Moottoritekniikka
 
 Pääsivulle
 Tekniikkaa-sivulle

Moottoritekniikka

Moottorin tekniikan tunteminen pääosin on tarpeen jopa tavalliselle autoilijalle jotta tämä osaisi esimerkiksi huomata milloin moottorissa on jotain vikaa, ja kenties päätellä mistä vika mahtaa johtua. Paljon tärkeämmäksi tekniikan tunteminen tulee silloin kun halutaan virittää moottoria lisätehon toivossa. Silloin pitää tietää mistä moottorin teho tulee, ja miten siihen voi vaikuttaa. Tämä juttu käsittelee moottorin toimintaa mekaanisena laitteena ja kertoo suunnilleen mitä moottorissa tapahtuu. Polttoainelaitteet ovat aivan oma lukunsa eikä niihin puututa tässä.

Polttomoottorin teho riippuu ainoastaan kahdesta asiasta. Siitä, kuinka paljon moottori onnistuu polttamaan polttoaineseosta ja moottorin hyötysuhteesta. Moottorin virittäminen tarkoittaa sitä, että yritetään saada enemmän seosta poltettua ja nostaa hyötysuhdetta jotta saataisiin lisää tehoa. Viritettäessä moottoriin tehdään muutoksia, ja näillä muutoksilla pyritään joko vaikuttamaan sylinterin täytökseen tai hyötysuhteeseen, tai sitten niillä vahvistetaan moottoria kestämään kasvanut teho.

Henkilöauton moottori on aina kompromissi. Moottoreilta halutaan monia ominaisuuksia jotka tahtovat sulkea toisensa pois. Jos halutaan matalille kierroksille voimakas vääntö, joudutaan sen takia hieman tinkimään korkeiden kierrosten tehosta. Jos taas haetaan mahdollisimman suurta huipputehoa korkeilla kierroksilla, kärsii vastaavasti alakierrosten vääntö. Samoin tekniikasta saatetaan joutua tinkimään tuotantokustannusten takia, jolloin moottoriin jää paljon käyttämätöntä potentiaalia. Niinpä normaalia tuotantomoottoria on mahdollista virittää tehokkaammaksi käyttämällä parempia osia kuin valmistaja ja muuttamalla moottorin toimintaa.

Sylinterinkansi

Sylinterinkansi on osa, joka hyvin pitkälle määrää moottorin toiminnan ja tehon. Toiminnallisesti se on moottorin tärkein kokonaisuus, ja moottorin virittäminenkin tapahtuu suurelta osin muuttamalla sylinterinkannen toimintaa jollakin tavalla. Sylinterinkannessa on imu- ja pakoventtiilit sekä -kanavat sekä venttiilikoneisto. Käytännössä kaikissa nykyisissä moottoreissa ja myös useimmissa Corsissa sylinterinkannesta (tai tarkkaan ottaen sen yläpuolelta) löytyy myös nokka-akseli tai -akselit.

Nokka-akseli

Nokka-akseli on akseli, johon on muotoiltu "nokkia" jotka akselin pyöriessä vuorollaan painavat venttiilit auki ja noustessaan taas sulkevat venttiilit. Nokka-akselin nokkien muotoiluun onkin "ohjelmoitu" venttiilien avautumiset ja sulkeutumiset. Nokka-akseli määrää hyvin pitkälle moottorin luonteen, ja nokka-akselia muuttamalla voidaan moottoria säätää toimimaan toisella tavalla. Venttiilien avautumisajankohta ja avautumisen määrä vaikuttavat merkittävästi siihen kuinka paljon polttoaineseosta saadaan sylinteriin imettyä ja sylinterin täytös vaikuttaa merkittävästi siihen paljonko moottorista saadaan tehoa. Massan hitaudesta johtuen polttoaineseos käyttäytyy moottorissa täysin eri tavalla matalilla kierroksilla verrattuna siihen miten seos käyttäytyy korkeilla kierroksilla, ja tästä johtuu se että hyvää alavääntöä ja suurta huipputehoa on vaikea yhdistää samassa moottorissa.

Nelitahtimoottori

Tavallisessa polttomoottorissa on neljä tahtia. Imu-, puristus-, työ- ja poistotahti. Imutahdin aikana mäntä liikkuu sylinterissä alaspäin ja imee sylinteriin polttoaineseosta avoimen imuventtiilin kautta. Puristustahdissa imuventtiili sulkeutuu ja mäntä liikkuu ylöspäin ja puristaa seoksen kasaan. Työtahdin alussa sytytystulppa sytyttää puristetun polttoaineseoksen ja palamiskaasujen paine painaa männ&a uml;n alas. Poistotahtissa pakoventtiili aukeaa ja mäntä nousee työntäen pakokaasut ulos sylinteristä edellään. Tämän jälkeen kierto alkaa alusta. Nelisylinterisessä moottorissa on jatkuvasti käynnissä kaikki neljä tahtia eri sylintereissä. Samalla kun yhdessä sylinterissä on männän laskeutuessa käynnissä imutahti, on toisessa sylinterissä käynnissä työtahti joka tuottaa energian jolla moottori pyörii. Toisissa kahdessa sylinterissä taas on samaan aikaan käynnissä männän noustessa toisessa puristustahti ja toisessa poistotahti.

Venttiilien ajoitus

Korkeilla kierroksilla paras sylinterin täytös saadaan aikaan kun poistotahdin jälkeen pakoventtiili ei sulkeudu välittömästi, vaan se jää auki vielä imutahdin alun ajaksi kun mäntä on jo matkalla alaspäin ja imee sylinteriin uutta seosta. Korkeilla kierroksilla pakokaasujen virtausnopeus on niin suuri, että virtaus pakoventtiilistä ulos jatkuu senkin jälkeen kun mäntä on jo ylittänyt yläkuolokohdan ja on matkalla alaspäin sylinterissä. Tuo virtaus vetää uutta polttoaineseosta perässään, ja venttiilien yhdenaikaisella aukiololla (eli overlapilla) saadaankin parannettua sylinterin täytöstä korkeilla kierroksilla ja siten nostettua huipputehoa. Samoin imutahdin päätteeksi imuventtiili ei sulkeudukaan heti, vaan venttiili pysyy auki vielä silloin kun puristustahti on alkamassa ja mäntä on ohittanut alakuolokohdan ja on jo matkalla ylöspäin. Polttoaineseoksen virtausnopeus on niin suuri, että se virtaa imukanavista pitkään omalla painollaan nousevaa mäntää vastaan. Haittapuolena on sitten huonontunut toiminta alakierroksilla, kun seokseen ja pakokaasuihin vaikuttavat hitausmomentit ovat paljon pienemmät. Kun imuventtiili jää auki puristustahdin aluksi ei hitaasti virtaava seos pysty vastustamaan männän aiheuttamaa painetta, vaan polttoaineseos vaihtaa suuntaa ja alkaa virrata takaisin imukanavaan. Samoin käy pakotahdin jälkeen pakokaasuille kun pakoventtiili jää auki imutahdin aluksi. Alaspäin liikkuva mäntä vetääkin osan pakokaasuista takaisin sylinteriin avonaisen pakoventtiilin kautta. Korkeille kierroksille saadaan paljon tehoa, mutta alakierroksilla moottori ei enää toimi läheskään optimaalisesti ja vääntö kärsii.

Alakierroksilla moottori toimii parhaiten kun venttiilien aukiolo on lyhytaikaista. Imuventtiili sulkeutuu imutahdin päätteeksi pian, jolloin paluuvirtaus imukanavaan estyy. Samoin pakotahdin päätteksi sulkeutuu pakoventtiili pian etteivät pakokaasut virtaa takaisin sylinteriin. Venttiilien aukiolon päällekkäisyys on hyvin v& auml;häistä. Näillä keinoin saadaan sylinterin täytös alakierroksilla mahdollisimman hyväksi ja vääntö on hyvä. Vastaavasti korkeilla kierroksilla vain lyhyen hetken auki olevat venttiilit alkavat ahdistaa ja sylinterin täytös jää pieneksi ja teho kärsii.

Moottorin käyttöalueen laajentaminen

Tuotantomoottoreissa pitää tasapainoilla näiden kahden ääripään välillä. Useimmiten päädytään kompromissiin, jossa ei painoteta kumpaakaan ääripäätä, vaan moottori viritetään toimimaan tehokkaasti keskikierrosalueella jolloin alavääntö ei kärsi liikaa ja korkeillakin kierroksilla on vielä tehoa. Moottorin toiminta-aluetta voidaan kuitenkin laajentaa tekniikan keinoin. Vapaastihengittävän moottorin vetoaluetta voidaan laajentaa käyttämällä muuttuvaa venttiilien ajoitusta ja nostoa, jolloin saadaan yhdistettyä samaan moottoriin suuri teho ja hyvä alavääntö. Muuttuvaa venttiilinajoitusta on kuitenkin käytännössä mahdotonta rakentaa jälkeenpäin, joten sitä keinoa ei voi käyttää moottorin virittämisessä jos ei moottorissa ole muuttuvaa ajoitusta alkujaan. Opelin moottoreissa ei ole muuttuvaa ajoitusta. Toinen vaihtoehto on moottorin ahtaminen, jolloin polttoaineseos painetaan sylinteriin paineella ja täytös saadaan hyväksi parhaimmillaan läpi koko kierrosalueen. Ahdetun koneen erityinen etu on mahtava vääntö, eli pieni ahdettu kone vääntää yhtä voimakkaasti kuin paljon isompi vapaastihengittävä. Yleisin nykyään käytetty ahdintyyppi on turboahdin, joka käyttää pakokaasujen hukkatehoa turbiinin pyörittämiseen, ja turbiini pyörittää kompressoria joka painaa ilmaa moottoriin. Toinen vaihtoehto on mekaaninen ahdin jota pyörittää kampiakseli esimerkiksi hihnan välityksellä. Turboahtimen suosio perustuu siihen, että se on hyötysuhteeltaan parempi kuin mekaaninen ahdin koska se hyödyntää pakokaasujen hukkatehoa. Turboahtimella saadaan siis ainakin teoriassa pienempi polttoaineenkulutus, kun moottorin tehosta ei tarvitse käyttää niin paljoa ahtimen pyörittämiseen kuin mekaanisessa ahtimessa. Ahtimen voi asentaa moottoriin myös jälkikäteen, ja ahtamalla on mahdollista saavuttaa todella suuria tehoja.

Puristussuhde

Yksi merkittävä asia polttomoottorin toiminnalle on puristussuhde. Puristussuhde tarkoittaa sitä, kuinka pieneen tilaan polttoaineseos puristetaan puristustahdin aikana. Tavallisesti vapaastihengittävän (eli ahtamattoman) moottorin puristussuhde on välillä 9:1 - 10:1. Esimerkiksi jos suhde on 10:1, puristetaan seos sylinteriss&au ml; puristustahdissa tilavuudeltaan yhteen kymmenesosaan vapaasta tilavuudestaan. Puristussuhde on sikäli merkityksellinen koska se vaikuttaa suoraan moottorin termiseen hyötysuhteeseen, eli siihen paljonko polttoaineesta saadaan energiaa sen palaessa. Mitä korkeampi puristussuhde, sitä parempi hyötysuhde. Puristussuhdetta ei kuitenkaan voi rajattomasti nostaa polttoaineen huonon puristuskestävyyden takia. Kun polttoaineseos puristetaan kasaan kuumenee se huomattavasti, mitä korkeampi puristussuhde, sitä enemmän seos kuumenee. Polttoaineella on vain rajallinen puristuskestävyys, ja kun tuo raja saavutetaan tapahtuu itsesytytys, eli polttoaine syttyy palamaan itsekseen josta seuraa nopea liekkirintama joka vielä törmää sytytystulpan sytyttämään liekkirintamaan. Kun nämä liekkirintamat kohtaavat syntyy paineisku, joka rasittaa moottoria huomattavasti ja voi jopa puhkaista männät. Tämä ilmiö tu nnetaan nakutuksena, ja siitä lähteekin voimakas kaliseva tai nakuttava ääni josta ilmiö on saanut nimensä. Mikäli moottori rupeaa kalkattamaan kuormituksessa kannattaakin välittömästi keventää kaasua jotta vahingoilta vältyttäisiin. Moottorin puristussuhdetta voi nostaa jälkikäteen kahdella tavalla. Paras ja hintaa lukuunottamatta suositeltavin tapa on vaihtaa männät korkeampiin, jolloin puristussuhde nousee. Paljon halvempi keino on sylinterinkannen laskeminen, jolloin sylinterinkannesta höylätään materiaalia pois siten että kansi madaltuu ja puristussuhde nousee.

 Pääsivulle
 Tekniikkaa-sivulle