Jutut

Moottoritekniikka: Mistä moottorin vääntömomentti syntyy?

Moottorien yhteydessä puhutaan aina tehosta, vaikka se on oikeastaan vain seurausta vääntömomentista. Mutta mitä vääntö­momentti sitten on, ja miten se päätyy potkurille?

09.06.2019

TekstiHeikki Parviainen

KuvatiStockphoto

Numerossa 3/2019 vertailimme auton ja veneen moottoreita keskenään ja totesimme, etteivät niiden ominaisuudet – etenkään vääntömomentin osalta – ole saman­laisia. Eikä halutakaan olevan, sillä esimerkiksi veneessä tarvitaan ylimääräistä vääntöä juuri liukuun nousun hetkellä.

Mutta mitä se vääntömomentti oikeastaan on, mistä se syntyy ja mikä yhteys sillä on tehoon?

Paineesta väännöksi

Moottorin voimantuotto alkaa sylinterissä, jossa polttoaine-ilmaseos palaa, laajenee ja saa aikaan paineen.

Tämä paine kohdistuu mäntään ja muuttuu alaspäin työntäväksi voimaksi. Voima siirtyy moottorin kampikoneiston eli kiertokangen ja kampiakselin kaulan kautta moottorin pääakselille eli kampiakselille. Männästä välittyvä voima siis muuttuu kampiakselia kiertäväksi voimaksi, jota kutsutaan vääntömomentiksi.

Samalla voiman yksikkö muuttuu. Suoran voiman yksikkö on newton (N), mutta kun voiman välittäjän eli kiertokangen alapään etäisyys kampiakselista mitataan metreissä, syntyy vääntömomentin yksikkö newtonmetri (Nm) – siis yhden newtonin voima metrin pituisen kammen päässä akselista.

Saman vääntömomentin saa aikaan myös kahden newtonin voima 0,5 metrin päässä tai 4 newtonia 25 sentin päässä.

Kampiakselilta mitataan myös se kiinnostavampi, moottorin valintaan suuresti vaikuttava tieto eli teho. Ja sillä on suora yhteys vääntömomenttiin.

Teho on vääntömomentin ja kierrosluvun (tarkemmin kulmanopeuden) tulo. Kyse on siis kertolaskusta. Mitä suuremmalla pyörimisnopeudella jokin tietty vääntömomentti saavutetaan, sitä suurempi on moottorin teho. Ja jos kierrosnopeus pysyy samana, antaa suurempivääntöinen moottori myös suuremman tehon.

Tehon perusyksikkö watti on itse asiassa ”newtonmetri sekunnissa” (1 Nm/s). Sekunti jakajaan tulee siitä, että kulmanopeus kertoo, kuinka monta radiaania kampiakseli pyörii sekunnin aikana.

Veneellä ajettaessa sitä vie eteenpäin vääntömomentti – nimenomaan potkurin vääntömomentti. Potkurin vääntömomentti ei silti yleensä ole sama kuin moottorin vääntö, sillä välissä on kulmavaihde.

Jos kulmavaihteen hammaspyörien välityssuhde on vaikkapa 1:2, vaihteessa pyörimisnopeus tippuu puoleen mutta vääntömomentti tuplaantuu. Näin kulmavaihteen hammasluvuilla saadaan moottorin kierrosnopeus pudotettua potkurille sopivaksi. Moottorin teho ei tässä prosessissa muutu, mutta vääntö muuttuu.

Kahva välittää toiveen

Kun moottorin kaasukahvaa liikutetaan, mitä oikeastaan tehdään? Silloin vaikutetaan vääntömomenttitoiveeseen lisäämällä tai vähentämällä moottorin ilmamäärää.

Kaasukahva ohjaa bensiinikäyttöisissä moottoreissa kaasuläppää, jonka tehtävänä on annostella moottorille sopiva ilmamäärä haluttua vääntömomenttia varten.

Moottorin vääntömomentti syntyy polttoaineen energiasta, mutta polttoaineella ja ilmalla on aina oltava tietty seossuhde. Kaasuttimen tai ruiskun tehtävä onkin syöttää ilman sekaan juuri oikea määrä polttoainetta.

Teoreettisesti oikea ilmamäärä yhden bensiinikilon polttamiseksi on 14,7 kilogrammaa ilmaa, ja seossuhde voi yleensä poiketa tästä vain kymmenisen prosenttia suuntaansa, jotta palaminen on edes mahdollista. Liian rikas tai laiha seos ei ole syttymiskelpoista.

Moottorin ominaisuudet kerrotaan täyden kaasun teho- ja vääntökäyrillä. Vääntökäyrä (sininen) on laakeampi ja alkaa yleensä laskea suuremmilla kierroksilla. Tehokäyrä (punainen) syntyy vääntökäyrän ja käyntinopeuden kertolaskun tuloksena, joten se nousee jyrkästi lähes loppuun saakka.

Valmistajan ilmoittama moottorin vääntömomenttikäyrä on aina mitattu täyskaasulla, joten vääntömomentti voi olla myös pienempi, mikäli ei ole tarvetta täyskaasuajoon.

Kaasukahvan liikuttamisella voidaan esittää toive halutusta vääntömomentista, ja moottorin antama momentti on maksimissaan se, mihin kohtaan momenttikäyrä kipuaa kyseisellä käyntinopeudella. Pienellä kaasukahvan asennolla momentti on vähäisempi.

Täyden kaasun momenttikäyrästä havaitaan, että ensin momentti nousee, mutta kierrosluvun kasvaessa se alkaa taas laskea. Tämän laskun aiheuttaa ilman puute, kun kaikki moottorin tarvitsema ilma ei korkealla kierrosluvulla enää mahdu imukanavista sisään. Siksi moottorille ei myöskään voi syöttää enempää bensiiniä. Seurauksena on sylinteripaineen ja sen myötä vääntömomentin lasku.

Vaikka vääntömomentti korkeilla kierroksilla jo laskeekin, tehokäyrä nousee vielä ylöspäin. Tämä siksi, että kierrosluvun nousun vaikutus tehoon on suurempi kuin vääntömomentin laskun. Jossain pisteessä tämäkin suhde muuttuu, ja teho alkaa laskea.

Tuossa pisteessä on moottorin maksimiteho, eli se lukema, joka konekopassa ilmoitetaan.

Lue myös nämä

X