vuosisatoina moottori ja moottori merkitsivät hyvin erilaisia asioita. Moottori tehtiin liikuttamaan jotakin, esimerkiksi ajoneuvoa. Tätä merkitystä käytetään edelleen usein. Joskus asiaa kutsutaan moottoriksi, jos se tuottaa mekaanista energiaa lämmöstä, ja moottoriksi, jos se tuottaa mekaanista energiaa muusta energiasta, kuten sähköstä. Tyypillisiä moottoreita tässä merkityksessä ovat höyrykone ja polttomoottori, kun taas tyypillisiä moottoreita ovat sähkömoottori ja hydraulimoottori. Joskus nämä kaksi sanaa tarkoittavat samaa asiaa.
"Moottori" oli alun perin termi mille tahansa mekaaniselle laitteelle, joka muuntaa voiman liikkeeksi. Näin ollen esiteollisia aseita, kuten katapultteja, trebuchetteja ja rynnäkköjä, kutsuttiin "piiritysmoottoreiksi". Sana "gin", kuten "cotton gin", on lyhenne sanasta "engine". Sana juontaa juurensa vanhasta ranskan engin-sanasta, joka tulee latinan ingenium-sanasta, joka on myös sanan nerokas juuri. Useimpia teollisen vallankumouksen aikana keksittyjä mekaanisia laitteita kutsuttiin moottoreiksi - höyrykone on merkittävä esimerkki.
Mäntämoottorit
Varhaisissa moottoreissa käytettiin moottorin ulkopuolella olevaa lämpöä kaasun lämmittämiseen korkeaan paineeseen. Tämä oli yleensä höyryä, ja moottoreita kutsuttiin höyrymoottoreiksi. Höyry johdettiin moottoriin, jossa se työnsi mäntiä liikkeelle. Näitä moottoreita käytettiin yleisesti vanhoissa tehtaissa, veneissä ja junissa.
Useimmissa autoissa käytetään kemiallista moottoria, joka polttaa polttoainetta sisällä. Tätä kutsutaan polttomoottoriksi. Polttomoottoreita on monenlaisia. Ne voidaan ryhmitellä polttoaineen, syklin ja kokoonpanon mukaan. Yleisiä polttoainetyyppejä polttomoottoreissa ovat bensiini, diesel, autokaasu ja alkoholi. Polttoainetyyppejä on monia muitakin.
On olemassa 3 erilaista sykliä. 2-tahtimoottorit tuottavat tehoa kerran moottorin jokaisella kierroksella. 4-tahtimoottoreiden sylinterit tuottavat tehoa kerran kahdessa moottorin kierroksessa. 6-tahtimoottorin sylinterit tuottavat tehoa kaksi kertaa moottorin kuuden kierroksen välein.
Mäntämoottoreissa on paljon erilaisia kokoonpanoja. Niiden sylintereissä on männät ja kampiakseli. Sylintereitä voi olla mikä tahansa määrä, mutta 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10 ja 12 ovat yleisiä. Sylinterit voidaan sijoittaa monella tavalla, suorassa linjassa, kulmassa toisiinsa nähden tai ympyrän muotoon.
Wankel-moottorissa ei ole sylintereitä, ja siinä käytetään kolmion muotoista roottoria, joka pyörii soikeassa kotelossa ja jäljittelee männän liikettä.
Lelu höyryveturi. Polttoaine palaa pohjassa olevassa lokerossa, kattilassa syntyy höyryä, joka pyörittää mäntää (sininen osa), joka pyörittää pyörää.
Turbiinimoottorit
Kuuma kaasu voidaan myös saada työntämään turbiinia ympäriinsä samalla tavalla kuin tuuli pyörittää tuulimyllyä. Useimmissa sähkövoimaloissa käytetään suuria höyryturbiineja. Toiset käyttävät vesi- tai tuuliturbiinia. Pienempiä kaasuturbiineja käytetään polttomoottoreissa, kuten lentokoneiden suihkumoottoreissa.
Turbiinin sisäpuoli, jossa näkyvät höyrysuihkujen työntämät siivekkeet.
Rakettimoottorit
Raketti aiheuttaa liikettä ampumalla kaasusuihkuja hyvin nopeasti suuttimesta. Kaasu voi olla varastoituna paineen alaisena tai se voi olla kemiallista polttoainetta, joka palaa muodostaen erittäin kuumaa kaasua. Vaikka raketit ovat hyvin yksinkertaisia, ne ovat tehokkaimpia moottoreita, joita tiedämme pystyvämme valmistamaan. Ne toimivat avaruudessa, jossa ei ole mitään, mitä vasten työntää.
Kuuman kaasun suihkut työntävät rakettia
Sähkömoottorit
Sähkömoottorit eivät käytä polttoainetta. Energiansa ne saavat johtoja pitkin kulkevasta sähköstä. Energia voi olla peräisin polttoaineesta, jota poltetaan jossain kaukana muualla. Sähköä käytetään siihen, että moottorin sisällä olevat voimakkaat magneetit kytkeytyvät päälle ja pois päältä oikeaan aikaan moottorin akselin kääntämiseksi.
Sähkömoottori ei ole moottori, vaan sähköllä toimiva veturi.
Sähkömoottori
Aiheeseen liittyvät sivut
- Dieselmoottori
- Höyrykone
- Turbiini
- Sähkömoottori
- Stirling-moottori
Viiteosio
1. ↑ "MIT School of Engineering | " Mitä eroa on moottorilla ja moottorilla?". Mit Engineering. Haettu 2019-12-16.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on moottori?
V: Moottori on kone, joka muuntaa energiaa liikkeeksi.
K: Mitä yleisiä energiamuotoja moottoreissa käytetään?
V: Moottoreissa käytettävät yleiset energiamuodot ovat sähkö, kemiallinen energia (kuten bensiini tai diesel) tai lämpö.
K: Mitä on polttoaine?
V: Polttoaine on kemiallinen aine, jota käytetään energian tuottamiseen moottoreissa.
K: Mikä on moottorin tarkoitus?
V: Moottorin tarkoituksena on muuttaa energia käyttökelpoiseksi liikkeeksi.
K: Miten moottori toimii?
V: Moottori toimii muuntamalla energiaa mekaaniseksi liikkeeksi.
K: Voidaanko moottorissa käyttää mitä tahansa energiamuotoa?
V: Kyllä, mitä tahansa energiamuotoa voidaan käyttää moottorissa.
K: Mitä polttoaineita käytetään moottoreissa?
V: Esimerkkejä moottoreissa käytettävistä polttoaineista ovat bensiini ja diesel.
