Polttomoottoreiden toiminta sekä keinot kasvihuonepäästöjen vähentämiseen

Abstract

Työssä tutustutaan polttomoottorin toimintaan ja selvitetään keinoja päästöjen vähentämiseen materiaalivalintojen osalta. Kasvihuonepäästöt aiheuttavat ilmaston lämpenemistä, joten ne tulisi saada mahdollisimman vähäisiksi. Polttomoottorit ovat vielä pitkään autojen pääasiallisin voimanlähde. Työn ensimmäisessä osiossa selvitetään lyhyesti polttomoottorin toiminta ja keskeisimmät osat. Polttomoottorit ovat pääsääntöisesti nelitahtisia. Ainoastaan pienissä työkoneissa saatetaan käyttää vielä kaksitahtimoottoreita. Nelitahtimoottorit ovat päästöiltään pienempiä kuin kaksitahtimoottorit. Seuraavassa osiossa selvitetään kahden eri ahdintyypin toimintaperiaate. Sen jälkeen työssä tutkitaan, että voidaanko ahtimissa käyttää eri materiaaleja päästöjen vähentämiseksi ja käyttöiän pidentämiseksi. Mekaaninen ahdin ottaa voimansa moottorin kampiakselilta. Tutkimuksia vaihtoehtoista materiaaleista mekaanisiin ahtimiin ei löytynyt, joten työssä selvitetään erityylisten mekaanisien ahtimien toimintaperiaatteet. Turboahdinten turbiinipyöriin löytyi vaihtoehtoisia materiaaleja. Nykyään turbiinipyörät ovat valmistettu pääasiassa nikkeliin pohjautuvista superseoksista, koska niillä on hyvä virumiskestävyys, korroosionkestävyys sekä lämpötilan kestävyys. Vaihtoehtoisesti turbiinipyörä voitaisiin valmistaa titaani-alumiini seoksesta, koska myös niiden ominaisuudet turbiinipyörään ovat hyvät, mutta niiden tiheys olisi vain puolet verrattuna nikkeliin perustuvasta seoksesta tehtyyn turbiinipyörään. Sekä nikkeliin että titaani-alumiiniin pohjautuvat turbiinipyörät voidaan valmistaa valamalla esimerkiksi metalli-injektiovalulla. Keraamista valmistettua turbiinipyörää on tutkittu. Piinitridistä voidaan valmistaa turbiinipyörä käyttämällä muunneltua tarkkuusvalua ja kahta kipsimuottia. Piinitridin lämmönsieto, korroosionkestävyys ja virumisen kestävyys ovat hyvät, mutta niissä ongelmana ovat säröjen syntyminen ja kasvaminen. Seuraavaksi käsitellään katalysaattoreiden kehittämistä. Katalysaattorien tehtävänä on muuntaa pakokaasuissa esiintyvät päästöt vähemmän haitallisiksi. Häkä hapetetaan hiilidioksidiksi. Hiilivedyt hapetetaan hiilidioksidiksi ja vedeksi. Typen oksidit pelkistetään typpikaasuksi. Tutkimuksessa selvisi, että katalysaattorin kennon rakennetta muuttamalla voidaan saavuttaa tehokkaammat katalyysireaktiot suuremman reaktiopinta-alan avulla. Tutkimuksessa selvitettiin jalometallien korvaamista muilla materiaalivaihtoehdoilla. Kuparioksidi voisi korvata jalometallit katalysaattorissa. Kuparioksidin pitkäaikaiskestävyydestä tarvitaan kuitenkin lisää tutkimuksia. Lopuksi tarkastellaan keinoja kitkan vähentämiseksi moottorin sylintereissä. Pinnoittamalla voitaisiin saavuttaa parempi kulumisen kestävyys ja pienempi kitka. Timantin kaltainen hiili, diamond-like carbon (DLC), voisi sopia pinnoitemateriaaliksi sylinterin pintaan. DLC-pinnoitetta tutkittiin moottoripyörän moottorissa. Pinnoitus saatiin aikaiseksi käyttämällä plasmalla tehostettua fysikaalista kaasufaasipinnoitusta hyödyntävää Flexicoat 850 - järjestelmää. Tutkimuksessa selvisi, että DLC-pinnoitetussa moottoripyörän moottorissa tehoa saatiin 5,8 % enemmän kuin pinnoittamattomasta moottorista. Lisäksi DLC-pinnoitetulla moottorilla kierroslukua saatiin 1000 kierrosta minuutissa enemmän.