Kuuldused sisepõlemismootori surmast on tugevasti liialdatud

Globaalsest transpordist toimub tänapäeval 99 protsenti sisepõlemismootorite jõul, kasutades sisuliselt 150 aastat muutumatuna püsinud tehnoloogiat. Eesti Maaülikooli laborites otsitakse alternatiivi nii kütustele kui ka traditsioonilistele kolbmootoritele, et inimesed ja kaubad saaksid liikuda senisest keskkonnasõbralikumalt.
Kui saksa insener Nikolaus Otto täiustas 1876. aastal varasemate inseneride tööd ja lõi esimese ottomootori, tegi ta seda oma kaasaegsete teadmiste ja võimalustega. Esmapilgul võib tunduda, et lahendus oli suurepärane, sest tema ehitatud neljataktiline mootor on kasutusel ka tänapäeval. Läbi aegade on tema algset disaini küll kaasajastatud, kuid suuri sisulisi muudatusi pole veel tehtud. Ehk on senine mõtteviis põhinenud loogikal: miks muuta töötavat asja, kui see toimib, kirjutab Eesti Maaülikooli biomajandustehnoloogiate õppetooli nooremteadur Roland Allmägi.
Kliimamuutuste pidurdamiseks on hulk riike võtnud nõuks saavutada süsinikuneutraalsus igas valdkonnas, kaasaarvatud transpordis. Selles vaimus on kõlanud isegi mõte sisepõlemismootorid ära keelata. Leian, et just nagu Otto täiustas kolbmootorit, peaks ka nüüd keelustamise asemel tegelema pigem arendustööga, et leida kaasaegsele sõidukile sobilik kaasaegne mootor.
Sisepõlemismootorite arendamise vallas on mitu uurimissuunda. Ühed teadlased ja insenerid keskenduvad põlemistehnoloogiatele, et tõsta mootori kasutegurit ja vähendada heitgaase. Teised otsivad lahendusi selle ehituse parandamiseks, et suurendada mehaanilist kasutegurit. Mõlemad valdkonnad on olulised, sest efektiivsest põlemisest pole kasu, kui see toimub ebatõhusas mootoris. Optimaalse põlemisprotsessita pole kasu aga isegi hõõrdevabast mootorist.
Oma doktoritöös uurin tänapäevaseid teadmisi, tehnoloogiaid ja materjale kasutades, kuidas asendada mootori südameks olev kolb mõne muu tööorganiga, et vähendada mootoris tekkivat hõõrdumist.
Keskendun kolvile, sest praegustes mootorites põhjustab ligi poole mootori mehaanilisest kaost hõõrdumine, mis tekib kolvi ja silindri vahel. Kuigi kolb peab saama silindris piisavalt vabalt liikuda, et kanda kütuse põlemisenergia väljundvõllile, peab see samasliikuma kolvis piisavalt tihedalt, et taluda kõrget rõhku. Viimase jaoks on välja mõeldud kolvirõngad, kuid need on ka praeguste mootorite üks peamisi nõrku külgi.
Kolvirõngastest tingitud hõõrdumise kõrvaldamiseks töötan uudse mootori prototüübi kallal, mis kolvirõngaid ei vaja. Maaülikooli mootorilaboris katsete käigus tehtud mõõtmised annavad meile parema arusaama, kuidas sedasorti membraanmootorid töötavad. Nii saame rakendada ebaharilikes mootorites traditsioonilisi tehnoloogiaid ja teadmisi.
Senise teadus- ja arendustöö tulemusena on ilmnenud mitmeid membraanmootori hüpoteetilisi eeliseid. Membraanmootori peamine eelis kolbmootori ees on nimele vastavalt membraan, millel on potentsiaali kõrvaldada kolvi kaks põhilist murekohta: suure hõõrdumise ja rõhulekked.
Esiteks katab membraan tervenisti põlemiskambri põhja. Seega ei saa põlemisgaasid kambrist välja lekkida. Nii saab membraanmootor rakendada rohkem kütuse energiast kasuliku töö tegemiseks. Lisaks ei segune põlemisgaasid ja kütus määrdeõliga, mis suurendab kolbmootoris kulumist ja ohtlike heitgaaside hulka.
Teiseks ei hõõrdu membraan neljataktilise töötsükli vältel vastu silindri seinu, vaid jääb sisuliselt liikumatuks ja hoopis venib. Venimine on siinkohal võtmesõna, sest kui kolbmootoris liigub kolb silindris alla, läheb selleks kuluv energia kaduma hõõrdejõudu. Membraan venitatakse seevastu pingesse ja suur osa sellest energiast talletub materjali.
Seega peab mootor rakendama vähem jõudu, et viia membraan uuesti tagasi algsesse, ülemisse asendisse. Terve tsükli vältel kulutab mootor enese liigutamiseks vähem energiat ning saab potentsiaalselt teha rohkem kasulikku tööd. Lisaks on elastsel mootoril häid omadusi, mis aitavad pehmendada põlemisel tekkivaid äkilisi rõhutõuse ning tühjendada põlemiskambrit heitgaasidest.
Paberil kõlavad kõik need eelised suurepäraselt. Võiks mõelda, et nüüd tuleb vaid oma autole vastav membraanmootor välja valida ja transpordisektori üks suurtest muredest ongi murtud. Paraku on selle mootori uurimustöö alles alguses ja laboris saavutatud tulemusi ei saa kohe päris ellu üle kanda. Esimene prototüüp küll toimib, kuid veel vaid kontrollitud tingimustes. On veel mitmeid nüansse, muu hulgas membraanimaterjal, mis vajavad esmalt põhjalikult uurimist.
Juba membraanmootori idee ise näitab aga, et sisepõlemismootoritele on veel vara hingekella lüüa, sest nende arendamiseks on küllaga arenguruumi. Innovaatilised lahendused algavad väikestest laboritest ja väikestest avastustest, kuid neil on potentsiaal muuta maailma.

Artikkel ilmus Eesti Teaduste Akadeemia korraldatava konkursi "Teadus 3 minutiga" raames, mille finaal toimub 19. veebruaril.
Roland Allmägi on Eesti Maaülikooli metsanduse ja inseneeria instituudi tehnikateaduse doktorant. Oma doktoritöös uurib ta uudset sisepõlemismootori kontseptsiooni, mida nimetatakse membraanmootoriks. Lisaks mehaanikainseneri tehniliselt nõudlikule tööle laulab Allmägi hobikorras ka Tartu Üliõpilassegakooris. Tema jaoks on loomingulisus oluline nii masinate projekteerimisel kui ka musitseerimisel – need kaks kirge toovad ta ellu tasakaalu ning täiendavad üksteist suurepäraselt.
Toimetaja: Jaan-Juhan Oidermaa