Sylinterin sisällä

Auton moottorilla on yksi tehtävä: muuttaa palavan polttoaineen lämpö akselin pyörimiseksi. Lähes jokainen bensiini- ja dieselauto tekee tämän samalla tavalla, joka toistuu useissa sylintereissä: sylinteriputkessa ylös ja alas liukuva mäntä sekä mekanismi, joka muuttaa tämän suoraviivaisen liikkeen pyörimiseksi.

Yhden sylinterin tärkeimmät osat ylhäältä alas:

• Sylinteri ja sylinterikansi. Putki, jonka sisällä mäntä liikkuu ja jonka kansi sulkee ylhäältä. Männän ja kannen välinen tila on palotila.
• Venttiilit. Kaksi tai useampia pieniä ovia kannessa: imuventtiilit päästävät raikasta ilmaa (ja monissa moottoreissa myös polttoainetta) sisään; pakoventtiilit päästävät palaneen kaasun ulos. Pyörivä nokka-akseli avaa niitä oikeilla hetkillä.
• Sytytystulppa (bensiinimoottorit). Se tekee kipinän, joka sytyttää polttoaineen ja ilman.
• Mäntä. Mäntä liikkuu edestakaisin kuin painin. Sen ympärillä olevat renkaat tiivistävät raon sylinterin seinämää vasten.
• Kiertokanki. Vahva tanko, joka yhdistää männän kampiakseliin. Se heiluu liikkuessaan.
• Kampiakseli. Akseli, jossa on sivuun siirretty osa eli kampisäde. Kun mäntä työntää kiertokankea, kiertokanki pyörittää kampisädettä ympyrässä, aivan kuin jalka pyörittäisi polkupyörän poljinta.
• Vauhtipyörä. Kampiakselin päässä oleva raskas kiekko, joka varastoi pyörimisenergiaa.

Iskunpituus on etäisyys, jonka mäntä kulkee korkeimman kohtansa eli yläkuolokohdan (TDC) ja alimman kohtansa eli alakuolokohdan (BDC) välillä. Kampisäde on etäisyydellä r akselin keskipisteestä, joten mäntä liikkuu puoli kierrosta kohden r:n verran ylös ja r:n verran alas: stroke = 2r.

Männän korkeus määräytyy kammen ja kiertokangen geometrian perusteella. Kun kampikulma θ mitataan yläkuolokohdasta ja kiertokangen pituus on l, etäisyys akselin keskipisteestä männäntappiin on x(θ) = r cos θ + √(l² − r² sin² θ). Sinun ei tarvitse laskea sen avulla, mutta huomaa, mitä se kertoo: männän jokainen asema määräytyy kampikulman perusteella. Kun käännät kampea, koko moottori liikkuu; mikään ei voi olla väärässä tahdissa.

Mäntä ei pyöri. Se liukuu suoraan; kiertokanki heiluu puolelta toiselle; vain kampiakseli pyörii. Mäntä myös oikeasti pysähtyy hetkeksi ylhäällä ja alhaalla, missä se vaihtaa suuntaa, ja liikkuu nopeimmin jokaisen iskun keskikohdan ympärillä.

Moottoria kuvaillaan kahdella koolla. Yhden sylinterin iskutilavuus (tilavuus) on männän pinta-ala kertaa iskun pituus: V = (π/4) × bore² × stroke. Kun sylinterin halkaisija ja iskun pituus ovat kumpikin 86 mm, V = (π/4) × 0.086² × 0,086 ≈ 0,0005 m³ = 0,5 litraa, joten neljä tällaista sylinteriä muodostaa 2,0-litraisen moottorin.

Puristussuhde vertaa suurinta ja pienintä tilavuutta, joka kaasulla koskaan on: CR = (V_swept + V_clearance) / V_clearance, jossa jäännöstilavuus on männän yläpuolelle YKK:ssa jäävä tila. Jos yhden sylinterin iskutilavuus on 500 cm³ ja yläosaan jää 50 cm³, CR = 550 / 50 = 11 : 1.

Kuinka nopeasti mäntä liikkuu? Sen keskinopeus on 2 × iskun pituus × (kierrosta sekunnissa). Kun nopeus on 6 000 rpm (100 rev/s) ja iskun pituus 86 mm, tulos on 2 × 0,086 × 100 ≈ 17 m/s, eli noin 62 km/h, männän liikkuessa ylös ja alas satoja kertoja sekunnissa. Tämä on yksi syy siihen, että moottorien turvalliselle pyörimisnopeudelle on raja.