Moottorit ovat koneita, jotka muuttavat energianlähteen fyysiseksi työksi. Jos tarvitset jotakin liikkumaan, moottori on juuri oikea asia, jonka voit lyödä siihen kiinni. Kaikkia moottoreita ei kuitenkaan valmisteta samalla tavalla, eivätkä erityyppiset moottorit todellakaan toimi samalla tavalla.
Valvottavasti intuitiivisin tapa erottaa moottorit toisistaan on se, minkälaista energiaa kukin moottori käyttää tehon tuottamiseen.
- Lämpövoimamoottorit
- Sisäiset polttomoottorit (IC-moottorit)
- Sisäiset polttomoottorit (EC-moottorit)
- Rekv. moottorit
- Sähkömoottorit
- Fysikaaliset moottorit
Lämpövoimamoottorit
Mahdollisimman laajassa määritelmässä, nämä moottorit vaativat lämmönlähteen, jotta ne voidaan muuntaa liikkeeksi. Riippuen siitä, miten ne tuottavat mainitun lämmön, nämä voivat olla palavia (jotka polttavat tavaraa) tai ei-palavia moottoreita. Ne toimivat joko polttamalla suoraan ponnekaasua tai muuttamalla nestettä työn tuottamiseksi. Useimmissa lämpövoimamoottoreissa on näin ollen myös jonkin verran päällekkäisyyttä kemiallisten voimansiirtojärjestelmien kanssa. Ne voivat olla ilmaa hengittäviä moottoreita (jotka ottavat hapettimen, kuten happea ilmakehästä) tai ei-ilmaa hengittäviä moottoreita (joissa hapettimet on sidottu kemiallisesti polttoaineeseen).
Sisäpolttomoottorit
Sisäpolttomoottorit (IC-moottorit) ovat nykyään melko yleisiä. Ne pyörittävät autoja, ruohonleikkureita, helikoptereita ja niin edelleen. Suurin polttomoottori voi tuottaa 109 000 hevosvoimaa 20 000 konttia kuljettavan laivan käyttövoimaksi. Polttomoottorit saavat energian polttoaineesta, joka poltetaan polttokammioksi kutsutulla erityisellä alueella. Palamisprosessi tuottaa reaktiotuotteita (pakokaasua), joiden kokonaistilavuus on paljon suurempi kuin reagoivien aineiden (polttoaine ja hapetin) yhteenlaskettu tilavuus. Tämä laajeneminen on polttomoottoreiden varsinainen leipä ja voi – se on se, mikä itse asiassa tuottaa liikkeen. Lämpö on vain palamisen sivutuote, ja se edustaa hukkaan heitettyä osaa polttoaineen energiavarastosta, koska se ei itse asiassa tuota mitään fyysistä työtä.
Kuva on peräisin NASA:lta / Glenn Research Centeristä.
Lämpövoimamoottorit eroavat toisistaan sen mukaan, kuinka monta ”iskua” tai kierrosta kukin mäntä tekee kampiakselin täydessä kierrossa. Yleisimpiä ovat nykyään nelitahtimoottorit, joissa palamisreaktio jakautuu neljään vaiheeseen:
- Polttoaine-ilmaseoksen (kaasutin) induktio tai ruiskutus palotilaan.
- Sekoituksen puristus.
- Sytytys sytytystulpalla tai puristus – polttoaine pamahtaa.
- Pakokaasun päästäminen.
Kuvan krediitit Duk / Wikimedia.
Jokaista askelta kohden nelitahtinen mäntä työnnetään vuorotellen alaspäin tai takaisin ylöspäin. Sytytys on ainoa vaihe, jossa työ tuotetaan moottorissa, joten kaikissa muissa vaiheissa kukin mäntä on riippuvainen ulkoisista lähteistä (muista männistä, sähkökäynnistimestä, manuaalisesta kampiakselin käynnistyksestä tai kampiakselin hitausvoimasta) peräisin olevasta energiasta liikuttaakseen. Siksi ruohonleikkurissa on vedettävä akkua, ja siksi auto tarvitsee toimivan akun käynnistyäkseen.
Muita polttomoottoreiden erotteluperusteita ovat mm. käytettävä polttoainetyyppi, sylinterien lukumäärä, kokonaistilavuus (sylinterien sisätilavuus), sylinterien jakautuminen (rivi-, säteittäis- vai kiertokangas- tai V-kantaiset moottorit jne.).) sekä teho ja teho/painoteho.
Sisäpolttomoottorit
Sisäpolttomoottorit (EC-moottorit)pitävät polttoaineen ja pakokaasutuotteet erillään – ne polttavat polttoainetta yhdessä kammiossa ja lämmittävät moottorin sisällä olevan työaineen lämmönvaihtimen tai moottorin seinämän kautta. Teollisen vallankumouksen isoisä, höyrykone, kuuluu tähän luokkaan.
Jossain mielessä EC-moottorit toimivat samalla tavalla kuin polttomoottorimoottorit – molemmat tarvitsevat lämpöä, joka saadaan polttamalla ainetta.
EY-moottorit käyttävät nesteitä, jotka kokevat lämpölaajenemisen ja supistumisen tai faasimuutoksen, mutta joiden kemiallinen koostumus pysyy muuttumattomana. Käytetty neste voi olla joko kaasumaista (kuten Stirling-moottorissa), nestemäistä (orgaanisen Rankine-syklin moottori) tai kokea faasinmuutoksen (kuten höyrymoottorissa) – polttomoottoreissa neste on lähes yleisesti nestemäinen polttoaineen ja ilman seos, joka palaa (muuttaa kemiallista koostumustaan). Lopuksi moottorit voivat joko poistaa nesteen käytön jälkeen, kuten polttomoottorit tekevät (avoimen kierron moottorit), tai käyttää jatkuvasti samaa nestettä (suljetun kierron moottorit).
Yllättävää kyllä, ensimmäiset teolliseen käyttöön tulleet höyrymoottorit tuottivat työtä luomalla tyhjiön eikä painetta. Niitä kutsuttiin ”ilmakehämoottoreiksi”, ja ne olivat raskaita koneita ja erittäin polttoainetehottomia. Ajan myötä höyrykoneet saivat muodon ja ominaisuudet, joita odotamme moottoreilta nykyäänkin, ja niistä tuli tehokkaampia: mäntämoottoreissa otettiin käyttöön mäntäjärjestelmä (joka on edelleen käytössä polttomoottoreissa) tai yhdistelmämoottorijärjestelmät, jotka käyttivät sylintereissä olevaa nestettä uudelleen pienemmillä paineilla lisäpotkua tuottaakseen.
Höyrymoottorit eivät enää nykyään ole laajalti käytössä: ne ovat raskaita ja tilaa vieviä, polttoainetaloudellisuudeltaan ja tehon ja painon väliseltä suhteeltaan polttomoottoreiden moottoreiden moottoreita huonompia ja niiden tehoa ei voida vaihtaa yhtä nopeasti. Mutta jos niiden paino ja koko ei haittaa, ja jos tarvitsee tasaisesti työtä, ne ovat mahtavia. Sellaisenaan EC-moottoreita käytetään tällä hetkellä suurella menestyksellä höyryturbiinimoottoreina merivoimissa ja voimalaitoksissa.
Ydinvoimasovelluksia kutsutaan nimellä ei-polttomoottorit tai ulkoiset lämpövoimamoottorit, koska ne toimivat samoilla periaatteilla kuin EC-moottorit, mutta ne eivät saa tehoaan palamisesta.
Reaktiomoottorit
Reaktiomoottorit, jotka tunnetaan puhekielessä suihkumoottoreina, tuottavat työntövoimaa karkottamalla reaktiomassaa. Perusperiaate reaktiomoottorin takana on Newtonin kolmas laki – periaatteessa, jos puhallat jotakin riittävällä voimalla moottorin takapään läpi, se työntää etupäätä eteenpäin. Ja suihkumoottorit ovat todella hyviä siinä.
Kuvan krediitit thund3rbolt / Imgur.
Suihkumoottoreiksi tavallisesti kutsumamme, Boeing-matkustajakoneisiin kiinnitetyt moottorit ovat tarkalleen ottaen ilmaa hengittäviä suihkumoottoreita, ja ne kuuluvat turbiinimoottoreiden luokkaan. Ramjet-moottorit, joita pidetään yleensä yksinkertaisempina ja luotettavampina, koska niissä on vähemmän (tai ei lainkaan) liikkuvia osia, ovat myös ilmaa hengittäviä suihkumoottoreita, mutta ne kuuluvat ram-powered-luokkaan. Ero näiden kahden luokan välillä on se, että ramjetit luottavat pelkkään nopeuteen syöttääkseen ilmaa moottoriin, kun taas turbojetit käyttävät turbiineja imemään ja puristamaan ilmaa palotilaan. Tämän lisäksi ne toimivat pitkälti samalla tavalla.
Turbosuihkukoneissa ilma imetään moottorin kammioon ja puristetaan pyörivän turbiinin avulla. Ramjetit imevät ja puristavat sitä menemällä todella nopeasti. Moottorin sisällä se sekoitetaan suuritehoiseen polttoaineeseen ja sytytetään. Kun ilmaa (ja siten happea) tiivistetään, se sekoitetaan runsaaseen polttoaineeseen ja räjäytetään (jolloin syntyy pakokaasua ja kaikki kaasu laajenee termisesti), saadaan reaktiotuote, jonka tilavuus on valtava verrattuna imettyyn ilmaan. Ainoa paikka, jonka kautta kaikki tämä kaasujen massa voi kulkea, on moottorin takaosa, ja se kulkee äärimmäisen voimakkaasti. Matkalla sinne se pyörittää turbiinia, joka imee lisää ilmaa ja ylläpitää reaktiota. Ja kaiken kukkuraksi moottorin takapäässä on vielä potkurisuutin.
Tämä laitteisto pakottaa kaiken kaasun kulkemaan vielä pienemmässä tilassa kuin mitä se alun perin tuli sisään – kiihdyttäen sitä näin entisestään ’suihkuksi’ aineesta. Pakokaasu poistuu moottorista uskomattomalla nopeudella, jopa kolminkertaisella äänennopeudella, ja työntää konetta eteenpäin.
Ei ilmaa hengittävät suihkumoottorit eli rakettimoottorit toimivat aivan kuten suihkumoottorit ilman etuosaa – koska ne eivät tarvitse ulkopuolista ainetta palamisen ylläpitämiseksi. Voimme käyttää niitä avaruudessa, koska niissä on kaikki tarvittava hapetin pakattuna polttoaineeseen. Ne ovat yksi harvoista moottorityypeistä, jotka käyttävät johdonmukaisesti kiinteää polttoainetta.
Lämpövoimamoottorit voivat olla naurettavan suuria tai ihastuttavan pieniä. Mutta entä jos sinulla on vain pistorasia, ja tarvitset virtaa tavaroillesi? No, siinä tapauksessa tarvitset:
Sähkömoottorit
Ah kyllä, puhdas jengi. Klassisia sähkömoottoreita on kolmenlaisia: magneettisia, pietsosähköisiä ja sähköstaattisia.
Magneettinen, kuten tuossa akkukin, on näistä kolmesta yleisimmin käytetty. Se perustuu magneettikentän ja sähkövirran vuorovaikutukseen työn tuottamiseksi. Se toimii samalla periaatteella kuin dynamo tuottaa sähköä, mutta päinvastoin. Itse asiassa voit tuottaa jonkin verran sähköä, jos pyörität käsin sähkömagneettista moottoria.
Magneettimoottorin luomiseen tarvitset joitakin magneetteja ja käämitetyn johtimen. Kun käämitykseen kytketään sähkövirta, se indusoi magneettikentän, joka vuorovaikutuksessa magneetin kanssa saa aikaan pyörimisen. On tärkeää pitää nämä kaksi elementtiä erillään, joten sähkömoottoreissa on kaksi pääkomponenttia: staattori, joka on moottorin ulkoinen osa ja pysyy liikkumattomana, roottori, joka pyörii sen sisällä. Nämä kaksi on erotettu toisistaan ilmavälillä. Tavallisesti staattoriin on upotettu magneetteja ja roottorin ympärille on kierretty johdin, mutta nämä kaksi ovat vaihdettavissa keskenään. Magneettimoottorit on varustettu myös kommutaattorilla, joka siirtää sähkövirtaa ja moduloi indusoitua magneettikenttää roottorin pyöriessä pyörimisen ylläpitämiseksi.
Piezoelektriset taajuusmuuttajat ovat moottorityyppejä, jotka hyödyntävät joidenkin materiaalien ominaisuutta tuottaa ultraäänivärähtelyjä, kun ne altistetaan sähkövirran vaikutukselle, työn tuottamiseksi. Sähköstaattiset moottorit käyttävät samankaltaisia varauksia, jotka hylkivät toisiaan ja synnyttävät roottorin pyörimisen. Koska ensimmäisessä käytetään kalliita materiaaleja ja jälkimmäisessä tarvitaan verrattain suuria jännitteitä, ne eivät ole yhtä yleisiä kuin magneettimoottorit.
Klassisilla sähkömoottoreilla on kaikista moottoreista korkein energiatehokkuus, sillä ne muuttavat jopa 90 % energiasta työksi.
Ionimoottorit
Ionimoottorit ovat eräänlainen sekoitus suihkumoottorin ja sähköstaattisen moottorin välillä. Tämä ajoluokka kiihdyttää ioneja (plasmaa) sähkövarauksen avulla käyttövoiman tuottamiseksi. Ne eivät toimi, jos aluksen ympärillä on jo ioneja, joten ne ovat hyödyttömiä avaruuden tyhjiön ulkopuolella.
Kuva on peräisin NASA / JPL-Caltech.
Neillä on myös hyvin rajallinen teho. Koska ne kuitenkin käyttävät polttoaineena vain sähköä ja yksittäisiä kaasuhiukkasia, niitä on tutkittu laajasti käytettäväksi avaruusaluksissa. Deep Space 1 ja Dawn ovat onnistuneesti käyttäneet ionimoottoreita. Silti tekniikka näyttää soveltuvan parhaiten pieniin aluksiin ja satelliitteihin, koska näiden asemien jättämä elektronijälki vaikuttaa negatiivisesti niiden yleiseen suorituskykyyn.
EM/Cannae-asemat
EM/Cannae-asemat käyttävät luottamuksen tuottamiseen mikroaaltoontelon sisältämää sähkömagneettista säteilyä. Se on luultavasti omituisin kaikista moottorityypeistä. Sitä on jopa kutsuttu ”mahdottomaksi” taajuusmuuttajaksi, koska se on reagoimaton taajuusmuuttaja – eli se ei tuota purkausta työntövoiman aikaansaamiseksi, mikä näennäisesti ohittaa kolmannen lain.
”Polttoaineen sijaan se käyttää mikroaaltoja, jotka kimpoavat huolellisesti viritetyistä heijastimista, saavuttaakseen pieniä määriä voimaa ja näin ollen saavuttaakseen ajovoimatonta työntövoimaa”, Andrei raportoi taajuusmuuttajasta.
”Paljonkin kiisteltiin siitä, toimiiko tämäntyyppinen moottori oikeasti, mutta NASAn testit ovat vahvistaneet, että se on toimintakykyinen. Se on jopa saamassa päivityksen tulevaisuudessa. Koska se käyttää työntövoiman tuottamiseen vain sähköenergiaa, vaikkakin pieninä määrinä, se näyttää olevan parhaiten soveltuva käyttövoima avaruustutkimukseen.
Mutta se on tulevaisuudessa. Katsotaanpa miten kaikki alkoi. Katsotaanpa:
Fysikaaliset moottorit
Nämä moottorit toimivat varastoidun mekaanisen energian varassa. Kellokoneistot, pneumaattiset ja hydrauliset moottorit ovat kaikki fysikaalisia käyttövoimia.
Kuva on peräisin Musée national de la Marine:sta.
Ne eivät ole kauhean tehokkaita. Ne eivät yleensä voi myöskään turvautua suuriin energiavarastoihin. Esimerkiksi kellokoneiston moottorit varastoivat kimmoisen energian jousiin, ja ne on vedettävä joka päivä. Pneumaattiset ja hydrauliset moottorityypit joutuvat kuljettamaan mukanaan raskaita paineistettuja nesteputkia, jotka eivät yleensä kestä kovin pitkään. Esimerkiksi Plongeurissa, maailman ensimmäisessä mekaanisella voimalla toimivassa sukellusveneessä, joka rakennettiin Ranskassa vuosina 1860-1863, oli edestakainen ilmamoottori, jota ruokki 23 säiliötä 12,5 baarin paineella. Ne veivät valtavasti tilaa (153 kuutiometriä / 5 403 kuutiojalkaa), ja ne riittivät aluksen käyttövoimaksi vain 5 meripeninkulman matkalle 4 solmun nopeudella.
Siltikin fyysiset taajuusmuuttajat olivat luultavasti ensimmäiset koskaan käytetyt. Katapultit, trebuchetit tai rynnäkköpamput nojaavat kaikki tämäntyyppisiin moottoreihin. Samoin ihmisen tai eläimen käyttämät nosturit – jotka kaikki ovat olleet käytössä kauan ennen minkään muunlaisten moottoreiden käyttöä.
Tämä ei suinkaan ole täydellinen luettelo kaikista ihmisen valmistamista moottoreista. Puhumattakaan siitä, että biologia on tuottanut myös käyttövoimia – ja ne ovat tehokkaimpia, mitä olemme koskaan nähneet. Mutta jos luet kaiken tämän, olen melko varma, että sinun koneistasi loppuu polttoaine jo tässä vaiheessa. Joten lepää, rentoudu, ja kun seuraavan kerran törmäät moottoriin, ota kädet ja nenäsi rasvattuina tutkittavaksi sen läpi – olemme kertoneet sinulle perusasiat.