Pääset lukemaan sivustoa tämän mainoksen jälkeen.

Jutut

Moottoritekniikka 1: Vääntökäyrän optimointi – Lisää ilmaa, lisää vääntöä

Moottori on sitä vääntävämpi ja tehokkaampi mitä enemmän se saa ilmaa. Virtausta on mahdollista tehostaa, mutta usein on ensin päätettävä, mille kierrosalueelle lisäteho halutaan.

23.05.2020

TekstiHeikki Parvianen

KuvatiStock Photo

Edellisessä tekniikka-artikkelissamme totesimme, että nelitahtimoottorissa vääntömomentin suuruus on suoraan riippuvainen siitä, miten paljon sylinteriin saadaan ilmaa. Ja kuten totesimme, vääntömomentti ja sen kierrosalue yhdessä määrittävät moottorin tehon.

Jos moottorin vääntömomenttia halutaan kasvattaa koko kierroslukualueella, on moottorissa yleensä käytettävä mekaanista tai turboahdinta.

Vääntöä on kuitenkin mahdollista kasvattaa myös vapaasti hengittävässä moottorissa, mutta vain ”paikallisesti” eli esimerkiksi liukukynnyksen kierrosluvulla. Silloin vääntömomentti putoaa jollain toiselta kierrosluvulla, sillä momentin nosto vaatii, että kaasunvaihto viritetään suosimaan tiettyä kierrosaluetta muiden kustannuksella.

Sylinterin täytökseen vaikuttavat toki monet asiat, kuten pyörteily palotilassa imutahdin aikana, mutta pääasiallisesti ahtamattoman nelitahtimoottorin kaasunvaihtoon voidaan vaikuttaa kolmella asialla: venttiilien ajoituksella, imu- ja pakosarjojen mitoituksella ja muotoilulla sekä iskun pituudella.

Nämä kolme keinoa toimivat keskenään synkronissa, eli yhden muuttaminen vaatii yleensä vähintään toisenkin muuttamista. Usein jopa kaikkia kolmea pitää muuttaa samanaikaisesti, jotta päästään parhaaseen lopputulokseen.

V8-moottorin viritysimusarjassa on esimerkillisesti samanmittaiset imukanavat, jotka lähtevät suuremmista kokoojasäiliöistä. Imukanavien pituus ja halkaisija määrittävät, minkä kierrosalueen vääntöä halutaan vahvistaa.

Pitkällä iskulla alavääntöä

Moottorin iskunpituudella voidaan hieman säätää sitä, mille kierroslukualueella vääntömomentin huippu osuu.

Pitkällä iskulla huippu on matalammalla kierrosnopeudella, ja iskua lyhentämällä parhaan vääntömomentin kierrosluku nousee. Tämä johtuu siitä, että mitä pidempi isku, sitä suurempi on männän maksiminopeus. Männän maksiminopeuden kasvattaminen taas lisää sitä voimaa, jolla mäntä imutahdin aikana imee ilmaa moottoriin.

Männän aikaansaaman alipaineen on oltava oikeassa suhteessa imusarjan pituuteen. Mitä pidempi ja ohuempi imusarja, sitä hankalampi männän on imeä ilmaa mutta samalla sitä suurempi nopeus imusarjassa kulkevaan ilmapatsaaseen saadaan.

Suuri nopeus tarkoittaa suurta liike-energiaa, ja suurella liike-energialla ilmapatsas jaksaa työntyä sylinteriin vielä siinäkin vaiheessa, kun mäntä on ehtinyt ala-asentoonsa ja puristustahti alkaa.

Kierrosluvun kasvaessa ilmapatsaan liike-energia vain kasvaa, mutta ohuen imusarjan kapasiteetti yksinkertaisesti loppuu kesken ja kaikki se ilma, joka sylinteriin tarvittaisiin, ei enää mahdu imusarjan läpi. Seurauksena on sylinteripaineen ja siten vääntömomentin lasku korkeammalla kierrosluvulla.

Asiaan auttaa imusarjan halkaisijan kasvattaminen, mutta se taas syö alakierrosvääntöä, sillä matalammalla kierrosluvulla kaasupatsaan nopeus ei avarassa imusarjassa kasva riittävästi, jotta nopeus toisi liike-energiaa. Imusarjan pituus ja halkaisija siis vaikuttavat siihen, mille kerrosluvulle vääntömomenttia saadaan lisää.

Venttiili määrittelee tahdit

Nelitahtimoottorin eri tahdit lasketaan männän liikkeestä, mutta todellisuudessa venttiilien ajoitus määrää, milloin imutahti loppuu.

Kun imuventtiili menee kiinni, ei sylinteriin enää pääse lisää ilmaa. Tosin ei pääse venttiilin auki ollessakaan, jos mäntä ei sitä ime tai liike-energia ei liikuta kaasupatsasta. Siksi erityisesti imuventtiilin ajoituksen on sovittava männän liikkeeseen ja moottorin kierroslukuun.

Matalalla kierrosluvulla kaasupatsaan liike-energia ei riitä siirtämään ilmaa sylinteriin alakuolokohdan jälkeen, vaan mäntä työntää sitä jo takaisin imukanavaan. Silloin imuventtiili pitää sulkea alakuolokohdan lähellä.

Kierrosluvun kasvaessa venttiilin sulkeutumishetken pitäisi olla myöhäisempi, jotta liike-energia saadaan hyödynnettyä. Siksi kiinteä venttiilinajoitus on optimoitava joko matalille tai korkeille kierroksille.

Monissa suuremmissa moottoreissa ja joissain perämoottoreissakin käytetään muuttuvaa venttiilinajoitusta, jolloin venttiilin kiinnimenohetkeä myöhäistetään kierrosluvun kasvaessa. Näin saadaan mahdollisimman korkea vääntömomentti koko kierroslukualueelle.

Ja jotta asia ei olisi liian yksinkertainen, tapahtuu imu- ja pakosarjoissa lisäksi erilaisia resonanssi-ilmiöitä, kun kaasu virtaa putkissa ja kammioissa. Resonanssi aiheuttaa virtaukseen yli- ja alipainepulsseja, joita hyödyntämällä moottorin kaasujenvaihtoa voidaan hienosäätää – mutta vain sillä kapealla kierrosalueella, jolla resonanssin vaihe on juuri oikea. Onnistunut lopputulos on yhdistelmä moottoritehtaan tekemää laskentaa ja käytännön kokeita.

Juttu on julkaistu Kipparissa 7/2019

Lue myös:

Mistä vääntö syntyy? Kippari 5/2019

Auton ja veneen moottorien erot Kippari 3/2019

Turboahdin yleistyy myös veneissä Kippari 9/2019

Voitelua venemoottoreihin, öljyt ja niiden luokitukset Kippari 10/2019

Lue myös nämä

X