464124A Polttomoottoritekniikan perusteet 5,0 op Internal ... · Oheiskirjallisuus: Heywood, John B. Internal Combustion Engine Fundamentals. ... Engineering Fundamentals of the Internal

OULUN YLIOPISTO Koneensuunnittelun tutkimusryhmä

464124A Polttomoottoritekniikan perusteet 5,0 op

Internal Combustion Engines 5,0 CR Professori Mauri Haataja

Luentomoniste I

Internal Combustion EnginesI 5,0 CR Mechanical Engineering University of Oulu Mauri Haataja 2016

2

464124A Polttomoottoritekniikan perusteet Internal Combustion Engines

Laajuus: 5 op / 133h opiskelijan työtä Opetuskieli: Suomi

Ajoitus: Luennot ja laskuharjoitukset 3-4 periodilla. Harjoitus- ja laboratoriotyöt tehdään 3-4 periodilla. Suositeltu suoritusajankohta opintojaksolle on 4. vuoden kevät

Osaamistavoitteet: Teoriaosio: Opiskelija osaa selittää mäntämoottoreiden toimintaperiaatteet, seoksenmuodostuksen, sylinteritäytökseen vaikuttavat tekijät ja palamisprosessit sekä pakokaasujen emissioiden muodostumiseen liittyvät tekijät ja kunnossapitomenetelmät. Opiskelija osaa suorittaa ahtamattomien ja ahdettujen mäntämoottoreiden perusmitoituksen, termodynaamiset laskelmat, osaa määrittää häviökomponentit ja hyötysuhteet sekä osaa laatia ominaispiirrokset. Mittausosio: Opiskelija osaa käyttää asiantuntevasti polttomoottoreiden mittausmenetelmiin ja laatujärjestelmiin liittyviä kansainvälisiä standardeja. Opiskelija osaa selittää moottorin kuormituslaitteiden, mittauslaitteiden ja tiedonkeruujärjestelmän vaatimukset ja toimintaperiaatteen. Opiskelija osaa laatia mittaussuunnitelmat, suorittaa mittaukset ja osaa laatia mittausraportin ja suorittaa tuloksien kriittisen arvioinnin Sisältö: Mäntämoottoreiden rakennejärjestelmät ja perusteet. Seoksenmuodostus ja sylinteritäytös. Moottoripolttoaineet. Pakokaasuemissioiden muodostuminen. Sytytys- polttoaine- ja käynninohjausjärjestelmät. Mäntämoottoreiden päämitoitusmenetelmät. Teoreettiset työkierrot ja hyötysuhteet. Ahtamismenetelmät. Moottorilaboratorion mittaus- ja tiedonkeruujärjestelmät. Koehuoneen olosuhteiden mittaukset. Moottoreiden jarrutuspenkit. Moottorin kuormitussyklit. Teho, vääntömomentti ja pyörimisnopeus. Ilmamäärän mittaus. Polttoaineen massan mittaus. Ilmakertoimen määritys. Pakokaasuanalysaattorit. Palamispainetarkastelut ja palamistapahtuman hallintaan vaikuttavat tekijät. Järjestämistapa: Lähiopetus Toteutustavat: Luento-opetus 26h, ohjatut laskuharjoitukset 20h sekä harjoitus- ja laboratoriotyöt. Moottoriteknilliset mittaukset tehdään OAMK:n auto- ja moottorilaboratoriossa.Itsenäisen opiskelun osuus 87h

Kohderyhmä: Konetekniikan koulutusohjelman maisterivaiheen opiskelijat.

Esitietovaatimukset: - Oppimateriaali: Luentomoniste ja luennoilla jaettava materiaali. Automotive Handbook. 9.painos 2011. Robert Bosch Gmbh; Moottorilaboratorion mittauksia ja laatujärjestelmää koskevat standardit; Aumala&Kalliomäki, Mittaustekniikka I. Mittaustekniikan perusteet. 359 Ota-kustantamo.1978. Oheiskirjallisuus: Heywood, John B. Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill Book Company. 1988; Stone, R., Introduction to Internal Combustion Engines. 3 rd Edition. 1999 . SAE; Merker G.P et al, Combustion Engines Development, Springer-Verlag 2012; Pulkrabek, W., Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engine. 2 nd Edition. 2004; Baines,N.C., Fundamentals of Turbo-charging. Concepts NREC.USA.2005; Van Basshuysen, R.,Schäfer,F., Internal Combustion Engine Handbook. SAE.2004; Heisler, H., Advanced Engine Technology. 2003; Butter-worth-Heinemann. Merker, G.P., Stiesch,G., Technische Verbrennung. Motorische Verbrennung. B.G.Teubner Stuttgart, Leipzig 1999; Dietzel,F., Wagner, W., Technische Wärmelehre. Vogel-Buchverlag. 7. Auflage. 1998. Bosch. Zhao,H., Ladommatos,N., Engine Combustion Instrumentation and Diagnostics.2001. SAE. Standardit EC 80/1269, ISO 1585, ISO 8178. JIS D 1001 , SAE J 1349 , DIN 70020; Plint,M., Martyr A., Engine Testing. Theory and Practice. 2 nd Edition.Butterworth- Heinemann; Blair. G.,P., Design and Simulation of Four-Stroke Engines. 1999. SAE. Suoritustavat ja arviointikriteerit: Arvosana määräytyy painokertoimin 0,4 tentti, 0,6 harjoitus- ja laboratoriotyöt.


3

Sisältö

i

1 Polttomoottoreiden kehityshistoria 5

1.1 Polttomoottoreiden kehittäjät 5

1.2 Polttomoottoreiden käyttöympäristö ja yleisyys 8

1.3 Polttomoottoreiden asema koneiden jaottelussa 10

1.4 Moottorin akseliteho, kokonaishyötysuhde ja polttoaineen

ominaiskulutus 11

1.5 Yleinen lämpövoimakoneiden terminen hyötysuhde 15

1.6 Polttoaineen lämpötehon jakaantuminen 17

2 Polttoaineen palamisen teoreettinen ilmantarve

ja palamisyhtälöt 20

2.1 Polttoaineen palamisen teoreettinen ilmantarve 20

2.2 Hiilivetypolttoaineen palamisyhtälöt 21

2.3 Ilmakertoimen vaikutus otto- ja dieselmoottorin toimintaan 23

2.4 Moottoreiden pyörimisnopeusluokat 24

3 Otto- ja dieselpolttoaineet 26

3.1 Otto- ja dieselpolttoaineiden jalostus 26

3.2 Hiilivetypolttoaineiden rakennemuodot 27

3.3 Polttoaineiden tunnusluvut ja ominaisuudet 30

3.4 Lämpöarvo 31

3.5 Leimahduspiste, itsesyttymislämpötila ja syttyvyysrajat 31

3.6 Tislauskäyrä 32

3.7 Oktaaniluku RON ja MON 34

3.8 Dieselpolttoaineen setaaniluku 36

3.9 Biopolttoaineet 37

3.10 Kaasut 38

4 Seoksenmuodostus otto- ja dieselmoottorissa 39

4.1 Seoksenmuodostus ottomoottorissa 39

4.2 Kaasutinrakenteet 39

4.3 Kaasuttimen perusyhtälöt 41

4.4 Yksi- ja monipisteruiskutusjärjestelmä 43

4.5 Sähköisesti ohjattu seoksen säätöjärjestelmä 45

4.6 Ilmamäärän mittausmenetelmät 45

4.7 Lambda-anturisäätö 47

4.8 Heterogeeninen seoksenmuodostus 51

4.9 Dieselpolttoaineen seoksenmuodostus 53

5 Palorintama ja palamispainediagrammit 55

5.1 Dieselmoottorin normaali ja nakuttava palaminen 56

5.2 Ottomoottorin normaali ja nakuttava palaminen 58

5.3 Nakutuksen esto ottomoottorissa 61

5.4 Sytytysenergia ja polttoaineen lämpöenergian vapautuminen 61

5.5 Sytytystulppa 63

6 Kaasunvaihtojärjestelmät 64

6.1 Sylinterin huuhteluilmasuhde 64

6.2 Imu- ja pakoventtiilien ajoitusdiagrammit 4- ja 2-tahtisesa

moottorissa 64

6.3 2-tahtisen moottorin huuhtelumenetelmät 66 6.4 4- ja 2-tahtisen moottorin pV-piirrokset 68

6.5 Imu- ja pakokanavajärjestelyt 68

6.6 Venttiilien käyttömekanismit 69


4

6.7 Nokka-akselin käyttömekanismit 71

7 Polttomoottoreiden ahtaminen 74

7.1 Imukanavan resonanssitaajuus 74

7.2 Ahtamismenetelmät 75

8 Dieselmoottoreiden palotilat 80

8.1 Palotilatyypit 80

8.2 Polttoaineen ruikutusuuttimet 81

9 Moottoreiden tehon määritysstandardit 86

10 Mäntämoottorin kampiakseliteho ja tehollisen keskipaineen

menetelmä 90

10.1 Kaasunpaineen tehollissuureet 90

10.2 Sylinterin energia- ja painetase sekä mekaaninen hyötysuhde 93

10.3 Moottorin vääntömomentti ja tehollinen keskipaine 93

10.4 Ilmakerroinmenetelmä 94

10.4.1 Sylinterin volymetrinen hyötysuhde 94

10.4.2 Sylinteritäytöksen ja akselitehon välinen yhteys 99

10.4.3 Sylinterin vastaanottama ilman ja

polttoaineen massa 99

10.5 Mäntämoottorin päämitoitussuureiden valinta 101

10.5.1 Puristussuhteen valinta 101

10.5.2 Männän keskinopeuden valinta 104

10.5.3 Iskusuhteen valinta 105

10.5.4 Ilmakertoimen valinta 106

11 Mäntämoottoreiden yhdenmuotoisuussäännöt 107

11.1 Geometrinen yhdenmuotoisuus ja mekaaninen samanlaisuus 107

11.2 Mäntämoottoreiden yhdenmuotoisuusyhtälöt 107

Lähdekirjallisuus 111


5

1 Polttomoottoreiden kehityshistoria

1.1 Polttomoottoreiden kehittäjät

Seuraavassa käsitellään lyhyesti muutamia merkittäviä keksijöitä ja

kehittäjiä, joilla on ollut merkittävä vaikutus polttomoottorien

kehityksessä.

1. Cristian Huygnes, hollantilainen tiedemies;matemaatikko ja fyysikko

keksi atmosfäärimoottorin vuonna 1673. Moottori toimi ruutikaasulla,

mistä johtuen käytettiin nimitystä räjähdysmoottori. Pulverimaisessa

olomuodossa olevan ruudin mukaan kone oli ns. pulverikone. Ensimmäiset

moottorikokeet.

2. Jean de Hautefelle; 1682 keksi suoratoimisen pulverikoneen.

3. Aleksandro Volta; v.1777 sähkösytytyksellä toimiva kaasupistooli.

Kaasumoottoreiden esikuva.

4. Robert Boyle, irlantilainen tiedemies; fyysikko ja kemisti tutki

tieteellisesti puukaasua 1600-luvulla.

5. Robert Street, v. 1794 keksi liekkisytytyksellä toimivan koneen.

Ensimmäiset kokeet nestemäisellä polttoaineella: tärpätti, tervaöljy.

6. John Barber, engl. patentoi v.1791 kiinteiden polttoaineiden

kaasuttamismenetelmän.

7. Philippie Lebon d`Humbersin ranskal.; patentoi v. 1801 kaksitoimisen

2-tahtimoottorin, joka toimi hiilikaasulla ja oli varustettu

sähkökipinäsytytyksellä.

8. Francoise Isaac de Rivaz, sveitsil.; sai patentin

atmosfääripolttomoottorille v.1807, sytytys tapahtui jalkapolkimen

ohjaamalla liekillä työsylinteriin. Moottori oli kiinnitetty pyörillä

liikkuvaan ajoneuvoon.

9. Jean Babtiste Biot; v.1804 teki puristussytytyskokeita.

10. William Cecil; v. 1817 ensimmäinen itsetoimiva kaasumoottori.

11. Samuel Brown; v. 1823 monisylinterinen atmosfäärikaasumoottori,

suoritti myös kokeita bensiinillä.

12. Samuel Morey &Erskine Hazard; v. 1826 atmosfäärimoottori, joka toimi

nestemäisellä polttoaineella. Teki kokeiluja kaasuttajan esilämmityksestä

mm. tärpätillä ja alkoholilla.

13. Luigi De Cristoforis; v. 1841 atmosfäärimoottori, joka toimi

bensiinillä ja jossa käytettiin ensimmäisenä kaasutinta

(bensiinikaasuttaja).

14. Eugenio Brasanti & Felice Matteucci; italialaisia v. 1853 toimiva

atmosfäärikaasumoottori. 2-sylinterinen, sylinterissä oli 2 mäntää ja

apumäntä sekä 2 vauhtipyörää, moottori oli varustettu sähkösytytyksellä.


6

15. Jean Joseph Etienne Lenior, syntyi Luxemburgissa v.1822. Muutti

Pariisiin vuonna 1838 aloittaen työuransa tarjoilijana. On

polttomoottoreiden kehityshistoriassa eräs merkittävimpiä nimiä. Hän

kehitti v. 1860 2-toimisen atmosfäärikaasumoottorin, joka toimi

valokaasulla ja sytytys toteutettiin sähkökipinällä. Hyötysuhde oli

3...4%, palamisen maksimipaine 500kPa. Sai kultamitalin keksinnöstään

Pariisin maailmannäyttelyssä v. 1864. Keksintö johti maailman ensimmäisen

moottoritehtaan Gasmotoren-Fabrik Deuztìn perustamiseen.

16. Alphonse Beau de Rochas, ranskal. rautatieinsinööri; julkaisi v.

1862 ensimmäisenä 4-tahtiperiaatteen, ei kokeillut käytännössä. Kone oli

höyry- ja kaasumoottorin yhdistelmä, 2-toiminen, jossa männän toisella

puolella toimi kaasumoottori ja toinen puoli toimi 4-tahtisena

polttomoottorina. 4-tahtiperiaate tapahtui 2:lla kampiakselin

kierroksella. Tavoitteena oli vetureiden vetovoiman lisääminen. Keksinnön

tavoitteena oli hyödyttää höyrykoneita rautateillä ja laivoissa. Koska

mielenkiintoa koneen rakentamiseen ei ilmennyt, hän lakkautti patentin

kahden vuoden voimassaolon jälkeen.

17. Nicolaus August Otto, kölniläinen kauppias (1832-1891), v.1867

rakensi yhdessä insinööri Eugen Langen kanssa parannetun atmosfäärisen

kaasukoneen. Koneen hyötysuhde oli n. 10%. Otto rakensi ensimmäisenä 4-

tahtiperiaatteella toimivan moottorin vuonna 1876. Tämän johdosta

moottorin nimityksenä on käytetty maailman laajuisesti Otto-moottoria.

Moottorin ominaisuuksista mainittakoon; teho 2,1 kW/180r/min,

polttoaineena oli kaasu. Hyötysuhde oli jo verraten korkea 17...19%,

tehollinen keskipaine oli n. 250kPa, maksimisylinteripaine n.500kPa ja

männän keskinopeus 1,8m/s. Tätä moottoria valmistettiin vuoteen 1895

saakka 8321 kappaletta ja oli ensimmäinen moottori, jota valmistettiin

moottoritehtaassa (DFD) suuria määriä. 4-tahtimoottori patentoitiin

vasta 4.8.1877, koska uuden Saksan valtakunnassa patenttilainsäädäntö

toteutui vasta 1877. Otton peruspatentti on DPR 532, siinä on 5

pääkohtaa. Kolmessa ensimmäisessä on kuvailtu palamisominaisuuksia. Hän

oli ensimmäinen kerrossyöttöperiaatteen soveltaja. Toisaalta on myös

todettava, että Otto ei tiennyt, että hänen moottorissa ilman ja kaasun

seokset olivat homogeenisia. Vuonna 1878 Otton 4-tahtimoottori palkittiin

Pariisin maailmannäyttelyssä kultamitalilla. Otto on ensimmäinen

suurista nimistä polttomoottorien historiassa.

18. Itävaltalainen Hock ja amerikkalainen Brayton käyttivät ensimmäisenä

nestemäistä polttoainetta vuonna 1873.

19. Saksalaiset Gottlieb Daimler ja Wilhelm Maybach rakensivat

ensimmäisenä bensiinimoottorin vuosina 1882-86. Samaan aikaan edellisistä

riippumatta saksalainen Carl Benz rakensi bensiinimoottorin. Näiden

keksijöiden moottorit oli tarkoitettu kulkuneuvojen voimanlähteiksi.

Daimler ja Maybach rakensivat moottoripyörän vuonna 1885, 4-pyöräisen

moottorivaunun (auto) 1886 ja moottorikäyttöisen aluksen 1887. Benz sai

patentin 3-pyöräiselle autolleen 1886, jonka hän rakensi samana vuonna.

Moottori oli 4-tahtinen bensiinimoottori, jonka teho oli 0,4kW/400r/min,

moottorin massa jäähdyttimineen oli 108 kg. Niinikään Benz kehitti

sähkösytytysjärjestelmän v.1882 ja julkaisi sen vuonna 1886.

20. Rudolf Diesel, saksalainen insinööri kehitti puristussytytyksellä

toimivan, dieselmoottorina tunnetun mäntäkonetyypin. Konetta kehitettiin

vuosina 1893-97 MAN:n tehtailla Augsburgissa (MAN= Maschinenfabrik


7

Augsburg-Nürnberg). Moottori esiteltiin julkisesti vuonna 1897. Moottorin

ominaisuuksista mainittakoon; sylinterin halkaisija oli 250mm,

iskunpituus 400mm, moottorin teho 14,7kW/172r/min, kokonaishyötysuhde oli

n. 25%. Polttoaine ruiskutettiin sylinteriin paineilman avulla. Dieselin

kehittämä moottori kantaa keksijänsä nimeä maailmanlaajuisesti. Diesel on

toinen suuri nimi polttomoottorien historiassa.

21. Polttomoottorien kehittäjiin on syytä liittää Alfred Büchi, joka

tunnetaan pakokaasuahtamisen keksijänä, patentit vuosilta 1905 ja 1915.

Ahtamismenetelmässä pakokaasuturbiini pyörittää kompressoria, joka

tuottaa ulkoilman painetta korkeampaan paineeseen puristettua

palamisilmaa. Keksintö on vaikuttanut voimakkaasti dieselmoottorien

kehitykseen ja luonut mahdollisuudet kehittää korkeatehoiset moottorit

moniin eri käyttötarkoituksiin.


8

1.2 Polttomoottoreiden käyttöympäristö ja yleisyys

Polttomoottoreita käytetään yleisesti monilla jokapäiväiseen elämään

liittyvissä perustarpeissa ja teollisuudessa eri tuotannon aloilla.

Käyttöympäristö jakaantuu kolmeen pääryhmään seuraavasti:

1. Polttomoottoreita käytetään laajalti maalla ja vedessä liikkuvien

ajoneuvojen, kuten rautatieveturien, autojen, moottoripyörien,

traktoreiden, työkoneiden, maastoajoneuvojen, veneiden, alusten ja

laivojen voiman ja energian lähteinä.

2. Polttomoottoreiden käyttö sähköenergian tuotannossa on merkittävä.

Esimerkiksi laivoissa sähköenergia tuotetaan dieselmoottoreilla. Monissa

kotitalouksissa käytetään polttomoottorikäyttöistä sähkögeneraattoria

sähköenergian tuottamiseen. Yhteiskunnan turvallisuuden parantamiseksi

mm. sairaaloiden, Puolustusvoimien ja eräiden tuotantolaitosten

yksiköiden energian saanti on turvattu varaenergiajärjestelmillä, jotka

toimivat dieselmoottoreilla.

3. Polttomoottoreita käytetään teollisuudessa, työpaikoilla ja

kotitalouksissa laitteiden ja koneiden voiman lähteinä, joista

esimerkkinä mainittakoon mm. pumput, kompressorit, kallioporakoneet,

moottorisahat, ruohonleikkuukoneet. Voidaan lyhyesti todeta, että

polttomoottorien käyttö on verraten yleistä ulottuen lähes kaikkialle eri

elämän aloille.

Polttomoottoreiden yleisyyteen vaikuttavat teknilliset ja taloudelliset

tekijät sekä laajat asiakassovellusten mahdollisuudet. Seuraavassa on

esitetty tärkeimmät ominaisuudet, jotka ovat vaikuttaneet suotuisasti

polttomoottorien yleisyyteen:

1. Korkea hyötysuhde vaihtelevissa kuormitusolosuhteissa

-Ottomoottoreilla kokonaishyötysuhde e=20...39% moottori-

tyypistä riippuen

-Dieselmoottoreilla e =32...50% -Korkein kokonaishyötysuhde saavutetaan hidaskäyntisillä

laivadieselmoottoreilla

2. Polttomoottorit ovat erittäin mukautumiskykyisiä moniin eri käyttö-

tarkoituksiin, johtuen niiden monista eduista mm.:

-polttomoottorin hyvät ominaisuudet voidaan säilyttää korkeasta

pyörimisnopeudesta aina mataliin pyörimisnopeuksiin saakka,

esim. moottoripyörien, pienlentokoneet, laivat; esim.

sylinterin halkaisijoiden suhde saattaa olla 1:110

-moottorien rakennemuotoja voidaan vaihdella käyttö-vaatimusten

mukaan: rivi-, laaka-, kaksoisrivi-, V-, W-,X- ja

tähtimoottorit. Esim. lennokin moottorin massa/ teho on voitu

saada verraten pieneksi tasolle 0,5kg/kW.

3. Lämpövoimakoneille on tyypillistä, että ne muuttavat osan polttoaineen

kemiallisesta energiasta mekaaniseksi työksi. Tämä tapahtuu koneen

tietyssä osassa ohjatun kiertoprosessin; työkierron avulla.

Polttomoottoreissa kemiallinen energia vapautetaan sylinterissä so.

palotilassa. Työaine vastaanottaa palamisprosessissa syntyneen

lämpöenergian ja luovuttaa sitä tietyssä prosessin vaiheessa.

Polttomoottorissa paineennousu käytetään mäntä-kiertokanki-


9

kampiakselimekanismin avulla vääntömomentin aikaansaamiseksi

kampiakselille kiinnitettyyn vauhtipyörään.

4. Polttomoottorissa työaineena on ilma tai polttoaineen ja ilman

muodostama seos, tai ilman ja pakokaasujen seos. Esim. höyrykoneissa

työaineena on usein vesi. Polttomoottoreissa työaineen pääosan muodostaa

ilma, joka voidaan ottaa ympäristöstä. Tämä erittäin merkittävä etu sen

vuoksi, että sitä ei tarvitse varastoida ja kuljettaa mukana. On syytä

mainita, että yhden polttoainekilon täydelliseen polttamiseen tarvitaan

noin 15kg ilmaa! Sen sijaan polttoaine on varastoitava ja kuljetettava

mukana. Esim. höyryvoimakonekäyttöisissä kulkuneuvoissa hapettaja saadaan

ympäristöstä, mutta työaine on varastoitava ja kuljetettava mukana.

Esimerkiksi avaruusraketissa työaine ja hapettaja on kuljetettava

kokonaisuudessaan mukana. Polttomoottorien ylivoimaisuus perustuu mm.

edellä mainittuun seikkaan, vain osa työaineesta n.1/16-osa tarvitsee

kuljettaa mukana. Tästä johtuu, että polttomoottorin paino ja koko antavat

selvän paremmuuden verrattuna muihin ratkaisuihin.

5. Voiman ja energianlähde voidaan rakentaa itsenäiseksi yksiköksi.

Hyvänä esimerkkinä tästä ovat kulkuneuvojen moottorit, teollisuudessa ja

kotitalouksissa käytettävien laitteiden ja koneiden moottorit. Keskitetyn

energian käytön ongelmat aiheutuvat sen tuotanto- ja käyttöketjussa

ilmenevistä heikkouksista. Esim. sähköveturi tarvitsee voimalaitoksen ja

energian siirtoon ajojohdot. Tämä tekee rautatieliikenteestä erittäin

haavoittuvan sähkön jakelun häiriöissä ja kriisitilanteissa.


10

1.3 Polttomoottoreiden asema koneiden jaottelussa

Polttomoottorit luetaan kuuluvaksi lämpövoimakoneisiin (heat engine,

Wärmekraftmaschine), kuva 1. Niiden tehtävänä on tuottaa mekaanista työtä

polttoaineesta vapautuvan lämpöenergian avulla. Lämpöenergian

vapauttaminen tapahtuu moottorin sylinterissä ohjatun palamisprosessin

kautta. Polttomoottoreilla tarkoitetaan yleensä mäntäkoneita (piston

machine, Hubkolbenmotor), joissa konemekanismin muodostavat mäntä-

kietokanki-kampiakseli-vauhtipyörä sekä tunnusomaisena ominaisuutena on

polttoaineen kemiallisen energian vapauttaminen sylinterissä erillisessä

tilassa ns. palotilassa. Edellä mainittuihin määrittelyihin viitaten

kyseiset polttomoottorit ovat ns. sisäisen palamisen koneita ( engl.

internal combustion engine ja toimintatapaa korostettaessa käytetään

nimitystä reciprocating internal combustion engine. Vastaavasti saksaksi

käytetään nimityksiä: innere verbrennung ja Verbrennungsmotor.

Mäntämoottorit jaotellaan palamisjärjestelyjen mukaan sisäisen palamisen

ja ulkoisen palamisen koneisiin. Sisäisen palamisen koneisiin luetaan

mäntämoottorit sekä tietyin teknisin edellytyksin virtauskoneet ja

kaasuturbiinit. Mäntämoottorit jaotellaan lisäksi polttoaine-ilmaseoksen

sytytystavan mukaan sytytysavusteisiin (SI) ja itsesytytyksellä (CI)

toimiviin. Tyypillisesti Ottomoottorit toimivat sytytysavusteisesti

ulkopuolisella sytytysjärjestelmällä varustettuna. Polttoaine-ilmaseos

sytytetään sytytystulpan tuottamalla, ajoitetulla sytytyskipinällä. Se

sisältää riittävän sytytysenergian seoksen palamistapahtuman

käynnistämiseksi. Sytytysavusteisia moottoreista käytetään nimitystä

kipinäsytytysmoottori (engl. SI=spark ignition, saks.

kerzenzündung,Fremdzündung).

Polttoaineen itsesytytysperiaate (engl. compression ignation (CI), saks.

Selbzündung) toteutuu dieselmoottoreissa. Sylinteriin ruiskutettu

polttoaine sytytetään puristetun palamisilman aikaansaaman lämpöenrgian

avulla. Puristetun ilman lämpöenergian riittävyys polttoaineen sytytyksen

käynnistämiseksi varmistetaan mm. siten, että puristetun ilman lämpötila

kohotetaan korkeammaksi kuin polttoaineen itsesyttymislämpötila.

Mainittakoon, että kiertomäntämoottorit (Wankel) sisäisen palamisen

koneisiin. Kaasuturbiinit (virtauskoneet) rinnastetaan joko sisäisen tai

ulkoisen palamisen (engl. external combustion engine, saksa: äußere

Verbrennung) koneisiin. Kaasuturbiineissa palaminen on järjestetty

varsinaisen perusmekanismin ulkopuolelle ns. polttokammioon ja luetaan

kuuluvaksi ulkoisen palamisen koneisiin. Muutamissa yhteyksissä käytetään

myös nimitystä terminen turbokone.

Stirling-moottori ja höyrykone ovat tyypillisä ulkoisen palamisen

koneita. Niissä sovelletaan mäntäkoneiden ja virtauskoneiden tekniikkaa.


11

Kuva 1. Lämpövoimakoneiden jaottelu sisäisen ja ulkoisen palamisen

koneisiin.

Lyhenteet: 2T=2-tahtinen, 4T=4-tahtinen, LLK=ahtoilman jäähdytys, ML=mekaaninen ahdin,

ATL=Pakokaasu- eli turboahdin, DE= suoraruiskutus, IDE= epäsuora ruiskutus Pkw=henkilöauto,

Nfz=hyötyajoneuvo, Schiffe=laiva, alus; Einspr.=ruiskutus, Vergaser=kaasutin.

1.4 Moottorin akseliteho, kokonaishyötysuhde ja polttoaineen

ominaiskulutus

Moottorin akseliteho Pe voidaan määrittää polttoaineen massavirran,

polttoaineen lämpöarvon ja kokonaishyötysuhteen tulona

(1.4.1) f

hf

meeP.

η

missä e= kokonaishyötysuhde, dimensioton, (määritelty kohdassa 1.5)

dt

fdm

fm. =polttoaineen massavirtakg/s

hf=polttoaineen alempi lämpöarvo; hiilivety-

polttoaineille 42000kJ/kg (ISO). Nestemäisten

polttoaineiden arvoja s.280, Bosch, Autoteknillinen taskukirja.

6.painos. Gummerus 2003.


12

Polttoaineen ominaiskulutus (b) määritellään moottorin jarrukoepenkissä

mittaamalla moottoriin syötetyn polttoaineen kokonaismassavirta ja

mittausjaksoa vastaava kampiakseliteho vauhtipyörältä, kuva 2.

Ominaiskulutus on polttoaineen massavirran ja akselitehon osamäärä

)(1.4.2' (kW)

eP

kg/sf

m6

103,6b

(1.4.2)

eP

fm

b

)( .

.

naLaadutettu

Yhtälön (1.4.2’) laatu antaa ominaiskulutuksen yksikössä b=……g/kWh.

Ajoneuvomoottoreiden ominaiskulutusarvoja on esitetty s. 453, Bosch,

Autoteknillinen taskukirja. 6. painos. Gummerus 2003.

Ominaiskulutus on moottorin teknistä kehittyneisyyttä kuvaava tunnusluku,

joka ottaa huomioon moottorin termisen ja mekaanisen hyötysuhteen sekä

polttoaineen ominaisuudet. Termisen hyötysuhteen suuruus riippuu mm.

polttoaineen lämpöarvosta, palamisominaisuuksista,

seoksenmuodostuksesta, palotilajärjestelyistä, sytytys- ja

käynninohjausjärjestelmien teknisestä kehittyneisyydestä etenkin

muuttuvissa moottorin kuormitusolosuhteissa sekä moottorin jäähdytyksen

ja pakokaasujen sisältämän lämpöenergian häviöistä.

Mekaanisen hyötysuhteen suuruus riippuu puolestaan moottorikonstruktion

kone-elimien, kuten sylinteri-mäntä-kiertokanki-kampiakseli-mekanismin,

kaasunvaihtomekanismien sekä apulaitteiden käyntivastuksista. Pääosan

vastuksista muodostavat mm. kampikoneiston laakerien, männän ja

sylinterin seinämän sekä kaasunvaihtomekanismisen kitkavastukset.

Moottorin toimintaa ylläpitävien laitteiden energia otetaan pääasiassa

kampiakselilta. Apulaitteet ottavat huomattavan osan kampiakselin

tehosta. Tyypillisiä apulaitejärjestelmiä ovat moottorin jäähdytys- ja

voitelujärjestelmä: jäähdytyksen kiertoveden pumppaus, tuulettimen

käyttö, voiteluöljyn pumppaus, polttoaine-järjestelmä: polttoaineen

siirtopumppaus ja ruiskutus, sähköenergian kehitys: latausgeneraattorin

käyttö. Normin mukaisesti määriteltyjä apulaitteita ovat mm. tuuletin,

generaattori ja pakokaasupuhdistin.

Ottamalla huomioon yhtälöt (1.4.1) ja (1.4.2), saadaan moottorin

kokonaishyötysuhteelle yhtälö

fbh

1eη (1.4.3)

fbh

16103,6eη (1.4.3’)

missä

b=…g/kWh ja hf=42000kJ/kg (ISO), hiilivetypolttoaineet


13

Taulukossa 1 ja 2 on esitetty kulkuneuvomoottoreiden, laiva-,

voimalaitos- ja rautatiemoottoreiden polttoaineen ominaiskulutusarvoja

maksimiteholla tai suurimmalla jatkuvalla teholla. Kuvassa 2 on esitetty

kulkuneuvodieselmoottorin ominaiskulutuskuvaajat rajavääntömomentilla

pyörimisnopeuden funktiona.

Taulukko 1. Otto- ja dieselmoottoreiden ominaiskulutuksen, tehollisen

keskipaineen, puristussuhteen ja rakenneparametrien viitearvoja eri

moottoriparametreilla suurimmalla jatkuvalla teholla.

1)Saugmotor=imumoottori;vapaasti hengittävä, 2)mit Aufladung=ahdettu,

3)mit Ladeluftkühlung=ahdettu/välijäähdytetty.


14

Taulukko 2. Laiva-, voimalaitos- ja rautatiemoottoreiden viitearvoja eri

moottoriparametreilla suurimmalla jatkuvalla teholla tai

maksimiteholla./2/

Ominaiskulutusarvot on määritetty polttoaineen alemman lämpöarvon 42000kJ/kg mukaan.

Kuva 2. Erään kulkuneuvodieselmoottorin ominaiskulutuskuvaajat

rajavääntömomentilla pyörimisnopeuden funktiona.

Moottorityyppi Työkierto Toimintatapa Ominaiskulutus(g/kWh)

Ahtamaton Ahdettu

Rautatiemoottorit(veturit) Diesel 4-t 215…235 190…220

Laiva- ja voimalaitosmoottorit:

Nopeakäyntiset: Diesel 2-t - 210…230

Diesel 4-t 215…235 195…235

Keskinopeat D=200…300 mm Diesel 2-t - 185…205

" D=200…620 mm Diesel 4-t - 170-200

Hidaskäyntiset: D=260…900 mm Diesel 2-t - 165…190

Kaasukoneet:

Keskisuuret D=175…400 mm Otto 4-t 260…300 200…225

Suuret D=400…510 mm Otto 4-t 250…285 200…225

Keskisuuret D=200…400 mm Diesel 4-t - 175…205


15

1.5 Yleinen lämpövoimakoneiden terminen hyötysuhde

Lämpövoimakoneiden terminen hyötysuhde määritellään yleisesti muodossa,

kuva 3.

(1.6.1´)

1Q

2Q

1η

(1.5.1)

1Q

Wη

(1.5.2) QWQ21

missä Q1=tuotu lämpöenergia W=koneesta saatu työ

Q2=koneen lämpöhäviöt

Yhtälöstä 1.5.1’ havaitaan, että <1 tai <100 %, kun Q2>0. Todellisessa

koneessa aina Q2>0 ja <100 %.

Akseliteho voidaan määrittää moottorin jarrukoepenkissä mitatun

vääntömomentin Te ja pyörimisnopeuden n avulla seuraavan yhtälön mukaan

TeP

0dT/dt kun

dt

dT

dt

edW

eP

dt

dT

dt

Td )(

(1.5.3)

missä /dtd (1.5.4)

=kampiakselin kiertokulma, kammenkulma

(KK/rad/) dWe=vääntömomentin työdifferentiaali

Kuva 3. Polttomoottorin hyötysuhteen ja akselitehon suureet.

Vauhtipyörä

Q1 Pe, T , We Sylinteri

e Q2

Internal Combustion Engine

Seoksenmuodostus

Palotila: palamisprosessi

Käynninohjausjärjestelmä


16

Ottamalla huomioon akselitehon yhtälöt (1.3.1) ja (1.5.3), saadaan

kampiakselilta vääntömomentin (T) riippuvuus polttoaineen massavirran ja

lämpöarvon sekä moottorin kokonaishyötysuhteen ja kampiakselin

kulmanopeuden funktiona. Moottorin vääntömomentille voidaan johtaa yhtälö

fhfmeηω

1T

ωTfhfmeηeP

.

.

(1.5.5)

missä =2n ; n=moottorin pyörimisnopeus; moottorin kierrosluku

Kampiakselin kiertoajan aikadifferentiaali dt voidaan määrittää

kampiakselin kulmanopeuden ja kulmadifferentiaalin davulla seuraavasti

dn2

1d

ω

1dt (1.5.6)

Tietyllä kammenkulma-alueella (1…2) kampiakselin kiertoaika t on

)1

2

1

2(n2

1d

ω

1t (1.5.7)

Aikavastetta t vastaava moottorin pyörimisnopeus määritetään

mittausarvoista

m

k

knk

n11

1

(1.5.8)

Pyörimisnopeuden vaihtelu korreloi vääntömomentin vaihtelua dT/dt, kuva

4.

Kuva 4. Moottorin vääntömomentin työdifferentiaali ja vääntömomentin

muutos ajan ja kammenkulman /(KK) funktiona.

T/Nm

dT

dWe=Td

rad t/s

d

dt


17

1.6 Polttoaineen lämpötehon jakaantuminen

Polttoaineen lämpöteho(lämpöenergia)jakaantuu kampiakselilta saatavaksi

tehoksi ja eri häviöiksi. Määritellään yhtälöt kuvan 5 merkintöjen mukaan.

Ideaalisen koneen lämpöteho Pt(power output of ideal engine)on

Kuva 5. Polttoaineen lämpötehon jakautuminen akselitehoon ja häviö-

komponenteiksi.

fct ηP (1.6.1)

missä

f=polttoaineen sisältämä lämpöteho (fuel energy rate)

c=työkierron hyötysuhde (cycle efficiency)

Indikoitu teho Pi (indicated power)on polttoaineesta saatu teho

sylinterissä

frcfii ηηηP (1.6.2)

missä

i=indikoitu hyötysuhde (indicated efficiency)

r=hyvyyssuhde (relative efficiency)

Yhtälöstä (1.7.2) saadaan indikoidulle hyötysuhteelle yhtälö

rci ηηη (1.6.3)


18

Akselitehon Pe yhtälöksi saadaan

fmifmrcfee ηηηηηηP (1.6.4)

missä

m=mekaaninen hyötysuhde

Yhtälöistä (1.6.3)ja (1.6.4) saadaan kokonaishyötysuhteelle e yhtälö

mrcmie ηηηηηη (1.6.5)

Kuvan 4 merkintöjen täydennyksiä:

ex=ideaalikoneen pakokaasujen sisältämä lämpöteho sylinterissä (heat

flow rate to exhaust of the ideal engine)

Kuvan merkinnöin voidaan kirjoittaa yhteydet

lie

lei

PPP

PPP

(1.6.6)

missä

Pl=häviöteho(loss power)

Häviötehon komponentteja ovat: Kitkahäviöt, kaasunvaihtohäviöt ja

apulaitehäviöt. Häviöt määritellään termodynaamisessa työkierrossa

keskimääräisinä tehollisen keskipaineen häviökomponentteina. Akseliteho

(Pe) määritellään mekaanisen hyötysuhteen (m) indikoidun tehon (Pi) tulona

imePηP (1.6.7)

Mekaaninen hyötysuhde m voidaan esittää muodossa

i

e

i

e

mp

p

P

Pη

(1.6.8)

missä

pe=tehollinen keskipaine

pi=indikoitukeskipaine

m:n arvoja on esitetty taulukossa 3. Ottamalla huomioon yhtälöt (1.6.6) ja (1.6.7), saadaan häviöteholle

esitys

iml)Pη(1P

(1.6.9)


19

Taulukko 3. Otto- ja dieselmoottorin mekaanisen hyötysuhteen viitearvoja.

Kuvassa 6 on esitetty ottomoottorin mekaaninen hyötysuhde (m), ideaalisen

koneen työkierron hyötysuhde (c) ja kokonaishyötysuhde (e)

puristussuhteen () funktiona.

Kuva 6. Ottomoottorin mekaaninen ja indikoidu hyötysuhde sekä

kokonaishyötysuhde puristussuhteen (compression ratio)funktiona.

(m)

(c)

(e)

()

Diesel Otto

ahtamaton 0,75...0,82 0,65...0,78

ahdettu 0,78...0,86 0,75...0,85


20

2 Polttoaineen palamisen teoreettinen ilmantarve ja palamisyhtälöt

2.1 Polttoaineen palamisen teoreettinen ilmantarve

Hiilivetypolttoaineella kuten normaali bensiinillä palamisilman (ma)

tarve on ma=14,5-14,8 kg ilmaa/1kg polttoainetta. Määrittely vastaa

teoreettisen so. stökiömetrisen palamisen edellyttämää ilmantarvetta,

jolloin ilmakerroin =1,0. Ilmakerroin määritellään

oL

L (2.1.1)

missä

L=käytetty ilmamäärä ( kg ilmaa/kg polttoainetta)

Lo=teoreettinen ilmamäärä (kg ilmaa/kg polttoainetta)

Kaasumaisilla polttoaineilla käytetään tilavuusyksikköä

oV

V (2.1.2)

missä

V=käytetty ilmamäärä(m3 ilmaa/ m3 polttoainetta))

Vo=teoreettinen ilmamäärä (m3 ilmaa/m3 polttoainetta)

Määritetään moottoriin syötettävän seoksen massan(m) yhtälö ja

ilmakertoimen ja ilmanmassavirran yhteys akselitehon yhtälöön

f

.m a

.m

.m

suhteen ajan nderivoidaa f

ma

mm

(2.1.3)

Ilman massa ja massavirta

mm

mm

fm

am

af

fa

..

..

oL

oL

oL

1

(2.1.4)

Akselitehon yhtälö ilman massavirran ja teoreettisen palamisen voidaan

myös esittää muodossa

fha

.m

eη

eP

oL

1

(2.1.5)

Ilmakertoimelle saadaan lauseke

fha

.m

ePe

η

oL

1 (2.1.6)


21

Ilman massavirran yhtälö on

fheη

eP

a

.m

oL

(2.1.7)

2.2 Hiilivetypolttoaineen palamisyhtälöt

Polttomoottoreissa käytettävät polttoaineet ovat hiilivetyjä. Energian

kantajina toimivat hiili ja vety. Hiilivetypolttoaineet sisältävät rikkiä

0,001…5% raaka-öljyn lähteestä ja jalostusasteesta riippuen. Määritetään

palamisen ilmantarve hiilen, vedyn ja rikin kemiallisten

reaktioyhtälöiden mukaan ja määritetään vastaavat molaariset massat

Hiili: C+O2CO2

12 +32=44

Vety: 2H2+O22H2O

4 + 32=36 (2.2.1)

Rikki: S+O2SO2

32+32=64

Polttoaineen massa koostuu pääosin hiilestä, vedystä ja rikistä, jolloin

voidaan kirjoittaa polttoaineen massayksikön kuvaukselle yhtälö

C+H+S = 1 massayksikkö. (2.2.2)

missä C=hiilen massaosuus(kg/kg), H=vedyn massaosuus (kg/kg), S=rikin

massaosuus(kg/kg).

Kerrotaan molaariset massayhtälöt kertoimilla C/12, H/4 ja S/32, jolloin

saadaan seuraava yhtälöryhmä

Lasketaan yhtälön molemmat puolet yhteen, jolloin saadaan polttoaineen,

palamisilman ja palamistuloksien yhtälöt

Yhtälöstä (2.2.4) havaitaan, että 1 kg:n täydelliseen palamiseen

tarvitaan happea määrä

S32

64S

32

32S

(2.2.3) HH32

H

C12

44C

12

32C

4

36

4

2S9HC3

11S8HC

3

8 SHC

(2.2.4)


22

(kg) S8HC3

8 . (2.2.5)

Määritetään teoreettisen palamisen ilmantarpeen yhtälö Lo. Otaksutaan,

että ilma sisältää 23,14 painoprosenttia happea, jolloin yhtälö on muotoa

(2.2.6) kg

kg S)3HC (S)8HC (

0,23

1

oL

8

3

30,23

8

3

8

Palamistulokset sisältävät hiilidioksidia, vettä, rikidiokdidia ja

reaktioihin osallistumattomia(inerttejä) kaasuja, kuten typpi ja

jalokaasut(helium ja argon). Polttoaineen massayksikköä vastaavasti

muodostuu palamiskaasuja Kex määrä

Happea (oxygenaatti)sisältävän polttoaineen (alkoholit: metanoli,

etanoli) teoreettisen palamisen ilmantarve Lo on

missä

O=hapen massaosuus polttoaineessa.

Esim. 1. Normaali bensiini sisältää 86% hiiltä ja 14% vetyä. Rikin osuus

vähän merkitsevänä jätetään huomioon ottamatta. Tällöin teoreettisen

palamisen ilmantarve on

Esim. 2. Etanoli (C2H5OH) sisältää 52% hiiltä, 13% vetyä ja 35% happea.

Rikin osuus jätetään huomioon ottamatta. Teoreettisen palamisen

ilmantarve on

etanolia1k aa/palamisilm 9,03kgkg

kg 0)0,350,1330,52 (

oL

8

3

8

3

30,23

8g

Kaasupolttoaineelle voidaan vastaavasti kirjoittaa teoreettisen palamisen

ilmantarve

(2.2.8) kg

kg S)O3HC (

oL

8

3

8

3

30,23

8

bensiiniä normaali ilmaa/1kg 14,84kg kg

kg S)00,14H30,86 (

oL

30,23

8

(2.2.7) kg

kg 2S9HCS)8HC (

23

77

exK

3

11

3

8


23

(2.2.9) 3

m

3m

)V4

n(m

2

V

2

V

0,21

1

oV

nH

mC

HCO

missä

VCmHn=hiilivedyn tilavuusosuus (m3/m3)

VH=vedyn tilavuusosuus (m3/m3)

VCO=hiilimonoksidin tilavuusosuus (m3/m3)


24

Yleinen hiilivetypolttoaineen palamisyhtälö voidaan esittää muodossa

Ilman otaksutaan sisältävän 21 tilavuus-% happea(O2) ja 79 tilavuus-%

muita kaasuja (78% typpeä(N2) ja 1% jalokaasuja). Hiilivetypolttoaineelle

voidaan esittää yleinen palamisyhtälö

Yhtälöstä 2.2.10 havaitaan, että täydellisessä palamisessa yhdestä moolista hiilivetypolttoainetta

muodostuu m moolia hiilidioksidia (CO2), n/2 moolia vettä (H2O) ja typpeä(sis. jalokaasut)

79/21(m+n/4) moolia. Täydellisen palamisen tuloksena muodostuu hiilidioksidia (CO2). Se on merkittävä

kasvihuonekaasu. CO2-päästöä voidaan vähentää ainoastaan polttoaineen kulutusta vähentämällä ja

siirtymällä vaihtoehtoisiin polttoainelähteisiin, joiden palamisprosesseissa ei muodostu

haitallisessa määrin hiilidioksidia. Kansainvälisissä ajoneuvomääräyksissä on esitetty tavoitteet

CO2-päästön vähentämiseksi.

2.3 Ilmakertoimen vaikutus otto- ja dieselmoottorin toimintaan

Ottomoottorit toimivat laajalla ilmakerroin alueella. Ilmapolttoaine-

seos on homogeeninen, jolloin seoksen eri kerroksissa ilmakerroin on

likimäärin yhtä suuri. Kylmäkäynnistyksessä ja kylmänä ajon aikana

moottori toimii ilma-alimääräällä moottorin käyntilämpötilasta riippuen

ilmakertoimen ollessa =0,70-0,90. Kuvasta 7 havaitaan, että CO- ja HC-emissiot ja polttoaineen ominaiskulutus b ovat korkeat. Typenoksidien NOx

muodostus kylmässä moottorissa on verraten vähäistä. Moottorin

saavutettaessa normaalin käyntilämpötilan ilmakerroin asettuu lähelle

teoreettista seosta =1,0 ja ilmakertoimen säätöjärjestelmällä

varustetussa moottorissa =1,00,03. Tällöin moottori toimii kapealla

ilmakertoimen alueella, -ikkunassa. Edellä mainittu on vaatimuksena

kolmitoimikatalysaatorilla varustetuissa moottoreissa. Teoreettisen

seoksen alueella polttoaineen kulutus saavuttaa minimin bmin, sekä CO- ja

HC-emissiot ovat alhaisimmillaan. Lämpimässä ja erityisesti kuuma-ajossa

typenoksidien NOx muodostus on korkeimmillaan johtuen korkeasta

palamislämpötilasta. Ilmakertoimen kasvaessa >1, CO-emissiot ovat

alhaisimmillaan ja HC-emissiot kasvavat jyrkästi mm. palamiskatkoksista

johtuen. Vastaavasti typen oksidien emissiot alenevat. Paras

polttoainetalous saavutetaan osakuormalla ilmakertoimen ollessa =1,05-1,10, tällöin moottori toimii ilmaylimäärällä. Moottorin

maksimivääntömomentti (M) saavutetaan ilmakertoimen ollessa <1, noin 0,85-0,90.

Dieselmoottori toimii aina ilmaylimäärällä, jolloin >1. Seos on

epähomogeeninen. Sylinteriin ruiskutetun polttoainekartion ulkoreunoilla

ilmakerroin >1 ja suihkun sydänosassa <1. Sydänosassa hapen puute

aiheuttaa partikkelien ja nokihiukkasten muodostumisen. Käytännössä

kemiallinen ts. teoreettinen palaminen (=1) ei ole dieselmoottorissa mahdollista savutuksen raja-arvojen ylittyessä. Savutuksen raja-arvot on

tärkeä mitoitustekijä dieselmoottorin valinnassa eri käyttötarkoituksiin.

Laiva- ja voimalaitoskäyttöön tarkoitetut moottorit mitoitetaan

esimerkiksi kulkuneuvo- ja työkonemoottoreita suurempaa ilmaylimäärää

2)N4

n (m

21

79O2H

2

n

2mCO

2)N4

n (m

21

79

2)O4

n (m

nH

mC (2.2.10)


25

käyttäen riittävän ylikuormituskyvyn (10%)saavuttamiseksi savutusrajaan

nähden sekä palotilan termisten rasituksien alentamiseksi ja

turboahdetuissa pakokaasun lämpötilan rajoittaminen tyydyttävälle

tasolle.

Taulukossa 4 on esitetty ilmakertoimen viitearvoja ahtamattomille ja

ahdetuille kulkuneuvo-, työkone-, voimalaitos- ja laivamoottoreille.

Taulukko 4. Eri käyttöympäristössä toimivien ahtamattomien ja ahdettujen

moottoreiden ilmakertoimien viitearvoja täydellä kuormituksella.

2.4 Moottoreiden pyörimisnopeusluokat

Otto- ja dieselmoottorit(2- ja 4-tahtiset)jaotellaan pyörimisnopeuden

mukaan, kun suurin jatkuva teho on käytössä.

Ottomoottorit:

Keskinopeakäyntiset moottorit: n=300-1200 r/min

Nopeakäyntiset moottorit: n>1200 rpm.

Dieselmoottorit:

Hidaskäyntiset moottorit n 250 r/min Keskinopeakäyntiset moottorit: n=300…1200 r/min

Nopeakäyntiset moottorit: n>1200 r/min.

n=moottorin pyörimisnopeus r/min

Moottorityyppi Työkierto Ahtamaton Ahdettu

Kulkuneuvomoottorit

Henkilöautomoottorit: Otto 0,8…1,0 0,9…1,0

3-toimikatalysaattori Otto 1,0 1,0

Diesel 1,3…1,5 1,4…1,6

Kuorma-autojen ja Diesel 1,2…1,3 1,7…2,0

työkoneiden dieselmoottorit

Voimalaitos- ja laivadieselmoottorit

Nopeakäyntiset Diesel 1,5…1,7 1,8…2,1

Keskinopeat Diesel - 1,9…2,3

Hidaskäyntiset Diesel - 2,3…2,6

Kaasumoottorit

Keskisuuret ja suuret Otto 1,2…1,4 1,3…1,5Otto 1,2…1,4 1,3…1,5

” ” Diesel - 1,7…2,3Diesel - 1,7…2,3


26

M

Kuva 7. Ilmakertoimen () vaikutus Ottomoottorin pakokaasuemissioihin ja

polttoaineen ominaiskulutukseen.

b

bmin

Ilmakerroin


27

3 Otto- ja dieselpolttoaineet

3.1 Otto- ja dieselpolttoaineiden jalostus

Perinteisesti otto- ja dieselmoottoreiden toiminta perustuu tutkittujen

ja kokeellisesti testattujen hiilivetypolttoaineiden käyttöön.

Merkittävin energialähde on toistaiseksi ollut fossiiliset

polttoainevarannot maankuoressa. Maaöljy on tuunnetuin fossiilinen

polttoainelähde. Se sisältää pieniä määriä rikkiä 0,1..0,7%, typpeä

0,01..0,9% ja happea 0,06…0,4% sekä kemiallisesti sitoutuneena mm.

nikkeliä ja vanadiinia (1…100ppm ; 1…1500ppm). Maaöljyn rikkipitoisuus

riippuu öljyvarannon maantieteellisestä sijainnista. Maaöljytyypit

jaotellaan seuraavasti: parafiiniset, nafteeniset, asfalttiset,

aromaattiset ja sekaperusteiset raakaöljyt. Maaöljystä valmistettavan

hiilivety-polttoaineen valmistusprosessi on pääpiirteittäin esittety

kuvassa 8. Jalostusprosessi tapahtuu krakkausvedyttämismenetelmällä.

Tislausprosessissa eri lämpötiloissa saadaan erotetuksi eri

käyttötarkoituksiin sopivia hiilivetypolttoaineita kuten bensiiniä,

petroolia, dieselöljyä ja sivutuotteina raskas öljyä, kaasua,

voiteluöljyä ja bitumia. Esimerkiksi raakabensiinin tislauslämpötila-

alue on 70-200C, moottoripetroli 180-250C , dieselöljy 180-370C ja

voiteluöljyt n. 360C.

Kuva 8. Hiilivetypolttoaineiden ja muiden sivutuotteiden jalostuksen

prosessikaavio.

Kuvassa 9 on esitetty polttomoottoreiden energialähteet: maaöljy,

maakaasu, hiili ja biomassa(puu, sokeriruoko, maissi) sekä niiden

jalosteet ja käyttötaseet (%).


28

Kuva 9.

Polttomoottoreiden energialähteet ja käyttötaseet.

3.2 Hiilivetypolttoaineiden rakennemuodot

Hiilivetypolttoaineet sisältävät tyypillisesti CmHn-ketjuja ja happea

sisältävät polttoaineet CmHnOx-ketjuja. Tyypillisiä

hiilivetypolttoaineissa käytettäviä hiilivetyjä edustavat alkaanit,

alkeenit, sykliset yhdisteet, aromaattiset hiilivedyt ja alkoholit.

Alkaanien rakenne on muotoa CnH2n+2, joita kutsutaan myös

normaaliparafiinisarjan hiilivedyiksi. Molekyylirakenne on ketjumainen ja

hajoava palotilan olosuhteissa ja täten soveltuu heikosti

ottomoottoripolttoaineeksi. Sen sijaan dieselpolttoaineeksi soveltuu

hyvin, esimerkiksi heksaani C6H14.

Alkaanit

Alkaaneihin kuuluvat metaani CH4 , etaani C2H6, propaani C3H8, ja butaanit

C4H10. Edellä mainitut ovat kaasuja. Nestemäisessä muodossa esiintyviä

alkaaneja ovat: pentaanit C5H12 heksaanit C6H14, heptaanit C7H16 ja oktaanit

C8H18. Suoraketjuisissa hiilivedyissä nestemäinen olomuoto ylettyy

heksadekaaniin saakka C16H34. Iso-oktaani C8H18(isoparafiinisarja, CnH2n+2)

soveltuu ottomoottoripolttoaineeksi korkean nakutuskestävyyden ansiosta,

mutta ei sovellu dieselpolttoaineeksi. Iso-oktaanin kiehumispiste on

99,3C, tiheys 692kg/m3 ja tutkimusoktaaniluku ROL=100. Vastaavasti

heksaanin C6H14 kiehumispiste on 69C, tiheys 662kg/m3 ja

tutkimusoktaaniluku ROL25. Alkeenien lähteitä ovat maaöljy ja maakaasu. Hiilivetypolttoaineiden sovelluksissa niiden merkittävin ominaisuus on

hyvät palamisominaisuudet. Kaasumaiset alkaanit muodostavat ilman kanssa

räjähtävän seoksen. Alkeeneja käytetään kaasumaisten ja nestemäisten

hiilivetypolttoaineiden ja voiteluaineiden komponentteina. Alkaanit ovat

värittömiä ja hajuttomia, eivät liukene veteen sen sijaan joihinkin

orgaanisiin liuotteisiin. Kuvassa 10 on esitetty etaanin ja propaanin

rakenneketju.


29

Etaani Propaani

Kuva 10. Etaanin ja propaanin rakennemuodot. Suora ja haarutuva

hiilivetyketju.

Alkeenin hiilivetyrakenne on avoin, muotoa CnH2n. kutsutaan myös

olefiineiksi. Tietyssä kohdissa ketjua hiiliatomeilla on kaksoissidos.

Lämpöarvo on alhaisempi kuin parafiiinisarjan hiilivedyillä(pieni vedyn

osuus). Niillä on hyvä nakutuskestävyys ja näin ollen soveltuvat

ottomoottoripolttoaineeksi. Alkeenien perushiilivety on

eteeni(etyleeni)C2H4 kuva 11.

Kuva 11. Eteenin hiilivetyrakenne.

Aromaattiset hiilivedyt

Aromaattiset hiilivedyt ovat alisyklisiä yhdisteitä ns. rengasmaisia

hiilivetyjä. Niiden perushiilivety on bentseeni C6H6,(aromaatti, CnH2n-6).

Bentseeni on nakutuskestävä, sen kiehumispiste on 80C, sulamispiste

+5,5C, tiheys 870kg/m3 ja moottorioktaaniluku MOL=115. Tärkeimpiä

muotoja ovat 5- ja 6-hiiliatomia sisältävät yhdisteet syklopentaani C5H10

ja sykloheksaani C6H12(nafteeni, CnH2n), kuva 12. Sykloheksaanilla on hyvä

nakutuskestävyys, kiehumispiste on 80C, tiheys 879kg/m3 ja

tutkimusoktaaniluku ROL=83. Bentseeniä käytetään bensiinin oktaaniluvun

säätöön, koska sillä on korkea puristuskestävyys. Bentseeni on vahva

liuotin. Aromaattisia hiilivetyjä sisältävä dieselöljy muodostaa

dieselmoottorissa partikkeleita, jotka sisältävät ns. PAH-

yhdisteitä(polysyklisiä yhdisteitä). Niillä on tutkimuksin osoitettu

olevan karsinogeeninen (carcinogenic)vaikutus. Partikkelin kulkeutuessa

hengitysilman mukana keuhkoihin, se saattaa aiheuttaa altistumisen ja

keuhkosairauden.

Bentseeni

Dimetyylibentseeni

Kuva 12. Bentseenin ja dimetyylibentseenin rengasmainen rakennemuoto.

Alkoholit


30

Alkoholipolttoaineista tunnetuimmat ovat metanoli CH3OH ja etanoli C2H5OH.

Hiilivetyrakenteessa voidaan yksi tai useampi vetyatomi korvata OH-

ryhmällä(hydroksidiryhmä), kuva 13. Alkoholit sisältävät happea ja ovat

ns. oxygenaatteja. Esimekiksi metanoli sisältää 50 paino-%, etanoli

35paino-% happea. Muista ominaisuuksista todettakoon mm. metanoli on

väritön, myrkyllinen, helposti palava neste, jonka kiehumispiste 65C.

Etanoli on väritön, veteen täysin liukeneva, jonka kiehumispiste on 78C, myrkyllisyys on lievempi kuin metanolilla. Metanoli ja etanoli soveltuvat

tietyin edellytyksin polttomoottoreiden polttoaineiksi. Metanolin alempi

lämpöarvo on hf=19,7MJ/kg ja teoreettisen palamisen ilman tarve on 6,4

kg/kg vastaavasti etanolilla hf=26,8MJ/kg ja teoreettisen palamisen

ilmantarve on 9,0 kg/kg.

Metanolin käyttö bensiiniin verrattuna alentaa typenoksidien (NOx),

hiilimonoksidin (CO) päästöjä sekä vähentää savusumun ns. smog:in ja

otsonin muodostusta. Alkoholien käyttö asettaa huomattavan korkeat

vaatimukset materiaalien valinnalle polttoaineen siirto- ja

ruiskutulaitteille mm. polttoaineen sisältämän veden, happojen ja liima-

aineiden aiheuttaman korroosion ja syövyttävyyden suhteen. Metanolin

alhaisesta lämpöarvosta seuraa kaksinkertainen kulutus, jolloin

vastaavassa suhteessa tulee suurentaa polttoaineen ruiskutusventtiilin

massavirtaa ja tankin tilavuutta.

Polttokennojen energian lähteenä käytetään metanolia ja vetyä.

Autokäyttöön tarkoitetut polttokennojärjestelmät ovat autonvalmistjien

aktiivisen tutkimustoiminnan piirissä. Käytettäessä suoraa

metanolipolttokennoa(DMFC) kennon hyötysuhde on tasolla 30…40%,

alkaalisella polttokennolla (AFC) ja polymeerielektrolyytti-

polttokennolla(PEFC) merkittävästi korkeampi noin 50…60%.

Kaksiarvoisista alkoholeista tunnetuin on etyleeniglygoli CH2OHCH2OH,

käytetään nimitystä glygoli. Sillä on alhainen jäätymispiste ja tämän

ominaisuuden perusteella sitä käytetään mm. kulkuneuvojen ja työkoneiden

moottoreissa jäähdytysnesteenä.

Metanoli Etanoli

Kuva 13. Metanolin ja etanolin rakennemuodot, hiilivetyketju ja

hydrosidiryhmä.


31

Bensiinin ja alkoholin seos

Autokäytössä alkoholia sekoitetaan bensiiniin noin 15%. Kylmässä

ilmastossa tapahtuu seoksessa faasijakautuminen bensiiniksi ja

alkoholiksi. Etenkin besiinin ja metanolin seos jakautuu jo pienen

vesipitoisuuden vallitessa. Etanoli on täysin bensiiniin liukeneva ja

näin ollen bensiinin ja etanolin seoksella ei tapahdu faasijakaumaa

haitallisessa määrin.

Puhdas alkoholikäyttö

Puhtaassa alkoholikäytössä alkoholin osuus on noin 90%. Alkoholien

korkean puristukestävyyden ansiosta niillä on korkea oktaaniluku, jolloin

on mahdollista nostaa moottorin puristussuhdetta ja suurentaa moottorin

kokonaishyötysuhdetta. Käynnistysominaisuuksien parantamiseksi

sekoitetaan isopentaania 5-9%. Kylmissä olosuhteissa

kaksipolttoainejärjestelmä(bensiini/alkoholi)on tarpeellinen kylmä-

käynnistyksen ja kylmäajon turvaamiseksi. Moottorin saavuttaessa

normaalin käyntiämpötilan siirrytään puhdasalkoholikäyttöön.

Alkoholien käyttö dieselmoottorissa

Alkoholeja voidaan tietyin edellytyksin käyttää dieselmoottoreissa ilman

merkittäviä moottorin rakenteellisia modifikaatioita. Dieselöljyn ja

etanolin seos on mahdollinen. Etanolin huono syttyminen alentaa

setaanilukua, jolloin käytännössä etanolin osuus on enintään 10…20%, kun

edellytetään, että setaaniluku 45. Syttyvyyttä parantavina lisäaineina käytetään orgaanisia nitriittejä. Alkoholia voi myös olla emulsiona

dieselöljyssä. Tällöin lisäaineen osuus kasvaa suureksi. Toisaalta

emulsio voidaan muodostaa myös mekaanisesti ennen ruiskutusta palotilaan,

jolloin vältytään lisäaineistukselta.

Korkeapuristeisissa suoraruiskutusmoottoreissa alkoholipolttoaine

ruiskutetaan palotilaan kuten dieselmoottorissa. Alkoholien

syttymisominaisuudet ovat verraten heikot, jolloin sylinterin

puristussuhteen () tulee olla korkea =23…25.

3.3 Polttoaineiden tunnusluvut ja ominaisuudet

Ottomoottoreiden polttoaineiden vaatimukset on määritelty EN 228-normissa

ja USA:ssa ASTM D439-normissa.

Polttomoottoreiden käytön kannalta keskeisiä tunnuslukuja ovat:

lämpöarvo, palamiskelpoisen seoksen lämpöarvo(hiilivetypolttoaineet ja

nestekaasu noin 3500…3700kJ/m3), lyijypitoisuus(max 5mg/litra), ja

rikkipitoisuus (max 150mg/kg). Matala rikki- ja lyijytön omaava

polttoaine on kolmitoimikatalysaattorin ja -anturin toiminnan

perusedellytys ja pakokaasupäästöjen vähentämiseksi. Edellä mainittujen

lisäksi tunnusluvuista on syytä mainita tiheys, nakutuskestävyys,

haihtuvuus, tislauskäyrä, höyrynpaine ja lisäaineet. Polttoaineen

tiheyden tulee olla 720-775 kg/m3.


32

3.4 Lämpöarvo

Polttoaineen alempi lämpöarvo saadaan, kun kalorimetrisestä lämpöarvosta

vähennettynä veden höyrystymislämpö. Polttomoottoreissa vesihöyry

poistuu pakokaasujen mukana, joten veden höyrystymislämpöä ei voida

hyödyntää. Polttoaineen alempi lämpöarvo voidaan määrittää Boie’n

yhtälöstä

MJ/kg O)-10,47(S94,21HC35,17hf

(3.4.1)

missä

C=hiilen massaosuus (kg/kg)

H=vedyn massaosuus (kg/kg)

O=hapen massaosuus (kg/kg)

S=rikin massaosuus (kg/kg)

3.5 Leimahduspiste, itsesyttymislämpötila ja syttyvyysrajat

Leimahduspisteellä tarkoitetaan sellaista lämpötilaa, jossa polttoaine

normaalissa ilmanpaineessa kaasuuntuu ja muodostaa ilman kanssa

palamiskelpoisen kaasuseoksen, kun liekki tuodaan riittävän lähelle

kaasua. Polttoaineen leimahduspiste tulee ottaa huomioon

polttoainejärjestelmän ja polttoainesäiliön suojauksessa.

Polttoaineen itsesyttymislämpötila on alhaisin lämpötila, jossa

polttoaine syttyy ilman hapen läsnä ollessa. Polttomoottoreissa

itsesyttymislämpötila on merkittävä suure. Se kuvaa polttoaineen

syttymisvastetta, olla syttymättä palotilassa puristustahdin aikana.

Ottomoottorissa seoksen tulee syttyä ainoastaan sähkökipinästä ja palaa

sen jälkeen normaalisti koko palamisvaiheen ajan. Taulukossa 5 on

esitetty hiilivety-polttoaineiden ja alkoholien leimahduspisteitä

vastaavat lämpötilat ja itsesyttymislämpötilat.

Taulukko 5. Hiilivetypolttoaineiden ja alkoholien leimahduspisteet ja

itsesyttymislämpötilat.

Ottomoottorissa käytettävien polttoaineiden syttyvyysrajan mitta on

kokeellisesti määritetty kaasuuntuneen polttoaineen tilavuusosuus kf(%).

Esimerkiksi bensiinin syttyvyyden alaraja laihalla seoksella >1

kf=1,4%, rikkaalla seoksella <1 yläraja kf= 6,0% ja teoreettisella

seoksella =1 raja-arvo kf=1,7, taulukko 6.

Polttoaine Leimahduspiste C Itsesyttymislämpötila C

Moottoribensiini <-20 300…400

Dieselöljy 56…85 250

Metanoli 11 450

Etanoli 21 420,0

Raskas polttoöljy 55…180 -


33

Taulukko 6. Ottomoottoripolttoaineiden syttyvyysrajaa vastaavat

polttoaineen kaasutilavuusosuudet laihalla, rikkaalla ja teoreettisella

seoksella.

3.6 Tislauskäyrä

Polttoaineen tislauskäyrä on oleellinen sovitettaessa polttoaine

moottoriin eri kuormitusolosuhteisiin, kuva 14. Tislauskäyrä määritellään

kolmessa eri lämpötilassa 70C, 100C ja 150C. Lämpötilassa 70C höyrystyneen polttoaineen määrä tulee olla riittävä hyvän

kylmäkäynnistävyyden turvaamiseksi ja toisaalta varmistettu höyrylukon

estämiseksi moottorin ollessa kuuma. Lämpötilassa 100C höyrystyneen

polttoaineen määrä turvaa moottorin lämmitysvaiheen käytön sekä lämpimän

ja kuuman moottorin kiihdytysajon. Lämpötilassa 150C polttoaineen

nestetilavuus tulee olla riittävän suuri estämään poltto-aineen

kulkeutumisen kampikammioon voiteluöljyn laimentumisen estämiseksi

etenkin kylmäkäynnistyksessä ja kylmäajon aikana. Moottoribensiinin

tislaus tapahtuu lämpötila-alueella 30…190C.

Tislauskäyrän lämpötilakäyttäytymiseen vaikuttaa olennaisesti mm.

bensiinin valmistuksessa käytettyjen hiilivetyjen rakenne. Esimerkiksi

alkoholia sisältävän hiilivedyn tislauskäyrä on jyrkempi kuin

hiilivedyillä yleensä ja toisaalta alkoholipolttoaineilla höyrylukko

esiintyy alhaisemmissa lämpötiloissa. Tislauskäyrän sovitukseen liittyen

polttoaineen höyrynpaineelle on määritelty raja-arvot: kesällä ja

talvella sekä edellä mainituissa lämpötilapisteissä. Normin prEN 13016-1

mukaan auton tankissa säilytettävän polttoaineen säilyvyyden mittana

käytetään höyrynpaineen määritystä 38C lämpötilassa. Höyrynpaine kesällä min/max=45/60kPa, talvella 60/90 kPa(Sakan arvo), höyrystynyt määrä

min/max lämpötilapisteissä: 70C; kesällä 20/80til-%, talvella 22/50til-

%,100C; 46/71 til-% ja 150C 75/- til-%. Esim. BE95 ER

normaalibensiinin(Neste) kesälaadun höyrynpaine on 60..70 kPa,

kevätlaadun 70…80 kPa ja talvilaadun 80…90kPa. Tislauksen loppupisteen

maksimi on 210C. Ylimenokaudella höyrylukkoindeksin (Vapour Lock Inex, VLI) tunnusarvo on 1150. VLI-arvo kuvaa polttoaineen ominaisuuksia

moottorin kuumakäynnistyksessä ja kuumana ajossa. Polttoaineilla, jotka

eivät sisällä alkoholia, VLI-arvon ja höyry/nestesuhteen arvoilla on

selkeä korrelaatio.

Polttoaineen lisäaineiden vaatimuksena on estää polttoaineen

vanheneminen, pitää yllä imu- ja polttoainejärjestelmän puhtautta, estää

korroosiota ja estää moottorin nakuttava käynti. Varastoinnissa

Polttoaine Alaraja kf % Yläraja kf % kf %

Laiha >1,0 Rikas<1,0 Teor.=1,0

Bensiini 1,4 6,0 1,7

Metanoli 6,0 36,0 12,3

Etanoli 3,5 19,0 5,7

Vety 4,1 74,0 29,6

Metaani 5,3 14,0 9,5

Propaani 2,1 9,5 4,6

Butaani 1,6 8,5 3,1


34

hapettumista(ilman sisältämä happi)ja metalli-ionien katalyyttistä

vaikutusta vastaan käytetään ns. vanhenemisen estoaineita mm. fenoli- ja

aminikomponentteja. Puhtauden ylläpitämiseksi polttoaineeseen lisätään

peseviä lisäaineita ns. detergenttejä. Polttoaineeseen lisätään ns.

korroosion estoaineita veden aiheuttaman korroosion välttämiseksi

polttoainejärjestelmässä.

Nakutuskestävyyden parantamiseksi käytetään lisäaineita mm. metyyli-

tertiääributyylieetteriä(MTBE) pitoisuuden ollessa 3..15% ja eri

alkoholilaatuja esim. metanolia pitoisuuden ollessa 2…3%.

Kuva 14. Moottoribensiinin, lentobensiinin, petroolin ja kaasuöljyn

tislautumiskäyrät.

A=raskas kaasuöljy

B=kevyt kaasuöljy

C=lentopetroli

D=lentopetroli(sotilaskäyttö)

E=moottoribensiini

F=lentobensiini


35

3.7 Oktaaniluku RON ja MON

Ottomoottoreiden (SI) polttoaineille määritetään puristuskestävyys

oktaanilukuun perustuen. Polttoaineen puristuskestävyys tutkitaan

koemoottorissa palamisen aikana nakutusmittauksilla. Kokeellisesti on

havaittu, että ottomoottoripolttoaineen nakutuskestävyyden ja

itsesyttymislämpötilan välillä on selvä riippuvuussuhde so. korrelaatio.

Koemoottorin käyntiparametrit on määritelty taulukossa 7.

Koepolttoaineena käytetään n-heptaania C7H16 ja iso-oktaania C8H18, kuva 15. n-heptaanin nakutustaipumus on suurin ja tällöin oktaaniluku merkitään

MON=0 tai RON=0 ja vastaavasti iso-oktaanin pienin, jonka oktaaniluku

merkitään MON=100 tai RON=100. Oktaaniluku ilmaisee iso-oktaanin

tilavuusosuuden prosentteina n-heptaanin-seoksessa, joka

koemoottorissa(CFR tai BASF-koemoottori)käyttäytyy samalla tavoin

nakutuksen kuin tutkittava polttoaine. Oktaaniluku voidaan määritettään

Research-menetelmällä(RON) ja Moottorimenetelmällä (MON). Korkea RON-arvo

kuvaa polttoaineen nakutuskestävyyttä kiihdytysajossa MON-arvo

vastaavasti huippunopeusajossa. Käytännössä MON-arvot ovat pienempiä kuin

ROL-arvot. Esimerkiksi lyijyttömien polttoaineiden vähimmäisvaatimukset

EN 228 mukaan nakutuskestävyyden suhteen: Super bensiini min.

RON/MON=95/85, normaali bensiini RON/MON=91/82,5 , super plus bensiini

RON/MON, =98/88. Taulukossa 7 on esitetty koemoottorin käyntiparametrit:

pyörimisnopeus, puristussuhde, sytytysajoitus, imuilman ja seoksen

esilämmitys ja mittausjärjestelmän mittausepävarmuus. Tavallisesti

koemoottori on yksisylinterinen CFR-moottori(Cooperative Fuel Research),

säädettävä puristussuhde, valmistaja Waukesha Motor Company.

Kuva 15. Iso-oktaanin ja

n-heptaanin

hiilivetyrakenne./1/

Taulukko 7. Koemoottorin käyntiparametrit hiilivetypolttoaineen

oktaanilukujen RON- ja MON-arvojen määritykseen.


36

Oktaanilukujen RON- ja MON-määritys

Koemenetelmien standardit ovat:

ASTM D 908-55 CFR F-1 Research Method:Tutkimusmenetelmä

tutkimusoktaaniluvun määritykseen. Vastaava saksalainen normi DIN 51756.

ASTM D 357-53 F-2 Motor Method: Moottorimenetelmä moottorioktaaniluvun

määritykseen. Vastaava saksalainen normi DIN 51756.

ASTM D 614-49 CFR-3 Lean Mixture Method: Laihan seoksen menetelmä

lentomoottoreiden polttoaineille.

ASTM D 909-49 CFR F-4 Rich Mixture Method: Rikkaan seoksen menetelmä

ahdettujen lentomoottoreiden polttoaineille.

CFR F-1 menetelmässä n=600r/min, CFR F-2 menetelmässä n=900r/min,

taulukko 3. Kokeet antavat eri suuret oktaaniluvut, koska eri

polttoaineilla on erilainen herkkyys (RON-MON) lämpötilaan, paineeseen ja

moottorin pyörimisnopeuteen nähden kuin iso-oktaanin ja n-heptaanin

seoksella.

RON=Research Octan Number, MON=Motor Octan Number. Yleensä erotus RON-

MON=8…10yksikköä.

Sellaisille polttoaineille joiden nakutuskestävyys on korkeampi kuin iso-

oktaanin, kuten metanoli ja etanoli, voidaan oktaaniluku määrittää (Obert,

E.F.:Combustion Engine and Air Pollution. Third Edition. New York, 1973, 740p.) kaavasta

2

TETETE

TE

P0,0352167P1,4721,0P0,7361,0

P28,28100ON

(3.7.1)

missä PTE= lyijytetraetyylipitoisuus ml/US gall.


37

3.8 Dieselpolttoaineen setaaniluku

Dieselpolttoaineiden kansainväliset vaatimukset esitetään standardissa EN

590. Tärkeimmät vaatimukset ovat: syttymisherkkyys, leimahduspiste,

kylmäkäyntiominaisuudet, suodatettavuus, tiheys, tislautumisalue,

voiteluominaisuudet, karstoittumistaipumus, rikkipitoisuus ja

lisäaineet.

Dieselmoottorissa syttymistapahtuman tulee käynnistyä, kun puristettuun

kuumaan ilmaan ruiskutetaan polttoainetta. Ruiskutuksen alkuhetken ja

polttoaineen syttymisen välinen aikaviive ns. syttymisjättämä. Sen tulee

olla mahdollisimman pieni. Diselpolttoaineen syttymisherkkyyttä kuvataan

suureilla setaaniluku ja setaani-indeksi. Setaaniluvun säätelyssä

käytetään n-Heksadekaania C16H34, jonka setaaniluku on 100 ja on ns.

herkästi syttyvä komponentti ja -Methyylinaftaliinia C11H10, jonka

setaaniluku on 0,kuva 16. Vaikeasti syttyvän komponentin

heptamertyylinonaanin setanniluku on 15. Setaaniluvun ja setaani-indeksin

arvo lauhkeassa ilmastossa min. setaaniluku 51 ja setaani-indeksi min.

46, arktisessa ilmastossa min. 49…47 ja setaani-indeksi min. 46…43.

Lisäksi setaani-indeksin minimiarvo tulee saavuttaa useissa

lämpötilapisteissä tislauksen maksmimäärän mukaan. Tutkittavalle

polttoaineelle setaaniluku määritetään kokeellisesti

vertailupolttoaineseoksien syttymis-herkkyyden perusteella. Kun

tutkittavan polttoaineen syttymisherkkyys on sama kuin tunnetulla(SL)

vertailupolttoaineella, niin tutkittavan setaaniluku on yhtä suuri.

Setaaniluku määritellään polttoaineen sisältämän setaanin %-osuuden ja

0,15xheptametyyli-nonaanin %-osuuden summana

HMN(%)0,15SC(%)SL (3.8.1)

missä SC=setaanin %-osuus

HMN=heptametyylinonaanin %-osuus

Esim. Kun SC=42% ja HMN=58% SC=42,0+8,7=50,751.

n-Heksadekaani -Methyylinaftaliini

Kuva 16. Dieselöljyn setaaniluvun säädössä käyettävät vertailu-

polttoaineet.

Dieselpolttoaineelle määritetään mm. syttymispisteen minimiarvo 55C, vesipitoisuus max 200 mg/kg, rikkipitoisuus max 350 mg/kg. Viskositeetti

määritetään (40C:ssa) lauhkeassa ilmastossa min/max 2/4,5 mm2/s ja

arktisessa ilmastossa (40C:ssa) min/max 1,5/4…1,2/4 mm2/s.


38

Dieselöljyn tiheydelle on asettettu raja-arvot(15C:ssa) lauhkeassa

ilmastossa min/max 820/840 kg/m3 ja arktisessa ilmastossa min/max

800/845…800/840 kg/m3. Dieselöljyn lämpöarvon ja tiheyden välillä on

havaittava korrelaatio. Tiheyden kasvaessa lämpöarvo kasvaa ja kääntäen.

Ruiskutusmäärän perustuessa tilavuusyksiköihin, tiheyden muutos aiheuttaa

vastaavan suuruisen polttoainemassan muutoksen ja seossuhteen ts.

ilmakertoimenn muutoksen. Tiheyden kasvu saattaa aiheuttaa savutuksen

lisääntymistä ja tiheyden alenema puolestaan akselitehon laskun ja

polttoaineen kulutuksen kasvun.

Kylmässä ilmastossa lämpötilan ollessa 0C tai alhaisempi, alkavat

paraffiinikiteet muodostua huonontaen dieselöljyn juoksevuutta, jolloin

pumpattavuusominaisuudet huononevat ja suodattimessa tukkeutumistaipumus

olennaisesti kasvaa. Kylmäkäyntiominaisuudet määrietään EN 590 mukaan

CFPP-menetelmällä(CFPP-Cold Filter Plugging Point) CFPP-arvo määritellään

kesä- ja talvilaaduille.

Polttoaineen hyvä voitelukyky etenkin sekavoitelualueella on erittäin

tärkeä ominaisuus polttoainelaitteiden kuten pumpun ja ruiskutus-

laitteiden toimintavarmuuden, kulumisen hallinnan ja riittävän

taloudellisen elinkaaren saavuttamiseksi. Voitelu-ominaisuudet testataan

HFRR-kulumiskokeella(EN 590).

Setaaniluvun määritys

ASTM D 613-62T CFR F-5 Cetane Method: Setaaniluvun määritys

dieselmoottoriksi muunnetulla CFR-mootorilla. Moottori on varustettu

puristussuhteen säädöllä ja pyörrekammiolla. Setaaniluku määritetään

siten, että puristussuhdetta muuttamalla saadaan tutkittava polttoaine

syttymään 13 KK BTC (mitataan suuttimen neulan noususta). Tämän jälkeen

etsitään sellainen vertailupolttoaine, joka syttyy 13 KK BTC. Setaaniluku määritetään setaaniluvun SL-kaavalla.

Lisäaineet

Lisäaineilla parannetaan polttoaineen spesifisä laatuominaisuuksia,

tärkeimmät ovat juoksevuus ja kylmäkäyntiominaisuudet. Polttoaineen

talvilaadut sisältävät polymeerejä.

Syttymisherkkyyden parantajina (cetane improver) käytetään alkoholeja ja

salpietarihappoestereitä. Lisäksi ne alentavat palamisesta aiheutuvaa

käyntimelua ja partikkelipäästöjä. Edellä mainittujen lisäksi

polttoaineeseen lisätään voitelevuutta parantavia lisäaineita, sekä

puhdistavia, syöpymisen ja vaahtoamisen estoaineita.

3.9 Biopolttoaineet

Polttomoottoreissa voidaan käyttää useita ns. vaihtoehtoisia

polttoaineita. Tunnettuja polttoainelähteitä ovat mm. kaasumaiset

hiilivedyt: maakaasu ja nestekaasu. Synteettistä bensiiniä ja dieslöljyä

voidaan valmistaa kivihiilestä. Biopolttoaineet ovat vahvasti tulossa

polttomoottoreiden energialähteiksi. Biopolttoaineita ovat: biomassa

(puu, sokeriruoko, maissi), biokaasu ja biodieselöljy. Biomassasta

voidaan valmistaa metanolia ja etanolia.


39

Dieselmoottoreiden biopolttoainelähteistä mainittakoon öljykasveihin

lukeutuva rypsi. Se ei sovellu suoraan puristettuna rypsiöljynä

palotilaan poltettavaksi runsaan karstoittumisen vuoksi.

Dieselpolttoaineiksi soveltuvat rypsiöljyjalosteet, kuten

rypsiöljymetyyliesteri(RME) ja rypsiöljyetyyliesteri(REE).

Rypsiöljysterit sisältävät happea 10,5-12,6 paino-%, taulukko 8.

Polttoaineen sisältämä happi vaikuttaa edullisesti palamiseen mm.

vähentäen savutusta.

Taulukko 8. Rypsiöljymetyyliesterin (RME) ja rypsiöljyetyyli-esterin(REE)

hiilen, vedyn ja hapen massaosuudet.

3.10 Kaasut

Orgaanisia kaasulähteitä mm. ovat: puu, puuhiili, turve, turvebriketti,

hake ja sokeriruoko. Ne soveltuvat otto- ja dieselmoottoreiden

polttoaineeksi. Kaasu tulee suodattaa ennen käyttöä. Dieselmoottorissa

palaminen käynnistetään ruiskuttamalla sytytyspolttoneste sylinteriin.

Mainittakoon, että puukaasua käytettiin II-maailmansodan aikana

kuljetusajoneuvojen polttomoottoreiden energian lähteenä.

Maakaasua käytetään joukkoliikentteen ajoneuvoissa sekä pääsovelluksina

voimalaitos- ja teollisuusmoottoreissa. Moottorit toimivat 2-, 4-

tahtisina otto- ja dieselmoottoreina. Dieselmoottorissa kaasu sytytetään

pienellä dieselpolttoaineannoksella. Sen suuruus on 5..10% syötetystä

energista. Polttoaine syötetään sylinteriin imu- tai ahtoilmaan

sekoitettuna. Laihaseosmoottoreilla voidaan saavuttaa noin 80% vastaavan

dieselmoottorin tehosta. Korkeapaineruiskutusta käytettäessä voidaan

saavuttaa vastaava teho kuin dieselmoottorilla. Laivakäyttöön tarkoitetut

kaasudiselmoottorit(Wärtsilä Diesel) perustuvat 4-tahtiperiaatteeseen ja

kaasun korkeapaineruiskutukseen (250 bar).

Maakaasun pääkomponentti on metani CH4(n. 99%). Sulamispiste on -184C,

kiehumispiste -162C ja tiheys 0,717 kg/m3, normaaliolosuhteissa (po, To). Muut komponentit ovat etaani C2H6, etyleeni C2H4, hiilidioksidi, happui ja

rikkivety. Rikkipitoisuus < 0,001g/m3.

Nestekaasu soveltuu parhaiten ottomoottorin polttoaineeksi esimerkikisi

autoissa. Etuna on verraten kattava kaasupullojen täyttö- ja

vaihtosemaverkosto. Moottori on varustettava höyrystimellä polttoaineen

kaasuuntumisen aikaansaamiseksi sekä seoksenmuodostusta varten

sekoitusventtiilin.

Nestekaasu on propaanin ja butaanin seos. Ylipaineessa seos on

nestemäisessä muodossa ja normaaliolosuhetissa kaasuna. Propaanin

kiehumispiste on -42C ja butaanin -0,5 C . Nestekaasuna tyypillinen seos sisältää propaania ja butaania, tilavuussuhteen ollessa 1:1.

Massaosuus% RME REE

Hiili C 75,8 77,4

Vety H 11,6 12,1

Happi O 12,6 10,5

100,0 100,0


40

4 Seoksenmuodostus otto- ja dieselmoottorissa

4.1 Seoksenmuodostus ottomoottorissa

Ottomoottorissa seoksenmuodostus voidaan tuottaa ulkoisella

järjestelmällä sylinterin ulkopuolella tai sisäisellä järjestelmällä

sylinterin sisällä. Polttoaine-ilmaseos imetään sylinteriin männän

aikaansaaman imun vaikutuksesta ja seos puristetaan noin 20..30 bar

paineeseen sylinterin puristussuhteen arvosta riippuen =8…12. Seoksen

lämpötila puristusvaiheen päättyessä on 400…500C. Sytytyshetkellä

polttoaineen tulee olla täydellisesti höyrystynyt, koska ainoastaan

kaasun ja höyryn seokset voivat muodostaa homogeenisen seoksen. Seoksen

palamisprosessi käynnistetään ajoitetulla sähkökipinällä(SI) ennen

männän saapumista yläkuolokohtaan (TDC).

Ulkoisessa seoksenmuodostuksessa polttoaine ja ilma sekoittuvat

tasaisesti kerroksittain, seos on homogeeninen. Homogeenisilla seoksilla

syttymisherkkyys on verraten hyvä ilmakerroin alueella =0,6…1,6. Palamisrintaman etenemisnopeus pienenee jyrkästi ilmakertoimen kasvaessa.

Käytännössä ottomoottorit voivat toimia ilmakertoimeen alueella

=0,8…1,4. Kun ilmakerroin >1,4, tarvitaan eritysjärjestelyjä, jotka toteutuvat ns. laihaseosmoottoreilla. Kylmäkäynnistyksessä ja

kylmäajossa seosta on rikastettava =0,7..0,8, jotta saadaan

syttymiskelpoinen seos. Rikastaminen tapahtuu kuristussäädöllä ts.

rikastusläpällä. Seossuhteen vaihtelut eri sylintereiden ja työkiertojen

suhteen, tulee olla verraten pienet.

4.2 Kaasutinrakenteet

Kaasuttimet voidaan jakaa ns. putouskaasuttimiin (vertikaalinen) ja

vakkakaasuttimiin (horisontaalinen). Putouskaasutin on yleisin, johtuen

mm. kohokammoin ja suutinjärjestelmien edullisesta

sijoittamismahdollisuuksista ihanteellisen seoksen muodostukselle ja

jakamiselle sylintereihin. Vaakakaasuttimia käytetään etenkin silloin,

kun moottoritilan korkeus halutaan matalaksi. Vaakakaasuttimet ovat

rakenteeltaan kiinteäkurkkuisia tai vakiopainekaasuttimia, niitä

käytetään usein viritetyissä moottoreissa. Vakiopainekaasuttimessa

polttoaineen virtaus kurkussa tapahtuu vakiopaineella. Ilman

virtauspoikkipinta-alan säätö tapahtuu penumaattisella mäntäluistilla,

jossa säätöneula säätää polttoaineen määrää männän liikkeeseen

verrannollisesti. Kaasuttimen polttoaineen syöttöpiirit ovat:

pääsuutinpiiri, joutokäynti- ja siirtymävaihepiiri ja kiihdytyspiiri.

Putouskaasuttimen rakenne

Seos johdetaan kaasuttimen kokoojaputkesta erillisiä imukanavia

(horisontaaliset putket) myöten sylintereihin. Seoksen muodostus tapahtuu


41

imuputkessa kaasuttimen ja imuventtiilin välisessä kanavassa, kuva 14.

Imukanaviston virtaus suunnitellaan virtauslaskennan ja simuloinnin

työkaluilla. Imuventtiilin avautuessa seos virtaa sylinteriin usein

pyörrevirtauksena(turbulenssi) tehostaen polttoaineen ja ilman

sekoittumista ja sylinterin täyttymistä tuoreella seoksella. Imu- ja

pakoventtiilin yhtäaikaisella aukioloajalla (overlap) pyritään

parantamaan sylinterin täytösvirtausta ja sylinterin puhdistumista

edellisen työkierron palamiskaasuista. Etenkin 2-tahtimoottoreissa

huuhtelumenetelmästä riippuen edellisen työkierron palamiskaasut

vähentävät merkittävästi sylinteritäytöstä ja lisäävät CO- ja HC-

päästöjä.

Kuvassa 17 on esitetty kaasutinjärjestelmän rakenneperiaate, kuvassa 18

tyypillisen putouskaasuttimen käyntipiirit ja suuttimet sekä kuvassa 19

sähköisesti ohjattu kaasutin.

Kuva 17. Kaasutinjärjestelmän periaatekaavio. 1=polttoainesäiliö, 2=polttoinepumppu(mekaanien), 3=polttoiansuodatin, 4=kaksoiskaasutin,

5= imusarjan pukisto, 6=kaasuläppä, 7 = rikastinläppä, 8=imuventtiili, 9=nokka-akseli.

7

9

6

8


42

Kuva 18. Putouskaasuttimen pääsuutin, tyhjäkäynti- ja kiihdytyspiirit,

suuttimet sekä kurkun, kaasuja rikastusläpän kanavaosuuksien

paineprofiilit.

Kuva 19. Sähköisesti ohjatun kaasuttimen rakenne.


43

4.3 Kaasuttimen perusyhtälöt

Tarkastellaan kaasuttimen mitoitussuureita yksinkertaistetun mallin

avulla, kuva 20. Tavanomainen suure putouskaasuttimen mitoituksessa on

polttoainesuuttimen ja kaasuttimen kurkun haklkaisijasuhde. Kaasuttinen

toimnta perustuu kohokammion ja kurkun paine-eron tekemään työhön

polttoaineen virtauksen aikaansaamiseksi pääsuuttimen ja suihkutusputken

välityksellä kaasuttimen kurkussa ja sekoittuen virtaavaan ilmaan

seokseksi. Mitoitusperusteena ovat: moottorin tehon perusteella

määritetty polttoaineen ja ilman massavirta, Bernolloin yhtälö, tunnetut

virtauskertoimet sekä polttoaineen ja ilman tiheysarvot.

Kuva 20. Kaasuttimen mitoitussuureet.

Johdetaan yhtälöt kuvan 19 suureiden mukaan

Ilman massavirta LvLρLψLA

.

Lm (4.3.1)

missä AL=kurkun poikkileikkausala (m2)

L=ilman empiirinen virtauskerroin

L=ilman tiheys(kg/m3) vL=ilman virtausnopeus (m/s)

Polttoaineen massavirta B

vBρB

ψB

A.B

m (4.3.2)

missä AB=kurkun poikkileikkausala (m2)

B= polttoaineen empiirinen virtauskerroin

B=polttoaineen tiheys (kg/m3) vB=polttoaineen virtausnopeus (m/s)

Sovelletaan Bernoullin yhtälöä, jolloin paine-erolle saadaan yhtälöt:

Kaasuttimen kurkussa paineen pudotus on

2

2L

vL

ρ

LΔp (4.3.3)


44

Polttoainesuuttimessa paineen pudotus on

2

2B

vB

ρ

BΔp (4.3.4)

Paine–ero E

pu

p B

Δp-L

Δp (4.3.5)

missä pu=kohokammion paine

PE=paine kaasuttimen kurkussa (minimihalkaisijan kohdalla)

Määritetään polttoaine-ilmaseoksen seossuhde ts. ilmakerroin

.

.1

Bm

Lm

oL

(4.3.6)

Sijoitetaan yhtälöön (4.3.6) ilman ja polttoaineen massavirran yhtälöt

(4.3.1) ja (4.3.2) ja ottamalla huomioon yhtälöt (4.3.4) ja (4.3.5),

jolloin ilmakertoimella saadaan yhtälö

Bρ

Lρ

Bv

Lv

Bψ

Lψ

BA

LA

oL

1λ (4.3.7)

Määritetään polttoainesuuttimen (dB) halkaisijan suhde kaasuttimen kurkun

halkaisijaan (dL)

Kaasuttimen kurkun minimipoikkileikkaus AL=dL2/4(virtausakseli on

poikkileikkauksen AL-tason normaali) ja polttoainesuuttimen

poikkileikkausala AB=dB2/4. Ottamalla huomioon yhtälö (4.3.7),

polttoainesuuttimen ja kaasuttimen kurkun halkaisijan suhteelle saadaan

ehto

4

1

Bρ

Lρ

Bψ

Lψ

oL

1

Ld

Bd

(4.3.8)

Esim. 3. Määritä pääsuuttimen ja kaasuttimen kurkun halkaisijasuhde, kun

kaasuttimen kurkun ilmanvirtauskerroin 0,80 ja polttoainesuuttimen

0,85. Ilmantiheys määritetään olosuhteissa pa=0,9 bar ja Ta=1C ja

polttoaineen 740 kg/m3. Seossuhteen otaksutaan teoreettiseksi ja

teoreettisen palamisen ilmantarve on 14,5 kg/kg.

Ratkaisu: Ilmantiheys määritetään kaavalla (4.3.9), jolloin saadaan

tiheydelle arvo a=L=1,16 kg/m3. Asetetaan parametreille arvot: L=0,80,

B=0,85, B=740 kg/m3 ja ilmakerroin =1,0. Sijoitetaan arvot yhtälöön (1.31), jolloin saadaan dB/dL=0,051.

3m

kg

)/CaT(273,16

288,16

101,325

(kPa)ap1,225

a (4.3.9)


45

4.4 Yksi- ja monipisteruiskutusjärjestelmä

Nykyaikaisissa moottoreisessa sovelletaan yksipiste ja

monipisteruiskutusta. Yksipisteruiskutuksessa(SPI=sinle point injection)

polttoaineannos ruiskutetaan yhden ruiskutussuuttimen välityksellä

imukanavaan ja monipisteruiskutuksessa(MPI=multi point injection)

sylinterikohtaisiin imukanaviin. Ruiskutuspaineen suuruus on noin 3 bar.

Ruiskutussuutimen virtausaukkojen ala on vakio. Vakiopaineessa

läpivirtauksen massavirta on likimäärin vakio. Eri kuormitusolosuhteisiin

tarvittava polttoaineannos määritellään moottorin kuormitusparamerien

kombinaationa, jonka perusteella määräytyy kuormitusta vastaava

ruikutusjakson pituus. Kuvassa 21 on esitetty yksi-ja

monipisteruiskutusjärjestelmän periaate.

Kuva 21. Yksi- ja monipisteruiskutusjärjestelmän periaate.


46

Kuvassa 22 on esitetty sylinterikohtainen polttoaineen ruiskutus-

järjestelmä. Ruiskutus ohjataan ohjauslaitteen välityksellä. Kuvassa 23

on esitetty L-Jetronic- polttoainejärjestelmä.

Kuva 22. Sähköisesti ohjattu ruiskutusjärjestelmä. TE=ruiskutusaika,

suuremerkinnät viittaavat kaasuttimen mitoitussuureisiin.

Kuva 23. L-Jetronic-polttoainejärjestelmä.

Kuvassa 24 on esitetty 4-sylinterisen moottorin rinnakkainen ja

sekventiaalinen ruiskutusmenetelmä. Sekventiaalisessa menetelmässä

optimoidaan ruikutusaikaa ja polttoineen esivarastoa.

Kuva 24. Rinnakkainen ja sekventiaalinen ruiskutusmenetelmä.


47

Einlaβventil, offen=imuventtiili, auki, Einsprizung=ruiskutus

4.5 Sähköisesti ohjattu seoksen säätöjärjestelmä

Seoksen säätöjärjestelmän muodostavat: ilmamäärän mittausjärjestelmä,

polttaineen ruiskutusmäärän säätöjärjestelmä, -anturi ja lukuisa määrä moottorin käynninohjaukseen liittyviä antureita, kuva 25.

Kuva 25. Ottomoottorin seoksenmuodostus- ja käynninohjausjärjestelmä

varustettuna kolmitoimikatalysaattorilla -seoksen säätö-järjestelmällä.

4.6 Ilmamäärän mittausmenetelmät

Moottorin palamisprosessiin ottama ilmamäärä mitataan imuputkeen

asennetun ilmamäärämittarin avulla. Perustyypit ovat läppätyyppinen

virtausmittari, kuumalanka-ilmamassamittari ja Kármán-Vortex-

virtausmittari, kuva 26.

Läppätyyppisessä mittarissa mittaus perustuu imuilmanvirtauksen

jousivoimamittaukseen(k=vakio) ja vastaavan jännitearvoon, jonka

perustella ohjataan polttoaineen ruiskutussuuttimen aukioloaikaa.

Lämpötilan aiheuttamat ilmamäärän vaihtelut eliminoidaan lämpötila-

anturimittauksiin perustuvalla korjaussäädöllä.

Kuumalanka-ilmamassamittarin toiminta perustuu sähköiseen

siltakytkentään, jossa kuumennetun langan lämpötila pidetään vakiona

sähkövirran avulla ohi, koska virtaavan ilman massavirta pyrkii lankaa

jäähdyttämään. Langan ottama virta on verrannollinen ilman massavirtaan,


48

kuva 26a). Lankaan muodostuva karsta poistetaan kuumennushehkutuksella.

Kuumafilmi-ilmamassamittari toimii samalla periaatteella kuin kuumalanka-

ilmamassamittari, kuva 23. Siltakytkennän sähköisiä piirejä on koottu

tukiaineen (keramiikkasubstraatti) päälle vastusfilmiin.

Karstamuodostuksen haitat on eliminoitu lämmönsiirtymisen kannalta siten,

että tunniste-elementin etuosaan muodostuvalla karstalla ei ole

vaikutusta mittaustulokseen.

Kármán-Vortex-virtausmittari mittaus perustuu mittauselementissä

ilmavirran pyörteilyyn, jonka taajuus on verrannollinen tilavuusvirtaan,

kuva 26b). Ilmavirtauksen taajuus mitataan poikittain virtauskanavaan

lähetetyistä ultraääniaalloista. Ilman pyörteily vaikuttaa

ultraääniaaltojen etenemisnopeuteen. Ultraäänivastaanotin mittaa

ultraääniaaltojen etenemisnopeuden. Se muunnetaan

sähkösignaalivasteeksi, jonka perusteella määritetään taajuus ja vastaava

tilavuusvirta.

a) b)

Kuva 25. Kuumafilmi-ilmamassamittarin ja Kármán-Vortex-virtausmittarin

rakenne sekä mittaussignaalin käsittelyvaiheet ja muodot.


49

4.7 Lambda-anturisäätö

Lambda-anturisäädöllä pyritään tehokkaaseen pakokaasupäästö-

komponenttien, kuten hiilimonoksidin (CO), hiilivetyjen (HC) ja typen

oksidien (NOx) vähentämiseen. Päästöjen raja-arvojen saavuttaminen ja

alittaminen edellyttää kolmitoimikatalysaattorilla varustetussa

ottomoottorissa stökiömetristä seossuhdetta, jolloin seoksen tulee olla

kapeassa ilmakerroin alueessa =1±0,005 ns. lambdaikkunassa, kuva 27. Pakokaasumääräykset ovat voimassa USA:sssa, Europpassa ja Japanissa.

Kuva 27. Ottomoottorin pakokaasupäästökomponentit ilman katalysaattoria

ilmakertoimen funktiona, seossuhdealue so. -ikkuna ja -anturin jännitesignaalin ominaiskäyrä sekä pakokaasukomponenttien konsentraatiot

kolmitoimikatalysaattorin puhdistusprosessissa.

Ilmakertoimen arvolla >1,0 laihaseossäädössä tavoitellaan alhaista

polttoaineen kulutusta moottorin toimiessa kuristamattomana. Ilmamäärän

kasvaessa vastaavasti typen oksidien (NOx) muodostuminen lisääntyy,

jolloin katalysaattorin pelkistyskapasiteettia tulee vastaavasti

suurentaa. Ottomoottorin laihaseossovelluksissa käyntiraja on 1,7. Se edellyttää merkittävästi kehittyneempää moottorin ohjausjärjestelmää kuin

toimittaessa stökiömetrisissä olosuhteissa.


50

Lambda-anturin mittaus perustuu Zirkoniumdioksidi-anturin toimintaan

pakokaasuvirtauksessa kalvaanisena happipitoisuuskammiona, kuva 28.

Anturin ulko- ja sisäkuori on kiinteä Pt-elektrodi (Platina-cermet).

Ulkokuori on pakokaasujen ympäröimä ja sisäelektrodi puolestaan

ympäröivän ilman tilassa. Ulko- ja sisäelektrodin välissä tilassa

sijaitsee zirkoniumdioksidi (ZrO2-elektrodi). Se koostuu

zirkoniumdioksista ja yttriumoksidista. Yttriumoksidi on lähes puhdas

happi-ionien johdin. Se kykenee erottamaan pakokaasuvirassa läsnä olevan

ilman ts. pakokaasun sisältämän jäännöshapen. katalyyttisesti toimivat

elektrodit saavuttavat termodynaamisen tasapainotilan, jolloin =1. Se ilmenee anturin jännitteen (Us) ominaispiirroksessa ns. kynnyskäyränä.

Mittaus perustuu jännite-eromittaukseen (Us) Nemets’in kaavan mukaan

2

2

O

O

sp

p

F

RT

4

1U

*

ln (4.7.1)

missä

R=yleinen kaasuvakio

F=Faradyn vakio

T=absoluuttinen lämpötila

PO2=hapen osapaine pakokaasussa

PO2*=hapen osapaine vertailukaasussa

Polttoaineen ominaisuuksista ja palamisesta riippuen pakokaasu saattaa

sisältää sellaisia aineosia, joiden termodynaaminen tila ei saavuta

tasapainoa ja energian muunnokset eivät ole riittävän täydellisiä,

jolloin -arvo muuttuu. Moottorisovituksessa tämä korjataan. Esimerkiksi

lämpötilan muutoksien vaikutus - mittaukseen voidaan suureessa määrin

korjata lämmitetyllä -anturilla.

Kuva 28. Zirkoniumdioksidi-anturin rakenne -mittauksessa kiinnitettynä

pakokaasuputkistoon.

Oksidityyppisissä puolijohteissa, kuten vastusanturit(titaanioksidi,

strontiumtitanaatti), muuttavat oksidin O2-aukkopaikkojen

pitoisuusmuutoksista johtuen tilavuusyksikköjohtokyky muuttuu. Tähän

liittyy myös johtokyvyn lämpötilariippuvuus. Mittausepävarmuuden

vähentämiseksi on syytä kiinnittää huomiota lämpötilasäädön tarkkuuteen.


51

Zirkoniumdioksidi-anturin käyttö laihoilla seoksilla rajoittuu

ilmakertoimen arvoon 1,5 ; edellyttäen, että käytetään lämmitystä(18W). Ulkoisen jännitteen vaikuttaessa Pt-elektrodeihin saa sähkövirta

siirtymään O2-ioneja katodilta anodille. O2-molekyylien virtaus

pakokaasusta katodille on estetty diffuusiosululla. Se saa aikaan

tietyllä kynnysjännitteellä pumppausvirran (mA) kyllästymispisteen. Tämä

raja-arvo(mA) on verrannollinen pakokaasun O2-pitoisuuteen.

Laajakaista-anturi

Laajakaista-anturilla on mahdollista mitata ilmakerroin rikkaalla ja

laihalla seoksella ilmakertoimen ollessa alueessa 0,7<<4, kuva 29.

Anturi on yhdistelmä zirkoniumdioksidi-anturista ja

rajavirtaperiaatteella toimivasta laihaseosanturista. Ilmakerroin

pumppausvirran (Ip) signaali on likimäärin lineaarinen Iplinf()ja näin ollen myös verrannollinen pakokaasun O2-pitoisuuteen. Mittauksessa

käytetään ZrO2-keramiikasta valmistettua pumppauskammiota ja ns. Nernst-

kammiota(Nernst Oxygen Concentration Cell), joka on pinnoitettu

huokoisella Pt-kerroksella. Kammiot on järjestetty siten, että niiden

välillä on mittausrako(measurin gap)10…15m. Mittausraon kautta on yhteys kaasukehään(pakokaasu). Se toimii diffuusiosulkuna ja vastaavan

rajavirran määrityksessä. Pumppauskammion jännite säädetään siten, että

kaasunkoostumus mittausraossa pysyy vakiona ilmakertoimen arvolla =1. Tätä pumppauskammion tilaa vastaava Nernst-kammion jännite UN=450mV.

Laihalla seoksella (>1), pumppauskammiosta virtaa happea ulos ja

rikkaalla seoksella (<1)virtaa happea pakokaasusta mittausrakoon

virtaussuunnan muuttuessa, johtuen CO2:n ja H2O:n hajoamistuloksista.

Anturin mittauslämpötila pidetään vakiona kuumentimella vähintään

600C:ssa.

Säätömenetelmät

Zirkoniumdioksidi-anturin säätö voidaan toteuttaa kaksipistesäätönä

yhdellä anturilla ja katalysaattorin jälkeen sijoitetulla lisäanturilla.

Kaksipistesäädössä anturijännitteen kynnyskuvaajan =1 säädön. toimisuure koostuu jänniteheilahduksesta(voltage jump) ja portaasta(voltage ramp),

muuttaen säädön suuntaa jokaisella jänniteheilahduksella seoksen

muuttuessa rikas/laiha tai laiha/rikas. Toimisuureen amplitudi on 2..3%,

rajoittaen säädön dynamiikka. Säädön perustana on lepoaikaojen summaus.

Anturilla tyypillinen virhemittaus johtuu pakokaasun koostumuksen

muutoksista. Sen vaikutus säätöön voidaan eliminoida valitsemalla

toimisuureen aikavaste epäsymmetriseksi ja modifioinnissa käytetään

anturin jännitysheilahduksen viiveaikaa tv kiinnitettynä, kuva 30.

Todettakoon, että kynnysarvon =1 tarkkuuteen vaikuttavat anturin

vanheneminen ja epäpuhtaudet vaikuttavat epäsuotuisasti

säätödynamiikkaan. Tarkkuutta voidaan parantaa eri pinnoitemenetelmillä.

Tällöin katalysaattorin jälkeen asennetun anturin altistuminen edellä

mainituille haittatekijöille on vähäisempää. Kaksi-anturisäädön

periaatteena on laiharikas- tai rikaslaiha-säätö. Se toteutetaan

hitaasti pieniä säätömuutoksia summaamalla. Menettelyllä saavutetaan

anturille pitempi käyttöikä.


52

Laajakaista-anturin portaattomassa säädössä on mahdollista toteuttaa

jatkuva =1 säätö vakiona pidettävällä pienellä amplitudilla.

Säätöparametrit määritetään laskennallisesti moottorin kuormitustilan

mukaan moottorin kuormitusparametreista. Vakio- ja muutostilanteissa

ennakko-ohjaukseen liittyvät jännitevirheiden vaikutukset, voidaan

eliminoida portaattomalla -säädöllä. Pakokaasupäästöjen

puhdistusprosessin optimoinnissa etenkin laihaseosaluella

säätöpotentiaali on verraten hyvä, edellyttäen kiinnitettyjä

säätöparametreja.

Kuva 29. Laajakaista-anturin rakenne, kytkentäkaavio ja -ominaiskuvaaja

pumpun ottaman virran funktiona.

Kuva 30. Lambda-anturin kaksipistesäädössä anturijännitteen ja

ohjausjännitteen kuvaajat aikatasossa.


53

4.8 Heterogeeninen seoksenmuodostus

Heterogeenisessa sisäisessä seoksenmuodostuksessa pyritään

kuristamattomaan moottorin toimintaan laajalla kierrosluku- ja

kuormitusalueella. Ottomoottoriin sovellettu suoraruiskutusmenetelmä

GDI(Gasoline Direct Injection) on saavuttanut merkittävän aseman

sarjavalmisteisten henkilöautojen seoksenmuodostusmenetelmänä 1990-

luvulta alkaen, kuva 31 ja kuva 32.

GDI-moottorissa polttoaine ruiskutetaan suoraan sylinteriin imutahdin

aikana. Polttoaine sekoittuu tehokkaasti ilman vertikaalivirtaukseen

männän ja imukanavien muotoilun aikaansaamalla vertikaalipyörteellä ja

drallin vaikutuksesta. Ruiskutuspaine on 30…50bar moottorin

kuormituksesta riippuen. Imukanavien spiraalimuoto ja tangentiaalinen

suuntaus ja vertikaalisesti suunnattu imukanava saavat aikaan

pyörreliikkeen sylinterissä ja ns. tumble-efektin. Saavuttettavia etuja

on mm. alhaisempi polttoaineen kulutus (laihat seokset), alhaisemmat CO-

ja HC-emissiot sekä korkeammat moottorin suoritusarvot. Lisäksi

polttoaineen sylinteriä jäähdyttävä vaikutus tekee mahdolliseksi käyttää

korkeampaa puristussuhteen arvoa ja siten kohottaa työkierron

hyötysuhdetta.

Kuva 31. Ottomoottorin suoraruiskutusjärjestelmä (GDI). a)suihkuohjattu b)seinämäohjattu c)ilmaohjattu 1=ruiskutussuutin(sähkömagneettinen ohjaus), 2=

sytytystulppa.


54

Kuva 32. Ottomoottorin suoraruiskutusmenetelmä (DI). 1)polttoaine 2)ilmavirta 3)kaasuläppä 4)imusarja 5)ruiskutusventtiili 6)moottori.

4.9 Dieselpolttoaineen seoksenmuodostus

Dieselpolttoaineen sytyttämiseksi palotilassa, tulee puristetun ilman

loppulämpötilan olla merkittävästi korkeampi kuin polttoaineen

itsesyttymislämpötila. Sylinteriin ruiskutetun dieselöljyn

ruiskutuskartiossa seossuhde vaihtelee reunakartion erittäin laihasta

seoksesta >1 suihkun sydän osan erittäin rikkaaseen seokseen <1. Seoksenmuodostus on epähomogeeninen. Syttyminen tapahtuu erittäin

laajalla ilmakertoimen alueella. Dieselmoottori toimii aina

ilmaylimäärällä, jolloin >1, jotta haitallinen savutus voidaan välttää, kuva 33.

Kuva 33. Sylinteriin ruiskutetun dieselpolttoaineen ruiskutus-kartio,

jossa tapahtuu polttoaineen ja ilman sekoittuminen sekä höyrystyminen.

Kuvassa 34 on esitetty dieselpolttoainepisaran palamisprosessin vaiheita.

Polttoainepisara hyörystyy ja sekoittuu ilman kanssa muodostaen

höyryvyöhykkeen. Palamisprosessi käynnistyy, jolloin liekkirintama etenee

x-akselin suunnassa. Lämpötila kasvaa eksponentiaalisesti nestepisaran

< 1


55

hyörystymislämpötilasta liekkirintaman korkeimpaan lämpötilaan liekin

etenemissuunnassa. Samaan aikaan lämpötilan kasvuun verrannollisesti

hapen osapaine pO2 kasvaa. Polttoaineen paine pB kasvaa reunaverhoon saakka

liekkirintaman palamispaineen tasolle ja alentuen reunoilla höyrynpaineen

tasolle.

Kuva 34. Dieselpolttoainepisaran ja palamisilman sekoittuminen,

polttoaineen ja ilman höyrystymis- ja palorintamavyöhyke sekä

lämpötila- ja painesuureiden kehittyminen eri vaiheissa.

rikas; suihkun sisäreuna

laiha,suihkun ulkoreuna


56

5 Palorintama ja palamispainediagrammit

Hiilivetypolttoaineen ja ilman seoksen palamisnopeus voidaan määrittä

kokeellisesti rajatuissa olosuhteissa. Palorintaman etenemisnopeuteen

vaikuttavat mm. seoksenmuodostus, polttoaineen palamisominaisuudet,

palotilaratkaisu, sytytysjärjestelmän mitoitus, moottorin pyörimisnopeus

ja kuormitus sekä edellisen työkierron jäännöskaasut ja

sylinterinseinämien jäähdytysvaikutus. Esimerkiksi teoreettisella tai

hieman rikkaalla seoksella 1bar:in paineessa nopeus on suuruusluokkaa

0,5…7,5. Todellisessa moottorissa nopeudet ovat moninkertaiset eräiden

tutkijoiden mukaan noin 25m/s ylöspäin normaaliarvot ovat 60…90m/s.

Kuvassa 35 on esitetty palorintaman eteneminen kammenkulman arvoilla

yläkuolokohdan suhteen imumoottorissa ja ruiskutusmoottorissa. Kuvassa

36 on esitetty 3- ja 4-venttiilijärjestelmän, keskellä sijaitsevan

sytytystulpan (4-ventt.) ja kaksoissytytystulpalla(3-ventt.) varustetun

palotilan palorintaman etenemisen eri kammen kulma-arvoilla

yläkuolokohtaan(TDC)nähden.

Kuva 35. Imumoottori ja suoraruiskutusjärjestelmällä varustetun

moottorin palorintaman eteneminen eri kammenkulma-arvoilla

yläkuolokohtaan (OT) nähden.


57

Kuva 36. Palorintaman eteneminen 4-venttiilillä ja yhdellä keskelle

sijoitetulla sytytystulpalla sekä 3-venttiilillä, epäkeskeisesti sivulle

sijoitetulla kahdella sytytystulpalla varustetussa palotilassa.

5.1 Dieselmoottorin nakuttava ja normaalipalaminen

Palaminen voidaan jakaa moneen peräkkäiseen vaiheeseen. Ensimmäinen vaihe

on nimeltään syttymisjättämä(Brennverzug). Se on aikaviive (1.vaihe),

joka kuluu siitä hetkestä kun polttoainepisara tunkeutuu palotilaan ja

syttyminen alkaa, kuva 37. Syttymisjättämän suuruuteen vaikuttavat mm.

polttoaineen syttymisominaisuudet, paine ja lämpötila puristustahdin

lopussa, polttoaineen hienojakoisuus, palotilan rakenne, pyörteisyys ja

moottorin kuormitus. Palamisen alkuvaiheessa tapahtuu nopea energian

vapautuminen, jolloin paine kasvaa jyrkästi 2. vaihe. Palamispaine ja

lämpötila kasvavat, jolloin sylinteriin ruiskutettu polttoaine palaa

välittömästi syttymisjättämän ollessa marginaalinen tai olematon.

Painenousun gradientti on suuruusluokkaa 7…10bar/KK (KK= kammen kulma-aste). Jos paineennousu on huomattavan suuri, ilmenee dieselnakutusta

kuvaava voimakas käyntiääni. Tyypillisesti dieselnakutus esiintyy

silloin, kun syttymisjättämä on pitkä ja palotilaan on kertyy

polttoainetta, jonka syttyessä tapahtuu lämpöenergian vapautuminen ja

usein erittäin jyrkkä paineen nousu. Huomautettakoon, että dieselnakutus

tapahtuu palamisen alkuvaiheessa ja ottomoottorissa palamisen

loppuvaiheessa, jolloin lämpöenergia vapautuu. Dieselnakutuspalamisessa

esiintyy erittäin jyrkkä paineen kasvu; korkea painegradientin arvo

yläkuolokohdan(TDC) jälkeen. Se voi johtaa sylinterivaurioon. Kuvassa 38

on esitetty periaatteellinen painediagrammi. Dieselnakutuksen syntyyn

vaikuttavat samat tekijät kuin syttymisjättämään, mm. epätasainen

polttoaineen pisarajakauma, matala paine ja lämpötila(kylmäkäynnistys)

sekä alhainen moottorin kuormitus.


58

Kuva 37. Dieselpalamisen eri vaiheet ja painediagrammi kammenkulman

funktiona. Alemmassa kuvassa polttoaineen energian vapautumista kuvaava

käyrä, palavan polttoaineen massan suhde polttoaineannoksen massaan.

Kuva 38. Nakuttavan dieselpalamisen painediagrammi kammenkulman

funktiona.

3. vaiheen aikana palamispaine saavuttaa maksimiarvon ja paineen muutos

on verraten pieni. 4.vaiheessa tapahtuu jälkipalaminen. Syttymisjättämää

vastaava 1.vaihe tulee olla mahdollisimman pieni. Käytännössä

syttymisjättämä rajoittaa dieselmoottorin maksimipyörimis-nopeuden

tasolle 5000…6000r/min.

P

TDC KK

3.vaihe

2.vaihe 4.vaihe

1.vaihe


59

5.2 Ottomoottorin normaali ja nakuttava palaminen

Normaalipalamisessa palamisprosessi käynnistyy sytytyskipinän energiasta

pisteessä 1(Zündung), jolloin palamispaine(vahva katkoviiva) kehittyy

palamiselle tyypillisesti vaiheessa 23, kuva 39. Painehuippu

saavutetaan 2-5KK (ATC). Painegradientti pysyy sallituissa rajoissa.

Syttymisviive on väli 12, kun palamispainekäyrä erkanee

puristuskäyrästä(ohut katkoviiva). Syttymisjättämän suuruus riippuu

puristustahdin loppupaineesta, loppulämpötilasta ja seossuhteesta().

Palamispainekäyrän kasvuaika väli 23 riippuu mm. palotilan muodosta ja pyörrevirtaus-ominaisuuksista.

Ottomoottorin nakuttavassa palamisessa epätasainen painehuippu esiintyy

merkittävästi yläkuolokohdan (OT) jälkeen. Painediagrammissa kodassa (1)

itsesyttyminen tapahtuu hehkusytytyksenä ennen varsinaista sytytystä

sytytyskipinällä(Zündung) lämpötilan ollessa noin 1200 K, mikä vastaa

polttoaineen itsesyttymislämpötilaa. Kohdasta (2) alkaa nakuttava

palaminen painehuippuun saakka, kuva 39. Liekkirintaman edetessä seoksen

palamattomaan osaan kohdistuu korkea lämpö- ja painekuormitus aiheuttaen

seoksen odottamattoman itsesyttymisen ennen palamisrintaman saapumista.

Tämä aiheuttaa nopean palamispaineen ja lämpötilan kasvun sekä äänen

nopeudella etenevän paineaallon sylinterissä. Paineaallon törmäys ja

heijastumat sylinterin seinämään saavat aikaan ihmisen kuuloalueella

olevan nakutusäänen. Nakutusäänen nopeus vkc voidaan määrittää yhtälöllä

RTc

cv

v

p

kc (5.2.1)

missä

cp=kaasun ominaislämpökapasiteetti vakiopaineessa

cv=kaasun ominaislämpökapasiteetti vakiotilavuudessa

R=kaasuvakio, palamiskaasulle R0,290 kJ/kgK.

Kuva 39. Nakuttavan palamisen painediagrammi ottomoottorissa

kammenkulman ()funktiona.

3

2

(1)


60

Esimerkki 3. Sylinterissä, jonka halkaisija D=86,0mm, palamiskaasun

kaasuvakioden suhde cp/cv=1,33, palamislämpötila T=2100K ja kaasuvakio

R=0,290 kJ/kgK. Määritä a)nakutusäänen nopeus b) äänen taajuus

sylinterissä.

Ratkaisu

a) 900m/s2100100,2901,33v3

kc

b) Hz 10471086,0

900

D

vf

3

kc

kc

.

Nakutusilmiöön liittyy epänormaalit palamisilmiöt kuten

pintasytytys(surface firing) ja jyrinä(rumble). Pintasytytyksessä

sekundäärisinä sytyttäjinä voivat toimia mm. hehkuva karsta palotilassa,

ylikuumentunut pakoventtiili, mäntä ja sylinterin seinämä sekä korkea

puristussuhde polttoaineen oktaanilukuun nähden. Edellä mainitut tekijät

aiheuttavat yleensä ennen aikaisen sytytyksen, sekundääristen sytyttäjien

ketjun ja epätasaisen palamisen sekä nakutusäänen.

Jyrinä (rumble); epänormaali käyntiääni esiintyy jyrkän paineen nousun

aikana. Normaali palamiseen verrattuna energian vapautuminen tapahtuu

lyhyemmässä ajassa kuin normaali palamisessa, mistä johtuen paine ja

lämpötila kasvavat jyrkemmin. Maksimipaine jyrinän esiintyy huomattavasti

aikaisemmin kuin normaali palamisessa. Toisaalta tätä kehitystä edistää

karstakerroksen palotilan tilavuuden pieneneminen ja lämpö eristävä

vaikutus, jolloin seoksen lämpötila kasvaa ja palamisen esireaktiot

kiihtyvät, kuva 40. Kokeellisesti on havaittu, että

ottomoottoripolttoaineen nakutuskestävyyden ja itsesyttymislämpötilan

välillä on selvä riippuvuussuhde so. korrelaatio.

Kuva 40. Yksinkertaistettu esitys ottomoottorin normaalipalamisen ja

jyrinän aikana esiintyvän paineen kasvusta kammenkulman funktiona.

Kuvassa 41 on esitetty sytytysennakon vaikutus ottomoottorin

palamispaine-diagrammiin, moottorin pyörimisnopeudella 4000r/min,

P

Jyrinä Normaali

palaminen

TDC KK


61

puristussuhteen arvolla e=10:1 ja sylinterin iskutilavuuden ollessa 445

cm3. Edullisin painediagrammi saavutetaan sytytysennakon arvolla 40KK

BTC, jolloin maksimipaine saavutetaan noin 5KK ATC. Pienemmillä

sytytysennakon arvoilla palaminen myöhästyy alentaen maksimipainetta ja

siirtää sen maksimin noin 40KK ATC. Tästä seuraa moottorin

jälkikäynti(rumble) ja huomattavasti vähentynyt paisuntatyö.

Kuva 41. Sytytysennakon vaikutus ottomoottorin palamispaine-

diagrammiin.


62

5.3 Nakutuksen esto ottomoottorissa

Nakutuksen säätö tapahtuu sytytysennakkoa säätämällä moottorin

pyörintänopeuden, kuormituksen ja lämpötilan funktiona. Nakutuksen

tunnistus tapahtuu yhteen tai useampaan moottorilohkon kylkeen asennetun

värähtelyn tunnistimen avulla. Nakutustunnistimen paikka on

moottorikonstruktiolle ominainen. Mekaaninen värähtely muutetaan

sähköiseksi signaaliksi, jonka otetaan huomioon sytytysennakon

ohjelmaparametrien määrityksessä ja mm. signaalien vaste nakutuksessa ja

turvavälin raja-arvot sylinterikohtaisesti. Kuvassa 42 a) on esitetty

sytytysennakon säätöperiaate ja kuvassa 41 b) on esimerkki sytytyksen

myöhäissäädöstä 4-sylinterisessä moottorissa. Suure K1…K3 kuvaa nakuttavaa

palamista sylintereissä 1…3, 4.sylinteri ei nakuta. a)myöhäissäätöä edeltävä jakso b)myöhäissäätö c)aikaissäätöä edeltävä jakso d)aikaissäätö. Kuvassa 41 c)

Nakutustunnistin 1)seisminen massa 2)valumassa 3) pietzokeraaminen levy 4) kontaktijouset

5)sähköliitäntä.

a) b) c)

Kuva 42. Nakutuksen estojärjestelmä a), myöhäissytytyksen säätö b) ja

nakutustunnistin c).

5.4 Sytytysenergia ja polttoaineen lämpöenergian vapautuminen

Polttoaineilmaseoksen sytytysenergian suuruus riippuu polttoaineen

syttyvyysominaisuuksista, seoksen ilmakertoimen suuruudesta:rikas,

stökömetrinen, laiha, seoksen homogeenisuus/epähomogeenisuus,

tilasuureista:paine ja lämpötila. Rikkaalla ja laihalla seoksella

sytytysenergian tarve saattaa olla jopa 3mJ/sytytyskerta.

Stökiömetrisellä seoksella vastaavasti 1 mJ. Kaasunpaineen kasvu,

sytytystulpan ilmavälin suurentaminen lisäävät sytytysenergian tarvetta.

Syttymisvarmuuden saavuttamiseksi sytytysjärjestelmän mitoitetaan siten,

että se kykenee tuottaman kaikissa ajo-olosuhteissa riittävän

sytytysenergian ja kattaa sylinterissä ja sytytysjärjestelmässä

tapahtuvat energiahäviöt. Tyypillisesti ottomoottorissa sytytystulpan

korkeajännite on 25…30 V ja sytytyspuolan energia 60…120mJ. Kuvassa 43 on

esitetty propaani-ilmaseoksen minimisytytysenergia ekvivalenttisen

seossuhteen funktiona seoksen ollessa paikoillaan ja virtausnopeuksilla

6 ja 15 m/s. Rikkaalla, virtaavalla seoksella energian tarve kasvaa

jyrkemmin kuin laihoilla seoksilla.


63

Kuva 43. Propaani-ilmaseoksen minimisytytysenergia ekvivalenttisen

seossuhteen funktiona. Parametreina seoksen virtausnopeudet.

Polttoaineen energian vapautuminen palotilassa

Polttoaineen energian vapautumiseen palotilassa, vaikuttavat lukuisat

tekijät mm. polttoaineen ominaisuudet, palotilajärjestelyt:

Kuva 44. Polttoaineen energian vapautuminen sylinterissä eri tyyppisissä

palotilaratkaisuissa kammenkulman funktiona.

Palotilan muoto, jako: sylinterikansi/mäntä,apukammio,ahtaminen ja

seoksenmuodostus ja sytytystapa, kuva 44. Käyrä 1 esittää lämmön


64

vapautumista ahtamattomassa moottorissa ilmahöyrysteisessä

suoraruiskutuksessa, käyrä 2 seinämähöyrysteinen suoraruiskutus, 3 jaetut

palotilat ja apukammiomenetelmät, käyrä 4 välijäähdytetty turboahdettu

moottori pakokaasupäästöjen suhteen optimoitu ruiskutus.

5.5 Sytytystulppa

Sytytystulpan tehtävänä on sytyttää seos sähkökipinän (SI) ja tämän avulla

seoksen syttymisen. Sytytystulpan merkitys moottorin toiminnan kannalta

on ratkaiseva niin kylmäkäynnistyksessä kuin kuuma-ajossakin.

palotilassa. Sähköenergia (60…120mJ)vapautuu palotilassa

korkeajännitteenä (25…30kV) tulpan elektrodien välillä synnyttäen

Sytytystulpan tulee olla kaasutiivis, eristetty jännitteen ylilyönneiltä,

riittävä lämmönjohtavuus ja riittävän korkea käyttölämpötila

karstanmuodostuksen eliminoimiseksi. Käyttölämpötilan tulee olla

vähintään 500C alhaisilla moottoritehoilla, jolloin on havaittavissa

osittainen karstanmuodostus. Korkealla teholla lämpötila voi olla noin

900C, jolloin on olemassa hehkusytytyksien vaara ja elektrodien

kulumisnopeuden kasvu. Kuvassa 45 on esitetty eri lämpöarvoluokan

sytytystulppien käyttölämpötilan kehittymien eri moottoritehoilla.

Moottorin valmistaja vastaa sytytystulppien testauksista ja luokittelusta

moottorin eri käyttöolosuhteissa.

Sytytystaajuus määritetään yhtälöstä

fz=ni/j (5.5.1)

missä n=moottorin pyörimisnopeus

i=sylinteriluku

j=toimintatapakerroin: j=2 , 4-tahtinen

j=1 , 2-tahtinen

Kuva 45. Sytytystulpan eri lämpöarvoluokkia vastaavat eristinjalkatyypit

ja elektrodin rakennetyypit sekä lämpötila-käyttäytyminen eri tehoilla ja

sytytyskipinävälityypit.

a)ilmakipinäväli

b)ilmaliukukipinä

c)liukukipinäväli


65

6 Kaasunvaihtojärjestelmät

6.1 Sylinterin huuhteluilmasuhde

Polttomoottoreiden kiertoprosessit ovat avoimia sisäisen palamisen

prosesseja, joissa 1)työaine palautetaan prosessin alkupisteseen ja

2)palamiseen tarvittava happi otetaan ympäröivästä ilmatilasta.

Kaasunvaihdon hyvyyttä arvioidaan DIN 1940 normin mukaan, jossa

määritetään moottorin läpivirtaavan ilman huuhteluilmasuhde, huuhteluaste

a.

thm

m

aλ

(6.1.1)

missä

m= työkierron aikana käytetyn ilman kokonaismäärä

mth=iskutilavuuden mukaan teoreettinen ilmamäärä

Täytössuhde määritellään venttiilien sulkeuduttua sylinteriin jääneen

tuoreen täytöksen massan suhteena iskutilavuutta vastaavaan massaan

seuraavasti

th

z

z m

mλ

(6.1.2)

missä

mz= venttiilien sulkeuduttua sylinteriin jääneen uuden,

tuoreen täytöksen massa

mth= teoreettinen ilmamäärä

Venttiilien ristiinmenon aikana osa uudesta täytöksestä virtaa

pakokanavaan ja ei näin ollen ole käytettävissä uudessa täytöksessä.

Tällöin uuden latauksen mittana käytetään määritelmää

m

mλ z

(6.1.3)

Sylinterin huuhteluaste s määritellään tuoreen latauksen ja edellisen työkierron jäännöskaasujen (mex) suhteena seuraavasti

mm

m

sλ

exz

z

(6.1.4)

6.2 Imu- ja pakoventtiilien ajoitusdiagrammit 4- ja 2-tahtisessa

moottorissa

Moottorin työkierto määräytyy toimintaperiaatteen mukaan. 2-

tahtimoottorissa työkierto tapahtuu yhden kampiakselin kierroksen aikana

t=1x2 rad=360KA rad ja 4-tahtisessa moottorissa vastaavasti kahden

kampiakselin kierroksen aikana t=2x2rad=4rad=720KA. 4-tahtimootorin työkierron vaiheet ovat: imutahti, puristustahti, työtahti(paisunta) ja

poistotahti. 2-tahtimoottorissa kaasunvaihto tapahtuu paisuntavaiheen

loppuosassa ja puristustahdin alkuosassa. Poisto- ja imuaukkojen ohjaus


66

tapahtuu männän liikkeen luistiohjauksessa. Kuvassa 46 on esitetty 4-

tahtisen moottorin sylinterikanteen sijoitettujen yläpuolisten(OHV)

venttiilimekanismien imu- ja pakoventtiilien ajoitusdiagrammit,

sytytysajoitus ja työkierron vaiheet. Kuvassa 47 on esitetty 2-tahtisen

moottorin imu- ja pakoaukkojen ajoitusdiagrammi, sytytysajoitus ja

työkierron vaiheet.

Kuva 46. 4-tahtisen moottorin imu- ja pakoventtiilien ajoitusdiagrammi,

sytytysajoitus ja työkierron vaiheet.


67

Kuva 47. 2-tahtisen moottorin imu- ja pakoaukkojen ajoitusdiagrammi,

sytytysajoitus ja työkierron vaiheet.


68

6.3 2-tahtisen moottorin huuhtelumenetelmät

Kaksitahtimoottoreissa mäntäohjattu imu- ja pakoaukkojen kautta tapahtuva

huuhtelu ei tuota sylinteritehovaatimuksiin nähden riittävää tuoreen

seoksen sylinteritäytöstä. Pyrittäessä korkeaan sylinterin

huuhteluasteeseen ja volymetrisen täytösasteen kohottamiseen, käytetään

kehittyneempiä huuhtelumenetelmiä. Tyypillisiä menetelmiä ovat:

poikittaisvirta-, mutka- ja pitkittäishuuhtelu-menetelmiä, kuva 48.

Kuvassa 49 on esitetty kaksitahtisen dieselmoottorin mutkahuuhtelu-

järjestelmän konstruktiiviset ratkaisut ja kuvassa 50 eri

huuhtelumenetelmien huuhteluasteet ja ideaalisia tapauksia I ja II

vastaavat käyrät.

a)Poikittaisvirtahuuhtelun imu- ja pakoaukkojärjestelyt

b)Mutkahuuhtelun imu- ja pakoaukkojärjestelyt.

c)Pitkittäishuuhtelun imuaukko- ja pakokanavien venttiiliratkaisu.

Kuva 48. Kaksitahtimoottoreiden huutelumenetelmät.


69

Kuva 49. Kaksitahtisen dieselmoottorin sylinterin mutkahuuhtelu-

järjestelmä ja konstruktiiviset ratkaisut.

Kuva 50. Kaksitahtimootorin pitkittäis-, mutka- ja poikkittais-huuhtelun

huuhtelusasteet volymetrisen täytössuhteen funktiona.

a=Vg/Vzyl=sylinterin

volymetrinen

hyötysuhde(pmit,Tmit)

Vg=huuhteluilman

täytöstilavuus sylinterissä

Vzyl=sylinterin kok. tilavuus

Pitkittäishuuhtelu

Mutkahuuhtelu

Poikittaishuuhtelu

Uudet pitkittäishuuhdellut koneet

Teoreettinen

maksimiraja


70

6.4 4- ja 2-tahtisen moottorin pV-piirrokset

Kuvassa 51 on esitetty pV-piirroksessa 4-tahtimoottorin a) ja 2-

tahtimoottorin b) työkierron vaiheet imu- ja pakoventtiilien avautumis-

ja sulkeutumista vastaavat pisteet(4-t) sekä imu- ja pakokanavien

sulkeutumista vastaavat pisteet (2-t).

a) b)

Kuva 51. Nelitahtisen ja kaksitahtisen moottorin työkierron pV-

piirrokset.

6.5 Imu- ja pakokanavajärjestelyt

Kuvassa 52 a) on esitetty imu- ja pakokanavajärjestely

harjakattopalotilassa 4-venttiiliratkaisu ja b) sylinterikannessa imu- ja

pakokanavan sijoitus virtaukseen 1) poikittaisvirtahuuhtelu(imu- ja

pakokanava ovat vastakkaisilla puolilla sylinteriin nähden) muodostaen

yhdessä poikittaiskanavavirtauksen. Sovelletaan raskaan ajoneuvokaluston

moottoreissa 2) vastavirtakanaviston(imu-ja pakokanava ovat samalla

puolella), muodostavat vastavirtauksen. Sovelletaan ahdetuissa

moottoreissa.

a) b)

Kuva 52. Vasta- ja poikittaisvirtauskanaviston järjestelyt

sylinterikannessa.


71

6.6 Venttiilien käyttömekanismit

4-tahtimoottoreissa käytetään tyypillisesti sylinterikanteen

sijoitettuja nokka-akselimekanismeja. Venttiilien käyttö tapahtuu

kampiakselin käyttämän hammaspyörä/ketju-mekanismin välityksellä nokka-

akselin pyörittämiseksi ja edelleen nokan seuraajamekanismin

välityksellä. Nokka-akselin seuraajaeliminä käytetään

työntötankoa(nosto-ohjaus), laahain- tai heiluriohjausta, keinuvipu- ja

nostinohjausta, kuva 53. Venttiilit sijoitetaan sylinterikanteen.

Korkeatehoisissa ottomoottoreissa ne on kallistettu pystytasoon nähden,

siten että venttiilien keskilinjat ovat V-kulmassa. Tällöin on

mahdollista suurentaa imu- ja pakoventtiilien (Dv)lautaspinta-alaa ja

vastaavasti kanavien poikkileikkausalaa sylinterin halkaisijan (D)

rajoissa (Dv/D).

Dieselmoottoreissa ja ottomoottoreissa(pienitehoiset moottorit)

venttiilit on sijoitettu yhdensuuntaisesti sylinterin keskilinjaan

nähden. Nokka-akselin seuraajaeliminä käytetään kuppinostinta, keinuvipu-

ja heilurimekanismia. Venttiilien kiihtyvyysarvot määritetään tutkimalla

nokka-akselin profiilin kinemaattiset suureet kuten nousu, nopeus,

kiihtyvyys ja kiihtyvyyden 1.aikaderivaatta. Esimerkiksi tavanomaisella

yläpuolisella nokka-akselilla varustetussa henkilöauton moottorissa

venttiilien kiihtyvyys arvo on n. 6000 m/s2(n.600xg), kun n=6000r/min,

keinuvipu- ja heilurimekanismilla, kuppinostinmekanimilla 7900 m/s2.

Hyötyajoneuvoissa alapuolisella nokka-akselilla venttiilien kiihtyvyys on

n. 2000 m/s2, kun n=200r/min.

a) b) c) d)

työntötanko- laahain tai keinuvipuohjaus nostinohjaus

ohjaus heiluriohjaus

Lyhenteet:OHV=overhead valves, OHC=overhead camshaft, DOHC=Double overhead camshaft

Kuva 53. Sylinterikanteen ja sylinterilohkoon sijoitettujen nokka-

akselien käyttömekanismit.

Kuvassa 54 A) on esitetty muuttuvan nokan profiilin ja nousun

muutoksella, siirtämällä nokka-akselia pituussuunnassa. Tällöin saadaan

huomattava sylinteritäytöksen suureneminen moottorin

pyörimisnopeusalueella ja vastaava vääntömomentin kasvu. Alakuvassa vas.

Kuvassa 54 B) on esitetty venttiilien ajoitusmekanismi(Valvetronic),

jossa on muuttuva nokan profiili ja nousu moottorin eri kuormitusasteille.


72

A)

B)

Kuva 54. Portaaton venttiilien ajoitus nokan profiilia ja nousua

muuttamalla yhdistettynä nokka-akselin pitkittäisliikkeen avulla.

Kuvassa 55 on esitetty nokka-akselin kiertoliikemekanismilla toteutettu

muuttuva venttiilien ajoitus. Kuvassa 56 on esitetty a) Imuventtiilin

ajoitus muutetaan nokka-akselin kiertoliikkeellä aikaisemmaksi tai

myöhäisemmäksi hydraulisen toimilaitteen avulla. Tyhjäkäynnillä ja

korkeilla kierroksilla ajoitus siirretään myöhäiselle, jolloin

tyhjäkäynnillä imu- ja pakoventtiilien samanaikainen

aukioloaika(overlap)on pieni männän ollessa AKK:ssa tasoittaen moottorin

käyntiä. Korkeilla kierroksilla sylinteritäytös on parempi suurentaen

sylinteritehoa ja moottorin maksimitehoa. Matalalla- ja

keskikierroslukualueella imuventtiilin ajoitusta aikaistetaan, jolloin

sylinteritäytös kasvaa. Kuvassa 55 b) Venttiilien muuttuvan ajoituksen

toteutus nokan muotoa vaihtamalla imu- ja pakoventtiilien ajoituksessa.

Nokan perusprofiili (1) optimoi aukioloajat ja nousut matalalla ja

keskikierroslukualueella. Toinen nokan perusprofiili(2) tuottaa suuremmat


73

nousut ja pidemmät aukioloajat korkeilla kierroksilla. Toisen nokan

kytkentä tapahtuu nokan kierrosluvun perusteella siten, että

vakiokeinuvivun toiminta ohitetaan ns. vapaasti heilahtelevalla

keinuvivulla.

a) b)

Kuva 55. Venttiilien ajoitus nokka-akselin kiertoliikemekanismilla a) ja

nokan muodon vaihtalla heilahdusvipumekanismilla.

6.7 Nokka-akselin käyttömekanismit

Nokka-akselin käyttö tapahtuu hammaspyörä-hammasketjumekanismeilla.

Ketjujen ja hammaspyörien materiaaleina käytetään terästä ja

keinomateriaaleja, kuva 56.

Kuva 56. Nokka-akselien hammaspyörä-ketjukäyttömekanismi ja eri

ketjutyyppien kuormakollektiivi-kuvaajat.


74

Ketjun ja hammaspyörien toiminta ja värähtelyt vaimennetaan

ohjainmekanismeilla moottorin pyörimisnopeusalueella. Kuvassa 57 on

esitetty eri tyyppisten ketjumekanismien ominaismassa ja jäykkyys.

Kuva 57. Hammaspyörä-ketjumekanismien ja elimien ominaismassa ja

jäykkyys.

Kuvassa 58 A) on esitetty eri hammasratastyyppejä a) sintrattu

kampiakselin hammaspyörä, b)hienomeistetty ketjupyörä c)

tiivistyspinnalla(kaulus) varustettu hammaspyörä d)kaksirivinen

hammaspyörä. Kuvassa 58 B) on esitetty eri ketjurakennetyyppejä a)

rullaketju b) hylsyketju hammasketjurakenne c).


75

A)

B)

Kuva 58. A)Nokka-akselin ja kampiakselin hammaspyörärakenteet, B) nokka-

akselin käytön ketjurakenteet.


76

7 Polttomoottorin ahtaminen

Ahtamisen tavoitteena on suurentaa moottorin sylinteritehoa ja

maksimitehoa sekä pienentää polttoaineen ominaiskulutusta ja

pakokaasupäästöjä. Palamisilmamäärän suurentaminen mahdollistaa tietyin

edellytyksin suurentaa sylinterissä poltettavan polttoaineen massavirtaa

ja saada aikaan täydellisempi palaminen kuin ahtamattomassa moottorissa,

jolloin edellä mainitut tavoitteet on saavutettavissa. Ahdetuissa

moottoreissa joudutaan tinkimään huomattavasti ahtamattoman moottorin

puristussuhteen arvoista pienempiin arvoihin mekaanisten ja termisten

kuormitusten hallitsemiseksi. Puristussuhteen alentaminen pienentää

moottorin työkierron lämpöhyötysuhdetta. Tästä huolimatta ahdettujen

moottoreiden kokonaishyötysuhteen arvot ovat korkeammat kuin

ahtamattomien.

7.1 Imukanavan resonanssitaajuus

Imukanavien tehtävänä on kuljettaa palamisilma moottoriin eri kuormitus-

ja sääolosuhteissa. Kylmässä ilmastossa imukanava esilämmitetään

ilmansuodattimeen etupuolella järjestetyn pakokaasulämmityksen avulla.

Imuilman lämpötila pidetään vakiona säätimen avulla. Suodattimen

tehtävänä on puhdistaa palamisilma haitallisista epäpuhtauksista ja

toimia imuäänen vaimentajana. Henkilöauton moottoreissa tyypillisiä

suodattimia ovat kuivat paperisuodattimet ja paperi-öljykylpysuodattimet.

Kuorma-autoissa käytetään edellä mainittujen lisäksi sykloneja. Suodatin

sovitetaan moottorin koko kuormitusalueelle.

Imuäänen vaimentimen resonanssitaajuus fR määritetään yhtälöstä

VL

A

2

cfR

(7.1.1)

missä

c=äänen nopeus ilmassa c330m/s L=imuputken pituus (m)

A= imukanavan keskimääräinen poikkileikkausala(m2)

V=suodattimen tilavuus (m3)

Imuputken resonanssitaajuus fR tulee olla riittävän turvavälin

etäisyydellä moottorin kierroslukualueen tai pyörimistaajuuden

ulkopuolella.

Otto- ja dieselmoottoreissa imukanavat ovat tyypillisesti

horisontaalikanavia ja GDI- moottoreissa vertikaalikanavia.

Sylinteritäytöksen suurentaminen tapahtuu imukanavien

virtausdynaamisella mallinnuksella, ilmapatsaan värähtelytaajuuden ja

kanavaparametrien optimoinnilla. Tyypillisiä ns. viritettyjä

kanavaratkaisuja ovat: imuaalto-ahtaminen, resonassiahtaminen,

vaiheistetut imukanavat, mekaaninen ahtaminen ja pakokaasuahtaminen.

7.2 Ahtamismenetelmät


77

Imuaalto-ahtamisessa jokaisella sylinterillä on sovitettu imuputki

yhdistettynä kokoojaputkeen. Männän imutyö siirtyy kaasupatsaan liike-

energiaksi imutahdin aikana ja uuden täytöksen puritustyöksi.

Resonanssiahtamisessa tasaisin sytytysvälein toimivat sylinterit

yhdistetään lyhyin putkin resonanssisäiliöihin, jotka on yhdistetty

yhteiseen kokoojasäiliöön ja ulkoilmaan(Helmholz-resonaattori), kuva 59.

Vaiheistetussa imukanava-menetelmässä imukanaviston pituudet ovat

säädettäviä. Matalalla kierroslukualueella imuputkisto resonoi

resonanssikammoin kanssa. Korkealla kierroslukualueella imukanava

resonoi toisen resonaattorikammion kanssa. Imukanavien säädössä käytetään

usein ohjattuja läppämekanismeja, kuva 60.

Mekaanisessa ahtamisessa imuilman ahdin saa käyttöenergian

kampiakselilta. Käytön välityssuhde on kiinteä tai säädettävä, kuva 61

a). Ahtimen kytkentä tapahtuu mekaanisilla tai sähkömagneettisilla

kytkimillä. Kuristamattomassa 4-tahtidieselmoottorissa ahdin tuottaa

painehuippuja edustavan tilavuusvirran sylinteriin. Ahtimien

tilavuusvirta riippuu lineaarisesti moottorin kierrosluvusta. Tyypillisä

ahtimia ovat: mäntä-, siipirengas- ja Roots’in sekä muuttuvan

virtausgeometrian omaavat ahtimet, kuva 61 b). Haittana energian kulutus

ja täten polttoaineen kulutuksen kasvu. Etuina hyvä reagointi

kuormitusmuutoksiin pienin viivein. Differentiaali-välityksellä voidaan

parantaa moottorin sitkeys-ominaisuuksia.

Paineaaltoahtaminen perustuu pakokaasun ja ahtoilman energian vaihtoon

äänennopeudella erityisesti alhaisella pyörimisnopeusalueella. Haittana:

Rajoitettu sovitus moottoreihin, suuret pakokaasu- ja huuhteluilmamäärät,

korkea melutaso, virtausvastusten muutos pienentää ahtoastetta

matalapainekanavissa, kuva 62.

Pakokaasuahtamisessa energia saadaan pakokaasun liike- ja

lämpöenergiasta, joka muutetaan turbiinissa kompressorin

puristusenergiaksi ts. palamisilman ahtamistyöksi. Pakokaasuahtamisen

etuja ovat: moottorin tilavuustehon kasvu, edullinen

vääntömomenttikuvaaja koko pyörimisnopeusalueella, polttoaineen

ominaiskulutuksen ja pakokaasupäästöjen aleneminen. Haittoja puolestaan

ovat: kuumakestävien materiaalien käyttö, ahtimen ja välijäähdyttimen

tilan tarpeet, huono vääntömomenttitaso alhaisilla pyörimisnopeuksilla,

dieselmoottorissa käynnistysongelmat, hidas reagointi

kuormitusmuutoksiin ja usein liian pitkät toimintaviiveet ahtimen

sovituksesta riippuen, kuvat 63 ja 64. Kuvassa 65 on esitetty

kaksiportaisen ahtamisen periaatekytkentä matalapaine- ja

korkeapaineosaan sekä pakokaasun ohivirtaussäätö.


78

a) b)

Kuva 59. Resonanssiahtimessa a)sylinterit on yhdistetty kokoojaputkeen.

Resonanssiahtamisessa matalakierrosalueella sylinteritäytös on

huomattavasti suurempi b) kuin normaali-imukanavalla varustettuna.

¨

Kuva 60. Virtausdynaaminen ahdin, jossa imukanavan pituus säädetään

läppäventtiileillä. Ahtamisefekti saadaan aikaan imukanaviston

virtausgeometrisella muotoilulla ja kanavapituuksia säätämällä.


79

a) b)

Kuva 61. Mekaanisen ahtimen kytkentä moottorin kampiakselille

planeettavaihteen ja portaattoman hihnavälityksen avulla a), kuvassa b)

on esitetty turbiinipesän muuttuva virtausgeometria säädettävillä

virtauslevyillä.

Kuva 62. Paineaaltoahtimen rakenne (vas.) ja virtausdiagrammi roottorin

siipisolissa (oik.).


80

Kuva 63. Turboahtimen kytkentä moottorin imu- ja

pakokaasujärjestelmään sekä mekaaninen ahtopaineen wastegate-

säätöjärjestelmä.

Kuva 64. Kuorma-auton moottorin kahdella turbiinipesällä varustettu

turboahdin.


81

Kuva 65. Kaksiportaisen ahtamisen periaatekytkentä matalapaine- ja

korkeapaineosaan sekä pakokaasun ohivirtaussäätö.


82

8 Dieselmoottoreiden palotilat

8.1 Palotilatyypit

Dieselmoottoreissa käytetään apukammiot ja pyörrekammiota

palamistapahtuman käynnistämisessä, josta palaminen jatkuu sen jälkeen

pääpalotilassa. Edellä mainittuja sovelletaan lähinnä henkilöautojen

dieselmoottoreissa, hyvän käynnistyvyyden ja alhaisen melutason vuoksi.

Suoraruiskutuspalotilaa ja MAN-palotilaa käytetään pääasiassa

hyötyajoneuvojen ja työkoneiden moottoreissa, kuva 66. MAN-

palotilaratkaisussa palotila on sijoitettu mäntään hyvän pyörteisyyden ja

palamisen aikaansaamiseksi.

Kuva 66. Dieselmoottoreiden palotilatyypit: etukammio, pyörrekammio,

suoraruiskutuspalotila osittain männässä ja MAN-palotila.

Palamispaineen kehitys ja maksimiarvo riippuvat mm. palotilan muodosta,

palotilan pinta-ala tilavuussuhteesta, palotilan tilavuuden jakosuhteesta

sylinterikanteen ja mäntään(jaetut ja jakamattomat palotilat).

Suoraruiskutuspalotilassa palamispaine kasvaa jyrkimmin ja saavuttaa

terävän painemaksimin, pienellä kammenkulma-alueella (

yläkuolokohdan jälkeen, jolloin painegradientti(dp/d) on huomattavan suuri verrattuna palamisen alkuvaiheeseen. Etukammiolla ja

pyörrekammiolla varustetuissa palotiloissa palamispaineen maksimi on

huomattavasti pienempi ja esiintyy laajemmalla kammenkulma-alueella, kuva

67.


83

Kuva 67.

Suoraruiskutuspalotilan, etukammiolla ja pyörrekammiolla varustettujen

palotilojen palamispaineen kehitys kammenkulman funktiona.

8.2 Polttoaineen ruiskutussuuttimet

Dieselpolttoaineen ruiskutus puristettuun, korkeapaineiseen ilmaan

tapahtuu ruiskutussuuttimen avulla. Ruiskutuspaine saattaa korkeimmillaan

olla jopa 2000 bar esimerkiksi pumppusuutin järjestelmässä. Suuttimen

virtauskanavien pituus, poikkileikkausala, ruiskun suunta ja

virtausreikien muoto vaikuttavat olennaisesti polttoaineen jakautumiseen

sylinterissä ja näin ollen vaikuttaa myös sylinteritehoon, polttoaineen

kulutukseen ja päästöjen muodostumiseen. Ruiskutustapahtuman pituus on n.

1 ms tai vähemmän. Ruiskutussuutin altistuu palamiskaasujen korkeille

lämpö- ja painekuormituksille, mikä tulee ottaa huomioon suuttimen

materiaalinvalinnassa. Tyypillisiä ruiskutussuuttimia ovat: reikäsuutin,

kuristintappisuutin ja pyörrekammiolla varustetuissa moottoreissa

(jaettu palotila) erityisesti kuristintappisuutin, kuva 68. Sisäänpäin

avautuva suutinneula muodostaa suuttimen akselin suuntaisen suihkun.

Virtauspoikkipinta-ala ja täten myös virtausmäärä on verrannollinen

suutinneulan nousuun. Määrättyyn nousuun saakka kuristintappi säätää

virtauksen poikkileikkausalaa ja kuristintapin poistuessa muodostuu

rengasmainen virtausala, jolloin polttoaineen massavirta huomattavasti

kasvaa. Kuristintapin virtaussäädöllä on suotuisa vaikutus palamismelun

alentamiseen.


84

Kuva 68. Reikäsuutin (vas) ja kuristintappisuutin (oik) sekä suuttimien

tyypilliset muodot.

Suuttimien neulan kärkiontelon muoto ja reijitys vaikuttavat sylinteriin

vuotavan polttoaineen hiilivetyemissioiden muodostukseen. Pienin HC-

emissio muodostuu neulan vastepintaan reijitetyllä suuttimella.

Kartiomaisen ja sylinterimäisen suuttimen neulan suuri ontelotilavuus

aiheuttaa korkeat HC-emissiot, kuva 69.


85

Kuva 69. Suutinneulan kärkiontelotilavuuden ja kanava- ja

reikäparametrien vaikutus HC-emissioiden muodostumiseen.

Ruiskutushetken aloitus optimihetkeen nähden saa aikaan liian aikaisessa

ruiskutuksessa korkeat NOx-emissiot ja myöhäisessä ruiskutuksessa korkeat

HC-emissiot. Ruiskutuksen aloittaminen optimikohdassa verraten kapealla

kammenkulman alueella alentaa NOx-ja HC-emissiot minimiin, kuva 70.


86

Kuva 70. Ruiskutuksen aloitushetken vaikutus NOx- ja HC-emissioiden

muodostumiseen.

Pumppusuutin järjestelmää käytetään suoraruiskutusdieselmoottoreissa

henkilö- ja kuorma-autoissa. Pumppusuutin on yksisylinterinen

elektronisella ohjauksella ja magneettiventtiilillä varustettu sylinterin

kanteen asennettu ruiskutuspumppu. Ruiskutuspumppua käytetään nokka-

akselimekanismilla. Polttoaine pumpataan matalapainepiiristä

korkeapainetilaan, jossa ruiskutuspaine nostetaan 180..200MPa.

Järjestelmän hydraulinen joustavuus on verraten pieni. Adaptiivisen

sylinterikohtaisen ruiskutusmääräsäädön avulla on mahdollista tasata

moottorin pyörimisnopeusvaihtelut moottorin koko pyörimisnopeus-

alueella, kuva 71.

Kuva 71. Elektronisesti ohjattu, magneettiventtiilillä varustettu

pumppusuutinjärjestelmä.

Pumppusuutinjärjestelmä on yksikköpumppujärjestelmä, jossa jokaisella

sylinterillä on oma korkeapainepumppu suuttimella ja magneettiventiilillä

varustettuna. Sovellukset ovat henkilöautojen

suoraruiskutusdieselmoottoreissa. Pumppusuuttimen ruiskutuspaine on

verraten korkea, noin 2000 bar. Palamismelun alentaminen on toteutettu

polttoaineen esiruiskutusvaiheella ennen pääruiskutusta, kuva 72. Kuvassa

73 on esitetty yhteispaineruiskutusjärjestelmä. Se on verraten laajasti

käytetty henkilö- ja pakettiautojen suoraruiskutusdiesel-moottoreissa.

Ruiskutuspaine on 1350-1400bar. Ruiskutuspaine valitaan säätökäyrästöltä


87

moottorin kuormitustilan mukaan. Ruiskutustapahtuma on jaettu useaan

osaan palamismelun ja pakokaasupäästöjen vähentämiseksi.

Kuva 72. Pumppuputkisuutinjärjestelmän rakenne.

Kuva 73. Yhteispaineruiskutusjärjestelmän(CDI) rakenne.


88

9 Moottoreiden tehon määritysstandardit

Kansainvälisen kaupan edistämiseksi on ollut tarpeen kehittää yhteisiä

standardeja. Moottoreiden tehomääritys suoritetaan niiden

käyttövaatimusten mukaan laadittujen kansainvälisten standardien

perusteella. Moottorin teho ja vääntömomentti ilmoitetaan

pyörimisnopeuden funktiona ominaispiirroksessa sekä

maksimivääntömomentin ja maksimitehon tehon arvot. Usein

ominaispiirrokseen lisätään polttoaineen omianiskuvaaja. Moottorin teho

ja pyörimisnopeus riippuvat moottorin käyttötarkoituksesta ts.

sovellusympäristöstä. Moottorin mitoituksessa usein tehoa rajoittavia

tekijöitä ovat: terminen a mekaaninen kuormitus, kaasumaiset ja kiinteät

päästöt, dieselmoottoreilla erityisesti parikkelit ja savutusraja.

Laivamoottoreissa teho ilmoitetaan jatkuvana tehona

nimellispyörimisnopeudella(maximum continuos rating, m.c.r.).

Lisävaatimuksena on 0%:n ylikuormituskyky yhden tunnin jaksona 12n tunnin

käyttöjaksossa. Moottorin valmistaja esittää myös useita tehoja

taloudellisen polttoaineen kulutuksen kannalta. Tällöin akseliteho ja

pyörimisnopeus ovat alhaisemmat kuin jatkuvan tehon määrittelyssä.

Moottorin tilaaja voi halutessaan painottaa moottorin mitoitusperustaksi

edullista polttoianeen kulutusta ja alhaisia pakokaasuemissioita.

Laivamoottorit kytketään potkuriin joko suoraan tai alennusvaihteen

välityksellä. Kiinteäsiipisen potkurin ottama teho on verrannollinen

pyörimisnopeuden kuutioon. Esimerkiksi 10%:n ylikuormitusta vastaava

potkurin pyörimisnopeus kasvaa 3,2%.

Voimalaitosten ja laivojen apukoneita käytetään sähköenergian tuotantoon,

jolloin tehot ilmoitetaan vaihtovirtaverkon taajuuksilla 50 Hz ja 60 Hz.

Käytettävän generaattorin napapariluku määrää moottorin

pyörimisnopeustason(vakio kaikilla kuormituksilla).

Moottoreiden tehon määritysstandardit on määritelty sovellusalueittain

seuraavasti: Auton moottorit: ISO 2534/1974, ISO 1585/1982,

Otto- ja dieselmoottorit: SAE J1995/1990, SAE J1349/1990,

Moottoriajoneuvojen moottorit: DIN 70020/1976, Moottoriajoneuvojen

dieselmoottorit: BS Au 141a/1972. Paikallis-, rautatie- ja merimoottorit:

ISO 3046/1/1986, DIN ISO 3046/1/1991 ja BS 5514/1987, (British Standard

Institution) .

Moottorin valmistajia edustava järjestö CIMAC(Congress International des

Machines a Combustion) on laatinut omat suositukset teollisuus-, veturi-

ja meridieselmoottoreille ns. CIMAC-suositukset vuosina

1961(ahtamattomat moottorit) ja 1971(ahdetut moottorit). Edellä mainitun

lisäksi järjestön tehtävänä on edistää mäntämoottoreiden ja

kaasuturbiinien tuotekehitystä ja tutkimusta sekä järjestää

kansainvälisiä konferensseja. CIMAC-suositukset määrittelevät

ahtamattomille dieselmoottoreille tehot: akseliteho, nettoteho jatkuva

ylikuormitettavissa oleva teho tai jatkuva ylikuormitettavissa oleva

teho, ylikuormitusteho ja rajoitettu ylikuormittamaton teho.

Koeolosuhteet: Ilman paine 736 mmHg(98,12kPa), ilman lämpötila 20C ja ilman suhteellinen kosteus 60% tai vaihtoehtoisesti Ilman paine 760

mmHg(101,3kPa), ilman lämpötila 30C ja ilman suhteellinen kosteus 50% Tehon korjauskertoimet määritetään DIN 6270-standardin mukaan.

Ahdetuille moottoreille CIMAC-suositus ei määritä edellä mainittuja tehon

käsitteitä erikseen. Koeolosuhteet: Ilmanpaine 1 bar(100kPa) ja ilman


89

lämpötila 300K(27C). Tehon korjauskerroin määritetään ISO 3046/1-

standardin mukaan.

ISO 2534 koskee autojen otto- ja dieselmoottoreita. Bruttoteho(engl.

Gross Pover, saks. Bruttoleistung) on moottorin valmistajan ilmoittamalla

pyörimisnopeudella kampiakselilta saatava teho varustettuna

vakiotuotannon mukaisilla lisälaitteilla. Lisälaitteisiin luetaan

seuraavat: Palamisilman imujärjestelmä; imuputkisto,

ilmansuodatin(vapaaehtoisesti), imuilman lämmitin, imuäänen

vaimennusjärjestelmä, kampikammoin emissioiden säätelyjärjestelmä,

Pakokaasulaitteisto: pakokaasuputkisto, jakoputkistot,

pakokaasupuhdistin (vapaaehtoisesti), äänen vaimennin,

Polttoainejärjestelmä: polttoaineen siirtopumppu, kaasutin,

ruiskutuslaitteet. Jäähdytysjärjestelmä: vesipumppu, tuuletin,

termostaatti (auki kytkettynä), ahdin ahtoilman jäähdytyin ja

ilmajäähdytyksen laitteet. Sähkölaitteet vakiotuotannon mukaan.

Koeolosuhteet: Imuilman paine 100kPa ja lämpötila 25C. Silloin, kun

koeolosuhteissa imuilman paine ja lämpötila eivät ole standardin

mukaisia, korjataan mitattu teho vertailuolosuhteita vastaavaksi ns.

korjauskertoimella e(normaalisti hengitttävät ja ahdetut ottomoottorit

s. 455, Bosch, Autoteknillinen taskukirja. 6. painos. Gummerus 2003.

Korjattu teho on tällöin Po=eP(kW), P on mitattu teho.

ISO 1585 –standardi koskee automoottoreiden (otto- ja dieselmoottorit)

nettotehoa(engl. Net Power, saks. Nettoleistung). Nettoteho on moottorin

valmistajan ilmoittamalla pyörimisnopeudella kampiakselilta saatava

teho, kun moottori on varustettu sen käyttötarkoituksen mukaan

välttämättömillä vakotuotannon mukaisilla lisälaitteilla.

Lisälaitteisiin luetaan seuraavat: Palamisilman imujärjestelmä;

imuputkisto, ja pyörimisnopeuden rajoitin. Pakokaasulaitteisto:

pakokaasuputkisto, jakoputkistot, pakokaasupuhdistin, äänen vaimennin ja

pakokaasujarru(lukitaan aukiasentoon). Jäähdytysjärjestelmä: jäähdytin,

tuuletin, tuulettimen kotelo(teho ilmoitetaan myös ilman tuuletinta),

ahtoilman jäähdyttimen säätöelin ja ilmajäähdytyksen lämpötilan

säätöelin. Ilmastolliset vertailuolosuhteet ja korjauskertoimien

määritys kuten ISO2534:ssä.

ISO 3046/1-standari koskee paikallis-, rautatie- ja merimoottoreita.

Kaikki ne laitteet ja laitejärjestelmät ,jotka ovat välttämättömiä

moottorin jatkuvassa tai toistuvassa käytössä, luetaan moottoriin

rakenneosiksi. Esimerkiksi turboahdin, polttoainepumppu. Lisälaitteet on

määritelty erillisiin luokkiin:

- Akselitehoon vaikuttava moottoriin liitetty

lisälaite.(jatkuva tai toistuva käyttö)

- Lisälaite, joka saa käyttövoimansa muualta kuin

moottorista.

- Lisälaite, joka ei ole välttämätön(jatkuva tai toistuva

käyttö)

Akselitehoa ilmoitettaessa lisälaitteet ilmoitetaan lisälaiteluokkien

mukaan. A= moottoriin liitetyt välttämättömät lisälaitteet, B=

Välttämättömät lisälaitteet, jotka saavat käyttövoimansa muualta, C= Ei

välttämättömät lisälaitteet, jotka saavat käyttövoimansa moottorista. A

–luokkaan luetaan mm. seuraavat: voiteluöljypumppu, jäähdytysvesipumppu,

raakavesipumppu, polttoaineen syöttöpumppu ja huuhteluilmapuhallin. B-


90

luokkaan luetaan esim. erillisillä käytöillä varustetut laitteet kuten

voiteluöljypumppu, jäähdytysvesipumppu, raakavesipumppu, polttoaineen

syöttöpumppu ja huuhteluilmapuhallin. C-luokkaan kuuluvat esimerkiksi

käynnistysilmakompressori, generaattori ja paineilmakompressori.

Indikoituteho ja akseliteho määritellään seuraavasti: Indikoitu teho

(engl. indicated power) on työsylinterin palotilassa palamiskaasujen

kehittämä kokonaisteho. Akseliteho (engl. brake pover) on kampiakselilta

tai –akseleilta mitattu teho tai tehojen summa.

Nettoakseliteho(engl. net brake power) on akseliteho, kun mittauksessa on

moottoriin kytkettynä välttämättömät lisälaitteet.

Jatkuva teho (engl. continuous power) on teho, jonka moottori kykenee

tuottamaan jatkuvasti huolto-ohjelman mukaan määrätyllä

pyörimisnopeudella ja määrätyissä ulkoisissa olosuhteissa, kuva 74.

Ylikuormitusteho (engl. overload power) tarkoittaa tehoa, joka voidaan

tuottaa määrätyissä ulkoisissa olosuhteissa välittömästi jatkuvalla

teholla kuormittamisen jälkeen. Käyttöaika riippuu moottorin

käyttösovelluksesta. Tyypillinen ylikuormitusarvo on 10% suurempi kuin

jatkuva teho. Lisäksi standardi määrittelee ylikuormittamattoman tehon(

engl. fuel stop power), jonka moottori kykenee tuottamaan määrätyn

käyttöajan kuluessa määrätyissä olosuhteissa, kun polttoaineen syöttö on

rajoitettu siten, että ylikuormittamatonta tehoa ei ole mahdollista

ylittää.

Käyttöteho (engl. service power) on teho, jonka moottori tuottaa

sovelluskäytössä määrätyissä ulkoisissa olosuhteissa.

Koeolosuhteet: Ilmanpaine 100kPa, ilman lämpötila 298 K(25C), ilman

suhteellinen kosteus 30% ja ahtoilmaa jäähdyttävän väliaineen lämpötila

298 K(25C).

Nettoakseliteho korjataan korjauskertoimella moottorityyppien

mukaisesti samoin polttoaineen ominaiskulutusarvot kertoimella ko.

standardissa esitettyjen laskentakaavojen mukaisesti.


91

Kuva 74. Laivamoottorin teho pyörimisnopeuden funktiona. 1 =jatkuvan käytön alue, 2=lyhytaikaisen käytön alue , 3= lyhytaikaisen käytön alue ylikuormitettuna alueet1-

2-3. Jatkuvan tehon alueena sovelletaan alueita 1-2. ISO 3046/1: Reciprocating internal

combustion engines-Performance-Part 1.

Todettakoon, että englantilainen standardi BS 5514/1987 Part 1 vastaa ISO

3046/1/1991-standardia.

DIN 70020-standardissa bruttotehon määritys vastaa ISO 2534-standardia ja

nettotehon osalta ISO 1585-standardia. Termostaattiohjatun tuulettimen

ollessa käytössä ilmoitetaan joko kytkettynä tai vapaana sensijaan ISO-

standardissa erikseen kytkettynä ja erikseen vapaana. Ilmastolliset

koeolosuhteet ja tehon korjauskertoimet määritetään kuten ISO-

standardeissa.

Overload power

Nominal propeller

Power 3 curve

Continuous power

2 1

Speed


92

10 Mäntämoottorin kampiakseliteho ja tehollisen keskipaineen menetelmä

10.1 Kaasunpaineen tehollissuureet

Mäntämoottorin kampiakselilta saatava teho määritetään ns. tehollisen

keskipaineen menetelmällä. Sylinterissä palamiskaasun painevoiman Fk

suorittama työ dWk=FkdS välittyy männän vertikaalisen liikkeen

vaikutuksesta kiertokanki-kampiakselimekanismiin ja edelleen

vauhtipyörälle mekaaniseksi energiaksi. Tehollisen keskipaineen

menetelmässä palamiskaasun paine (p) jaetaan tasaisesti iskunpituuden

matkalle(S) indikoiduksi, teholliseksi ja häviökeskipaineeksi. Indikoitu

työ Wi on palamiskaasun luovuttama työ sylinterissä painetason ollessa

indikoitu keskipaine pi iskunpituuden matkalla S. Vastaavasti tehollinen

työ We on kampiakselilta saatava työ tehollisella keskipaineella pe.

Häviöenergia Wl kuluu kitkahäviöihin, kaasunvaihto-häviöihin ja

apulaitteiden käyttöön. Kuvassa 75 on esitetty tehollisen keskipaineen

menetelmä.

Kuva 75. Mäntämoottorin tehollisen keskipaineen tehollisssuureet.

Tehollinen keskipaine on eräs mäntämoottoreiden ominaisarvo, jonka

suuruus riippuu mm. moottorin toimintatavasta, seoksenmuodostus- ja

sytytysmenetelmästä, moottorin kaasunvaihto- ja ahtamisjärjestelmästä,

pyörimisnopeudesta sekä moottorin käyttötarkoituksesta. Palamispaine-

Fk p

TDC(YKK)

pe

S()

p dS S pe

p

D

BTC(AKK) TDC

L

Fkpalamiskaasun painevoima

pe=tehollinen keskipaine

D=sylinteriporauksen halkaisija

r S=iskunpituus, S=2r

r=kammensäde, kampi L=kiertokangen pituus =kampikulma, kampiakselin kiertokulma)

=kiertokangen heiluntakulma

S()=männän kulkema matka kampikulman funktiona


93

gradientti(dp/d) on palamisprosessin ohjauksen keskeinen tekijä, jolle on olemassa moottorityypille ja rakenteelle ominainen raja-arvo

(kPa/ºKK).

Tehollisen keskipaineen yhtälö johdetaan tehollisen keskipaineen tekemän

työn periaatteella. Otaksutaan sylinterissä vallitsevan ideaalinen

palamispaine ns. indikoitukeskipaine pi, jolloin indikoitu työ

sylinterissä on

dVpAdSpdW iii (10.1.1)

ja vastaavasti integraalifunktion muodossa

pdVWi

(10.1.2)

Indikoidun keskipaineen mukaan indikoitu työ sylinterissä on

iiiiVpASpW (10.1.3)

Kuvassa 76 on esitetty kaasunpainetyön komponentit sylinterissä pV-

piirroksessa.

Kuva 76. Kaasunpainetyön indikoitu, tehollinen ja häviötyö sylinterin

iskutilavuuden funktiona.

Yhtälössä (10.1.3) iskutilavuus Vi on

s

32

i4k

DS

4

DV

(10.1.4)

missä ks on iskusuhde ja määritellään D

Sks (10.1.5)

Iskusuhde on moottorityypille ominainen vakio ja ilmoitetaan

taulukkoarvona.

Indikoitu teho Pisyl saadaan jakamalla se työkierron kampiakselikulmaa cycle

vastaavalla kestoajalla t. Työkierron aikajakso t saadaan yhtälöstä

p

pi

pe

ph

0 Vi V

Wi=piVi

We=peVi

Wl=plVi


94

n

j

n2

j2

ω

θt

cycle

(10.1.6)

missä n

=kampiakselin kulmanopeus(rad/s) n=moottorin kierrosluku, pyörimisnopeus (r/s, rpm)

j=moottorin toimintatapakerroin

j= 1; 2-tahtinen

= 2; 4-tahtinen

Indikoidun keskipaineen mukaan sylinterin kampiakseliteho on

jdt

dsyl

nS

4

Dp

t

S

4

Dp

dt

dS

4

Dp

WP

2

i

2

i

2

i

i

i

(10.1.7)

ja moottorin indikoitu teho sylinteriluvun ollessa i on

j

np

j

np

j

nS

4

DpP ii

2

ii si ViVi

(10.1.8)

missä Vs on moottorin kokonaisiskutilavuus

is

iVV (10.1.9)

Mäntä-kampimekanismin kitka- ja kaasunvaihtotyö sekä apulaitteiden

vaatima energia tuotetaan ns. häviökeskipaineen pl avulla iskunpituuden

matkalla (S), jolloin

Wl=plAS=plVi (10.1.10)

Vastaavasti moottorin häviöteholle saadaan yhtälö

j

npPll sV (10.1.11)

Tehollisen keskipaineen tekemä työ on

S4

DpVpASpW

2

eieeesyl

(10.1.12)

, jolloin moottorin teho kampiakselilla tehollisen keskipaineen pe mukaan

on

j

np

j

nS

4

DpP

e

2

ee sVi

(10.1.13)

10.2 Sylinterin energia- ja painetase sekä mekaaninen hyötysuhde

Moottorin energiataseen mukaan on voimassa yhtälö


95

T

KR=tan

0 pe

ilieii

lei

VpVpVp

WWW

(10.2.1)

jolloin indikoitu keskipaine on

leippp (10.2.2)

ja häviökeskipaine vastaavasti

eilppp (10.2.3)

Moottorin mekaaninen hyötysuhde m voimaan määrittää energiataseesta

i

e

i

h

i

e

mp

p

W

W

W

Wη 1

(10.2.4)

Moottorin mekaaninen hyötysuhde on moottorityypille ominainen vakio.

Mekaaninen hyötysuhde ja painetaseet voidaan määrittää myös moottorin

tehotaseesta. Moottorin tehotase on

leiPPP (10.2.5)

jolloin kampiakselitehon yhtälö on

liePPP (10.2.6)

10.3 Moottorin vääntömomentti ja tehollinen keskipaine

Tehollisen keskipaineen mukaan kampiakseliteho ja vääntömomentin välillä

on seuraava yhteys

e

e

2

ee

p8j

DSiT

nT2ωTij

nS

4

DpP

(10.3.1)

Yhtälöstä (1.21) havaitaan, että moottorin vääntömomentti on muotoa

eRpkT (10.3.2)

missä

kR on moottorin rakennevakio 8j

DSiRk (10.3.3)

,kuva 77.

Kuva 77. Vääntömomentti tehollisen keskipaineen funktiona.

10.4 Ilmakerroinmenetelmä

10.4.1 Sylinterin volymetrinen hyötysuhde


96

Ilmakerroinmenetelmä perustuu sylinterin palamiseen tarvittavan ilman

massan määrittämiseen puristustahdin alussa. Toisaalta voidaan

määrittelyssä käyttää myös vastaavia seoksen suureita. Ilman tilasuureet

ovat: moottorin imukanavan imuaukossa(po, To,Vo ) ja sylinterissä

puristustahdin alussa (p1, T1,V1), kuva 78. Sylinterin täytöstä kuvaa ns.

volymetrinen hyötysuhde v. Volymetrinen hyötysuhde määritellään

imuventtiilin,(…en) (4-t) tai virtausaukkojen sulkeutuessa(2-t) ilman tai

seoksen tiheyksien suhteena

o

1

vρ

ρη (10.4.1)

missä

o= ilman tai seoksen tiheys normaaliolosuhteissa:po=101,3 kPa, To=273,15K

1= ilman tai seoksen tiheys puristustahdin alussa

ilman tiheys o=1,293 kg/m3(po, To)

Kuva 78. Sylinteritäytöksen suureet.

Ideaalikaasulain mukaan voidaan kirjoittaa yhteydet

1

1

1

111

o

o

o

ooo

RT

p

V

m mRTVp

RT

p

V

m mRTVp

o

o

(10.4.2)

missä m=ilman tai seoksen massa

R=yleinen kaasuvakio, R=8,314J/molK

Vo=22,41 dm3/mol, normaaliolosuhteissa(po,To)

V1=ilman tai seoksen tilavuus puristustahdin alussa

Sijoitetaan yhtälön 10.4.2 tulokset yhtälöön 10.4.1, jolloin

volymetriselle hyötysuhteelle saadaan esitys

po, To,Vo,

Vc TDC

Vi p1, T1,V1,

BTC


97

o

1o

1

1

o

o

1

v

T

Tp

p

T

T

p

pη

1 (10.4.3)

missä

p1=ilman tai seoksen puristustahdin alussa

po=ulkoilman paine normaaliolosuhteissa

To=ulkoilman lämpötila normaaliolosuhteissa

Volymetrinen hyötysuhde riippuu lineaarisesti painesuhteesta p1/po. Sen

suuruuteen vaikuttavat imukanavien virtausvastukset phr ja ahdetuilla

moottoreilla ahtopaine pca. Imukanavien virtausvastukset pienentävät

painesuhdetta ja ahtopaine puolestaan suurentaa mikäli se on pca >(po+phr).

Kuvassa 79 on esitetty painesuhteen ja lämpötilasuhteen vaikutus

volymetriseen hyötysuhteeseen.

Kuva 79. Painesuhteen (lin.) ja lämpötilasuhteen(epälin.)vaikutus

volymetriseen hyötysuhteeseen.

Lämpötilasuhteen T1/To suuruuteen vaikuttavat:

ulkoilman lämpötila

lämmönsiirto: imuputkistosta ja sylinterikannesta ja sylinterin

seinämistä

edellisen työkierron palamiskaasujäännökset

polttoaineen höyrystymislämpö(Ottomoottori)

ahdetuilla moottoreilla ahtoilman jäähdytys

venttiilien aukioloaikojen ristiinmenolla(overlap) aikaansaatava

palotilan huuhtelu

Käytettäessä ottomoottorin polttoaineena korkean kiehumispisteen omaavia

polttoaineita kuten moottoripetroolia tai korkean höyrystymislämmön

omaavia polttoaineita kuten alkoholeja, on seosta lämmitettävä palamisen

varmistamiseksi. Tämä huonontaa sylinterin seoksenottokykyä ja täten

volymetristä hyötysuhdetta. Saksalaisissa lähteissä käytetään nimitystä

Liefergrad, joka tuottosuhdetta ja englannin kielisissä volumetric

efficiency. Tuottosuhde lmääritellään

v

p1/po

T1/To

0


98

a

1a

1

1

a

a

1

l

T

Tp

p

T

T

p

pη

1 (10.4.4)

missä

pa= ulkoilman paine

Ta= ulkoilman lämpötila

Sylinteritäytöksen määrityksessä ei ole merkitystä sillä suoritetaanko

vertailu sylinterin vastaanottaman ilman tai seoksen suureita

normaaliolosuhteisiin tai ulkoisiin olosuhteisiin.

Sylinteritäytöksen määrityksessä ei ole merkitystä sillä suoritetaanko

vertailu sylinterin vastaanottaman ilman tai seoksen suureita

normaaliolosuhteisiin tai ulkoisiin olosuhteisiin. Taulukossa 9 on

esitetty ahtamattomien moottoreiden puristuksen alkupaine ja lämpötila

eri moottorityypeille.

Taulukko 9. Ahtamattomien moottoreiden puristuksen alkupaine- ja –

lämpötila, eri moottorityypeillä ja 2-tahtisten dieselmoottoreiden eri

huuhtelumenetelmillä, (2-t: p1’, T1’).

4-tahtisilla dieselmoottoreilla ilman lämpötila puristustahdin alussa

voidaan määrittää likiarvoyhtälöstä

ca1T

6

585T (10.4.5)

Kuvassa 80 on esitetty yksiportaisen ahtamisen ahtopainealueet tehollisen

4-tahtisille dieselmoottoreille tehollisen keskipaineen funktiona.

Moottorityyppi Puristuksen Puristuksen

alkupaine p1. p1'/ kPa alkulämpötila T1 , T1'/ K

4-tahtiset nopeakäyntiset ottomoottorit 90…100 330…340

4-tahtiset nopeakäyntiset dieselmoottorit 90…100 340…360

2-tahtiset nopeakäyntiset dieselmoottorit

poikittais- ja mutkahuuhtelu 120…150 360…380

pitkittäishuuhtelu 120…150 350…370


99

Kuva 80. 4-tahtisten turboahdettujen dieselmoottoreiden ahtopaine

yksiportaisessa ahtamisessa tehollisen keskipaineen funktiona.

Tca =ilman lämpötila ahtimen jälkeen(10.4.5) tai jäähdyttimen jälkeen

(10.4.6)

Yhtälön (10.4.5) mukaan, kun

moottori ei ole varustettu ahtoilman jäähdyttimellä

ei käytetä venttiilien ajoituksen ristiinmenolla aikaansaatavaa

palotilan huuhtelua

Kun moottori on varustettu ahtoilman jäähdyttimellä ja riittävällä

venttiilien ristiinmenolla palotilan huuhtelemiseksi, voidaan ilman

lämpötila puristustahdin alussa määrittää likiarvoyhtälöstä

ca1T

6

57T 0 (10.4.6)

Lämpötilan kasvu yksiportaisessa ahtamisessa määritetään yhtälöstä

1

1

c

c

oc

ac

isC

oc

cap

pTT

(10.4.7)

caocca

ΔTTT (10.4.8)

missä

Toc=kompressoriin virtaavan ilman lämpötila imuaukossa

pca=kompressorin ahtopaine

poc=puristuksen alkupainen kompressorissa poc=po-phr

phr=imukanavan virtausvatukset

c=ilman puristuksen isentroppivakio c=1,40.

isc=kompressorin isentrooppinen hyötysuhde


100

Pienet ahtimet isc=0,65…0,75

Keskisuuret ahtimet isc=0,75…0,80

Suuret ahtimet isc=0,80…0,85

Tca =363…434K(90…160ºC) ahtopaineesta ja kompressorin isentroopisesta

hyötysuhteesta riippuen.

Tca =313…363K(40…90ºC) ahtoilman jäädytyksen tehokkuudesta riippuen

Taulukossa 10 on esitetty eri moottorityypeille ahtoilman lämpötila

jäähdyttimen jälkeen.

Taulukko 10. Ahtoilman lämpötila jäähdyttimen jälkeen eri

moottorityypeillä ja jäähdytysparametreilla.

Kuvassa 81 on esitetty 2-tahtisten turboahdettujen dieselmoottoreiden

ahtopainealue tehollisen keskipaineen funktiona, yksiportaisessa

ahtamisessa.

Kuva 81. 2-tahtisten turboahdettujen dieselmoottoreiden yksiportaisen

ahtamisen ahtopaine tehollisen keskipaineen funktiona.

Moottorityyppi Ahtoilman lämpötila

jäähdyttimen jälkeen Tca/K

Keskinopeat ja hidaskäyntiset 313..318(40…45C)

Kulkunevomoottorit:ilma/ilma 323…338K(50…65C)

Kulkunevomoottorit:ilma/vesi 358…363K(85…90C)


101

10.4.2 Sylinteritäytöksen ja akselitehon välinen yhteys

Moottorin kampiakseliteho yhtälön (1.4.1) mukaan on

fh

.ηP

fm

ee

Sylinterin vastaanottama polttoaineen massavirta

n

jt missä

.

.

t

m

ihη

P

f

fe

e

fm

myös

fm

Sylinterin vastaanottama polttoaineen massa on

nihη

jP

fe

et

.

fm fm

(10.4.5)

10.4.3 Sylinterin vastaanottama ilman ja polttoaineen massa

Tarkastellaan 4-tahtisen ahtamattoman ja ahdetun moottorin tapauksessa.

a) 4-tahtisen ahtamattoman moottorin sylinterin vastaanottama ilmamäärä

iovolVρηm a (10.4.6)

Ilman massa määritetään polttoaineen massan, ilmakertoimen ja

polttoaineen teoreettisen palamisen ilmamäärän perusteella seuraavasti

foa

mλLm (10.4.7)

missä

=palamisen ilmakerroin Lo=polttoaineen teoreettisen palamisilmatarve

4-tahtisen ahtamattoman moottorin sylinterin vastaanottama polttoaineen

massa voidaan esittää muodossa

nihη

jP

fe

e

o

iovol

fλL

Vρηm

(10.4.7´)

Sylinterin iskutilavuusvaatimus Vi


102

nihρη

jPλLV

fovole

eo

i

(10.4.8)

Moottorin iskutilavuusvaatimus VI on

nhρη

jPλLiVV

fovole

eo

iI

(10.4.9)

Ilmakertoimelle saadaan yhtälö

eo

Ifovole

eo

ifovole

PjL

nVhρη

PjL

niVhρηλ

(10.4.10)

b) 4-tahtinen ahdettu

Moottoriparametrit: ahdettu, välijäähdytetty tai imu- ja pakoventtiilien

aukioloaikojen ristiinmeno(over lap) vähintään 80 ºKK.

Sylinterin vastaanottama ilmamäärä on

iovolciovolV

1-ρη)V(Vρηm

a (10.4.11)

Sylinterin vastaanottama polttoaineen massa on

i

o

ovol

fV

λL

ρηm

1

(10.4.12)

Sylinterin iskutilavuusvaatimus on

nihρη

jPλLV

fovole

eo

i

1 (10.4.13)

Moottorin iskutilavuusvaatimus VI on

nhρη

jPλLiVV

fovole

eo

iI

1 (10.4.14)

Ilmakertoimelle saadaan vaatimus

e

If

o

ovole

e

if

o

ovole

P

nVh

1ε

ε

jL

ρη

P

niVh

1ε

ε

jL

ρηλ

(10.4.15)


103

10.5 Mäntämoottorin päämitoitussuureiden valinta

Polttomoottoreiden mitoitukseen on käytettävissä runsaasti taulukoituja

ominaisarvoja. Päämitoituksessa ominaisarvojen valinnat taulukoista ovat

perusteltuja, koska ne tukeutuvat rakennettujen moottorireiden

konstruktioon, toimintatapaan ja elinkaaritoimintaan. Moottoreiden

päämitoitus on monilta osin kuitenkin yksilöllinen, koska moottori

suunnitellaan käyttöympäristön vaatimusten mukaisesti. Suunnittelussa ja

mitoituksessa kulmakivinä ovat alhainen polttoaineen kulutus,

mahdollisimman vähäiset ympäristöhaitat, taloudellinen käyttöikä.

Seuraavassa on käsitelty lyhyesti muutamia valinnan kannalta oleellisia

seikkoja, kuten iskusuteen, männän keskinopeuden ja ilmakertoimen

valintaan vaikuttavista tekijöistä.

10.5.1 Puristussuhteen valinta

Puristussuhde on moottorin rakennevakio, joka vaikuttaa moottorin

työkierron lämpöhyötysuhteen suuruuteen ja konstruktioon.

Mäntämoottoreissa puristussuhteen valinnassa tulee ottaa huomioon mm.

polttoaineen puristuskestävyys, palotilaratkaisut ja palamisprosessin

hallinta. Puristussuhde määritellään sylinterin kokonaistilavuuden ja

puristustilavuuden suhteena ottamalla huomioon moottorin toimintatapa. 2-

tahtimoottoreissa iskutilavuus määritetään ns. tehollisen iskunpituuden

Se mukaan, kuva 80. Taulukossa 9 on esitetty muutamien moottorityyppien

puristussuhteen viitearvoja ja polttoaineiden ominaisuuksia.

Puristussuhteen valinnassa huomioon otettavat tekijät:

1. Ottomoottoreiden puristussuhde riippuu polttoaineen

nakutuskestävyydestä

Alkoholien ja maakaasun korkea itsesyttymislämpötila

bensiiniin verrattuna sallii korkeampien puristussuhteiden

käytön.

Moottoripetrolin nakutuskestävyys on verraten alhainen

2. Turboahtaminen ottomoottorissa kohottaa työkierron palamispaine-ja lämpötilatasoja.

Puristussuhde valitaan pienemmäksi kuin vastaavalla

ahtamattomalla moottorilla

3. Suuret ottoperiaatteella toimivissa kaasumoottoreissa ilman ja

polttoaineen seos on laiha(>1). Tällöin on mahdollista käyttää korkeita puristussuhteen arvoja.

4. Apukammiolla varustetuissa henkilöautojen dieselmoottoreissa

käytetään verraten korkeita puristussuhteen arvoja.

Tällöin syttymisviive merkittävästi lyhenee, mikä puolestaan

suurentaa moottorin pyörimisnopeutta.

Käynnistäminen kylmässä ilmastossa edellyttää korkeita

puristussuhteen arvoja.

Apukammiolla varustettujen moottoreiden sylinteri-halkaisijat

D<200 mm, koska palotilan lämpökuormitukset ovat huomattavan


104

korkeat ja polttoaineen ominaiskulutus korkeampi kuin

vastaavalla suoraruiskutusdieselmoottorilla.

5. Puristussuhde on moottorin rakennevakio, jonka suuruus vaikuttaa työkierron lämpöhyötysuhteeseen.

Valitaan korkein puristussuhteen arvo, jolloin polttoaineen

ominaiskulutus on alhaisin ja täten moottorin

kokonaishyötysuhde suurin.

Puristussuhde määritellään 4-tahtimoottoreissa seuraavasti

t-2 ; V

V

V

VVε

t-4 ; V

V

V

VVε

c

ie

c

cie

c

i

c

ci

1

1

(10.5.1)

missä

Vi =iskutilavuus; 4-tahtinen

Vie=tehollinen iskutilavuus; 2-tahtinen

Vc=puristustilavuus

Kuvassa 82 on esitetty periaate 4-t ja 2-t moottorin puristussuhteen

iskutilavuusmääritelyt.

Kuva 82. Puristussuhteen iskutilavuusmäärittelyt 4-tahtiselle ja 2-

tahtiselle moottorille.

Taulukossa 11 on esitetty eri moottorityyppien puristussuhteen

viitearvoja.

TDC TDC Vc

Vc Se Vie Vi BTC

BTC

4-tahtinen 2-tahtinen


105

Taulukko 11. Eri moottorityyppien puristussuhteen viitearvot.

Moottorityyppi Puristussuhde Polttoaineen

oktaaniluku

Ahtamattomat autojen ja moottoripyörien 7,0…8,5 < 92

ottomoottorit 8,5…9,5 < 96

9,0…10,5 100

Turboahdetut 4-tahtiset autojen

moottorit 7,5…9,0 100

Turboahdetut 4-tahtiset voimalaitos-ja

teollisuusmoottorit 11,0…12,0 Maakaasu

80-90% metaania

4-tahtiset alkoholimoottorit 10,0…12,0 metanoli

etanoli

Ahtamattomat 4-tahtiset petroli-

moottorit 7,0…7,5

Sylinterin iskutilavuus, 4-tahtinen moottori

s

32

i4k

DS

4

DV

(10.5.2)

missä ks on iskusuhde ja määritellään D

Sks (10.5.3)

S=iskunpituus

D=sylinteriporauksen halkaisija

Iskusuhde on moottorille ominainen vakio.

2-tahtiselle moottorille vastaavasti ns. tehollinen iskutilavuus on

e

2

ieS

4

DV

(10.5.4)

Taulukossa 12 on esitetty eri moottorityyppien iskusuhteen viite-

arvoja.


106

Taulukko 12. Eri moottorityyppien iskusuhteen viitearvot.

Moottorityyppi Iskusuhde S/D

Nopeakäyntiset 4-tahtiset

kulkuneuvo-ottomoottorit 0,60…1,10

kulkuneuvodieselmoottorit 0,90…1,35

Nopeakäyntiset 2-tahtiset

kulkuneuvo-ottomoottorit 0,70…1,15

kulkuneuvodieselmoottorit 0,90…1,25

Nopeakäyntiset laiva-rautatie-

ja teollisuusmoottorit 0,90…1,40

Keskinopeakäyntiset laiva-rautatie-

ja teollisuusmoottorit 1,00…1,50

Hidaskäyntiset 2-tahtiset laiva-ja

voimalaitosdieselmoottorit

pitkittäishuuhtelu: pakoventtiili

sylinterinkannessa 2,00…3,80

muut huuhtelumemetelmät 1,30…2,10

Hidaskäyntiset 4-tahtiset 1,60…1,80

10.5.2 Männän keskinopeuden valinta

Männän keskinopeus määritetään yhtälöstä

2SnCm (10.5.5)

Männän keskinopeus on moottorin ominaisarvo. Taulukossa 13 on esitetty

eri moottorityyppinen männän keskinopeuden viitearvoja.

Taulukko 13. Eri moottorityyppien männän keskinopeuden viitearvoja.

Moottorityyppi Työkierto Toimintatapa Cm/m/s

Nopeakäyntiset kulkuneuvomoottorit:

Henkilöauton moottorit Otto 4-tahtinen 11,0 ... 15,5

" " Diesel 4-tahtinen 12,0 ... 14,0

" " Otto 2-tahtinen 8,0 ... 12,0

Kuorma-autojen ja traktorien moottorit Diesel 4-tahtinen 9,5 ... 12,0

" " " Diesel 2-tahtinen 8,0 ... 11,0

Lentokonemoottorit Otto 4-tahtinen 9,0 ... 16,0

Kilpamoottorit Otto 4-tahtinen 18,0 ... 25,0

Veturimoottorit: nopeakäyntiset Diesel 4-tahtinen 10,0 ... 12,0

keskinopeat Diesel 4-tahtinen 8,5 ... 10,0

Laiva- ja voimalaitosmoottorit: nopeak. Diesel 4-tahtinen 8,0 ... 12,0

" 2-tahtinen 8,5 ... 13,0


107

Männän keskinopeuden valinnassa huomioon otettavia tekijöitä

1. Männän keskinopeuden kasvaessa kaasunvaihtoprosessi

vaikeutuu, moottorin hengitysvaikeuksien vuoksi.

2. Suurilla männän keskinopeuksilla kuluminen kasvaa, sylinterit

ja laakerit. Myös kiertokangen alapään laakerin toimintavarmuus

huononee.

3. Moottorit, joissa on pieni sylinteriluku aiheuttaa korkea

männän keskinopeus värähtelyongelmia. Liikkuvia osia ei voida

täydellisesti tasapainottaa.

4. Ajoneuvokäyttöön tarkoitettujen moottorien yleisenä

suunnitteluohjeena on päämitoitusarvoja valittaessa pyrittävä

pieneen rakennemassaan ts. suunniteltava kevyiksi. Korkeisiin

tehoarvoihin pääseminen edellyttää usein korkeaa

pyörimisnopeutta ja männän keskinopeutta. Kilpa-autojen

moottorissa voidaan käyttää poikkeuksellisen korkeita männän

keskinopeuden arvoja, koska moottorin käyttöaika on vain muutaman

kilpailun mittainen.

5. Rautatiedieselmoottoreissa käytetään korkeaa männän

keskinopeusarvoa, koska niistä huipputehoja otetaan ulos varsin

harvoin.

6. 2-tahtimoottoreissa (hidaskäyntiset) jatkuvassa käytössä

pyritään alhaisiin männän keskinopeuksiin, jotta moottorin

kuluminen on pysyy kohtuullisena ja toimintavarmuus riittävänä.

10.5.3 Iskusuhteen valinta

Iskusuhde vaikuttaa moottorin rakenteellisiin mittoihin,

kokonais-hyötysuhteeseen ja pakokaasuemissioihin.

1. Männän keskinopeuden (Cm) pitämiseksi kohtuullisena etenkin

nopeakäyntisillä moottoreilla. Iskusuhteen(S/D) tulee olla

pieni, kuten yhtälöstä voidaan havaita Cm=2nS= 2n(S/D)D

2. Pieni iskusuhde mahdollistaa suuret venttiilit kannessa, mikä

parantaa mahdollisuutta nostaa sylinteritehoa.

3. Moottorin rakennekorkeus riippuu iskunpituudesta.

Iskunpituuden kasvattaminen suurentaa moottorin rakennekorkeutta

ja lisää samalla moottorin painoa. Iskunpituuden pienentäminen

vähentää moottorin rakennekorkeutta ja painoa.

4. Pidentämällä iskunpituutta jäähdytyshäviöt pienenevät, mikä

parantaa moottorin kokonaishyötysuhdetta. Iskusuhteelle on

etsittävä optimiarvo, koska iskunpituuden kasvaessa männän

keskinopeus kasvaa ja häviöt suurenevat.


108

5. Laivamoottorit, joilla on alhainen pyörimisnopeus ovat

kytketty suoraan potkuriakseliin. Iskusuhde valitaan suureksi,

jotta männän keskinopeus olisi taloudellisella alueella.

6. Generaattorikäytössä moottorilta edellytetään korkeaa

pyörimis-nopeustasoa, jotta generaattorin valinta olisi

taloudellinen. Käytetään pientä iskusuhdetta.

7. 2-tahtimoottoreilla iskusuhteen valintaan vaikuttaa käytetty

huuhtelumenetelmä. Pitkittäishuuhtelussa on edullista käyttää

suurta iskusuhdetta. Paras tehokkuus saavutetaan

pitkittäishuuhtelumenetelmällä.

8. Iskusuhteen valinnalla on ratkaiseva merkitys sylinterissä

syntyviin hiilivetyemissioihin. Niitä syntyy runsaimmin silloin,

kun palotilan pinta-ala-tilavuussuhde on suuri. Suhteen

pienentäminen on välttämätöntä haluttaessa päästä alhaisiin

hiilivetyemissioihin.

Iskusuhteen suurentaminen pienentää pinta-ala-tilavuussuhdetta.

Iskutilavuuden suurentaminen pienentää ja puristussuhteen

suurentaminen kasvattaa palotilan pinta-ala-tilavuussuhdetta.

10.5.4 Ilmakertoimen valinta

1. Ajoneuvojen ottomoottoreilla korkein teho saavutetaan ilma-

alimäärällä (1). Osakuorma-alueella seos on teoreettisesti

oikea tai laiha ( = 1,0 ...1,25 ), jotta saavutetaan alhaisin polttoaineen kulutus ja pakokaasuemissiot. Dieselmoottorissa

seos on aina laiha so. moottori toimii aina ilmaylimäärällä.

2. Dieselmoottoreilla varustetuissa henkilöautoissa, joissa

käytetään apukammiopalotilaa, palaminen tapahtuu pienemmän

ilmaylimäärän vallitessa kuin kuorma-autojen ja työkoneiden

suoraruiskutus-dieselmoottoreissa.

3. Turboahdetuissa moottoreissa käytetään suurempaa

ilmakerrointa kuin ahtamattomissa. Tällöin moottorin termiset

kuormitukset voidaan pitää sallituissa rajoissa ja pakokaasun

lämpötila ei kohoa liian korkeaksi turbiinin kestävyyden

kannalta.

4. Voimalaitos- ja laivamoottoreilta vaaditaan vähintään 10 %

ylikuormitus-mahdollisuus. Tämä on otettava huomioon moottorin

päämitoituksessa, jolloin täydellä teholla moottorilla tulee

olla riittävä ilmanottokyky savutuksen raja-arvoja ylittämättä.

5. Kaasumoottoreissa seoksen tulee olla laiha, jotta polttoaineen

kulutus voidaan pitää kohtuullisena ja välttää nakutus.

Ilmakertoimen viitearvoja eri moottorityypeille on esitetty

taulukossa 4 s. 24.


109


110

11 Mäntämoottoreiden yhdenmuotoisuussäännöt

11.1 Geometrinen yhdenmuotoisuus ja mekaaninen samanlaisuus

Moottorit ovat tietyllä tavalla yhdenmuotoisia joko

geometristen mittojen ja muotojen perusteella sekä lisäksi

päämitoitustekijöiden ja toimintatapojensa mukaan tarkasteltuna.

Polttomoottoreiden yhdenmuotoisuus ja samanlaisuus määritellään

geometrisesti yhdenmuotoisiin, ja mekaanisesti samanlaisiin sekä

geometrisesti että mekaanisesti yhdenmuotoisiin ja samanlaisiin

moottoreihin. Kuva 81 esittää yhdenmuotoisuuden perusjaon.

Kuva 81. Polttomoottoreiden yhdenmuotoisuus ja samanlaisuus

11.2 Mäntämoottoreiden yhdenmuotoisuusyhtälöt

Vertaillaan esimerkin avulla geometrista yhdenmuotoisuutta ja

mekaanista samanlaisuutta kahden moottorin välillä käyttämällä

hyväksi polttomoottoriopin peruskaavoja. Vertailut voidaan tehdä

kuinka suurelle otosjoukolle tahansa.

Geometrisesti yhdenmuotoisissa moottoreissa vertailu suoritetaan

moottorin päämittoja vertailemalla. Olkoon moottori M1, jossa

sylinterin halkaisija on D1 ja iskunpituus S1 ja vastaavasti

moottorissa M2 ovat D2 ja S2. Jos moottorit ovat geometrisesti

yhdenmuotoisia, niin silloin

2

2

1

1

D

S

D

S (11.2.1)

Kun moottorit ovat mekaanisesti samanlaisia, männän

keskinopeuden perusteella voidaan kirjoittaa

21 mmC C (11.2.2)

Yhtälömuodossa esitys on


111

2211S2nS2n ,

jolloin moottorin pyörimisnopeuksien suhteeksi saadaan

1

2

1

2

2

1

D

D

S

S

n

n (11.2.3)

missä

n1=moottorin 1 pyörimisnopeus

n2=moottorin 2 pyörimisnopeus

Määritetään parametri

2

1

D

Dα (11.2.4)

Sijoitetaan yhtälöön (11.2.3), jolloin saadaan

12

1

2

αnn

n

nα

(11.2.5)

missä

= mittakaavatekijä

Sovelletaan tehollisen keskipaineen menetelmää ottamalla

huomioon männän keskinopeus

iC8j

DpP

m

2

ee

(11.2.6)

Kirjoitetaan muotoon 3

1DkPe (11.2.7)

missä

k1= peCmi/8j

vakio k1 on geometrisesti ja mekaanisesti samanlaisilla

moottoreilla yhtä suuri, jolloin kampiakselitehojen suhde on

e2

2

e1PαP (11.2.8)

Moottorin pyörimisnopeuksien ja kampiakselitehojen välinen

yhteys voidaan esittää muodossa

e2

e1

12P

Pnn (11.2.9)

Moottorin iskutilavuuksien suhteeksi saadaan geometrisesti ja

mekaanisesti samanlaisilla moottoreilla


112

i2

3

i1VαV (11.2.10)

Kirjoitetaan sylinterin iskutilavuus muotoon

3Dk

4

(S/D)D

4

SDV

2

32

i

(11.2.11)

missä

4

(S/D)k2

Vastaavasti moottorien massojen suhde on muotoa

2

3

1mαm (11.2.12)

Yhtälössä 11.2.12 moottorin massa otaksutaan olevan

verrannollinen sylinteriporauksen kuutioon.

3

3Dkm , k3= vakio

Moottorin teho sylinterin iskutilavuusyksikköä Vi kohti voidaan

johtaa edellä esitetyillä kaavoilla ja esittää muodossa

D

1k

Dk

DkP

43

2

2

1

VI (11.2.13)

,jolloin geometrisesti yhdenmuotoisilla ja mekaanisesti

samanlaisilla moottoreilla moottorien tehot iskutilavuutta

kohden suhtautuvat seuraavasti

Vi1Vi2

1

2

Vi2

Vi1

αPP

α

1

D

D

P

P

(11.2.14)

Moottorin teho sylinterin iskutilavuutta kohden on sitä suurempi

mitä pienempi on sylinterin halkaisija. Tällä on erityistä

merkitystä varsinkin kilpa-autojen moottoreissa, joissa

moottorin iskutilavuus on rajoitettu.

Taulukon 1 mukaan s.13 moottorin teho iskutilavuutta kohti on 2-

tahtisilla moottoripyörillä Pe/VI=40…100 kW/dm3, 4-tahtisilla

Pe/VI=30…70 kW/dm3, henkilöauton ahtamattomilla ottomoottoreilla

Pe/VI=35…65 kW/dm3 ja ahdetuilla Pe/VI=50…100 kW/dm3, ahtamattomilla

dieselmoottoreilla Pe/VI=20…35 kW/dm3 ja ahdetuilla Pe/VI=30…45 kW/dm3,

kuorma-autojen ahtamattomilla dieselmoottoreilla Pe/VI=10…20 kW/dm3 ja

ahdetuilla Pe/VI=15…40 kW/dm3 ahtoasteesta ja ahtoilman

jäähdytysmenetelmästä riippuen.

Moottorin massa sylinterin iskutilavuusyksikköä kohden on vakio,

koska


113

I2I1

i

VV

53

2

3

3

I

V

mm

kDk

Dk

V

mm

(11.2.16)

Yhtälöön (12.1.16) nähden on syytä huomata, että moottorin massa

sylinterin tilavuusyksikköä kohti on riippumaton sylinterin

halkaisijasta. Todellisuudessa pienillä moottoreilla suhde

kasvaa rakenteellisista tekijöistä johtuen.

Moottorin massa tehoyksikköä kohden geometrisesti

yhdenmuotoisilla ja mekaanisesti samanlaisilla moottoreilla

määritellään

1

6

p1

p2

2

1

3

3

e

p

m

m

Dk

Dk

P

mm

iDk

(11.2.17)

Moottorin massa tehoyksikköä kohti kasvaa suoraan

verrannollisesti sylinterin halkaisijan suurentuessa.

Taulukon 1 mukaan s.13 ottomoottoreilla 2-ja 4-tahtisilla

moottoripyörillä m/Pe=5…0,5 kg/kW, henkilöauton ottomoottoreilla 3…1

kg/kW, henkilöauton dieselmoottoreilla vastaavasti 5…2 kg/kW ja kuorma-

autojen dieselmoottoreilla 9…2,5 kg/kW ahtoasteesta ja ahtoilman

jäähdytysmenetelmästä riippuen.


114

Lähdekirjallisuus

Heywood, John B.,Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill

Book Company. 1988.

Stone, R, Inrtoduction toIntenal Combustion Engines. Third

Edition.SAE.1999.

Pitkänen, J., Polttomootoritekniikan perusteet. Teknillinen

korkeakoulu. Otaniemi. 1999.

Basshuysen&Schäfer.; Internal Combustion Engine Handbook. SAE. 2002.

Heisler, H., Vehicle and Engine Technology. Second Edition. 1999.

Oxford.UK.

Kevin L. Hoag; Vehicular Engine Design. SAE International. Harbound

2006. Co-publised with Springer-Verlag

Bosch., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 23. Auflage. Bosch.

Merker, G.P., Stiesch,G., Technische Verbrennung. Motorische

Verbrennung. B.G.Teubner Stuttgart, Leipzig 1999.

Dietzel,F., Wagner, W., Technische Wärmelehre. Vogel-Buchverlag. 7.

Auflage. 1998. Bosch.


115

OULUN YLIOPISTO Koneensuunnittelun tutkimusryhmä

464124A Polttomoottoritekniikan perusteet

Internal Combustion Engines Professori Mauri Haataja

Luentomoniste I

Moottoribensiinin valintaopas

Dieselpolttoaineopas

NESTEOIL

>1

Documents

464124A Polttomoottoritekniikan perusteet 5,0 op Internal ... · Oheiskirjallisuus: Heywood, John B. Internal Combustion Engine Fundamentals. ... Engineering Fundamentals of the Internal