Autodiagnoosi  Carcom Oy

Nakutus ja esisytytys: epänormaalit palotapahtumat

  • 3 Vastauksia
  • 30654 Lukukerrat

0 jäsentä ja 1 Vieras katselee tätä aihetta.

Poissa Jktku

  • De Luxe
  • *
  • Viestejä: 164
  • www.vrcf.fi
2000-luvun puolivälissä sain käsiini Allen W. Clinen artikkelin, joka käsitteli kahta epänormaalia palotapahtumaa: nakutusta ja esisytytystä. Artikkelista oli silloin minulle paljonkin iloa, ja se avasi hyvin, mistä näissä asioissa on kysymys.

Käänsin artikkelin suomeksi ja se on nyt luettavissa tässä alla. Tästä on varmasti monelle muullekin iloa Volvon moottorien parissa. Alla oleva teksti siis ei ole minun omaa tuotantoa, vaan se on käännetty Allen W. Clinen kirjoittamasta tekstistä:




Perusasioita moottorista: Nakutus ja esisytytys
Kirjoittanut Allen W. Cline

Tämä artikkeli julkaistiin alun perin Contact!-lehden vuoden 2000 tammi-helmikuun numerossa. Tätä lehteä julkaistaan joka toinen kuukausi ja julkaisijana on voittoa tavoittelematon yhdistys AEE (Aeronautics Education Enterprises).

Kaikki korkeatehoiset moottorit ovat taipuvaisia vaurioitumaan, jos niissä käytetään liiallista ahtopainetta, niiden polttoaineen syötössä esiintyy häiriöitä, niiden säädöt eivät ole kohdillaan tai niiden jäähdytyskapasiteetti ei ole riittävä.  Moottoreiden parissa toimivat pyrkivät jatkuvasti yhä korkeampiin moottoritehoihin. Viritysasteen noustessa useat ovat saaneet havaita, että sylinterissä tapahtuva palotapahtuma ei välttämättä enää kaikissa tilanteissa tapahdu hallitusti, ja tämän seurauksena moottori hajoaa. Tässä artikkelissa kuvataan kaksi eri moottorin vaurioitumistapaa: nakutus ja esisytytys. Niistä kumpikin on paitsi erittäin haitallinen, myös harmittavan vaikeasti havaittavissa. Tämän artikkelin on tarkoitus kuvata vain tämän aihealueen perusteita. Aiheesta on kirjoitettu kokonaisia kirjoja.

Tarkastellaan ensin tavallista palotapahtumaa. Tavallisella palotapahtumalla tarkoitetaan prosessia, jossa polttoaineen ja ilman seos palaa moottorin palotilassa. Palotapahtuman tulisi alkaa sytytystulpasta ja sen tulisi edetä tasaisesti ja kolmiulotteisesti palotilan läpi. Kiven osuessa tasaisen veden pintaan lähtee vesi väreilemään osumakohdasta aaltomaisesti ja tasaisesti edeten kohti astian reunoja. Normaali palotapahtuma etenee samalla tavalla hallitusti.  Se kulkee läpi koko palotilan ja se jäähtyy palorintaman osuessa sylinterin seinämiin ja männän lakeen. Palotapahtuman päätyttyä sylinterissä ei tulisi olla enää polttoaineen ja ilman seosta jäljellä. Huomaa, että seos ei räjähdä vaan palaa hallitusti.

Polttomoottoreiden kohdalla voidaan puhua myös toisenlaisesta määreestä määriteltäessä palotapahtumaa. Tämä määre on ”palotapahtuman aikaansaaman sylinteripaineen huippuarvon sijainti”, location of peak pressure (jatkossa  LPP).  Tämä voidaan mitata sylinterin painetta reaaliajassa mittaavalla anturilla. Ihannetilanteessa LPP:n tulisi olla käsillä, kun kampiakseli on asennossa 14 astetta yläkuolonkohdan jälkeen. Ihannetilanteessa sytytys ajoitettaisiin tapahtuvan niin, että palotapahtuma etenisi sylinterissä ja palotapahtuman aikaansaama korkein painehuippu (= LPP) osuisi siihen hetkeen, jolloin kampiakseli olisi kääntynyt 14 astetta yläkuolonkohdasta.  Tämä sytytyksen ajoitushetki voisi olla esimerkiksi 20 astetta ennen yläkuolonkohtaa. Siihen, että mikä tämä oikea sytytysennakon määrä on, vaikuttaa palotilan muotoilu ja palotapahtuman etenemisnopeus. Moottori on mekaaninen laite, ja siksi LPP riippuu moottorin mekaanisista ominaisuuksista. Mikäli LPP tapahtuu liian aikaisin tai liian myöhään suhteessa kampiakselin asentoon, moottori ei tällöin käytä kaikkea palotapahtumasta saatavissa olevaa energiaa hyödykseen. Tästä syystä LPP on aina 14 astetta yläkuolonkohdan jälkeen.

Esittelen käsitteen LPP tässä vaiheessa tuodakseni esille sen, että moottorin tavallisen palotapahtuman aikana esiintyy tyypillinen paineen nousu (puristustahti ja palotapahtuma) sekä tyypillinen paineen lasku (männän liike alaspäin ja pakoventtiilin avautuminen), ja näitä paineen muutoskäyriä voidaan pitää normaaleina, jos ne tapahtuvat tasaisesti ja hallitusti ja samanaikaisesti LPP (paineen huippuarvo) osuu kohdalle silloin, kun kampiakseli on kääntynyt 14 astetta yläkuolonkohdasta.

Meidän laajennettu tavallisen palotapahtuman määritelmä toteaa nyt, että tavallisessa palotapahtumassa palotapahtuma alkaa sytytystulpasta, etenee tasaisesti läpi palotilan ja LPP tapahtuu kohdassa, jossa kampiakseli on kääntynyt 14 astetta yläkuolonkohdasta.

Käsitteisiin NAKUTUS ja ESISYTYTYS liittyy paljon kysymyksiä ja paljon epäselvyyksiä ja väärinkäsityksiä. Joskus kuulee puhuttavan virheellisistäkin termeistä, kuten esinakutuksesta. Nakutus on yksi epänormaalin palotapahtuman esiintymä. Esisytytys on kokonaan toinen epänormaalin palotapahtuman esiintymä. Nämä kaksi liittyvät joissain määrin toisiinsa, mutta ne ovat kuitenkin kaksi hyvin erityyppistä ilmiötä, jotka voivat saada aikaan hyvin erityyppisiä vaurioita.

Keskeisimmät määritteet

Nakutus:
Nakutuksella tarkoitetaan palotilan jäännöskaasujen (sylinterissä jäljellä olevan polttoaineen ja ilman seoksen) spontaania syttymistä. Jäännöskaasut siis syttyvät itsestään. Nakutus tapahtuu aina sen jälkeen, kun tavallinen palotapahtuma on jo lähtenyt käyntiin normaalisti sytytystulpasta. Palotapahtuma alkaa siis juuri niin kuin sen pitääkin ja palotapahtuma alkaa edetä normaalisti. Jostain syystä, usein paineen ja lämpötilan vaikutuksesta, jäännöskaasut syttyvät hallitsemattomasti. Tässä tärkein huomioitava asia on se, että nakutus tapahtuu aina sen jälkeen, kun palotapahtuma on käynnistetty normaalisti sytytystulpasta.

Esisytytys:
Esisytytyksellä tarkoitetaan sitä, että ilman ja polttoaineen seos syttyy ennen kuin sytytystulppa lyö kipinän. Sytytystulpan kipinä ei siis määritä syttymishetkeä, vaan jokin muu saa seoksen syttymään ennen sitä. Kaikissa sellaisissa tilanteissa on kyse esisytytyksestä. Nakutus ja esisytytys ovat siis kaksi aivan erilaista tapahtumaa, ja molemmissa on kysymys epänormaalista tapahtumasta.

Nakutus

Vielä palamatta olevat jäännöskaasut sylinterissä syttyvät itsestään äkillisesti. Jäännöskaasujen syttymisen syynä on tavallisesta progressiivisesti etenevästä palotapahtumasta aiheutuva paineen ja lämpötilan nousu. Sylinterissä sillä hetkellä jäljellä olevan jäännöskaasun polttoaineen oktaaniarvo on yksinkertaisesti liian alhainen sietääkseen tätä lämmön ja paineen nousun yhdistelmää.

Nakutus saa aikaan hyvin korkean ja erittäin terävän painepiikin sylinterissä. Toisin sanoen sylinterinpaine nousee hetkeksi hyvin korkeaksi. Tämän painepiikin kesto on hyvin lyhyt. Mikäli tarkasteltaisiin palotilan paineanturin piirtämää painekäyrää tällaisessa tilanteessa, nähtäisiin siinä ensin tavallisen palotapahtuman aikaansaama tavallinen paineen nousu, mutta sitten yht’äkkiä painekäyrässä näkyisi hyvin terävä piikki. Tämä terävä piikki olisi nakutustapahtuma. Nakutuksen aikaansaama piikki painekäyrässä näkyy aina sen jälkeen, kun sytytystulppa on jo lyönyt kipinän. Terävä painepiikki saa aikaan voiman palotilassa. Tämä voima aiheuttaa värähtelyä moottorin rakenteessa. Värähtelyä voisi kuvata samanlaisena resonanssina, jota syntyisi, jos moottoria lyötäisiin vasaralla. Nakutukselle ominainen värähtely tapahtuu noin 6400 Hz taajuudella. Käytännössä siis se nakutus, jonka voit kuulla, on siis moottorin rakenteen värähtelyä ja sen värähtelyn aikaansaamaa ääntä. Tätä ääntä tai värähtelyä kutsutaan yleensä sytytys-nakutukseksi (toim.huom. englanninkieliselle termille spark knock ei ole yleisesti käytössä olevaa suomenkielistä termiä, joka poikkeaisi sanasta nakutus. Käytännössä kyse on siis nakutuksesta). Ääni on vain vähän erilainen alumiinirakenteisessa moottorissa verrattuna rautarakenteiseen moottoriin. Tämä värähtely ja sen aikaansaama soiva ääni on myös se signaali, jonka nakutusanturi tunnistaa. Nakutusanturit on viritetty 6400 Hz taajuudelle. Nakutuksessa kuuluva ääni ei siis aiheudu siitä, että ”kaksi liekkirintamaa törmäävät toisiinsa”, kuten usein kuulee todettavan. Vaikka tämä liekkirintamien törmääminen saa aikaan painepiikin palotilassa, niin nakutuksessa kuuluvassa äänessä on kyse siitä, että moottorin metallinen rakenne reagoi tähän äkilliseen paineen nousuun ja sen aikaansaamaan voimaan.

Yksi tärkeä asia nakutuksesta puhuttaessa on se, että nakutus ei välttämättä aina saa aikaan vaurioita. Monet moottorit käyvät niin, että palotilassa tapahtuu kevyttä tai jopa kohtalaista nakutusta. Joidenkin moottoreiden on mahdollista sietää jopa kohtuullisen kovaa nakutusta hyvinkin pitkään yhtäjaksoisesti ilman, että moottorille aiheutuu tästä vaurioita. Jos olet ajanut moottoritiellä autoa, jonka moottorissa on reippaasti sytytysennakkoa, saatat kuulla sen nakuttavan. Moottorilla voidaan ajaa näin tuhansia ja tuhansia kilometrejä. Nakutus ei siis välttämättä ja kaikissa olosuhteissa ole tuhoisaa. Se ei koskaan ole optimitilanne, mutta sen esiintyminen ei myöskään ole kaikissa tilanteissa tae siitä, että moottori hajoaa välittömästi. Mitä korkeampi on moottorin viritysaste ja litrateho (hevosvoimaa per litra, alkuperäisessä artikkelissa hevosvoimaa per kuutiotuuma), sitä herkempi se on nakutuksen haittavaikutuksille. Moottori, josta on otettu 30,5 hevosvoimaa / litra (0,5 hp /kuutiotuuma) tai vähemmän, kestää kohtalaista nakutusta vaurioitumatta, mutta moottori, josta on otettu 91,5 hevosvoimaa / litra (1,5 hp / kuutiotuuma) todennäköisesti hajoaa nakutukseen kohtalaisen nopeasti. Kohtalaisen nopea hajoaminen tarkoittaa tässä yhteydessä hajoamista muutamien minuuttien sisällä.

Nakutus saa aikaan kolmenlaisia vaurioita:
1.   Mekaaniset vauriot (hajonneet männänrenkaiden urat)
2.   Hankaumat ja hiertymät (männän laen eroosio, pieniä koloja männän laessa)
3.   Ylikuumeneminen (naarmuuntuneet männän helmat, jotka johtuvat liiallisesta lämmöstä tai liian korkeasta jäähdytysveden lämpötilasta)

Nakutuksen aikaansaaman painepiikin iskumainen luonne voi aiheuttaa murtumia. Se voi murtaa irti sytytystulpan elektrodin, sytytystulpan posliinisen eristeen, aiheuttaa murtumia männänrenkaiden urissa ja se voi jopa aiheuttaa murtumia imu- ja pakoventtiileissä. Männänrenkaiden urat ovat herkkiä juuri murtumisvaurioille. Jos minä katsoisin mäntää, joka on haljennut männänrenkaiden alueelta, ensimmäiseksi epäilisin nakutusta.

Nakutus voi saada aikaan myös hiekkapuhallettua pintaa muistuttavat vauriot männän lakeen.  Erityisesti männän laen ulkoreunat näyttävät usein hiekkapuhalletulta, jos moottori on nakuttanut. Mikroskoopilla tarkasteltaessa pinta on täynnä koloja; se muistuttaa reikäisen juuston rakennetta. Nakutus saa aikaan mekaanista iskevää voimaa, joka käytännössä mekaanisesti kuluttaa männän pintaa ja saa aikaan väsymismurtumia sen pinnassa. Tyypillisesti tämä hiekkapuhallettu pintarakenne muodostuu siihen osaan palotilaa, joka on kauimpana sytytystulpasta. Tämä johtuu siitä, että sytytystulpan lyötyä kipinän ja palotapahtuman alettua se etenee normaalisti alkaen sytytystulpan alueelta ja jatkaen kohti palotilan reunoja. Jäännöskaasut ovat tällöin luonnollisesti niillä reuna-alueilla, johon tavallisesti etenevä palotapahtuma ei ole vielä ehtinyt, kun nakutus tapahtuu. Joissain moottoreissa nakutuksen jäljet näkyvät palotilan kuumimmassa osassa, mahdollisesti lähellä pakoventtiiliä. Sellaisessa tapauksessa pakoventtiilin lämpö on saanut aikaan yhdessä etenevän palotapahtuman paineennousun kanssa aikaan nakutuksen.

Neliventtiilisessä palotilassa, jossa on harjakaton muotoinen palotilan yläosa, sytytystulppa on usein keskellä palotilaa. Palotila on kohtuullisen yhtenäinen sytytystulpan ympärillä. Näissäkin palotiloissa saattaa olla mahdollista nähdä nakutuksen jälkiä pakoventtiilin lähettyvillä. Tämä johtuu siitä, että se alue on usein kuumin alue palotilassa. Siellä, missä jäännöskaasujen lämpötila on korkeimmillaan, on myös nakutuksen todennäköisyys suurimmillaan. Siksi siellä jos missään nakutus tapahtuu ja sen aikaansaamat vauriot näkyvät.

Koska tämä painepiikki on erittäin voimakas ja lyhytkestoinen, se pystyy rikkomaan mäntää suojaavan ja sitä ympäröivän molekyylitasoisen kaasun suojakerroksen. Palotapahtuman lämpötila on yli 980 Celsiusastetta (1800 Fahrenheit-astetta). Mikäli alumiininen mäntä asetettaisiin 980 Celsiusasteeseen, se yksinkertaisesti sulaisi. Syy siihen, miksi mäntä ei moottorin sisällä palotapahtuman aikana sula, on lämpöhitaus (thermal inertia, hitauden aste, jolla kappaleen lämpötila saavuttaa ympäröivän lämpötilan) sekä männän päällä oleva muutaman molekyylin paksuinen rajakerros kaasua (boundary layer). Tämä ohut kerros eristää liekkirintaman männästä ja saa aikaan liekkirintaman lämpötilan laskun sen lähestyessä tätä suhteellisesti kylmää pintaa. Näiden kahden vaikutus yhdessä suojaa tavallisesti mäntää ja palotilaa ja estävät ylenmääräisen lämmön siirtymisen niihin. Kuitenkin äärimmäisissä olosuhteissa nakutuksen aikaansaama shokkiaalto ja iskevä painepiikki voivat rikkoa tämän molekyylitason rajakerroksen. Kun rajakerros ei ole enää ehjä, lämpöä pääsee siirtymään osiin erittäin paljon.

Nakuttavat moottorit tyypillisesti ylikuumenevat, koska sylinterikantta vasten ollut kaasun rajakerros rikkoutuu, jonka jälkeen palotapahtuman lämpö pääsee siirtymään tehokkaammin sylinterikanteen ja sitä kautta jäähdytysveteen. Tällöin moottori alkaa ylikuumentua. Ylikuumentunut moottori on kuumempi, jolloin jäännöskaasujen lämpötilakin on korkeampi. Kun jäännöskaasujen lämpötila nousee, kone nakuttaa enemmän ja yhä edelleen enemmän lämpöä siirtyy jäähdytysveteen, ja moottorin lämpötila jatkaa nousuaan. Kyseessä on vierivän lumipallon tavalla kasvava kierre. Tästä johtuen ylikuumentunut moottori nakuttaa herkästi, ja vastaavasti nakuttava moottori ylikuumenee herkästi.

Usein voidaan havaita männän naarmuuntuneen ”neljästä kulmastaan”. Jos katsot mäntää pohjasta päin, näet ulokkeet, joiden sisällä on männäntappi. Kumpikin uloke on täyttä alumiinia, eikä tämä kohta männästä jousta juurikaan. Ne lämpölaajenevat suoraan kohti sylinterin seinämää. Männän helmat taas ovat suhteellisen joustavat. Helmojen kuumentuessa ne voivat taipua. Männän lakiosa on tarkoituksella halkaisijaltaan hieman pienempi kuin helmaosa, jotta lakiosa ei laajentuessaan ottaisi kiinni sylinterin seinämään. Mikäli mäntään siirtyy paljon lämpöä, esimerkiksi nakutuksesta johtuen, mäntä laajenee enemmän kuin tavallisessa palotapahtumassa ja se ottaa kiinni sylinterin seinään. Tämä saa aikaan neljä naarmujälkeä männäntapin ympäristössä. Tämäkin on yksi selkeä merkki siitä, että moottori on nakuttanut. Usein nakutuksen aikaansaamat vahingot rajoittuvat näihin neljään naarmuun.

Joillain moottorityypeillä, kuten moottorikelkoissa, vesikulkuneuvoissa ja moottoripyörissä käytettävillä nestejäähdytteisillä kaksitahtikoneilla, on tyypillinen nakutuksen aikaansaama tapa vaurioitua. Näissä moottoreissa käy tavallisesti niin, että nakutus johtaa männän liialliseen lämpölaajenemiseen, jonka johdosta mäntä hankautuu sylinteriseinämiä vasten. Tästä seuraa se, että männänrengasuriin siirtyy hankautumisessa irtoavaa materiaalia. Renkaat jumiutuvat uriinsa eivätkä ne enää seuraa sylinterin seinämiä. Moottorin puristukset katoavat ja moottori joko lakkaa käymästä tai sitten ohivuoto männän välistä lisääntyy merkittävästi. Tämä kuuma ohivuoto polttaa alueen männästä Sen jälkeen moottori pysähtyy.

Tämän jälkeen korjaamolla joku katsoo sulanutta mäntää ja toteaa: ”Esisytytyksen aikaansaama moottoririkko”. Väärin! Kyseessä on nakutuksen aikaansaamat vauriot. Nakutus aiheutti männän laajenemisen ja sen hankautumisen sylinterin seinämää vasten, ja sen jälkeen tilanne paheni ja paheni. Lopulta puristuspaineet menetettiin. Kuumat kaasut virtasivat männän ja sylinteriseinämän välistä ja tämä aiheutti männän sulamisen. Toistan jälleen, että nakutus on aiheena paljon hämmennystä herättävä ja toisinaan on vaikeaa tarkasti osoittaa, että mitä on tapahtunut. Kuitenkin kun puhutaan nakutuksen aikaansaamista vaurioista, tämä on yksi tyypillisistä nakutuksen merkeistä.

Osa näistä esimerkeistä saattaa vaikuttaa pitkäveteisiltä, mutta ne on tärkeää mainita, sillä liian usein ”naarmuuntunut mäntä” tulkitaan merkiksi jostain muusta ongelmasta kuin nakutuksesta, ja nakutusta ei välttämättä edes pidetä mahdollisena syynä. Naarmuuntunut mäntä voikin siis olla merkki tällaisesta paljon vakavammasta ongelmasta, joka saattaa seuraavalla kerralla saada aikaan paljon suurempaa tuhoa, kuin vain jälkiä männässä.

Samasta aihekentästä on hyvä mainita vielä skenaario, jossa moottori toimii iloisesti ja hyvin käytettäessä sitä täydellä kaasulla (WOT-tilaantessa, wide open throttle), koska polttoaineen ja ilman suhde on rikas. Kun kaasuläppää suljetaan ja moottorin kuormitusta vähennetään seos saattaakin olla laihempi ja nakutus saattaakin tapahtua nyt osakaasulla. Bingo, mäntä ylikuumenee ja hankautuu sylinterin seiniin ja moottori vaurioituu. Moottorin purun ja osien tarkastuksen jälkeen nakutusta ei pidetä vaurion syynä, koska vaurio ei tapahtunut kaasu pohjassa –tilanteessa (eli WOT-tilanteessa).

Haluan erityisesti painottaa sitä, että nakutuksen aikaansaama painepiikki on hyvin lyhytkestoinen ja se tapahtuu aina sen jälkeen, kun sytytystulppa on normaalisti lyönyt kipinän. Useimmissa tilanteissa, kun moottori nakuttaa, kampiakseli on jo reilusti ohittanut yläkuolonkohdan ja mäntä liikkuu alaspäin sylinterissä. Palotilassa on jo valmiiksi korkea paine johtuen normaalin palotapahtuman etenemisestä. Paine painaa mäntää alaspäin, kuten sen kuuluukin tehdä, mutta kaiken tämän paineen päälle tulee vielä lisäksi lyhyt painepiikki, joka saa moottorin rakenteen värähtelemään ja soimaan.

Syyt nakutukselle

Nakutukseen vaikuttavat palotilan malli (muoto, koko, sytytystulpan sijainti), puristussuhde, moottorin ajoitus, seoksen lämpötila, sylinteripaine ja polttoaineen oktaaniarvo. Liian suuri sytytysennakko sytyttää seoksen liian aikaisin ja se nostaa sylinteripaineen liian korkeaksi. Tällöin jäännöskaasut syttyvät itsestään. Sytytysennakon vähentäminen lopettaa nakutuksen. Polttoaineen oktaanilukuun ei liity mitään taianomaista. Oktaaniluku kuvaa sitä, kuinka hyvin polttoaine vastustaa nakutusta. Se määritetään kokeellisesti erityisesti sitä tarkoitusta varten rakennetulla moottorilla, jossa polttoainetta käytetään ja moottorin puristussuhdetta muutetaan, kunnes tutkittava polttoaine alkaa nakuttaa. Tätä tulosta verrataan sitten standardipolttoaineeseen. Näin saadaan määritettyä tutkittavan polttoaineen oktaaniluku. Polttoaine saattaa sisältää useita eri ainesosia ja lisäaineita ja joillain polttoaineilla itsessään oktaaniluku on korkea. Esimerkiksi alkoholilla on bensiiniä korkeampi oktaaniluku, koska alkoholia käytetään enemmän suhteessa bensiiniin ilmamäärän pysyessä samana, ja tämä suurempi määrä polttonestettä jäähdyttää ilman ja polttonesteen seosta enemmän. Mikäli käyttämäsi polttoaineen oktaaniarvo on alhaisempi, kuin mitä moottorin puristussuhde ja sytytysennakko edellyttävät, seurauksena on nakutusta ja aikaisemmin kuvatun kaltaisia vaurioita.

Sarjatuotantomoottorit optimoidaan sille polttoainelaadulle, mitä markkina-alueella on saatavilla. Moottoreita suunnittelevat insinöörit käyttävät termiä MBT. MBT on lyhenne sanoista Minimum Spark for Best Torgue, eli pienin sytytsennakko, jolla saadaan paras vääntömomentti. Moottoria kannattaa käyttää MBT-ajoituksella aina kun mahdollista, eli MBT-ajoitus on aina haluttavin sytytysennakon määrä. Otetaan esimerkiksi seuraava moottorin toimintatilanne: 4000 rpm, WOT (täyskaasutilanne),  98 kPa MAP (imusarjan paine). Tässä tilanteessa moottorin ollessa dynamometrissä ja sen käyttäessä polttoainetta, joka ei nakuta, säädetään sytytysennakkoa. Sytytysennakkoa säädettäessä tullaan löytämään arvo, jolla moottoriteho on korkeimmillaan. Vähemmän ennakkoa kuin tämä optimiarvo, ja moottoriteho laskee. Enemmän ennakkoa kuin tämä optimiarvo, ja moottoriteho ei enää nouse.

Meidän moottorimme oli alun perin suunniteltu premiumluokan korkeaoktaaniselle polttoaineelle ja se oli säädetty toimimaan 20 asteen sytytysennakolla. Oletetaan nyt, että laittaisimme moottoriin polttoainetta, jonka oktaaniluku on alhaisempi. Tällöin huomataan, että moottori nakuttaa 20 asteen ennakolla. Vähennetään sytytysennakkoa ja käytetään uutena ennakkona 10 astetta, jotta nakutus saataisiin loppumaan. Moottori ei enää nakuta, mutta 10 asteen sytytysennakolla moottori ei toimi enää optimialueella. Moottori tuottaa noin 5-6 % vähemmän vääntöä. Tätä ei voida hyväksyä. Jotta moottori saadaan optimoitua tavalliselle, alhaisempioktaaniselle polttoaineelle moottorin suunnittelijat alentavat moottorin puristussuhdetta. Puristussuhteen alentaminen saa aikaan sen, että sytytysennakkoa voidaan taas lisätä, jolloin moottori saadaan jälleen toimimaan MBT-ajoituksella. Lopputulos on se, että puristussuhteen alentaminen vähentää moottorin tuottamaa vääntöä tyypillisesti 1-2 %. Tämä on parempi lopputulos kuin mitä saadaan aikaan korkeammalla puristussuhteella ja alennetulla sytytysennakolla. Moottorin testauksessa kerätyt tiedot määrittävät sen, että kuinka koskea puristussuhde voi olla, jotta voidaan käyttää MBT-ajoitusta.

Haluan painottaa sitä, että moottorin suunniteltu puristussuhde määritetään niin,  että hyötysuhde/moottoriteho saadaan maksimoitua käytettävissä olevalla polttoaineella. Puristussuhde on siis se parametri, jota moottorin suunnittelija muuttaa. Usein kun puhutaan jälkimarkkinoista ja viritetyistä moottoreista tilanne on päinvastoin. Valitaan jokin tietty puristussuhde, ja loppukäyttäjä pyrkii saamaan käsiinsä riittävän korkeaoktaanista polttoainetta tai sitten sytytysennakko säädetään sellaiseksi, että valittu ja lukittu puristussuhde saadaan toimimaan…tai sitten moottori nakuttaa ja vaurioituu.

Toinen seikka, jolla asiaan voidaan vaikuttaa, on palotilan palonopeus. Tästä syystä olet saattanut kuulla nykyaikaisten moottorien yhteydessä nopeasti polttavista palotiloista (fast burn chamber ja quick burn chamber). Mitä korkeampi on palotilan palonopeus, sitä paremmin se vastustaa nakutusta. Kyseessä on hyvin yksinkertainen ilmiö: mitä nopeammin polttoaineseos palaa, sen nopeammin palotapahtuma on ohi. Tällöin jäännöskaasuille yksinkertaisesti jää vähemmän aikaa alkaa nakuttamaan. Jos jäännöskaasuilla ei ole mahdollisuutta oleskella pitkään palotilan reunamilla ja imeä itseensä palotapahtuman lämpöä, ja kun palotapahtuman aikaansaama paineennousu vaikuttaa jäännöskaasuihin lyhyemmän ajan, ei jäännöskaasuilla ole mahdollisuutta syttyä.

Jos taas palotila on sellainen, että se polttaa seoksen hitaasti, kuten 1960-luvun moottoreissa, sytytysennakkoa pitää olla paljon. Sytytysennakko voi tällaisessa moottorissa olla esimerkiksi 38 astetta ennen yläkuolonkohtaa. Koska LPP (optimikohta sille hetkelle, jolloin palotilan paine on korkeimmillaan) on edelleen sama 14 astetta yläkuolonkohdan jälkeen, pitää sytytys aloittaa hitaasti palavassa palotilassa aikaisemmin. Tällöin jäännöskaasuihin kohdistuu palotapahtuman painetta ja sen lämpöä pidemmän ajan ja siksi sillä on hitaasti palavassa palotilassa paljon otollisemmat olosuhteet nakutukselle. Jos meillä olisi nopeasti polttava palotila, jossa voitaisiin käyttää 15 asteen sytytysennakkoa, saadaan nakutuksen mahdollistavaa aikaikkunaa pienennettyä oleellisesti. Kyseessä on mekaaninen ilmiö. Siksi nopeasti polttava palotila on haluttava: se vastustaa nakutusta paremmin.

Nopeasti polttavalla palotilalla on muitakin etuja. Nopeasti polttavassa palotilassa tarvitaan vähemmän sytytysennakkoa. Tällöin männän tarvitsee tehdä töitä laajenevaa palotapahtumaa vasten lyhyemmän ajan, ja ilmapumpusta, eli moottorista, tulee hyötysuhteeltaan parempi. Pumppaushäviöt pienenevät. Toisin sanonen, kun mäntä on matkalla ylöspäin kohti yläkuolonkohtaa puristustahdin loppuosassa ilman ja polttoaineen seoksen ja sen palamisen aikaansaama puristusvoima kasvaa. Jos palotapahtuma aloitetaan 38 astetta ennen yläkuolonkohtaa, mäntä tekee töitä painetta vastaan 38 asteen ajan. Jos palotapahtuma aloitetaan vasta 20 astetta ennen yläkuolonkohtaa, mäntä tekee töitä painetta vastaan vain 20 asteen ajan. Moottorista tulee mekaaniselta hyötysuhteeltaan parempi.

Nopeasti polttaville palotiloille on siis monia syitä, mutta yksi erityisen mukava ominaisuus niissä on se, että ne vastustavat nakutusta hyvin. Todellisesta elämästä esimerkkinä voidaan mainita Northstar-moottori vuosilta 1999 – 2000. Vuoden 1999 moottorissa oli 10.3:1 puristussuhde ja moottorissa piti käyttää korkeaoktaanista premiumluokan polttoainetta. Vuoden 2000 moottoria vasten suunnittelimme palotilan uudelleen ja saimme aikaan nopeammin polttavan palotilan. Suunnittelimme sen niin, että siinä voitaisiin käyttää tavallista matalaoktaanisempaa polttoainetta. Meidän piti tiputtaa puristussuhdetta vain 0,3 yksikköä, ja uudeksi puristussuhteeksi tuli 10,0:1. Tavallisesti jos moottorissa halutaan siirtyä korkeaoktaanisesta polttoaineesta matalampioktaaniseen polttoaineeseen, puristussuhdetta pitää tiputtaa yksi kokonaine piste (mikäli siis palotilaa ei muuteta). Meidän Northstar-moottorissa tämä olisi tarkoittanut puristussuhteen tiputtamista 10,3:1 –arvosta 9,3:1 –arvoon. Koska suunnittelimme palotilan nopeammin polttavaksi, riitti, että puristussuhdetta tiputettiin arvoon 10,0:1. Tämä 10,0:1 puristussuhde on silti vielä kohtuullisen korkea ja sen myötä moottorin mekaaninen hyötysuhde on hyvä. Moottoria voitiin käyttää MBT-ajoituksella matalampioktaanisella polttoaineella. Se on yksi esimerkki sytytysennakon ja moottoriteknologian haasteista. Suunnittelussa iso merkitys oli palotilan tietokonemallinnuksessa, ja sen virtauksien tutkimisessa. Näiden avulla palotilan pyörteilyä ja kierteilyä sekä seoksen liikkumista palotilassa saatiin parannettua, joka johti korkeampaan palonopeuteen.

Palotilan malli

Yksi palotila, joka on ihmisille tuttu, on Chryslerin Hemi. Moottorissa oli palotila, joka käytännössä oli puolikkaan Baseball-pallon muotoinen. Puolipallon (=hemispherical) muotoinen niin todellisuudessa kuin myös kutsumanimeltään. Imu- ja pakoventtiilit olivat palotilan vastakkaisilla puolilla ja sytytystulppa oli palotilan keskellä sen huippukohdassa. Polttoaineen ja ilman seos paloi sytytystulpasta lähtien alaspäin palotilan läpi. Tämä palotila toimi kohtuullisen hyvin siviilikäyttöön tarkoitetuissa henkilöautoissa, mutta Hemi-moottorin kilpaversioissa oli ongelmia. Koska palotila oli niin iso ja koska sylinterin halkaisija oli niin suuri, palotilan tilavuus oli myös suuri. Tämä taas aiheutti sen, että puristussuhdetta oli vaikea saada korkeaksi. Kilpamoottoreiden rakentajat käyttivät mäntiä, joissa oli koroke, jonka avulla puristussuhde saatiin ylös. Mikäli tällaisella mäntätyypillä haluttiin erittäin korkea puristussuhde luokassa 13:1 – 14:1 tarkoitti se myös, että männässä oleva koroke oli erittäin korkea. Männän laki lähes seurasi palotilan muotoa männän ollessa yläkuolonkohdassa. Vapaata tilaa voisi tässä moottorissa ja tällaisilla männillä ajatella appelsiinin kuoren muotoisena. Kun seos sytytettiin, se paloi erittäin hitaasti, kuten aallot veden pinnalla, johon oli heitetty kivi. Tämä tarkoitti sitä, että nämä moottorit tällaisella palotilan muodolla edellyttävät erityisen suurta sytytysennakkoa, joka oli luokkaa 40 – 45 astetta ennen yläkuolonkohtaa. Näin suurella sytytysennakolla nakutus oli ehdottomasti todennäköistä, ellei sitten käytetty erittäin korkeaoktaanista polttoainetta. Hemi-moottorit olivat tyypillisesti erittäin tarkkoja säädöistään. Usein kävi niin, että sytytysennakkoa säädettäessä isommalla ennakolla saatiin lisää tehoa, kunnes yht’äkkiä moottori nakutti. Koska kyseessä oli korkeatehoinen ja korkealle kiertävä kilpamoottori, nakutus tapahtui hyvin äkkinäisesti.

Kilpakäyttöön rakennetut Hemi-moottorit rikkoivat yleensä männät männänrenkaiden kohdalta, kun ne nakuttivat. Kun männät olivat männänrenkaiden kohdalta rikki,  kuumien palokaasujen ohivuoto kasvoi merkittävästi ja tämän seurauksena männät paloivat rikki. Siihen aikaan kukaan ei oikein käsittänyt miksi näin kävi. Nyt me tiedämme, että Hemi-malli on huonoimpia palotilamalleja tässä suhteessa. Pieni ja kompakti palotila on paras. Tästä syystä neliventtiilinen Pent Roof –palotila (pent roof = taitettu katto) on nykyään niin suosittu. Mitä tasaisempi palotila on, sen pienempi on sen tilavuus ja sen vähemmän mäntään tarvitsee lisätä koroketta. Jopa tasaisilla männillä saadaan aikaan korkea puristussuhde. Myös palotapahtuman kulku, lyhyet etäisyydet palotilassa ja seoksen hyvät liikeradat liittyvät näihin neliventtiilisiin Pent Roof –palotiloihin. Nämä ominaisuudet yhdessä tarkoittavat, että tällainen palotila on hyötysuhteeltaan hyvä.

Katso esimerkiksi Northstar-moottoria tai useimpia muita neliventtiilityyppisiä moottoreita: kaikissa on tasalakiset männät, kompaktit palotilat, kapeat venttiilikulmat eikä mäntään tarvita palotapahtumaa häiritsevää korokeosaa.

Nakutuksen osoittajat

Paras osoitus siitä, että moottori nakuttaa, olisi nakutuksen ääni. Erityisesti vanhemmat autot pitävät tätä ääntä matalissa nopeuksissa ja kovan kuormituksen alla. Ääntä on vaikea kuulla uudemmissa autoissa, joiden ohjaamot on äänieristetty hyvin. Moottori, jossa ei ole äänenvaimentimia, tai joka pyörittää propellia, pitää niin paljon ääntä, että näissäkään tapauksissa nakutusta ei oikein kuule.  Todennäköisesti käy siis niin, että yksinkertaisesti ei tiedä milloin moottori nakuttaa. Joissain tapauksissa moottori saattaa pölläyttää savua nakutuksen yhteydessä, mutta tämä ei säännönmukaista. Aina niin ei käy. Rikkoutuneet männänrenkaiden urat ovat tyypillisin nakutuksen aikaansaama vaurio, mutta näitäkään ei aina havaita. Jos moottori on nakuttanut, niin varmoja nakutuksen merkkejä ovat sytytystulpan posliiniosat vauriot tai sytytystulpan elektrodien vauriot. Mikäli tällaisia merkkejä esiintyy, kannattaa asiaa selvittää tarkemmin ja moottorin purkaminen saattaa olla aiheellista.

Nakutusta on vaikea havaita myös silloin, kun moottori on eristetyssä dynamometrihuoneessa. Yksi havainnointitekniikkaa saattaa kuulostaa liiankin yksinkertaiselta, mutta usko tai älä, sitä käytetään jopa kaikkein kalleimmissa dynamometreissä. Me käytämme siitä nimeä ”Tin Ear” (=peltipurkkikuuloke). Voit ajatella sen olevan yksinkertainen stetoskooppi, joka on kiinnitetty moottorin lohkoon. Johdamme tavallisen kumiletkun dynamometrin hallintapaikasta moottorin lohkolle. Äänen vahvistaminen onnistuu helposti asettamalla letkun kuuntelupäähän styroksimuki, jota sitten kuunnellaan. Tätä nakutuksen havainnointitapaa käytetään yleisesti myös silloin, kun moottorin kehitysinsinöörit tutkivat moottorin nakutusta ajotilanteissa. Voit kokeilla sitä omassa moottorissa: tulet hämmästymään miten hyvin voit kuulla moottorin eri ääniä.

Toinen nakutuksen havainnointitekniikka on hienovaraisempi, mutta käyttökelpoinen sekin, jos pakokaasun lämpötilaa voidaan monitoroida (EGT, Exhaust Gas Temoerature). Nakutus saa tyypillisesti aikaan tiputuksen pakokaasujen lämpötilassa. Tämä ilmiö on huijannut monia, sillä pakokaasujen lämpötila näyttää turvallisen alhaiselta, mutta tosiasiassa syy alhaiselle lämpötilalle voikin olla nakutuksen tapahtuminen moottorissa.

Ainoastaan silloin voi oikeasti tietää, mitä on tapahtumassa, jos juuri kyseisen moottoriyksilön pakokaasujen lämpötilasta normaalitilanteissa on olemassa tietoa. Yhden moottorin pakokaasujen lämpötiloja ei voi verrata toisen kokoonpanon lämpötiloihin, sillä eri moottorien säädöt ja pakokaasun lämpötilan anturin paikat vaihtelevat.  Jos esimerkiksi normaali pakokaasujen lämpötila yhdessä moottoriyksilössä on 815 Celsiusastetta (=1500 Fahrenheitastetta) tietyllä MAP-arvolla ja tankattuasi tankin täyteen uutta polttoainetta yht’äkkiä huomaat pakokaasun lämpötilan laskevan 600 Celsiusasteeseen (=1125 Fahrenheitasteeseen), tulisi olla varuillaan ja osata epäillä, että kyseessä saattaa olla nakutuksen aikaansaama pakokaasujen lämpötilan lasku. Mikä tahansa lasku normaalin pakokaasujen lämpötilan alapuolelle tulisi toimia herätteenä tarkemmalle selvittelylle. Moottorin säätämisen alkuvaiheessa ”Tin Ear” –kuuntelulaitteen käyttäminen ja pakolämpötilojen tarkka seuraaminen ovat oikeastaan ainoat hyvät tavat monitoroida nakutuksen olemassaoloa. Tässä työssä auttaa se, että useimmat moottorit kestävät jopa kohtalaisen kovaa nakutusta jonkin ajan. Nakutus ei saa aikaan välittömästi ja silmänräpäyksessä syntyvää vahinkoa.

Esisytytys

Esisytytyksen määritelmä on se, että polttoaineen ja ilman seos syttyy ennen sitä hetkeä, kun sytytystulppa lyö kipinän. Esisytytyksen aiheuttaa jokin muu syttymisen lähde kuin sytytystulpan kipinä, kuten esimerkiksi ylikuumentunut sytytystulpan kärki, karsta ja harvoissa tapauksissa myös pakoventtiili. Mikä tahansa niistä voi ylikuumentuneena hehkua kuumana ja sytyttää seoksen.

Pidä mielessäsi seuraava tapahtumaketju, kun analysoit esisytytystä: Ilman ja polttoaineen seos virtaa sylinteriin männän saavuttaessa imutahdin alakuolonkohdan. Seuraavaksi männän kulkusuunta vaihtuu alakuolonkohdan jälkeen. Sytytystulpan seoksen sytyttämiseen vaatima jännite kasvaa suhteessa seoksen paineeseen ja sen myötä suhteessa sen tiheyteen. Männän ollessa alakuolonkohdassa seoksen tiheys on pienimmillään. Seos on silloin kaikkein herkin syttymään. Lähes mikä tahansa voi silloin sytyttää oikeasuhteisen ilman ja polttoaineen seoksen!! Alakuolonkohdassa tai sitä edeltävänä hetkenä seos on siis helpointa saada syttymään. Sytyttäminen tulee progressiivisesti vaikeammaksi sitä myöden, kun seoksen paine ja tiheys kasvavat.

Mikä tahansa palotilassa oleva hehkuva kohta on todennäköisin esisytytyksen esiintymispaikka. On siis helppo ymmärtää, että jos palotilassa on esimerkiksi hehkuva sytytystulpan kärki tai hehkuvaa karstaa, se voi sytyttää seoksen hyvin aikaisessa vaiheessa moottorin aloittaessa puristustahtia. Myös lopputulos on ymmärrettävä: koko puristustahdin ajan , tai ainakin suuren osa puristustahdin ajasta, mäntä yrittää puristaa kasaan kuumaa kaasumassaa, joka laajenee koko ajan. Tämä luonnollisesti kohdistaa valtavia voimia moottoriin ja siirtää erittäin paljon lämpöä osiin. Suurta vahinkoa syntyy hyvin nopeasti. Et myöskään voi kuulla tämän vahingon syntymistä, koska esisytytyksessä ei esiinny nopeasti syntyvää painepiikkiä. Tämä kaikki tapahtuu jo ennen kuin sytytystulppa lyö kipinän.

Nakutuksessa siis oli kyse siitä, että palotapahtuma alkoi normaalisti sytytystulpan kipinän sytyttäessä polttoaineen ja ilman seoksen, ja nakutuksen aikaansaama painepiikki esiintyy tämän normaalin syttymisen jälkeen. Nakutuksessa juuri painepiikki aiheuttaa kuultavissa olevan äänen. Esisytytyksessä taas seoksen syttyminen tapahtuu paljon ennen kipinän hyppäämistä sytytystulpassa. Siihen ei liity nopeasti syntyvää sylinteripaineen piikkimäistä nousua. Sen sijaan esisytytyksessä sylinteripaine on erittäin korkea erittäin pitkän ajan. Tämä tavanomaista merkittävästi korkeampi sylinteripaine vaikuttaa koko puristustahdin ajan. Tästä syystä esisytytyksessä moottorin osiin kohdistuu tavanomaista merkittävästi korkeampia kuormia. Nopeasti kehittyvät painepiikin puuttuminen tarkoittaa myös, että esisytytyksessä ei kuulu minkäänlaista soivaa tai nakuttavaa ääntä. Et siis kuule mitään tavallisuudesta poikkeavaa, ja moottori vain yht’äkkiä tuhoutuu. Juuri siksi esisytytys on niin salakavala ilmiö: kun se tapahtuu, tiedät sen tapahtuneen vasta sen jälkeen, kun vauriot ovat jo syntyneet. Se aiheuttaa katastrofaalisen ja täydellisen tuhon erittäin nopeasti, koska sekä osien kokema lämpökuorma että paineen aikaansaama kuormitus ovat niin valtavia.

Suhteellisesti ajateltuna moottori kestää nakutusta kohtuullisen pitkän ajan. Sellaista moottoria taas ei ole olemassakaan, joka voisi kestää esisytytystä edes lyhyttä aikaa. Kun nähdään männän rikkoutuneet männänrenkaiden urat, syytetään usein väärin perustein vaurion aiheuttajaksi esisytytystä ja jätetään huomiotta nakutuksen vasaroiva vaikutus, joka tosiasiassa on saanut vauriot aikaan. Reikä männän laessa, ja erityisesti sulanut reikä männän laessa, ovat osoitus esisytytyksen aikaansaamasta äärimmäisestä kuumuudesta ja paineesta sylinterissä.

Esisytytyksen muita merkkejä ovat sulaneet sytytystulpat, joiden posliinieristeosat ovat myös sulaneen näköiset ja joissa saattaa olla metallia sulautuneena. Monissa tapauksissa esisytytyksen läpikäyneessä sytytystulpassa sivuelektrodi on sulanut pois. Se mitä jää jäljelle, näyttää roiskuneelta ja epämääräiseltä. Myös keskielektrodi ja sen posliinieriste näyttävät sulaneilta, roiskuneilta ja epämääräisiltä. Nämä ovat tyypillisiä osoituksia myös alkavasta esisytytyksestä.

Sytytystulppa saattaa tulla erittäin kuumaksi, sulaa ja olla näin valmis aiheuttamaan esisytytyksen. Tulppa voi itse asiassa sulaa ilman, että esisytytystä on vielä esiintynyt, mutta sulanut ja kuuma tulppa saattaa tämän jälkeen olla syynä esisytytykselle.

Tyypillisin osoitus esisytytyksestä on luonnollisesti männän laessa oleva reikä. Mäntään syntyy reikä, koska esisytytyksen tapahtuessa mäntä yrittää puristaa kasaan kuumaa ja laajenevaa kaasumassaa, joka taas aiheuttaa suunnattoman lämpömäärän siirtymisen mäntään ja muihin sylinterin osiin erittäin nopeasti. Ainoat osat, jotka selviävät tästä epänormaalista palotapahtumasta, ovat ne, joiden lämpöhitaus on suuri. Käytännössä siis sylinterikansi ja sylinterin seinämät. Männällä, joka on alumiinia, on pieni lämpöhitaus, ja siihen siirtyy lämpöä siksi nopeasti. Männän laki on suhteellisen ohut ja sen lämpötila nousee erittäin korkeaksi. Esisytytystilanteessa mäntä ei pysty johtamaan tätä lämpöä pois itsestään. Samalla kun männän lämpötila nousee korkeaksi, siihen vaikuttaa erittäin korkea paine. Tämä johtaa reiän syntymiseen heikoimpaan kohtaan.

Haluan painottaa sitä, että useimmat ihmiset ymmärtävät esisytytyksen tarkoittavan sitä, että seos syttyy ennen kuin sytytystulppa lyö kipinän. Kuitenkin vaikuttaa siltä, että useimmat ymmärtäisivät tämän tarkoittavan, että syttyminen tapahtuu vain noin 5 – 10 astetta ennen kuin kipinä hyppää sytytystulpassa. Esisytytyksestä on tärkeää ymmärtää, että syttyminen tapahtuu todennäköisimmin jo paljon tätä aikaisemmin. Todennäköisin syttymishetki on silloin, kun mäntä on vielä alakuolonkohdassa, jolloin esisytytyksen määrä on luokkaa 160 – 180 astetta ennen haluttua syttymishetkeä. Koko tämän ajan siis mäntä yrittää puristaa kasaan kuumaa palavaa kaasua, kun taas normaalissa palotapahtumassa tämä jakso olisi suhteellisen viileä. Mäntä kestää esisytytystä vain muutaman kampiakselin kierroksen ennen kuin se hajoaa. Nakutuksen ollessa kyseessä mäntä taas saattaa kestää ehjänä useiden sekuntien, minuuttien ja jopa tuntien ajan riippuen moottorin viritysasteesta ja kuormituksesta. Esisytytyksen aikaansaama vaurio on käytännössä välitön.

Kun männän laen lämpötila nousee nopeasti sillä ei ole aikaa johtua männän helmoihin eikä laajentaa mäntää eikä näin ollen aiheuttaa sen hankautumista sylinterin seiniin. Mäntä yksinkertaisesti sulaa lakipinnastaan. Tämä on suurin ero esisytytyksen ja nakutuksen välillä, kun katsotaan männän kärsimiä vaurioita. Ilman korkeaa painepiikkiä moottorilohko ja sylinterikansi eivät resonoi, eikä esisytytystä siksi voi kuulla. Esisytytyksen ainoita ulkoisia merkkejä on valkoisen värinen savu, jota purkautuu pakoputkesta, ja siinä vaiheessa kaikki on jo ohi.

Moottori käy korkeintaan muutaman sekunnin, jos se alkaa esisytyttämään. Ainoa tapa kontrolloida esisytytystä on estää kaikkien esisytytyksen lähteiden syntyminen palotilassa. Sytytystulppien lämpöarvo tulisi sovittaa tarkasti moottorin ominaisuuksiin. Kilpamoottoreissa käytetään kylmiä sytytystulppia ja suhteellisen rikkaita polttoaineen ja ilman seossuhteita. Myös jäähdytysveden lämpötilalla on vaikutusta sytytystulpan lämpöarvoa valittaessa. Juuri rajoilla oleva sytytystulppa saattaa muuttua esisytytyksen lähteeksi, jos sylinterikannen lämpötila kohoaa tavanomaista korkeammaksi (esimerkiksi huonosta jäähdytysveden kierrosta johtuen). Jos sytytystulppa on löysästi kierteissään, se ei pysty tehokkaasti siirtämään lämpöä sylinterikanteen. Juuri rajoilla oleva tulppa saattaa muuttua myös silloin esisytytyksen lähteeksi, jos polttoaineen ja ilman seos yht’äkkiä käy laihaksi.

Henkilöautojen moottoreiden suunnittelijat ovat vaikean valinnan edessä. Sytytystulpan on toimittava luotettavasti kylmäkäynnistyksessä lämpötilan ollessa pakkasen puolella, joka edellyttäisi lämpöarvoltaan kuumaa sytytystulppaa, jotta se pysyisi toimintakuntoisena. Samalla sen pitäisi kuitenkin toimia luotettavasti myös pitkäkestoisen täyskaasuajon aikana, joka taas edellyttäisi lämpöarvoltaan viileämpää tulppaa, jotta tulpasta siirtyy riittävästi lämpöä pois sylinterikanteen.

Sytytystulpan lämpöarvoa ja esisytytystä testataan näin: tulpan kärjen/välin lämpötilaa mitataan estodiodilla ja pienellä paristolla, joka syöttää virtaa milliampeerimittarin läpi sytytystulpan liitäntään. Toisiojännite ei pääse kulkemaan väärään suuntaan isosta estodiodista johtuen. Kun sytytystulpan kärki kuumenee, se ionisoi tulpan kärkivälin ja pieni määrä virtaa kulkee paristosta, joka voidaan havaita milliampeerimittarista. Moottoria kuormitetaan ja samalla tarkkaillaan mittareita. Riittävän kokemuksen myötä insinöörit tietävät mitä arvoja mittareiden tulisi näyttää. Normaalisti vain muutama milliampeeri virtaa kulkee piirissä. Kun tulpan kärki alkaa tulla niin kuumaksi, että se saattaa toimia esisytytyksen lähteenä, virtamäärä yleensä kasvaa niin paljon, että milliampeerimittarin asteikko loppuu kesken. Kun näin käy, moottorin kuormitusta pitää välittömästi vähentää, jotta vaurioilta voitaisiin välttyä.

1980-luvulla, kun moottoreista otettiin tehoa ulos noin 30 hevosvoimaa / litra (= 0,5 hp / kuutiotuuma), pystyimme keinotekoisesti ja turvallisesti saamaan aikaan esisytytystä käyttämällä tarkoituksella liian kuumaa sytytystulppaa ja laihentamalla polttoaineen ja ilman seosta. Pystyimme määrittämään kuinka lähellä rajaa olimme tarkastelemalla mittareita ja meillä oli riittävästi aikaa (muutama sekunti) vähentää moottorin kuormitusta ennen kuin vahinkoa pääsi syntymään.

Northstar-moottorin kanssa,  josta otetaan ulos yli 61 hevosvoimaa / litra (= 1 hp / kuutiotuuma), ja joka kiertää 6000 rpm, jos mittari liikahtaa perusarvostaan, niin se tarkoittaa, että moottori hajosi juuri. Se tapahtuu niin nopeasti! Kun moottorin tämän jälkeen purkaa, löytyy selkeät todisteet vaurioista. Kyseessä voi olla vain sulanut sytytystulppa. Esisytytys tapahtuu kuitenkin erittäin nopeasti korkeaviritteisissä moottoreissa, ja reaktioaikaa ei juurikaan ole.

Jos moottorin osalta kylmäkäynnistykset ja sytytystulppien epäkuntoon meneminen eivät ole sellaisia ominaisuuksia, joille pitää antaa painoarvoa, niin silloin voidaan käyttää kylmää sytytystulppaa. Tyypillinen esimerkki moottorista, jossa tällaista erittäin kylmää tulppaa voidaan käyttää, ovat Nascar-kilpa-autojen moottorit. Koska esisytytyksen riskiä saadaan näin minimoitua, voidaan moottori säätää laihemmalle polttoaineen ja ilman seossuhteelle. Tällä saadaan aikaan parempi polttoainetalous. Lisäksi tällöin voidaan käyttää korkeampaa sytytysennakkoa, jolloin tehoa saadaan lisää. Tällaiset sytytystulpat olisivat huonot kylmäkäynnistystilanteissa ja ne menisivät epäkuntoon helposti, jos niillä ajettaisiin kaupunkiliikenteessä ja jos moottoria käytettäisiin tyhjäkäynnillä. Sitten taas täydellä kaasulla ja 8000 rpm nopeudella ne toimivat erinomaisesti. Kylmät tulpat poistavat yhden muuttujan, joka voisi aiheuttaa esisytytystä.

Tarkastellaan taas Northstar-moottoria. Jos teet täyskaasukiihdytyksen välillä 0 – 100 km /h, moottorin kierrokset todennäköisesti nousevat 6000 rpm asti ja polttoaineen seossuhde on tässä kiihdytyksessä välillä 11,5:1 – 12:1. Mutta jos moottoria kuormitetaan pidempiaikaisesti täyskaasulla, moottorinohjausjärjestelmä rikastaa seosta arvoon 10:1 asti. Näin tehdään, jotta sytytystulppa pysyy viileänä ja jotta männän lakien lämpötila pysyy sopivana. Tämä polttoaineen ja ilman seossuhteen rikastaminen on välttämätöntä, jos moottoria kuormitetaan pidempiaikaisesti täyskaasulla. Rikkaampi seos tarkoittaa, että moottoriteho laskee hieman ja samalla polttoainetalous heikkenee. Silloin kun halutaan tehdä mahdollisimman nopea kiihdytys, on kuitenkin mahdollista hetkellisesti käyttää vähän laihempaa seossuhdetta. Täyskaasulla on taas palattava rikkaampaan seokseen. Korkeampiviritteiset moottorit ovat herkempiä esisytytykselle, koska ne kiertävät korkeammilla kierrosluvuilla, ne tuottavat enemmän lämpöä ja ne polttavat enemmän polttoainetta. Tulpat käyvät kuumempana litratehon kasvaessa ja reaktioaika on aivan minimaalinen.

Kaasutin, joka on säädetty kiihdytyskilpailuun, ei voisi toimia Nascar-moottorissa tai vakiossa moottorissa, koska moottori todennäköisesti kävisi kuumempana ja tämä johtaisi esisytytykseen. Mutta kiihdytysradalla kun moottoria käytetään täydellä kaasulla vain noin 8 – 10 sekuntia, esisytytys ei ehdi muodostua ongelmaksi. Moottorin säätötavoitteet näille moottorityypeille eroavat toisistaan merkittävästi. Tästä syystä kannattaa unohtaa ajatukset kiihdytysmoottorin käyttämisestä lentokoneen moottorina.

Asiat mutkistuvat

On olemassa myös ilmiö, jota voidaan kutsua nakutuksen aikaansaamaksi esisytytykseksi. Kuvittele tilanne, jossa moottoria kuormitetaan raskaasti ja se alkaa nakuttaa. Nakuttamista tapahtuu moottorissa jonkun aikaa. Sytytystulppa kuumenee, koska nakutus rikkoo suhteellisesti viileämpien metallipintojen päällä olevan molekyylitason kaasusta koostuvan suojakerroksen. Sytytystulpan lämpötila nousee tästä johtuen tavallista korkeammaksi ja se saavuttaa tason, jossa siitä tulee kuumana hehkuva tulppa. Tämä taas saa aikaan esisytytyksen. Kun moottori nyt hajoaa, syyksi määriteltäisiin nakutuksen aikaansaama esisytytys. Esisytytystä ei olisi tapahtunut, ellei nakutus olisi ensin saanut aikaan sytytystulpan lämpötilan nousua. Vaurioiden syynä siis sekä nakutus että esisytytys.

Tavallisesti tämä on se, mitä tulee vastaan henkilöautojen moottoreissa. Tällaiset moottorit kestävät nakutusta pidemmänkin ajan. Itse asiassa me teemme paljon mäntätestejä, joissa moottoria kuormitetaan suurimman vääntömomentin kierrosluvulla.  Siinä tilanteessa aiheutamme moottoriin kevyttasoista nakutusta tarkoituksella. Näiden testien perusteella suunnitellun männän tulisi selviytyä näistä olosuhteista vaurioitumattomana. Jos kuitenkin käy niin, että näissä olosuhteissa moottori ylikuumenee ja sytytystulpan kärjen lämpötila nousee liian korkeaksi, on seurauksena esisytytys. Tätä esisytytystä männät eivät luonnollisesti kestä. Mikäli testeissä tulee vaurioita, syynä on todennäköisesti nakutuksen aikaansaama esisytytys.

Minun neuvoni kaikille rakentelijoille on, että auton moottorin käyttämiseen muussa käyttöympäristössä, tulee aina suhtautua riittävällä varauksella. Tyypillisesti moottorit, joiden viritysaste on 30 hevosvoimaa / litra (lentokoneiden moottorit) ovat paljon anteeksiantavampia kuin henkilöautojen moottorit, joiden viritysaste on kaksinkertainen. Korkeampiviritteinen moottori on huomattavasi tarkempi säätöjen suhteen. Säätäminen tulee aloittaa turvallisen rikkaasta seossuhteesta, riittävän myöhäisestä sytytyksestä ja kylmillä sytytystulpilla. Pidä silmällä pakokaasujen lämpötilaa!

Toivottavasti tämä artikkeli toimii hyvänä pohjana aihealueeseen. Otan mielelläni vastaan kaikenlaisen keskustelun aihealueeseen liittyen. Jokainen moottori on erilainen ja muuttujia on paljon, joten suhtaudu varauksella yleisluontoisiin lausuntoihin.

Allen W. Cline
« Viimeksi muokattu: 02.05.2015, 11:25:28 kirjoittanut Jktku »

Poissa jaskajokunen

  • :nohnoh
  • VRCF Ry jäsen 2019
  • Turbo+
  • *
  • Viestejä: 5412
  • 1%
Vs: Nakutus ja esisytytys: epänormaalit palotapahtumat
« Vastaus #1 : 01.05.2015, 22:08:25 »
Todella hieno artikkeli ja hyvin ammattitaitoisesti käännetty, tämän voisikin nastoittaa topicin keulille  :tykkää:
V70 -00 HYL-sy  &  V40 -99 Wladde ja V40td -99 Eikka -99
Die weisheit: nicht hören, nicht sehen und nicht sprechen  + Led Zeppelin

Poissa Jakkefp

  • Grand Luxe
  • *
  • Viestejä: 588
Vs: Nakutus ja esisytytys: epänormaalit palotapahtumat
« Vastaus #2 : 02.05.2015, 10:43:12 »
Kyllä, tälle ehdottomasti nasta.

Poissa VT86

  • Hallituksen jäsen
  • Administrator
  • Grand Touring
  • *
  • Viestejä: 2009
  • Accidental Motorsport
Vs: Nakutus ja esisytytys: epänormaalit palotapahtumat
« Vastaus #3 : 02.05.2015, 14:10:59 »
Nastoitettu ja lukittu, ettei hyvä artikkeli ja hienosti suoritettu käännös huku joutavaan lätinään.
MB 200DTIC==> w201==> 2xN14==> Toledo TDI==> Leon 1,8t 20vt TS4 "CupraR" + Saab 900NG Turbo 306 2.0 16v
Suzuki GS450 ==> Honda CBR900RR

Miksi? - Koska voin!

 

Autodiagnoosi  Carcom Oy