Kevätlukukauden h viikossa - Keskiviikkoisin kello Torstaisin kello

Transkriptio

1 Kevätlukukauden h viikossa - Keskiviikkoisin kello Torstaisin kello Opettaja: Perttu Niskanen Oulun Yliopisto / konetekniikan osasto Perttu.niskanen@oulu.fi Työhuone Oulun Yliopistolla, yhteydenotot sähköpostilla tai puhelimella 1

2 Kurssin sisältö Kevät VK1. Polttomoottorien mitoitusperusteet. Teoreettiset työkierrot Kurssin pääasioita Kevät VK2. Kampikoneiston liikemekaniikka. Kaasuvoima- ja massavoimat. Värähtelyt. Massavoimien tasapainotus 2

3 Kurssin suoritus Välikokeet 2 kpl (palotapahtuma / massavoimat) Kumpikin läpäistävä Harjoitustyöt Yksi harjoitustyö joka käsittää koko kurssialueen Esitelmä Nykyaikaisen moottorin rakenne ja tavoitteet Kurssin arvosana määräytyy välikokeiden ja harjoitustöiden yhteistuloksena noin 50 / 50 3

4 Luentonumer o päivä sisältö muuta aloitusluento / polttomoottorin mitoitusperiaatteet teoreettiset työkierrot teoreettiset työkierrot Ottotyökierto teoreettiset työkierrot Ottotyökierto teoreettiset työkierrot Dieseltyökierto teoreettiset työkierrot Kitkahäviökompon entit Itseopiskelua Laskentaa Yleinen työkierto hyötysuhdetekijöitä Laskentaa laskentaa Massatasapainotus Kertaus VK Uutta asiaa Massavoimat+ kaasuvoimat Vääntö Kampiakselilla+ värähtelyt + VP 4

5 Luentonumero päivä sisältö muuta VP:n mitoitus + sytkä + kampitähti Massavoimien tasapainotus ( yksisyl.) Ei tunteja Massavoimien tasapainotus ( monisyl.) harjoituksia Massavoimia, kertausta, laskuharjoituksia, Massavoimien tasapainotus ( monisyl.) harjoituksia Massavoimien tasapainotus+ V-moottorin kampitähti Sylinterimäärän vaikutus sisäiset taivutusmomentit Harjoitustyö? Moottorin tuenta + kertaus Kertausta Välikoe 2. harj.työn palautus harjoitystyön palautus välikokeeseen pääsyn edellytys 5

6 Kampikoneiston liikemekaniikka Kinematiikka eli geometrinen liikeoppi on mekaniikan ala, joka tutkii kappaleiden liikettä geometriselta kannalta kiinnittämättä lainkaan huomiota liikkeen syihin tai niihin voimiin, jotka vaikuttavat liikkeeseen. Kinetiikka tarkoittaa moottorin massavoimien ja kaasunpainevoimien vaikutusta Nykyajan moottorit ovat Kohtuullisen monimutkaisia Rakenteeltaan venttiiliohjaukset suoraruiskutus korkeat polttoainepaineet suuret lämpökuormat rakenne oltava kestävä imago! hinta 6

7 Kaasuvoima- ja massavoimat Moottoria pyörittäviä voimia. Kohdistuu paineena palotilan seinämiin ja mäntiin työtahdin aikana. Suuruus riippuu moottorin teho iskutilavuus suhteesta. Korkeampiviritteisissä moottoreissa kaasunpainevoimat ovat suurempia. Massavoimia on moottorissa kahdenlaisia. Edestakaisia ja pyöriviä. Kampiakselin massasta aiheutuva voima on kokonaan pyörivää massavoimaa, kiertokankien massa jakautuu pyöriviin ja edestakaisin massavoimiin ja männät ovat kokonaan edestakaisia massavoimia aiheuttavia. Osien massalla on suuri merkitys laakerirasituksiin ja osien mitoitukseen. 7

8 Värähtelyt Moottoreissa monenlaisia värähtelyjä kaasu- ja massavoimien vaikutuksesta. Vääntövärähtelyt pitkittäisvärähtelyt Taivutusvärähtelyt Värähtelyjen hallinta tärkeää kestävyyden ja hiljaisen käyntiäänen kannalta Värähtelyjä pyritään poistamaan moottorin osien hyvällä tasapainotuksella ja kaksoismassavauhtipyörän avulla tai tasapainoakseleiden avulla Värähtelyt voi esim. dieselautoissa tuntea moottorin ollessa tyhjäkäynnillä 8

9 Massavoimien tasapainotus Tasapainotettavia massavoimia ovat pyörivät ja edestakaisin liikkuvat massavoimat sekä niiden momentit. Tasapainotuksen tarve riippuu moottorin rakenteesta. Tasapainotus hoidetaan esim. kampiakselin vastapainoilla ja mahdollisilla tasapainoakseleilla sylinterilohkossa. 9

10 Teoreettiset työkierrot Kuvaavat polttomoottorin palotapahtumaa teoreettisesti Palamisen vaiheistus Palamisen paine, lämpötila ja palotilavuus Puristustahti Työtahti Poistotahti ja imutahti eivät mukana Kiinnostavia Palamisen huippulämpötila ja paine Työkierrosta saatava työn määrä Työkierron hyötysuhde 10

11 Kertausta polttomoottoritekniikka 1. kurssilta Mitoitus joko ilmakerroinmenetelmällä tai tehollisen keskipaineen menetelmällä. Tehollisen keskipaineen menetelmä Lasketaan tehollinen keskipaine ja verrataan taulukoarvoihin Tehollisen keskipaineen voi määrittää myös rakennevakion avulla Suurin paine maksimiväännön kohdalla Ilmakerroinmenetelmä Lasketaan ilmoitetun tehon kautta moottorin ominaiskulutus ( g/kwh) ja verrataan sitä taulukkoarvoihin Volumetrisen hyötysuhteen muutokset esim. ahdetussa moottorissa 11

12 Polttomoottori on lämpövoimakone Polttoaineen sisältämä energia muutetaan palamisreaktiossa lämpöenergiaksi ja osa lämmöstä kampiakselin mekaaniseksi työksi Palaminen tapahtuu yleensä suljetussa tilassa Paine ja lämpötila nousevat voikkaasti palamisen alussa Paine kohdistuu palotilan pintoihin. Mäntä liikkuvana osana lähtee liikkeelle Esim. ulkoisen palamisen moottorista on rakettimoottori Moottorilta vaaditaan jatkuvaa työtä Työkierto on jatkuva 4- tahdissa imutahti, puristustahti, työtahti ja poistotahti seuraavat toisiaan 2- tahdissa työtahti ja huuhteluvaiheet Lämpöenergiaa voidaan jatkuvassa prosessissa muuntaa mekaaniseksi työksi vain työaineen olotilamuutoksin ja vain siten, että prosessi aina palaa alkutilaansa 12

13 4- tahtisen moottorin työkierron vaiheet 13

14 Lämpövoimakoneen kiertoprosessin yksinkertaistettu perusajatus Q1 Moottori kiertoprosessi t W Q2 Energiaan ei häviä eikä sitä synny tyhjästä. Se voi vain muuttua muodosta toiseen jollakin hyötysuhteella. Esim. polttomoottorissa muutoksen hyötysuhde on kiinni moottorin rakenteesta ja palamisen tehokkuudesta 14

15 Moottorin työkierto? Teoreettinen tapa kuvata palamistapahtumaa polttomoottorissa Teoreettiset versiot ovat yksinkertaistettuja Työkierrot jaettu erilaisiin tilanmuutoksiin, jotta laskeminen käsin mahdollista Todellisuudessa muutokset eri tilanmuutosten välillä ovat pehmeitä ja liukuvia 15

16 Työkiertojen laskenta perustuu kolmen muuttujan arvojen määrittämiseen. Laskenta suoritetaan yleensä maksimitehon pisteessä Muuttujat: Lämpötila Paine palotilassa Palotilan hetkellinen tilavuus Todellinen työkierto on paine tilavuus koordinaatistossa jotain oikealla olevan kaltaista. Eri vaiheita on mahdoton erottaa toisistaan. Käyrä voidaan mitata palamispaineanturin avulla ( OAMK labra) 16

17 pv piirros on yleinen ja selkeä tapa esittää polttomoottorien työkiertoja Pystyakselilla palotilassa vallitseva hetkellinen paine Kertoo paineen muutoksista työkierron eri vaiheissa Vaaka-akselilla palotilan hetkellinen tilavuus Kertoo männän liikkeen sylinterissä Havainnollinen ja eri laskentavaiheet selkeästi erottava kuva! - Kannattaa aina piirtää ja miettiä eri vaiheiden ja männän liikkeen yhteys 17

18 Alla esitetyt Willard W Pulkrabek, engineering Fundamentals of the Internal Compustion Engine 18

19 Ideaalikaasun tilanyhtälö Mikään todellinen kaasu ei täysin noudata ideaalikaasulakia, mutta se on hyvä käsinlaskentaa ajatellen Ideaalikaasun yleinen tilanyhtälö on muotoa pv mrt Teoreettisten työkiertojen laskenta perustuu ideaalikaasulakiin Aiheuttaa jonkin verran eroa todellisuuden ja mallien välille 19

20 Teoreettisten työkiertojen tilanmuutokset Adiabaattinen tilanmuutos Isokalorinen = lämpöenergian määrä on vakio Häviötön tilanmuutos ( ei siis kovin todellinen) Adiabaattikäyrällä voimassa pv C Moottoreissa aina lämpöhäviötä -Tämän vuoksi puhutaan polytrooppisesta muutoksesta -Laskut toimivat samoin, mutta kaava muuttuu muotoon -Polytrooppieksponentti κ valitaan moottorin mukaan ja kertoo häviöiden suuruudesta tässä ko. tilanmuutoksessa 20

21 Adiabaattisen tilanmuutokset laskentakaavat Paineiden välille Lämpötilojen välille p 2 T T 2 1 V 1 V 2 V V Tilavuudet ovat tiedossa olevia V1 = puristuksen alkupiste ( alakuolokohta) V2 = puristuksen loppupiste ( yläkuolokohta) HUOM! Paisunnassa vastaavasti toisinpäin paria poikkeusta lukuunottamatta 1 2 κ p 1 1 V1 V 2 V V Kaasuseoksen puristamiseen käytettävä energia ( tai kaasun laajetessa saatava työ paisunnan aikana) Kaasun puristamistyö on negatiivista työtä W 1-2 mr pdv (T T ) 1- κ 2 1 mr (T κ -1 1 T ) 2 21

22 Isokoorinen tilanmuutos Vakiotilavuuksinen tilanmuutos = mäntä pysyy paikallaan Tilavuudenmuutostyö = 0 ( pdv = 0) Mekaanista työtä kampiakselille ei voida tehdä Palamisen tapahtuessa kemiallinen energia muuttuu kaasuseoksen sisäenergiaksi Lämpötilan ja paineen välillä on yhteys 22

23 Isobaarinen tilanmuutos Vakiopaineinen tilanmuutos = palamisen alkaessa / jatkuessa mäntä lähtee alaspäin. Hetken aikaa painetaso männän päällä on vakio Mekaaninen työ saadaan suoraan tilavuudenmuutostyön perusteella W 5-6 =p(v 6 -V 5 ) Lämpötilojen ja tilavuuksien välinen yhteys ideaalikaasulain mukaan T 6 T 5 V V

24 Isoterminen tilanmuutos Vakiolämpötilassa tapahtuva tilanmuutos Kaasun sisäenergian muutos on pelkästään lämpötilan funktio Palamisreaktiossa vapautuva energia menee kokonaan mekaaniseksi työksi ( ja häviöiksi) Mekaaniseksi työksi saadaan W 78 V mrtln V 8 7 p mrtln p 7 8 Q 1 Paineiden ja tilavuuksien välinen yhteys p 8 p 7 V V

25 Lämpövoimakoneiden energiataseyhtälö Δ mv W Q Δ U pv mgz 2 2 Käytännön laskuissa päädytään yksinkertaistettuun muotoon Pieniä termejä ei huomioida dq = du + pdv Puhutaan termodynamiikan 1. pääsäännöstä 25

26 1. Pääsäännön soveltaminen polttomoottorien työkiertolaskuissa Adiabaattinen tilanmuutos Ei lämmönsiirtoa ympäristön ja kiertoprosessin välillä ( dq = 0 ) du 12 = - pdv Käytännössä lämmönsiirtoa aina tapahtuu, jolloin oikeasti puhutaan polytrooppisesta muutoksesta. Häviöt huomioidaan laskuissa polytrooppieksponentin κ avulla. Lämmönsiirtoteoria dq moottoreissa yleensä negatiivinen eli kaasun sisäenergiaa pienentävä du 12 = dq 12 - pdv 26

27 Isokoorinen tilanmuutos Vakiotilavuusmuutoksessa tilavuudenmuutostyö pdv = 0 eli työtä ei tehdä kampiakselille Tuotu lämpöenergia menee silloin kokonaan (palamis)kaasun sisäenergian suurentamiseen U 34 = Q 34 -Q j34 Qj34 = jäähdytyshäviöt isokoorisen tilanmuutoksen aikana (arvioidaan %) Q34 = kiertoprosessiin tuotu lämpöenergia Esim. 30% polttoaineen sisältämästä energiasta voidaan tuoda tämäntyyppisessä palamisessa. Polttoaineen energiamäärä lasketaan Q 34 = m f h f = c v (T 4 T 3 )m Polttoaineen ja ilman yhteismassa laskettava seoksen massaksi 27

28 Isobaarinen tilanmuutos Vakiopaineessa osa palamisessa syntyvästä lämpöenergiasta käytetään kaasun sisäenergian suurentamiseen ja osa mekaaniseksi työksi. Häviöt arvioidaan laskuissa kuten isokoorisessakin palamisessa Dieselmoottoreissa suurin osa polttoaineen lämpöenergiasta tuodaan isobaarisesti ruiskutussuhteen määräämässä suhteessa. Ruiskutussuhde Mekaaninen työ vakiopainepalamisen aikana saadaan W 56 =p(v 6 -V 5 ) = pdv Kaasun sisäenergian kasvu palamisreaktiosta U 56 =c p (T 6 T 5 )m-q j56 = m f h f -Q j56 Q j56 on arvioitava lämpöhäviö ( esim. 5 %) Isoterminen tilanmuutos Lämpötila vakio - > kaasun sisäenergian määrä ei voi muuttua. Kaikki palamisessa tuotava lämpöenergia siis kuluu suoraan mekaaniseen työhön ja kitkahäviöiksi. Kitkahäviöt arvioidaan esim. 5 %. 28

29 Käsinlaskennassa käytetään 4 erilaista teoreettista työkiertomallia Ottotyökierto Yksinkertainen Yksivaiheinen palamisreaktio Soveltuu kohtuudella Ottomoottorien tarkasteluun Dieseltyökierto Yksinkertainen Yksivaiheinen palaminen Soveltuu kohtuudella dieselmoottorien tarkasteluun Seiliger työkierto Kaksivaiheinen palaminen Soveltuu hyvin ottomoottorien tarkasteluun Yleinen työkierto Kolmivaiheinen palaminen Soveltuu hyvin dieselmoottorien tarkasteluun 29

30 Ottotyökierto Polttoaineen energia tuodaan yhdessä vaiheessa ( 2->3) Mäntä ei liiku palamisen aikana. Ei siis kovin todellinen oletus Ns. isokooripalaminen Palamisen vaiheet: 30

31 Ottotyökierto Työkiertoja lasketaan pisteittäin ykkösestä eteenpäin. Laskenta aloitetaan alakuolokohdasta Alkuarvot tiedetään Pisteestä 1- > 2 siirrytään adiabaattisesti ( polytrooppisesti) Puristustyön suuruus adiabaattikäyrällä ( negatiivista työtä) 31

32 Ottotyökierto Isokoorinen tilanmuutos 2->3 Polttoaineen koko lämpömäärä vapautuu ( yksivaiheinen palaminen ) Polttoaineen lämpömäärä lasketaan ominaiskulutuksen ja seoksen kautta Vapautuva lämpömäärä Palamisen loppulämpötila Yhteydet suureiden välillä Käytännössä määritetään kaasun ominaislämpökäyrästön perusteella Laskut voidaan taulukon avulla suorittaa ilman integrointia! Vakiotilavuuspalamisen aikana mäntä ei liiku, jolloin tilavuudenmuutostyö on nolla. Tämän vuoksi myös tehty työ 32

33 Ottotyökierto Tilanmuutos 3->4 adibaattinen paisunta ( mäntä liikkuu alaspäin) Kaavat samoja kuin puristuksessa. Numerointi vain oikein, jotta saadaan positiivista työtä kampiakselilta ( tämä on työtätekevä vaihe ottotyökierrossa! ) Tehty työ ja suureiden väliset yhteydet Isokoorisessa tilanmuutoksessa 4- > 1 poistetaan lämpömäärä ( poistotahti, pakokaasut ) Tilavuudenmuutostyö oletetaan taas nollaksi jolloin mekaanista työtä ei tehdä 33

34 Ottotyökierto Työkierron hyötysuhde Työkierrosta saatava indikoitu työ ( mekaaninen hyötytyö) Indikoitu työ Indikoitu työ kattaa kampiakselilta saatavan työn ja häviöt 34

35 Ottotyökierto Työkierron mekaaninen hyötysuhde kuvaa kampiakselilta saatavan työn ja indikoidun työn ( sylinterityö) suhdetta. Mekaaniseen hyötysuhteeseen vaikuttavat esim. venttiilikoneiston käyttövastukset, laakerikitkat jne. Normaali arvo noin % Mikäli laskun lopputuloksena saa liian huonon tai liian hyvän mekaanisen hyötysuhteen on joko tehnyt laskentavirheen tai lähtöarvoja on muutettava Edellisellä dialla esitetty työkierron hyötysuhde ( palamistapahtuman tehokkuus) voidaan määrittää myös työperiaatteen avulla 35

36 Polytrooppivakion valinta ( yleensä 1,3 1,4 ) 36

37 Puristuksen alkulämpötilalle eli tilapisteen 1. lämpötilalle voidaan löytää taulukkoarvoja. Arvot ovat ilman lämpötilaa suurempia, koska ilma lämpiää imutahdin aikana Vapaastihengittävissä ilma otetaan sisään alipaineella 37

38 Dieseltyökierto Kyseessä ns. vakiopainetyökierto Polttoaineen lämpöenergia tuodaan palamisprosessiin vakiopaineisessa tilanmuutoksessa ( yhdessä vaiheessa) Vakiopaineinen tilanmuutos on mahdollinen kun palaminen alkaa YKK:ssa ja männän lähtiessä alaspäin palaminen jatkuu Dieselmoottorissa ilma puristetaan YKK:hon. Syttyminen tapahtuu kun painestettuun ilmaan ruiskutetaan polttoainetta hienojakoisena sumuna Laskeminen tapahtuu samalla periaatteella, kuin Ottotyökierrossa. Vain palaminen nyt isobaarinen tapahtuma Vaiheet: 1-2 Adiabaattinen tilanmuutos 2-3 Isobaarinen tilanmuutos 3-4 Adiabaattinen tilanmuutos 4-1 Isokoorinen tilanmuutos 38

39 Dieseltyökierto Alkuarvot Vaihe 1-2 adiabaattikäyrää pitkin ( polytrooppinen muutos ) Puristustyön suuruus p T p ( o T o V V p c hr T ) mr W1 2 (T1 T2 ) κ 1 p T 2 2 V 2 ε ε κ V p κ1 c 1 T 1 Palamistapahtuma 2-3 pisteiden välillä ( mäntä liikkuu alaspäin) Palaminen tapahtuu isobaarisesti eli vakiopaineessa T 3 T 2 V V 3 2 W 2-3 = p(v 3 -V 2 )= mr(t 3 -T 2 ) Kiertoprosessiin tuodaan lämpöenergia (polttoaine) Q 1 =c p m(t 3 -T 2 ) cp on kaasun ominaislämpökapasiteetti vakiopaineessa 39

40 Dieseltyökierto Dieseltyökierron yhteydessä määritellään ruiskutussuhde, joka kuvastaa ruiskutuksen kestoa. Ruiskutusta pidentämällä työkierron pinta-ala kasvaa, mutta työkierron hyötysuhde huononee Dieseltyökierron hyötysuhteeksi saadaan johdettua yhtälö η cdiesel 1 ( 1) ( 1)ε κ1 Ruiskutuksen jälkeen vaihe 3-4 adibaattinen paisunta Kuten Ottotyökierrossa Koko työkierron indikoitu työ Lopputermit saavat muodon 40

41 Työkiertojen yhteydessä on monia eri hyötysuhdetermejä. Alla käydään läpi eri hyötysuhdetekijät HUOM! Samoista asioista puhutaan monilla eri nimillä, joten kiinnitä huomiota eri nimiin Työkierron hyötysuhde eli terminen hyötysuhde Määritellään työkierrosta saatavan työn ja työhön käytettävissä olevan energian suhteena. Kertoo kiertoprosessin hyvyydestä HUOM! Suureiden merkkaustavat voivat vaihdella lähteen mukaan. Älä opettele ulkoa, ymmärrä asia! 41

42 Mekaaninen hyötysuhde Mekaaninen hyötysuhde kuvaan kampiakselilta saatavan energian ja sylintereistä saatavan energian suhdetta. Kampiakselilta saadaan häviöiden vuoksi vähemmän energiaa. Tässä häviöillä tarkoitetaan esim. laakerikitkoja, vesipumppua ja venttiilikoneiston käyttöä. Mekaanisen hyötysuhteen arvoissa tulee laskennassa päästä taulukkoarvoihin, muuten lähtöarvoissa tai laskennassa on jotain vikaa Mekaaninen hyötysuhde polttomoottoreissa on noin 0,8-0,9 42

43 Volumetrinen hyötysuhde Kuvaa sylinteritäytöksen hyvyyttä. Ahdetulla moottorilla volumetrinen hyötysuhde voi olla > 1 Indikoitu hyötysuhde Kertoo kuinka paljon lämmön kokonaismäärästä pystytään muuttamaan mekaaniseksi liikkeeksi 43

44 Rationaalinen hyötysuhde Kokemusperäinen arvo eri moottoreille. Esim. dieselmoottorille arvo 0,7-0,8 normaali. Tätä arvoa ei käytetä laskuissa mikäli häviöt arvioidaan jo eri laskentavaiheissa! tai Kuvaa kampiakselilta saatavan energian ja polttoaineen sisältämän kokonaisenergian suhdetta Moottorin kokonaishyötysuhde 44 Ajoneuvomoottorien hyötysuhde % Suuret moottorit ( laivadieselit ) %

45 Monivaiheinen palaminen Käytännössä palaminen tapahtuu monella eri palamistavalla. Isokoorinen palaminen Isobaarinen palaminen Isoterminen palaminen Rajaa eri palamistapojen välillä mahdoton hahmottaa Edellä esitetyt yksinkertaiset työkierrot ( Ottotyökierto ja dieseltyökierto) kuvaavat todellisuutta puutteellisesti Todellisuutta paremmin kuvaavia työkiertoja kehitetty Seiliger työkierto ( Ottomoottoreille) Yleinen työkierto ( dieselmoottoreille) Alla kaavio moottoreille tyypillisistä palamisosuuksista 45

46 Seiliger työkierto Parantaa Ottotyökierron laskentatarkkuutta Polttoaineen lämpöenergia Q1 tuodaan kahdessa vaiheessa Isokoorisessa tilanmuutoksessa 2-3 Isobaarisessa tilanmuutoksessa 3-4 Palotapahtuma jaetaan kahteen eri osuuteen ja kummankin laskennassa otetaan lämpöhäviöt huomioon. Esim. -isokooripalaminen 60%, lämpöhäviö 10% -Isobaaripalaminen 40 %, lämpöhäviöt 15% -Häviöt on helpoin ilmoittaa prosenttiosuuksina kokonaismäärästä ( 100% ) eli ei prosenttiosuutena ko. palamisosuudesta 46

47 Seiliger työkierto Työkierron laskenta kuten aiemmin. Laskentaa vain enemmän Työkierron vaiheet: 1-2 adibaattinen puristus ( polytrooppinen) 2-3 isokoorinen palaminen 3-4 isobaarinen palaminen 4-5 adibaattinen paisunta ( polytrooppinen) 5-1 isokoorinen kaasun poisto Lämpömääräyhtälöt kuten Otto- ja dieseltyökierroissa Ruiskutussuhde voidaan ilmoittaa kuten dieselille( ei kerro ruiskutuksen kokonaispituutta) 47

48 Seiliger työkierto Lisäksi määritellään palamispaineen kasvuparametri Itse työkierron laskeminen kuten edellä Tilapiste 1. tilapiste 2. p p p T 1 1 V 1 ( o T o V c hr T ) p T 2 2 V 2 ε ε κ κ1 V p c 1 T 1 Isokooriselle palamiselle tuodun energian kautta ( käytännössä ratkaistaan lämpötilaa T2) Isobaariselle muutokselle vastaavasti 48

49 Seiliger työkierto Työkierron hyötysuhde Tai puristussuhteen avulla Jos ( ruiskutussuhde) kuten teoreettisessa Otto-työkierrossa palautuu yhtälö Otto työkierron muotoon. Vastaavasti jos ( palamispaineen kasvuparametri) saadaan Diesel työkierron hyötysuhdeyhtälö Työkierron indikoitu työ saadaan osien summana 49

50 Yleinen työkierto Kuvaa parhaiten käytännön dieselmoottoreita Voidaan käyttää myös Ottomoottorien laskentaan, mutta niissä Isotermipalamisen osuus on nolla tai hyvin lähellä sitä, jolloin seiliger työkierto on riittävä laskentaan Eroaa Seiliger työkierrosta kolmannen palamisosuuden osalta. Isoterminen palaminen mukana Vaiheet: 1-2 adiabaattinen puristus ( polytrooppinen) 2-3 isokoorinen palaminen 3-4 isobaarinen palaminen 4-5 isoterminen palaminen 5-6 adiabaattinen paisunta ( polytrooppinen) 6-1 isokoorinen kaasunpoisto 50

51 Laskeminen eroaa Seiliger kierrosta vain Isotermin osalta Isotermillä kämpötila ei muuta ja pätee ( e = neperin luku ) Indikoitu työ Työkierron hyötysuhde 51

52 52

53 Teoriassa mahdollisimman korkea puristussuhde on optimaalisin ratkaisu. Mekaaninen hyötysuhde kuitenkin vastaavasti alkaa huonontua laakerirasitusten ja paineiden kasvaessa ( mitoitustekijät, kitka yms.) Muistettava on myös polttoaineen nakutusherkkyys Puristussuhde nykyaikaisissa ottomoottoreissa 10 : 1 12 : 1 ja dieselmoottoreissa 15 : 1 20 : 1 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 1,4 1,35 1,30 0,20 0,10 0,00 Puristussuhde

54 Dieselmoottoreissa ruiskutuksen pituus vaikuttaa lämpöhyötysuhteeseen Lyhytaikainen ruiskutus olisi paras, mutta liian nopean paineennousun vuoksi yleensä mahdoton käytännössä Käytännössä valitaan jokin kompromissi, tehon, pakokaasupäästöjen yms. asioiden vaikuttaessa päätökseen 54

55 Palaminen tapahtuu suljetussa tilassa ( palotila) Sitä voidaan osittain hallita / säätää Palotilan muoto, ruiskutusajoitus, ruiskutusvaiheistus Vaikutukset eri palamisosuuksiin Isokoori- / isobaari- / isotermipalaminen Nykyinen tekniikka parantaa hallittavuutta Alla palamisosuuksia noin arvoina nykymoottoreissa 55

56 Moottorin hyötysuhteen kannalta paras olisi täydellinen isokooripalaminen Käytännössä mahdoton Liian suuret maksimipaineet / -lämpötilat Maksimipaineen rajoittaminen Joudutaan rajoittamaan kampikoneiston ja laakerien ylikuormituksen välttämiseksi sekä palotilan materiaalien lämmönkeston rajallisuuden vuoksi Keinot: Ruiskuennakko (diesel), ruiskutuspaine Palotilan muoto ja jäähdytys Sytytysennakko ( otto) Seossuhde Pakokaasun takaisinkierrätys Ristiriita moottorin hyötysuhteen ja rasitusten välillä Litratehojen kasvaessa painetasokin kasvaa ( uudet materiaalit ) Tiukkenevat pakokaasumääräykset ohjaavat osaltaan kehitystä Esim. dieseleissä palotilan maksimilämpöjä joudutaan rajoittamaan typenoksidimäärän vähentämiseksi 56

57 Työkierron maksimipaineita eri moottoreissa Moottorin häviöiden jakaantuminen Mekaanisen hyötysuhteen arvoja eri moottoreille 57

58 Merkittävä osa polttoaineen sisältämästä energiasta kuluu jäähdytyshäviöihin Moottorit neste tai ilmajäähdytettyjä Varsinkin palotilan lähellä jäähdytys oltava tehokasta Vakiolämpötila moottorin keston kannalta edullinen Jäähdytys lämpöä sitovan väliaineen välityksellä konvenktio Lämpö siirtyy myös johtumalla ja säteilemällä Lämpö siirtyy johtumalla esim. metallin sisällä. Lämpöä taas säteilee ympäristöään lämpimämmän kappaleen pinnalta Suurin osa moottorin jäähdytyshäviöistä on kitkan vaikutuksesta Kaasuseoksen puristaminen nostaa sen lämpötilaa voimakkaasti Palamispaineiden ja lämpötilojen nousu lisää periaatteellisesti häviöitä Tehollinen keskipaine hyvä indikaattori

59 Eri moottorityyppien jäähdytyshäviöiden suuruuksia polttoaineen lämpöenergiasta täydellä kuormalla Jähdytyshäviöiden suuruus eri palamisosuuksien aikana 59

60 Keskeisiä asioita teorian ja todellisuuden välisten erojen ymmärtämiseksi 60

61 61

62 62

63 Laakeri ja liukupintojen välisiä kitkoja Kitkatyön määrään vaikuttaa kitkaparien lukumäärä ja ja kitkavoimien suuruus Kitkaa on monenlaista Rajakitka Hydrodynaaminen kitka Turbulensseista aiheutuvat häviöt riippuvaisia moottorin pyörintänopeudesta Moottoreiden kehityksessä pyritään saamaan kitkaa pienemmäksi Männän pinnoitteet Laakerimateriaalien kehittäminen Pintapaineiden laskeminen Öljyjen kehittyminen Moottorin rakenteen optimointi Kammen pituus, liikerata Kampiakselin sijoitus sylinterilinjaan nähden 63

64 Rajavoitelu Voitelukalvo voideltavien pintojen välissä, mutta pinnankarheuden huiput voivat välillä kostettaa toisiaan Esim. rasvavoitelussa yleensä rajavoitelutila Yleisimmät rasvat ( vaseliinit ) ovat öljyn ja sidosaineen seoksia Rajavoitelussa kitkataso voi hieman nousta Voi esiintyä myös öljyvoitelussa, mikäli voitelu puutteellinen EP ( extreme pressure) lisäaineistus muodostaa vahvan voitelukalvon kemiallisesti voitelupisteen lämpötilan noustessa riittävän korkealle Kitkakerroin 0,3 0,03 Esim. kohteeseen väärä öljyn viskositeetti tai liian suuri ajoneuvon sivukallistus voi aiheuttaa rajavoitelun Kulumista tapahtuu ainakin pienissä määrin 64

65 Hydrodynaaminen voitelu Toisiaan vasten liikkuvat pinnat kehittävä hydrodynaamisen paineen. Syntyvä paine pystyy erottamaan liikkuvat pinnat täysin toisistaan, jolloin ainoa kitka syntyy voiteluaineen sisäisestä kitkasta, leikkautumisesta Vaaditaan riittävä nopeusero voideltavien pintojen välille ( vrt. vesiliirto) Kitkakerroin tippuu arvoon 0,1 0,001 ( öljykalvo paksumpi kuin 0,25 μm ) Liukulaakereissa Voiteluainepumpun tuottaman öljynpaineen on tarkoitus vain varmistaa hydrodynaaminen voitelu. Kuvassa esitetty hydrodynaamisen voitelukalvon syntyminen akselin lähtiessä pyörimään 65

66 Turbulenssihäviöt Nesteen tai kaasun virtaus on turbulenttista tai laminaarista Laminaarisessa virtauksessa virtaus tapahtuu pääasiassa yhteen suuntaan Turbulenttisessa virtauksessa osa nesteestä tai kaasusta liikkuu aina johonkin muuhun suuntaan kuin pääsuuntaan Turbulenttisen virtauksen vastus esim. putkessa on huomattavasti suurempi kuin laminaarisella virtauksella Reynoldsin luku kertoo karkeasti virtauksen luonteesta ( tarkkaa lukuarvoa muutokselle ei ole) 66

67 Turbulenttisessa virtauksessa virtaus alkaa pyörteillä ja sekoittua. Osa virtauksesta vastustaa liikettä jolloin häviöiden määrä kasvaa 67

68 -YCpAGgQQ 68

69 Moottorin kitkatyön laskeminen on vaikeaa Paljon liikkuvia osia Osien välisien kitkojen suuruus vaihtelee pyörimisnopeuden ja osien hetkellisen asennon mukaan Erilaisia laskentamalleja kehitetty (tehollinen kitkapaine) 4t- ottomoottori täysteholla ( iskutilavuus cm^3) erään mallin mukaan N = moottorin kierrosluku (1/min) Dieselmoottorille esim. ns. Motoring määritys ( 4-6 syl, mäntä D = mm) Kitkatyö : W(tfmep) = tfmep ( Pa) * V isku 69

70 Ottomoottorin tehollinen kitkapaine Kierrosalueeella rpm Suoraruiskutusdieselin ( DI ) ja epäsuoraruiskutteisen ( IDI ) tehollinen kitkapaine pyörintänopeusalueella rpm 70

71 Tehollinen kitkapaine koostuu eri osista Esimerkkinä 4- sylinterinen ottomoottori männänrenkaiden ja sylinterin seinämän, kampiakselin laakereiden ja venttiilimekanismien kitkavastukset Öljypumppu + vesipumppu + laturi vastaavat myös suuresta osuudesta 71

72 Mekaanisen hyötysuhteen ja häviöiden riippuvuus moottorin kuormitusasteen mukaan 72

73 73

74 Moottorin jäähdytys on tärkeä osa nykyaikaisen ajoneuvomoottorin toiminnan kannalta Korkea hyötysuhde Korkeahkot käyntilämpötilat ( ottomoottoreissa jopa >100 astetta) Korkea lämpötila parantaa moottorin hyötysuhdetta, mutta aiheuttaa sen, että järjestelmässä joudutaan käyttämään kovia paineita. 1-3bar ylipainetta. Järjestelmän pienikin vuoto voi aiheuttaa jäähdytysnesteen kiehumisen. Suuret huipputehot ( litratehot) Jäähdytys oltava riittävän tehokas kaikissa tilanteissa Nopea reagointi kuormitusvaihteluihin Moottorit usein varustettu usealla termostaatilla Termostaatit mekaanisia ja / tai sähköohjattuja Nestekierron hallinta helpottuu Nestekierto on suunniteltu tietokonesimulaatioiden avulla, jolloin kannessa yms. Ei esiinny rekennetta rasittavia Hot Spotteja Rakenteet tehdään nykyään kevyemmiksi - > kiehuminen voi aiheuttaa mittavia vaurioita Esim. alumiinilohkoisessa ajoneuvossa voi kiehuminen aiheuttaa kierteiden pettämisen lohkosta, jolloin niin kansi kuin lohkokin menevät vaihtoon 74

75 älykäs lämpötilanohjaus Termostaatti avataan sähköisesti jos esim. kuljettaja kiihdyttää voimakkaasti Estetään lämpöpiikin syntyminen 75

76 Uusissa ajoneuvoissa mekaanista hyötysuhdetta parannetaan sähköisellä vesipumpulla Pumppua / pumppuja pyöritetään vain tarvittaessa Sähköisiä apuvesipumppuja esim. lämmityslaitteelle ollut autoissa jo pitkään Sähköiset tuulettimet mekaanisten tilalle Automaattinen (kuljettajasta riippumaton) moottoritilan ilmavirtojen ohjaus Sähköinen kaihdin jäähdyttimen edessä tai takana Säätyvät keulan ilmanottoaukot Säätöjen ongelmana suomen hankalat keliolosuhteet Järjestelmien monimutkaistuessa niiden säätäminen vaatii entistä parempaa teknologiaa Hinta Luotettavuus huononee 76

77 DiesOtto moottori Tulevaisuutta? Mercedeksellä testissä 77

78 General Motors HCCI-moottori Puristussytytteinen bensiinimoottori 78

79 Usean eri voimanlähteen yhdistelmä. Yleensä Ottomoottorin ja sähkömoottorin yhdistelmä Rinkkaishybridi Sarjahybridi Polttomoottoria ei tarvitse pyörittää koko aikaa mukana 79

80 Hybriditekniikan hallinta vaatii paljon anturitietoja 80

81 Kuvassa Hondan eräissä malleissaan käyttämä rinnakkaishybridirakenne 81

82 Polttokenno varteenotettava voimanlähde Vetypolttokenno todennäköisin Polttokennoajoneuvojen tieturvallisuus vaatii vielä kehittämistä - räjähdysherkkä vety - Suuret sähkövirrat 82

83 Täyssähköajoneuvo Osin jo olemassa Think, mitsubishi imiev. Pienien ajoneuvojen toimintasäteet jo siedettäviä n. 150km Nopea lataus pikalatauslaitteilla 10 vuoden kuluttua sähköauto on yleinen perusauto??? 83

84 Ensimmäisen välikokeeseen tulevat asiat: Polttomoottorien mitoitusperusteet Polttomoottorien teoreettiset työkierrot Termodynamiikkaa Ottotyökierto Dieseltyökierto Seiliger työkierto Yleinen työkierto 84

85 Polttomoottorien mitoitus voidaan tehdä joko ilmakerroinmenetelmällä tai tehollisen keskipaineen menetelmällä Teho ei tule tyhjästä vaan kaasunpaineesta männän päällä Tehollisen keskipaineen taso määrittää pitkälti moottorin ominaistehon (litrateho). Ahdetussa moottorissa painetaso on korkeampi Ilmakerroinmenetelmässä lasketaan ominaiskulutusta [g/kwh] täydellä teholla Ominaiskulutus kertoo moottorin kokonaishyötysuhteen. Pienin ominaiskulutus saavutetaan maksimiväännön kierrosluvulla 85

86 Termodynamiikkaa Polttomoottori on lämpövoimakone, jossa polttoaineen kemiallista energiaa muutetaan (huonolla) hyötysuhteella mekaaniseksi työksi Q1 Moottori kiertoprosessi t W W Q 1 Q Q η 2 2 c 1 Q 1 Q 1 Q 1 missä Q 1 W Q 2 Q2 W = työkierron indikoitu työ Q1 = työkiertoon laitettava polttoaineen kemiallinen energia Q2 = häviöenergia Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö: energian säilyminen Soveltaminen polttomoottoreissa Energiataseyhtälö yksinkertaistettuna ΔQ Δ(U dq = kiertoprosessiin tuotu lämpöenergia du = kaasun sisäenergian muutos pv = tilavuuden muutos ja työaineen siirto pv) 86

87 Työkiertoon tuotava energia määritetään ominaiskulutuksen perusteella Polttoaineen massavirta kaavasta Polttoaineen massa kaavasta Missä työkierron aika Huom! Laske yhtä sylinteriä kohden Polttoaineen sisältämä energia Ilman määrä seoksessa Seoksen kokonaismassa 87

88 Työkierron vaiheet Adiabaattinen( lämpömäärä ei muutu) käytännössä polytrooppinen tilanmuutos ( lämpömäärä muuttuu) Polytrooppivakio к = 1,3 1.4 kertoo häviöiden suuruuden Muutokset: Paine p 2 V 1 V 2 κ p 1 e κ p 1 Lämpötila Tilavuus Työ T T 2 1 V V Polttomoottoreissa puristustahdin aikana piste 1 on alakuolokohdassa ja piste 2 yläkuolokohdassa. Vastaavasti työtahdin aikana adiabaattinen käyrä päättyy alakuolokohtaan. Seoksen puristustyö tehdään kampiakselin energialla. Työ on siis negatiivista! V1 = Vi+Vc V2 = Vc mr pdv (T 1 κ -1 1 W - 2 T ) 2 88

89 Työkierron vaiheet Isokoorinen tilanmuutos = vakiotilavuudessa tapahtuva tilanmuutos Muutokset: Lämpötila saadaan T 3 Paine T2 p2 Tilavuus dv = 0 Työ W2-3 = 0 (pdv = 0) p 3 89

90 Työkierron vaiheet Isobaarinen tilanmuutos = vakiopaineessa tapahtuva tilanmuutos Muutokset: Lämpötila saadaan Paine paine pysyy vakiona p3 = p4 Tilavuus Työ 90

91 Työkierron vaiheet Isoterminen tilanmuutos = vakiolämpötilassa tapahtuva tilanmuutos Muutokset: Lämpötila pysyy vakiona Paine Tässä kaavassa e on neperin luku! Tilavuus Työ 91

92 Ottotyökierto Yksinkertaistettu työkierto kuvaamaan Ottomoottorin palotapahtumaa Adiabaattikäyrät (1-2 ja 3-4) Isokoorikäyrät (2-3 ja 4-1) Laskenta edellä esitettyjen kaavojen avulla Yleensä häviöt arvioidaan karkeasti Todellisissa ottomoottoreissa vakiotilavuuspalamisen osuus %, joten kuvastaa todellisuutta kohtuullisesti 92

93 Dieseltyökierto Yksinkertaistettu työkierto Polttoaineen energia tuodaan Vakiopaineessa Ruiskutussuhde tässä Adiabaattikäyrät (1-2 ja 3-4) Isobaarikäyrä (2-3) Isokoorikäyrä (4-1) Todellisissa dieselmoottoreissa Vakiopainepalamista noin 25%, joten Laskenta aika epätarkka Yleensä häviöt arvioidaan karkeasti esim. 45% 93

94 Seiliger työkierto Tehty kuvaamaan Ottomoottoreiden työkiertoa tarkemmin Monivaiheinen palaminen Vakiotilavuuspalaminen (mäntä YKK:ssa) Vakiopainepalaminen (mäntä lähtee alaspäin) Adiabaattikäyrät (1-2 ja 4-5) Isokoorikäyrät ( 2-3 ja 5-1) Isobaarikäyrä (3-4) Palamisvaiheiden aikana otetaan huomioon lämpöhäviöt 94

95 Yleinen työkierto Kuvaa hyvin Dieselmoottoreiden palotapahtumaa Monivaiheinen palaminen Vakiotilavuuspalaminen Vakiopainepalaminen Vakiolämpötilapalaminen Adiabaattikäyrät (1-2 ja 5-6) Isokoorikäyrät (2-3 ja 6-1) Isobaarikäyrä (3-4) Isotermikäyrä (4-5) Palamisvaiheiden aikana otetaan huomioon lämpöhäviöt 95

96 Huomioita Kaikki työkiertoversiot lasketaan samoilla kaavoilla osassa on vain vähemmän vaiheita, joten kaikkia kaavoja ei tarvitse käyttää. Kaavakokoelman kaavat ( tilapistenumeroineen) on annettu Yleiselle työkierrolle! Osaa lukea Cp / Cv kuvaajaa, jotta saat laskettua Isokooripalamisen ja Isobaaripalamisen tilapisteet Laske huolellisesti Yksi väärä arvo voi pilata laskun Tiedä mitä kaavojen suureet tarkoittavat! Opettele laskemaan työkiertoja jo ennen välikoetta Laskeminen hankalaa jos ei tiedä miten edetään 96

97 Kokeessa 3 tehtävää Tehtävässä 1 oikein / väärin väittämiä Vastaukset löytyy kurssiprujuista Vääristä vastauksista saa miinuspisteitä Lue kysymykset huolellisesti Tehtävästä ei voi saada alle 0 pistettä Tehtävässä 2 sanallisia kohtia ja hieman laskentaa Tehtävässä 3 työkiertolasku 97

98 Käsiteltävät asiat: Kampikoneiston liikemekaniikka Kaasuvoima- ja massavoimat Massavoimien tasapainotus Värähtelyjen vaimennusmenetelmät Harjoitustyö: Jatketaan keväällä aloitettua harjoitustyötä syksyllä 98

99 Kinematiikka,geometrinen liikeoppi on mekaniikan ala, joka tutkii kappaleiden liikettä geometriselta kannalta kiinnittämättä lainkaan huomiota liikkeen syihin tai niihin voimiin, jotka vaikuttavat liikkeeseen. Kampikoneiston liikemekaniikka Männän nopeus Männän kiihtyvyys Erilaiset rakenneratkaisut Kinetiikka tarkoittaa moottorin massavoimien ja kaasunpainevoimien vaikutusta Kampikoneistossa vaikuttavat voimat Edestakaisin liikkuvat ja pyörivät massat ja massavoimat kaasunpainevoimat Moottorin tasapainotus Voimien yhteisvaikutukset Vääntövärähtelyt Moottorin käynnin epätasaisuus Etsi videota yms. Tähän alkuun!!! 99

100 Valtava määrä erilaisia moottorirakenteita Yleisimmät Rivi- ja V- rakenteet Rakenteen valintaperiaatteena yleensä Tilantarve, tehontarve, sallittu paino, käyttötarkoitus, tasapainovaatimus, moottorin jäähdytystapa Jokaisella rakenteella on omat etunsa Usein jokin moottorivalmistaja haluaa olla periaatteellinen ja tehdä tietyn tyyppisiä moottoreita Tasapainotuksen kannalta erilaisia Muita rakenteita Boxer-moottori Tähtimoottori Vastaiskumoottori W- moottori Wankel moottori VR- moottorit Yksisylinterinen rakenne ( esim. moottoripyörät ja mopot) 10 0

101 Rivimoottorit Yleisin ajoneuvokäytössä Pitkä rakenne ( yli 6- sylinterinen) - > ei sovellu poikittaisasennukseen Helppo jäähdytettävyys nesteellä Yksinkertainen / selkeä kampiakselirakenne Pitkissä moottoreissa ongelmana rakenteiden jäykkyys Käytössä erilaisia sytytysjärjestyksiä (kampimuotoja) 10 1

102 V-moottorit V8 tai suurempi helppo tasapainottaa Sopusuhtaiset ulkomitat vaikka paljon sylinterejä Tukeva rakenne V- moottoreissa yleensä kaksi kiertokankia / kammenkaula 2-4- tai 6- sylinterisenä tasapainotus hankalampaa Ei yleensä käytetä jos tilantarve ei vaadi ko. rakennetta V6- moottori nykyään kohtuullisen yleinen Lyhyempi ajoneuvon keula Sylinterivien kulma vaihtelee astetta Pienikulmaiset esim. VAG VR-moottorit Yhtenäinen lohko ja sylinterikansi Lyhyempi kuin rivimoottori Vain yksi kiertokanki / kammenkaula 102

103 Boxer- rakenteessa vain yksi kiertokanki kammenkaulallaan -Vastapainot kampiakselin toisella puolella -Helppo tasapainottaa Tähtimoottoreita käytettiin ennen lentokoneissa, joihin moottori soveltuu muotonsa puolesta hyvin. - Lyhyt kampiakseli ja moottorin tasainen pyörintä 103

104 V- moottoreissa kaksi kiertokankia samalla kammentapilla Erilaisia liitostapoja -Haarukka veitsirakenne -Pää- ja sivukiertokanki -Vierekkäiset kiertokanget 104

105 2- tahti tai 4- tahti Tahtiluvun valinta vaikuttaa kammenmuodon (sytytysjärjestyksen) valintaan, jotta moottori saadaan tasapainoon 2- tahtiset tekevät paluuta moottoripuolelle Yksinkertainen rakenne Erittäin hyvä teho-painosuhde Suoraruiskutus tehnyt 2-tahdista taloudellisen Venttiilikoneiston puute parantaa hyötysuhdetta Tällä hetkellä pienissä moottoreissa ja suurissa laivamoottoreissa 4-tahtirakennetta tasaisempi vääntömomentti 4- tahtimoottorit Käytössä kaikenkokoisissa polttomoottoreissa Ns. standardirakenne Dowsizing ahtaminen tullut voimakkaasti markkinoille 105

106 Männän liikkuma matka Männän kulkemalle matkalle saadaan johdettua Likimääräisyhtälö missä 106

107 Männän nopeus Derivoidaan männän liikkeen lauseke Saadaan männän nopeudelle likilauseke Huom! Maksimiero nopeuksissa riippuu kiertokankisuhteesta Männän maksiminopeus kohdassa Kuva esittää eroa kammennopeuden ja männännopeuden välillä 107

108 Männän kiihtyvyys derivoidaan männän nopeuden lauseketta Saadaan likiarvolausekkeeksi Kuvaajassa esitetty männän kiihtyvyyden vaihtelua kammenkulman funktiona YKK = 0⁰ 108

109 Männän kiihtyvyys on suurin yläkuolokohdassa, jossa Suurin hidastuvuus joko alakuolokohdassa ( λ < 1/3,4) tai kammenkulman väleillä 90⁰ 180⁰ ja 180⁰ 270⁰ ( λ > 1/3,4) YKK = 0⁰ Mikäli suurin hidastuvuus alakuolokohdassa Kuvassa esitetty Kiertokankisuhteen vaikutus männän kiihtyvyyteen 109

110 Kaikki liikkuvat osat Männät, kiertokanget, kampiakseli, tapit Jaetaan edestakaisin liikkuviin ja pyöriviin massoihin Kampiakseli pyörivä massa Mäntä + osat edestakaisin liikkuva massa Kiertokanki jaetaan molempiin massoihin Jakaminen voidaan todelliselle kiertokangelle tehdä kuvan mukaisesti punnitsemalla Merkitään: Mp = yhden sylinterin pyörivä massa Me = yhden sylinterin edestakaisen liikkeen massa 11 0

111 Kiertokanki korvataan pistemassoilla yksinkertaistamiseksi Pistemassojen summa = kiertokangen massa Pistemassojen yht. painopiste = kiertokangen painopisteessä Kaavamuodossa massat Huomataan että kammen muodosta johtuen suurempi Osa massasta on pyörivää massaa 11 1

112 Yhden sylinterin kammen mkam massan redusointi kammen säteelle rp Missä Saadaan: Yhden sylinterin pyörivä massa Yhden sylinterin edestakaisen liikkeen massa 11 2

113 Edestakaisin liikkuvien ja pyörivien massavoimien yhtälöt 11 3

114 Mistä johdettu? Saadaan Voimat paineina ( D = männän halkaisija) 11 4

115 Voima [N] Ensimmäisen ja toisen kertaluvun massavoimat esiintyvät eri vaiheissa Yhden sylinterin mäntä-kiertokanki-kampiakselimekanismin edestakaisin liikkuvat massavoimat λ = 0,35 r = 55mm ne = 5000 rpm me = 2 kg Kammenkulma asteina Fe Fe1 Fe2 11 5

116 Tangentiaalivoima ja radiaalivoima Edestakainen massavoima voidaan jakaa eri komponentteihin Voimakomponentit Moottorin kampiakselia pyörintään vaikuttavin voimakomponentti on Fte 11 6

117 Kaasuvoima palotapahtumasta Hetkellinen palotilan kaasunpaine pvpiirroksesta tai tarkemmin mitatusta kaasunpainediagrammista (kts. kuva) Tehollinen keskipaine kuvaa keskimääräistä painetasoa koko työkierron aikana 11 7

118 Kaasuvoiman jako komponentteihin Voimakomponentit: Moottorin pyörinnän kannalta merkityksellisin voimakomponentti on Ftk 11 8

119 Pyörivän liikkeen massavoima Kammen säteen suuntainen - > ei vaikuta vääntömomenttiin Edestakaisen liikkeen massavoima Tangentiaalikomponentti vaikuttava Siitä kampiakselille aiheutuva momentti ja momenttisumma ( ei tee hyötytyötä) Kaasunpainevoima Tangentiaalikomponentti tekee moottorin vääntömomentin r = kammensäde 11 9

120 Moottorin hetkellinen vääntömomentti on edellisen dian vääntömomenttien summa Yläkuvassa esitetty yksisylinterisen nelitahtidieselin kaasunpainediagr ammi. Alakuvassa esitelty tangentiaalipainek äyrä ja sen komponentit 12 0

121 Voidaan laskea sarjamuotoisilla (aproximaatioita) lausekkeilla varsinkin värähtelytarkasteluissa joissa Edestakaiselle massavoimalle: Kaasuvoimalle: Vastaukset ovat sitä tarkempia mitä enemmän sarjakehitelmien termejä otetaan huomioon! joissa 12 1

122 Moottorin vääntömomentti ei ole tasainen Tahtimäärän vaikutus ( 2T vs. 4T) Moottorin sylinteriluvun vaikutus Esim. kuvassa 3- sylinterinen 4- tahti Jakso 720 astetta / 3 = 240 astetta 12 2

123 Polttomoottorien värähtelyt Pitkittäisvärähtelyt Lähinnä hidaskäyntisissä suurissa dieselmoottoreissa Erityisesti laivakoneet, joissa potkuri voi antaa pitkittäissuuntaisia herätteitä Taivutusvärähtelyt Nopeakäyntisissä moottoreissa, joissa käytettävä laite synnyttää radiaalisuuntaisia herätteitä vauhtipyörälle Vääntövärähtelyt Yleisiä lähes kaikissa moottoreissa Huomioitava kampiakselin mitoituksessa Resonanssi : Herätevärähtelyn taajuus on sama kuin vapaan värähtelyn ominaistaajuus Resonanssikohdat kampiakselin keston kannalta vaarallisimmat 12 3

124 Eri voimien ja momenttien aiheuttamat pääasialliset värähtelysuunnat moottoreissa Mikä aiheuttaa värähtelyt? a) Momenttien vaihtelu b) Massavoimat c) Massamomentit d) Massamomentit e) Sisäiset taivutusmomentit 12 4

125 Kampiakselin kulmanopeus vaihtelee epätasaisen vääntömomentin vuoksi Seurauksena käynnin epätasaisuusaste δ Kulmanopeuden vaihtelu koko kampiakselilla yhtä suurta ja samanaikaista Kulmanopeuden suunta voi kuitenkin kampiakselin eri massojen kohdalla olla vastakkainen Seurauksena yksi tai useampi massa värähtelee muita vastaan ja aiheuttaa vääntövärähtelyjä Vääntävärähtelyjen suuruus tulee laskennallisesti tarkastaa, jotta vältetään mahdolliset kampiakselivauriot (väsymismurtumat) Keinot värähtelyjen pienentämiseksi: Vääntövärähtelyvaimennin Yleisimmin vääntövärähtelyvaimentimina toimivat kampiakselin päädyissä olevat painot. Kaksoismassavauhtipyörä Vaimennettu hihnapyörä kampiakselin etupäässä Moottorin osien mitoitus siten, että kriittisiä värähtelyn ominaistaajuuksia ei esiinny moottorin pyörintänopeusalueella. 12 5

126 Vääntötyö vaihtelee moottorin tuottaman väännön ja kuormituksen yhteissummana Kuormitus joko tasainen tai jaksottainen Alla olevassa havainnekuvassa suoran yläpuolelle jäävät osat esittävät systeemiin tuotua työtä ja alapuoliset siitä otettua työtä Vääntötyön kokonaisvaihtelu tai muodossa Missä keskimääräinen moottorin kulmanopeus 12 6

127 Kokonaisuudelle määritellään käynnin epätasaisuusaste Laitteet vaativat toimiakseen riittävän tasaisen pyörimisen. Käynnin epätasaisuuten vaikuttavat: -Moottorin toimintaperiaate -Sylinteriluku -Moottorin rakenne ( V- vai rivi-) -Koko järjestelmän hitausmomentti J -Suuri hitaus tasoittaa pyörimistä -Käytettävän laitteen tasainen tai jaksottainen kuorma Käynnin tasaisuuteen voidaan vaikuttaa kokonaishitausmomentin suuruudella -Esim. vauhtipyörän hitausmassan suurentaminen Eri kappaleiden hitausmassojen laskenta-kaavat löytyvät taulukoista 12 7

128 Monisylinterisissä moottoreissa kyseessä n- massajärjestelmä Laskeminen kohtuullisen haastellista Systeemi jaetaan pistemassoihin ja niiden välisiin tietyn jäykkyyden omaaviin osiin Laskemiseen eri menetelmiä. Esim. Holzerin-menetelmä 12 8

129 Holzer-menetelmän laskentataulukko ( esim. n=10) Haetaan vauhtipyörälle Sopivaa hitausmassaa Vauhtipyörä mitoitetaan niin, että summaksi saadaan nolla 12 9

130 Kampitähden avulla määritetään amplitudien vektorisummat eri kertaluvuille ( alla esimerkki eräästä laskentataulukosta) Kampiakselin jännitykset saadaan monien vaiheiden jälkeen kaavalla Resonanssikohdissa huomioitava vielä suurennoskerroin S Tätä arvoa verrataan akselin väsymislujuuteen 13 0

131 Tehtävänä vaimentaa vaaralliset resonanssiamplitudit niin pieniksi, että niistä ei ole haittaa moottorin toiminnalle tai kampiakselin kestoiälle Vaimentimia on kehitetty erilaisia Kitkavaimentimet Kuivakitkavaimentimet Nestekitkavaimentimet Ainevaimennukseen perustuvat kumivaimentimet Jousivaimentimet Heiluriperiaatteella toimivat värähtelynestäjät Vaimentimet ajoneuvojen polttomoottoreissa yleensä sijoitettu kampiakselin päihin Kampiakselin etupään hihnapyörä yleensä jonkintyyppinen vaimennin Nykymoottoreissa lähes pakollinen, koska suuremmat litratehot ( kovempi painetaso palotilassa) aiheuttavat aiempaa suurempia värähtelyherätteitä Kaksoismassavauhtipyörä 13 1

132 Kitkavaimentimet Kuivakitkavaimennin -Monenlaisia rakenteita -Värähtelytilanteessa vaimentimen hitausvoimat voittavat laakeripintoina toimivien kitkalevyjen lepokitkan, jolloin massojen liukuminen kuluttaa värähtelyenergiaa ja värähtelyjen amplitudi pienenee -Ongelmana kitkalevyjen kuluminen ja olosuhteiden vaikutus kitkaan -Ei kestä jatkuvaa ajoa resonanssipisteissä ( kuluu nopeasti) Nestekitkavaimennin -Vaimenninmassa laakeroitu runko-osaan -Silikoniöljy tms. massan täytteenä -Vaimenninmassan täyteaine lämpenee nestekitkan vaikutuksesta ( lämmitys kuluttaa värähtelyenergiaa) -Kuumenee jatkuvassa resonanssipisteajossa 13 2

133 Ainevaimennukseen perustuvat kumivaimentimet Monenlaisia rakenteita -Kumi hyvä materiaali -Joustava, kestävä, sisäinen vaimennuskyky absorboi värähtelyjä -Kestää noin. 450 kw tehon -Runko ja erillinen hitausmassa liitetty toisiinsa joustavalla kumilla -Yleisin ratkaisu on rakentaa hihnapyörästä samalla värähtelyvaimennin -Lisää hihnojen kestoikää Kumi vaimentimena 13 3

134 Jousityyppiset vaimentimet -runko-osa, värähtelymassa, jouset -Värähtelytilanteessa runko ja värähtelymassa liikkuvat toistensa suhteen, jolloin jouset liikkuvat ja osa energiasta muuttuu kitkan vaikutusesta lämmöksi -Mahdollista jäähdyttää öljyllä -Kestää pitkäaikaista resonanssipisteajoa -Alla esimerkkinä MAN:n kehittämä holkkijousivaimennin -Kaksoismassavauhtipyörä sovellutus tästä Heilurityyppiset värähtelyn estäjät -Eivät vaimentimia -Viritetään tietynlaiselle värähtelylle -Estää värähtelyhuipun synnyn viritetyllä taajuudella -Voidaan virittää vain yhdelle taajuudelle 13 4

135 Moottorin pyörintä epätasaista Vauhtipyörän avulla pyritään saamaan voimalinjan pyörintä mahdollisimman tasaiseksi vauhtipyörästä pyörille päin Vauhtipyörän heilunta kuluttaa energiaa!!! Tarpeellinen varsinkin epätasaisesti pyörivissä moottoreissa Esim. 4- sylinterinen 4-tahti

136 Vauhtipyörä voidaan karkeasti mitoittaa jos tiedetään millä tasaisuudella moottorin tulee pyöriä. Laskemiseen tarvitaan moottorin tangentiaalivoimapiirros,jotta voidaan ratkaista vääntötyön kokonaisvaihtelu. Yleensä tiedetään muut hitausmassat jos haetaan vauhtipyörälle sopivaa hitausmassaa. Vääntötyön kokonaisvaihtelu on moottorityypistä yms. Riippuvainen. Yleensä ajoneuvomoottorit eivät ole tasakierrosmoottoreita, jolloin mitoitusnäkökohdat on mietittävä uudelleen. Vauhtipyörä voidaan mitoittaa myös vääntövärähtelylaskennan kautta kuten aiemmin esitettiin. Periaate: - Paljon hitausmassaa tasaisempi käynti - Vähän hitausmassa epätasaisempi käynti, mutta kierrosherkempi moottori( vaaralliset värähtelyt) 13 6

137 Vauhtipyörä voidaan likimääräisesti mitoittaa ilman tangentiaalivoimapiirrosta esim. wittenbauerin likiarvomenetelmällä Ympyrälevylle Epätasaisuusaste kulkuneuvomoottorille 1/180 1/300 Sylinterien lkm suuret dieselmoottorit - nelitahtinen 51, ,5 2,7 4,8 1,6 2,14 1,45 - kaksitahtinen 21 9,6 4,0 1,8 0,7 0, Pienet ja keskisuuret kaksitahtiset dieselmoottorit Ottomoottorit ,2 2,5 2 1, nelitahtinen 17,6 7,2 3,5 4,5 1,12 1, , ,35 - kaksitahtinen 14,4 2,1 4,0 1,44 0,

138 Polttomoottoreissa käytetään monia eri sytytysjärjestyksiä Esim. rivi 6- moottoreissa käytetään neljää eri sytytysjärjestystä riippuen onko moottori myötä- vai vastapäivään pyörivä. Esim tai Tietyt sytytysjärjestykset vakiintuneet eri moottorityypeille Teoriassa sytytysjärjestys voi olla mikä tahansa, mutta ne kaikki eivät ole edullisia käyttää Mitkä asiat vaikuttavat sytytysjärjestyksen valintaan? Sytytysjärjestys vaikuttaa voimakkaasti moottorin luontaiseen tasapainottumiseen Massavoimat kumoavat sopivasti toisiaan oikealla sytytysjärjestyksellä Runkolaakerien rasitukset ja vääntövärähtelyt kampiakselilla saadaan pienemmiksi Esim. 6 syl.-rivimoottorissa vääntövärähtelyjen kannalta edullisin on sytytysjärjestys, mutta runkolaakereiden kannalta edullisempaa on käyttää sytytysjärjestystä Ensin mainitun järjestyksen peräkkäisinä sytyttävät sylinterit 5-6 rasittavat voimanotonpään laakereita Sytytysjärjestys esitetään usein kampitähden muodossa 13 8

139 Kampitähti kertoo sytytystysvälit ja sytytysjärjestyksen. Käytetään massavoimien laskennan yhteydessä. Esimerkkinä 6-sylinterisen rivimoottorin ( 4-tahti) kampitähden muodostaminen. Määritetään sytytysväli: työkierto 720, 6- sylinteriä - > sytytysväli tasainen = 720 /6 = Monisylinterissä moottoreissa lähes aina käytössä tasaiset sytytysvälit!!! - Sytytyskohta kampitähdessä aina ylhäällä - Seuraavaksi sytyttävä sylinteri tultava vastaan siis aina vastapäivään tähdessä kiertämällä - Moottori pyörii tässä myötäpäivään - Vasemmalla 3d- kuva kammen asennoista 13 9

140 Kampitähti pitää muodostaa erikseen 1. :n ja 2. kertaluvun tarkasteluihin 2. kertaluvussa jakso on, joten kampitähden 1. kulmat kerrotaan kahdella 14 0

141 Kampikoneiston vapaat massavoimat ja momentit voidaan osittain tai kokonaan tasapainottaa Moottori voi olla ulkoisesti täydellisessä tasapainossa Tällöin voi kuitenkin esiintyä moottorin sisäisiä voimia ja momentteja, jotka aiheuttavat muodonmuutoksia ja värähtelyjä. Huomioon otettavat voimat 1. Pyörivät massavoimat 2. Ensimmäisen kertaluvun edestakaisin liikkuvat massavoimat 3. Toisen kertaluvun edestakaisin liikkuvat massavoimat 4. Pyörivien massavoimien momentit 5. Ensimmäisen kertaluvun edestakaisin liikkuvien massavoimien momentit 6. Toisen kertaluvun edestakaisin liikkuvien massavoimien momentit 14 1

142 Pyörivä massavoima oli Kampiakselin kulmanopeudella pyörivä vektori Fp = 4. Pyörivä massamomentti on siten ( pyörivien voimien momentti) Esim. kuvan tapauksessa sylinteriväli = l ( l-kirjain) 14 2

143 5. Ensimmäisen kertaluvun edestakaisin liikkuvien massavoimien momentit Ts. ensimmäisen kertaluvun edestakainen massamomentti Esitystapa 1. esitetään kammen nopeudella pyörivän vektorin kosinikomponenttina Esitystapa 2. Esitetään kahtena kammen kulmanopeudella pyörivänä vektorina, joiden suuruus on puolet momentin maksimiarvosta 14 3

144 6. Toisen kertaluvun edestakaisin liikkuvien massavoimien momentit Ts. toisen kertaluvun edestakainen massamomentti Esitystapa 1. esitetään kaksinkertaiselle kammen nopeudella pyörivän vektorin kosinikomponenttina Esitystapa 2. Esitetään kahtena kaksinkertaisella kammen kulmanopeudella pyörivänä vektorina, joiden suuruus on puolet momentin maksimiarvosta 14 4

145 Yksisylinterinen kokonaisuutena helpoin tarkastella Yksisylinterisen moottorin massavoimat ja niiden resultantti eri kammenkulmilla ( Vektori ei vakio ja suuntakulma vaihtelee) HUOM! Yksisylinterisessä moottorissa ei esiinny massavoimien momentteja, koska ei ole sylinterivälejä akselilla!!! Kuvan kananmuna kuvastaa kaikkien massavoimien yhteisvaikutusta -Pyörivä massavoima -1. kertaluvun edestakainen massavoima -2. kertaluvun edestakainen massavoima 14 5

146 Pyörivien massavoimien tasapainotus Vastapainojen avulla Vastapainojen synnyttämä keskipakovoima oltava yhtä suuri kuin pyörivä massavoima Vastapainoehto saadaan sievennettynä muotoon Tasapainottamatta jää edelleen edellisessä diassa punaisella ympyrällä merkityn alueen ulkopuoliset alueet. Ts. edestakaisin liikkuvien massojen aiheuttamat voimat, jotka eivät ole vakioita. Tämän vuoksi ne voidaan tasapainottaa käyttämällä erillisiä apuakseleita ( 1. kertalukua voidaan tasapainottaa muutenkin kuin apuakselilla), jotka on varustettu sopivilla vastapainoilla. Merkitseviä ovat ensimmäisen ja toisen kertaluvun edestakaiset massavoimat 14 6

147 Ensimmäisen kertaluvun edestakaiset massavoimat voidaan tasapainottaa kampiakselin kulmanopeudella pyörivillä apuakseleilla ja toisen kertaluvun massavoimat vastaavasti kampiakselin kaksinkertaisella kulmanopeudella pyörivillä apuakseleilla. Suurempien kertalukujen voimat eivät ole merkityksellisiä. Ensimmäisen kertaluvun massavoimien apuakselin vastapainoehto Mv1= ensimmäisen kertaluvun edestakaisen massavoiman tasapainoakselille sijoitetun vastapainon massa Rv1 = massan mv1 painopisteen etäisyys tasapainoakselin pyörimiskeskiöstä Toisen kertaluvun massavoimien apuakselin vastapainoehto Mv2= toisen kertaluvun edestakaisen massavoiman tasapainoakselille sijoitetun vastapainon massa Rv2 = massan mv2 painopisteen etäisyys tasapainoakselin pyörimiskeskiöstä 14 7

148 Tarkasteluissa oletetaan kaikkien sylinterien olevan samanlaisia ja sylinterivälien vakioita Lisäksi oletetaan sytytysvälien olevan tasaisia ( joissain monisylinterissä moottoreissa sytytysvälit ovat epätasaisia vääntövärähtelyjen tasaamiseksi) Periaatteiltaan moottorin tasapainotus on samanlaista kuin yksisylinteriselläkin moottorilla huomioiden, että Monisylinterisessä moottorissa sylinterit liikkuvat eri tahdeissa. Tasapainotuksessa tarkastellaan kokonaisuutta. Käytännössä käytettävissä moottorityypeissä tasapainottuminen tapahtuu osittain jo moottorin rakenteen avulla. Massavoimien momentit tulee ottaa huomioon tasapainotuksessa. Niitä voi esiintyä, koska sylinterit ovat eri kammenkauloilla, jolloin alkaa esiintyä momenttivaikutuksia. Toisaalta moottori voidaan tasapainottaa periaatteessa jokaisen sylinterin kohdalta erikseen. Edestakaisten voimien osalta tämä on kuitenkin käytännössä mahdotonta toteuttaa 14 8

149 Tarkastellaan kolmisylinterisen 4- tahtimoottorin pyöriviä massavoimia. Sytytysjärjestys on Pyörivät massavoimat siirretään johonkin pisteeseen (0-piste) Voimien tasapainoa voidaan tarkastella yhdessä 0-pisteen kautta kulkevassa tasossa Samalla on kuitenkin tarkasteltava voimien siirrosta aiheutuvien massamomenttien vaikutukset Tässä siirrosta aiheutuu kolme voimaparin momenttia, jotka aiheuttavat pyörivät massamomentit ( lasketaan myöhemmin) Lasketaan Fp voimien x- ja y- suuntaiset komponentit 0- pisteen tasossa. Taso on kohtisuorassa akselin pituusakseliin nähden. Esim. tässä moottorissa voimien resultantti on

150 2. Ensimmäisen kertaluvun edestakaisten massavoimien summa Samanlainen tarkastelu kuin pyörivien massavoimien yhteydessä ( tasossa) Vektorisummasta otetaan vain pystysuora komponentti ( cosα, kun kosini mitataan kuvan osoittamalla tavalla. Y- akseli on rivimoottorissa männän liikeen suuntainen, silloin cos 0 = 1. Edestakainen massavoima ei siis ole vakio vaan vaihtelee kosinin mukaan kampiakselin eri asennoissa ) Esimerkin 3- sylinteriselle moottorille saadaan Tasapainotus voidaan tehdä kahdella vastakkaisiin suuntiin kammen kulmanopeudella pyörivällä tasapainoakselilla. Akselin vastapainoehto Arvo on laskettu yhdessä kammen asennossa, mutta toteuttaa samalla tavalla millä kammenasennolla tahansa 15 0

151 Moottoreita tasapainotetaan erilaisille tasapainotusasteilla m0 = edestakainen massa mr = pyörivä massa Edestakaiset massavoimat vaikuttavat aina sylinteriakselin suunnassa. Vastapainotasapainotuksessa ( kuva alla) voidaan edestakaisia voimia huomioida mukaan, mutta silloin syntyy y-suuntaisia voimakomponentteja 15 1

152 3. Toisen kertaluvun edestakaisten massavoimien summa Täysin samanlainen tarkastelu kuin kohdassa 2., mutta suuntakulmat ovat nyt kaksinkertaisia, asia helppo hahmottaa alla olevan taulukon avulla Kampitähti muuttuu erilaiseksi. Lasketaan pystysuuntainen ( cos) komponentti voimista ja sen summa kertoo onko moottorissa 2. kertaluvun edestakaisia massavoimia. Monisylinteristä rivimoottoreista kaikki muut paitsi 2- sylinteriset (2- tahti ja 4-tahtimoottorit) ja 4- sylinterinen 4- tahti ovat näiden voimien osalta luontaisesti tasapainossa 4- sylinterissä 4- tahtimoottoreissa useasti kaksi tasapainoakselia 2. kertaluvun tasapainotukseen Tasapainotus voidaan tehdä kahdella kaksinkertaisella kammenkulmanopeudella pyörivällä tasapainoakselilla Vastapainoehto 15 2

153 4. Pyörivien massavoimien momenttien summa Voimien momenttiparit muodostuvat kun pyörivät massavoimat siirretään laskentatasoon. Esim. 0 - tasoon kuten jo edellä esitetty. Esim. 3- sylinterisellä muodostuu voimaparin momentit Näistä lasketaan resultantti. Käytännössä kampitähden perusteella ja voimien suuruuden mukaan lasketaan x- ja y- suuntaisina komponentteina. Laskenta helpointa taulukon avulla. 15 3

154 Pyörivien massavoimien momenttien tasapainotus kampiakselin vastapainoilla Vastapainojen sijoitus on vapaata kunhan ne ovat symmetrisesti kampiakselilla ja niiden keskipakovoima kertaa niiden välinen etäisyys on lasketun resultanttimomentin suuruinen Lasketun momenttiresultantin suunta on vakio 1. sylinterin kampeen nähden Kuvassa yksinkertainen tapa sijoittaa vastapainot kampiakselin päihin. Ne ovat siis 180 astetta eri asennossa verrattuna pyörivien massavoimien momenttien resultanttivektoripariin. Tällöin niiden keskipakovoima kumoaa resultantin keskipakovoiman. Tälläisen sijoituksen ongelmana on, että vastapainot eivät satu samaan suuntaan kammenpolvien kanssa vaan 30 astetta eri suuntaan, jolloin päätyrakenteista jouduttaisiin tekemään melko raskastekoisia 15 4

155 Vastapainoehto Vastapainot voidaan myös sijoittaa kammenpolvien yhteyteen, mutta tällöin niiden suuntakulma resultanttivektoriin nähden muuttuu Asia on ratkaistavissa kahdella lisämassalla, eli tasapainotus tehdään yhteensä neljällä vastapainolla. Laskenta hankaloituu, mutta lopputuloksena pitää päästä nollavoimiin kuvan kampitähdestä kokonaisresultanttia laskettaessa! 15 5

156 Kampikohtainen pyörivien massamomenttien tasapainotus rivimoottorissa on myös mahdollista Moottoreissa, joissa pyörivien massavoimien summa ei olekaan nolla, joudutaan pyörivien massamomenttien määritys tekemään moottorin painopisteen suhteen, koska muuten laskentapisteen sijainti vaikuttaa lopputulokseen!!! Esim. tässä 2- sylinterisessä 4- tahtimoottorissa pyörivien massavoimien momentti on painopisteen suhteen nolla 15 6

157 5. Ensimmäisen kertaluvun edestakaisten massamomenttien summa Summa määrätään kuten pyöriville massamomenteille Edestakainen massavoima vaihtelee kosinin ( cos) mukaan, joten momenttiresultantti on ko. summan pystysuora projektio Jo edellä käsitellylle 3-sylinteriselle moottorille saadaan FI on yhden sylinterin ensimmäisen kertaluvun edestakaisen massavoiman maksimiarvo Laskenta tehtävä painopisteessä, mikäli 1. kertaluvun massavoimien summa ei ole nolla 15 7

158 Ensimmäisen kertaluvun edestakaiset massamomentit voidaan tasapainottaa kahdella vastakkain suuntaan pyörivällä apuakselilla, jonka vastapainoehdoksi ko. 3-sylinteriselle moottorille saadaan Kampiakselin suuntaan pyörivä akseli voidaan haluttaessa korvata kampiakselilla olevilla vastapainoilla. 15 8

159 6. Toisen kertaluvun edestakaisten massamomenttien summa Kuten kohdassa 5. mutta momenttien summat otetaan 2. kertaluvun kampitähden mukaan. Vastapainoehdoksi tasapainoakseleille ( kaksinkertainen kammennopeus) Laskenta tehtävä painopisteessä mikäli 2.kertaluvun massavoimien summa ei ole nolla 15 9

160 V-moottorin massatasapainotus V-moottoreissa kaksi sylinteriryhmää. Niiden keskilinjojen kautta kulkevat tasot muodostavat keskenään moottorin V-kulman. V-kulmat vaihtelevat (15) asteen välillä. Yleisimpiä 60 astetta ( tasaiset sytytysvälit) ja 90 astetta Kaksi perusrakennetta 1. Vastakkaisten sylinteriryhmien kiertokanget vaikuttavat eri kampiin eli joka sylinterillä on oma kampensa Moottorista tulee rakenteellisesti pitkä 2. Vastakkaisten sylinteriryhmien kiertokanget vaikuttavat parettain samaan kampeen eli joka kampea kohti kaksi sylinteriä Lyhyt moottori Moottorista saadaan kompaktin kokoinen Tasaiset sytytysvälit yleensä helpottavat moottorin tasapainotusta. V- moottorien kampitähteä muodostettaessa on huomioitava eri sylinterien välinen V- kulma. Tasaiset sytytysvälit on mahdollista saavuttaa vain tietyillä V- kulmien arvoilla. 16 0

161 V-moottorin massatasapainotus Oikealla taulukossa esitetty V-kulmat, joilla saadaan tasaiset sytytysvälit eri moottorityypeille V- moottorin sylinterien numerointi vaihtelee valmistajan mukaan -Yleensä kuten yllä tai peilikuvana eli ykkönen vasemmalla alhaalla -Jakopäästä aloitetaan 16 1

162 V-moottorin massatasapainotus Tutkitaan molemmat sylinteriryhmät erikseen ja yhdistetään niistä lasketut resultanttivektorit Toimii kaikille V- moottorityypeille Pientä osaa V- moottoreista voidaan tutkia myös eri tavalla, mutta menetelmässä ei ole kovin suurta eroa Tasapainotuksen kannalta oletetaan laskettavat moottorit rakenteeltaan homogeenisiksi ja sylinterivälit koko moottorin osalta yhtäsuuriksi Erityishuomioita V- moottoreiden yhteydessä: Pyörivä massavoima Edestakaiset massavoimat kuten rivimoottoreissa 16 2

163 V-moottorin massatasapainotus Esim. 4- sylinterinen 4-tahtinen V-60 Määritetään moottorin sytytysväli Sytytysjärjestys tai Kampien etäisyydet kampiakselin pituussuuntaisesta keskipisteestä ovat symmetrisesti yhtä suuret 16 3

164 V-moottorin massatasapainotus 1. Pyörivien massavoimien summa Voimat siirretään 0-pisteeseen ( valitaan piste) V-kulma tule huomioida kampitähden muodostuksessa 1. kertaluvun kampitähti esitetty oikealla Havaitaan jo silmin, että x- ja y- suuntainen tasapaino 2. Ensimmäisen kertaluvun edestakaisten massavoimien summa Kampitähti kuten edellä, joten myös ensimmäisen kertaluvun edestakaisten massavoimien summa on nolla Edellä mainitut voimaresultantit voitiin laskea koko moottorille kerralla 16 4

165 3. Toisen kertaluvun edestakaisten massavoimien summa Massavoimien suunnat toisen kertaluvun akselitähden mukaan Kampitähden muodostamiseksi erotetaan sylinteriryhmät toisistaan Voidaan tasapainottaa apuakseleilla kuten rivimoottorissa Vasen ja oikea voimasumma Voimien summaksi saadaan ( ääriarvo) Sylinterin nro. 1 kampikulman funktiona 16 5

166 4. Pyörivien massavoimien momenttisumma Koska momentti voidaan ottaa 0-pisteen suhteen Momenttivektorien suunnat otetaan kampitähdestä Helpoin laskea taulukkona 16 6

167 4. Pyörivien massavoimien momenttisumma Tuloksena saadaan kampiakselin nopeudella pyörivä vektori, joka on tasapainotettavissa kampiakselin sopivilla vastapainoilla Vastapainoehto: 16 7

168 5. Ensimmäisen kertaluvun edestakaisten massamomenttien summa Käsitellään erikseen oikeata ja vasenta sylinteriryhmää ja määrätään erikseen niiden momenttisummat. Momenttisummat yhdistetään resultantiksi. Momenttipisteeksi voidaan valita 0-piste, sillä Vasemman ja oikean sylinteriryhmän momenttisumma ( ko. kampiakselin asennossa) Momenttisumman maksimi ( suuntakulma 90 astetta pystyakseliin nähden) 16 8

169 5. Ensimmäisen kertaluvun edestakaisten massamomenttien summa Momenttisumma voidaan tasapainottaa kahdella vastakkaisiin suuntiin kammen nopeudella pyörivällä apuakselilla Vastapainojen mitoitusyhtälö ( apuakselivastapainot) 16 9

170 6. Toisen kertaluvun edestakaisten massamomenttien summa Koska on momentit laskettava painopisteen suhteen Pituussuuntainen painopiste oletetaan kampiakselin keskelle Lasketaan x- ja y- komponentit ja momenttiresultantti Kysymyksessä momentin maksimiarvo. Momentti riippuu kammen asennosta seuraavasti 17 0

171 6. Toisen kertaluvun edestakaisten massamomenttien summa Voidaan tasapainottaa vain kahdella kaksinkertaisella kammen nopeudella pyörivällä tasapainoakselilla Alla esitetty mitä kaikkia vastapainoja ja akseleita tarvittaisiin koko moottorin tasapainottamiseen Koko moottorin tasapainottaminen kallista ja monimutkaista Todellisissa moottoreissa yleensä tasapainotettu vain 17 1

172 Taulukossa nelitahtisten V-moottorien massavoimia ja momentteja ( joka sylinterillä oma kampi) 17 2

173 Taulukossa nelitahtisten V 60astetta -moottorien massavoimia ja momentteja ( vastakkaiset sylinterit laakeroitu samaan kampeen) 17 3

174 Taulukossa nelitahtisten V 90 astetta -moottorien massavoimia ja momentteja ( vastakkaiset sylinterit laakeroitu samaan kampeen) 17 4

175 Tärkeä näkökohta moottorin rakenteellinen tasapainottuminen Jollain moottorien rakennetyypeillä tietyillä sytytysjärjestyksillä saavutetaan luontainen tasapainottuminen Eri sylinterien voimat kumoavat toisensa Periaate: Moottori tasapainottuu luonnostaan mikäli kampiakselin massakeskipiste sijaitsee kampiakselin keskellä ja kampiakseli päästä katsottuna ( kampitähti) on symmetrinen tasapainokuvio ( eli x- ja y suuntainen voimatasapaino ) Esim. 4- sylinterisellä rivimoottorilla ( sytytysjärjestys ) symmetria puuttuu 2. kertaluvun kampitähdestä ( kts. Edellinen dia) ja moottorissa vaikuttaa siten suuri sylinteritasossa ( edestakainen) oleva 2. kertaluvun vapaa summavoima. Moottori on muuten luontaisesti tasapainossa, joten ko. voimat voidaan tasapainottaa kahdella kaksinkertaiselle kammen nopeudella pyörivällä tasapainoakselilla, kuten monessa moottorissa on tehtykin. Puhutaan ns. Lanchester tasapainotuksesta) 17 5

176 Käytännön esimerkki: Mitsubishi Pajero Pajeron dieselmoottori on varustettu kahdella tasapainoakselilla. Akselit pyörivät kaksinkertaisella kammen kulmanopeudella. Miksi akselit on sijoitettu kampiakselin suhteen eri korkeuksille? -Korkeuserolla tasataan 2. kertaluvun massavoiminen vääntömomenttivaikutuksia. -Kaasu- ja massavoimat yhdessä aiheuttavat vaihtelevan vääntömomentin moottorin tukipisteisiin, jota siis voidaan tasata ko. sijoitustavan avulla 17 6

177 Tasapainotuksen periaatteet Ensimmäisen kertaluvun edestakainen massavoima voidaan esittää kahtena kammen kulmanopeudella vastakkaisiin suuntiin pyörivänä vektorina Tasapainotus voidaan näin ollen tehdä kahdella vastakkaisiin suuntiin pyörivällä tasapainoakselilla ( vastapainoilla varustettu akseli ) Toisen kertaluvun edestakainen massavoima voidaan esittää kahtena kaksinkertaisella kammen kulmanopeudella vastakkaisiin suuntiin pyörivänä vektorina Tasapainotus voidaan näin ollen tehdä kahdella vastakkaisiin suuntiin pyörivällä tasapainoakselilla, joiden pyörintänopeus on kaksi kertaa kammen kulmanopeus HUOM! Useat moottorityypit tasapainottuvat rakenteellisesti itsestään, ainakin osittain. 17 7

178 Laskettavana 6 asiaa 1. Pyörivien massavoimien summa kertaluvun edestakaisten massavoimien summa kertaluvun edestakaisten massavoimien summa 4. Pyörivien massavoimien momentti kertaluvun edestakaisten massavoimien momentti kertaluvun edestakaisten massavoimien momentti Laskennan periaate: - Valitaan 0-piste johon voimat siirretään. 0-Piste kannattaa valita esim. sylinterivälin l päähän sylinterin 1 etupuolelle. - Kohdat ja 3. voidaan laskea tässä pisteessä - Milloin laskenta 0-pisteessä ei onnistu - Kohta 4. pitää laskea painopisteessä, mikäli - Kohta 5. pitää laskea painopisteessä, mikäli - Kohta 6. pitää laskea painopisteessä, mikäli - Kampiakselin painopiste voidaan olettaa keskelle kampiakselia pituussuunnassa! 17 8

179 Edestakaisien massavoimien tasapainotuksen periaatekuva ( 1 syl. Moottori) Tasapainoakselien sijoitus oltava symmetrinen sylinterin keskiviivan suhteen, jotta ei synny painopisteen ympäri pyörittävää momenttia 17 9

180 Moottorin vääntömomentti ei ole tasainen työkierron aikana Tasaisuus lisääntyy sylinterimäärän lisääntyessä Vääntömomenttia tasataan lisämassojen avulla Vauhtipyörä, kampiakselin painot Kuvassa esitetään vääntömomentin vaihtelua eri moottorityypeissä Esim. 4- sylinterisessä 4-tahtimoottorissa kampiakselin vääntö ( tangentiaalivoimat ovat aina välillä jopa negatiivisia) 18 0

181 Alla esitetty moottorin käynnin epätasaisuusasteen riippuvuutta sylinteriluvusta 18 1

182 18 2

183 Monisylinterisessä moottorissa eri sylinterien pyörivät ja edestakaiset massavoimat aiheuttavat kampiakseliin sisäisiä taivutusmomentteja, sillä nämä voimat jakaantuvat pitkin kampiakselia pituussuunnassa ja omaavat eri mittaisia momenttivarsia Kampiakseli on kuitenkin jäykkä rakenne ja sen muodonmuutokset on estetty laakeroinnin avulla Momentit ja voimat siirtyvät kampikammion rasituksiksi ja synnyttävät siinä muodonmuutoksia Mitä nopeakäyntisempi moottori sitä enemmän on kiinnitettävä huomiota sisäisiin momentteihin Suuret sisäiset taivutusmomentit voivat aiheuttaa moottorissa laakerivaurioita, moottorin kiinnityspulttien jännityksen vähenemistä ( kiinnityksen löystymistä), erilaisia halkeamia rakenteissa ja tärinää moottorin käynnissä. Pyörivät massavoimat aiheuttavat kampiakselin kulmanopeudella pyörivän sisäisen taivutusmomentin Ensimmäisen kertaluvun edestakaiset massavoimat synnyttävät sylinterien keskiviivojen kautta kulkevassa tasossa vaikuttavan mukaisesti vaihtelevan taivutusmomentin, joka saa ääriarvonsa kaksi kertaa kampiakselin kierroksen aikana Toisen kertaluvun edestakaiset massavoimat aiheuttavat sylinterien keskiviivojen määräämässä tasossa vaikuttavan taivutusmomentin, joka vaihtelee mukaisesti. Tämä momentti saavuttaa ääriarvonsa neljä kertaa yhden kampiakselikierroksen aikana. 18 3

184 Esim. 6-sylinterinen rivimoottori Kampikohtainen tasapainotus poistaa momentit!!! Oikealla havainnekuva kampiakselin sisäisten taivutusmomenttien määräämisestä pyörivien massavoimien ollessa herätteenä 18 4

185 Ensimmäisen kertaluvun edestakaiset sisäiset taivutusmomentit Momentteja ei voida tasapainottaa yksinkertaisesti kampiakselin vastapainojen avulla 18 5

186 Toisen kertaluvun edestakainen massavoima vaihtelee, joten suunnat on määrättävä toisen kertaluvun akselitähden mukaan. Suurimman arvon vaihtelu noudattaa kaavaa Näidenkään tasapainottaminen ei ole yksinkertaisella tavalla mahdollista Voimien tasapainottamisen ollessa vaikeaa tulee itse moottori alun perin suunnitella siten, että sisäiset momentit jäävät pieniksi Sytytysjärjestys Perusrakenne Sytystysvälit Lopputulemana tietyt perusmoottorityypit, jotka ovat hyviä kompromisseja kokonaistasapainotuksen kannalta. Nykyään kaikki valmistajat suosivat samoja moottorityyppejä tahti ( 3- syl rivi, 4- syl rivi, 6- syl rivi, V6, V8 ) - 2- tahti ( 1-syl. 2-syl rivi, V2, ) 18 6

187 Taulukossa voimien ja momenttien kertoimet!!! 18 7

188 18 8

189 18 9

190 19 0

191 Seuraavilla parilla sivulla esitetty yleisimpien moottorityypeissä esiintyvät edestakaiset massavoimat ja niiden momentit 19 1

192 19 2

193 19 3

194 Ajoneuvojen polttomoottorit tuetaan ajoneuvon runkoon 2. joustavasti 1. Kiinteästi Kaikki kiinnitysvoimat siirtyvät runkoon -Runko yleensä suurimassainen rakenne, joka tasoittaa värähtelyjä -Kiinnityselinten tukevuus oltava riittävä Vain osa kiinnitysvoimista välittyy ajoneuvon runkoon -Voimien välittyminen eri taajuuksilla erilaista - Kiinnitysosat vaimentavat värähtelyjä Kumityynyjä tarvitaan, koska moottoria ei yleensä kannata rakentaan täysin tasapainoiseksi! 19 4

195 1. Tavalliset ns. jäykät kumityynyt - Yleinen vanhemmissa autoissa - Kumityyny yleensä umpikumia - Joustaa jonkin verran - Vaimentaa värähtelyjä jonkin verran 2. Hydroplastiset moottorikannakkeet - Kumityynyn sisällä hydraulinestettä ( öljyä) - Neste lisää tyynyn vaimennuskykyä Kuvan kumityynyn rakenne 1) Kumiosa 2) Ja 5) hydraulinestekammiot 3) Yhdyskavana 4) Hydraulinestekammioiden välinen kalvo Kalvo 4) poistaa pienet värähtelyamplitudit. Suurilla amplitudeilla kammiot yhdistyvät kanavan 3) välityksellä. Ko. tyyny on kuormituksen suhteen progressiivinen 19 5

196 3. Aktiiviset moottorin kumityynyt - säädettävyys - saavutetaan parempi säädettävyys kuormituksen suhteen - pienillä kuormilla tuenta on pehmeä ja suurilla rasituksilla jäykempi ( ominaistaajuus nousee). ( mieti harmoninen värähtelijä). Moottorin liikkeet saadaan vakioitua - Yleisiä nykyisissä dieselmoottoreissa Säädettävyys sähköllä tai alipaineella Tyynyssä voidaan säätää joko hydraulinesteen viskositeettia sähköllä tai sitten nesteen virtausta säädettävien venttiilien avulla 19 6