Bensiinimoottori

Bensiinimoottori eli ottomoottori on yleisin henkilöauton voimanlähde, ja myös Suomessa enemmistö henkilöautoista käyttää polttoaineenaan bensiiniä. Bensiini on fossiilisesta öljystä jalostettu nestemäinen polttoaine, joka koostuu pääasiassa hiilestä ja vedystä. Lisäksi bensiinissä käytetään erilaisia lisäaineita, jotka muun muassa voitelevat ja pesevät polttoainejärjestelmää, estävät korroosiota ja parantavat polttoaineen säilyvyyttä.

Toimintaperiaate

Bensiiniä käyttävä polttomoottori on jalostunut reilun sadan vuoden aikana tehokkaammaksi, toimintavarmemmaksi, taloudellisemmaksi ja vähäpäästöisemmäksi, mutta sen toimintaperiaate on säilynyt samana. Bensiinin palaminen antaa moottorin männille liike-energian, joka kampiakselin ja vaihteiston kautta siirretään vetäville pyörille. Käytännössä kaikki tämän päivän autoissa käytettävät moottorit ovat nelitahtisia.

Nelitahtisen moottorin neljä eri vaihetta moottorin kierrossa kahden kampiakselikierroksen aikana ovat:

1. sylinterin täyttö ilman ja polttoaineen seoksella;
2. seoksen puristaminen kokoon;
3. polttoaineen palamisen aiheuttava työ; ja
4. sylinterin tyhjentäminen palamiskaasuista.

Moottori tekee siis työtä, kun polttoaineseos sytytetään sytytystulpalla, ja palaessaan laajeneva kaasu työntää mäntää voimakkaasti alaspäin.

Bensiinimoottorin hyötysuhde on tyypillisesti noin 20–25 prosenttia. Tämä tarkoittaa sitä, että kaikkea polttoaineen sisältämää energiaa ei saada muutettua liike-energiaksi, vaan palamistapahtumassa syntyy liike-energian lisäksi lämpöenergiaa, jota siirretään jäähdytysnesteeseen ja jäähdyttimen kautta ulkoilmaan.

Kylmällä ilmalla moottorin tuottamalla hukkalämmöllä lämmitetään matkustamoa. Joissakin autoissa moottorin hukkalämmön lisäksi lämpöä tuotetaan sähkö- tai polttoainekäyttöisellä lisälämmittimellä, mikä lisää energiantarvetta.

Pakokaasut

Bensiinimoottorin pakokaasut sisältävät hiilidioksidia (CO₂), hiilimonoksidia eli häkää (CO), typen oksideja (NO_x), osittain palaneita tai palamattomia hiilivetyjä (HC) ja hiukkasia (PM), kuten nokea. Ratkaiseva muutos autojen pakokaasupäästöissä tapahtui, kun katalysaattorit otettiin käyttöön. Euroopassa tämä tapahtui 1990-luvun alussa. Samalla polttoaine piti muuttaa lyijyttömäksi, mikä vähensi ympäristöön päätyviä raskasmetallipäästöjä.

Lyijyä lisättiin bensiiniin aiemmin sen oktaaniluvun korottamiseksi eli sen puristuskestävyyden parantamiseksi, mutta koska katalysaattori ei kestä lyijyä, se piti korvata muilla bensiinin lisäaineilla.

Katalysaattorin tehtävä on saada ympäristölle haitallisen pakokaasun ja ulkoilman kesken syntymään reaktio, joka muuttaa pakokaasut vähemmän haitallisiksi. Kolmitoimikatalysaattori vähentää hiilivety-, hiilimonoksidi- ja typen oksidipäästöjä parhaimmillaan yli 90 prosenttia. Toiminta perustuu katalysaattorin sisältämiin kennostoihin, joissa käytetyt jalometallit, kuten palladium, platina ja rodium, toimivat päästöjä vähentävien hapetus- ja pelkistysreaktioiden nopeuttajina eli katalyytteinä pakokaasun virratessa kennostojen läpi. Esimerkiksi myrkyllinen häkä hapettuu katalysaattorissa ihmiselle vaarattomaksi hiilidioksidiksi.

Katalysaattori vaatii moottorin polttoainejärjestelmältä tarkkuutta, sillä polttoaineen ja ilman suhde täytyy olla täsmälleen oikea, jotta katalysaattori toimisi kunnolla. Siksi autojen kaasuttimet on korvattu elektronisesti ohjatuilla polttoaineensuihkutusjärjestelmillä, jotka syöttävät polttoaineen joko imusarjaan tai suoraan sylinteriin. Joissakin uusissa moottoreissa on ruiskutussuuttimet sekä imusarjassa että sylinterikannessa.

Päästömääräykset kiristyvät EU:ssa jatkuvasti, ja asettavat kovempia haasteita moottorivalmistajille. Paikallisia päästöjä, kuten typen oksideja ja hiukkaspäästöjä pyritään pienentämään parantamalla polttoaineen laatua, tekemällä polttoaineen syötöstä entistä tarkemmin hallittu tapahtuma ja kehittämällä katalysaattoritekniikkaa tehokkaammaksi muun muassa tarkemmalla lämpötilojen hallinnalla ja erilaisiin moottorin kuormitustilanteisiin paremmin sopeutuvilla järjestelmillä.

CO₂ ja polttoainevaihtoehdot

CO₂-päästöt eli hiilidioksidipäästöt ovat suoraan suhteessa ajoneuvon polttoaineenkulutukseen. Litrasta bensiiniä syntyy 2 350 grammaa hiilidioksidia. Polttoaineteknisin keinoin hiilidioksidipäästöjä voidaan polttomoottoreissa alentaa lisäämällä polttoaineeseen uusiutuvista lähteistä valmistettuja komponentteja. Näiden biokomponenttien palamisessa syntyvä hiilidioksidi on sitoutunut niiden raaka-aineen kasvuvaiheessa, eikä sillä näin ollen lasketa olevan vaikutusta ilmakehän hiilidioksiditasapainoon.

EU:ssa on tavoitteena vuoteen 2020 mennessä se, että 10 prosenttia liikenteessä käytetystä energiasta on peräisin uusiutuvista raaka-aineista. Tähän tavoitteeseen pääsystä osa voidaan hoitaa sekoittamalla bensiiniin etanolia. Suomessa otettiin vuoden 2011 alussa yleisesti käyttöön 95 E10-polttoainelaatu, joka sisältää korkeintaan 10 prosenttia etanolia. Tämä polttoaine soveltuu noin 70 prosenttiin Suomessa käytössä olevista bensiiniautoista. Toinen yleisesti saatavilla oleva polttoainelaatu on 98 E5, joka on oktaaniluvultaan korkeampi ja sisältää etanolia korkeintaan 5 prosenttia.

Etanolin sisältämän hapen ansiosta seosbensiini palaa puhtaammin, mutta haittapuolina pelkkään bensiiniin verrattuna voi olla hienoinen tehon lasku, kulutuksen kasvu ja sopivuusongelmat moottoreissa, joissa ei ole otettu huomioon suurempia etanolipitoisuuksia. 95 E10 -polttoaine sopii moniin vanhempiinkin autoihin, mutta sopivuus kannattaa tarkistaa osoitteesta www.e10bensiini.fi.

Tulevaisuudennäkymät

Bensiinimoottorit ovat pitkään olleet valta-asemassa henkilöautojen voimanlähteinä. Polttoainetta on ollut saatavilla kohtuuhintaan, ja autoistumisen ollessa kiivaimmillaan ei varsinkaan Pohjois-Amerikassa autojen polttoaineenkulutuksella ollut juurikaan merkitystä, minkä takia autot ja moottorit kasvoivat tarpeettoman suuriksi. Tämä trendi ei ole vieläkään kokonaan ohi, sillä amerikkalaiset ostavat muuta maailmaa selvästi suuremmilla moottoreilla varustettuja autoja.

Vaikka bensiinipula ei uhkaakaan maailmaa aivan heti, on öljyvarojen rajallisuuden tiedostaminen aktivoinut päättäjät laatimaan lakeja ja rajoituksia, jotka ohjaavat autonvalmistajia ja kuluttajia kohti vähemmän kuluttavia henkilöautoja. Suomessa myytyjen henkilöautojen keskimääräiset hiilidioksidipäästöt ovat laskeneet auton valintaa ohjaavan veropolitiikan ansiosta.