Nakutus

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Nakutuksella voidaan tarkoittaa joko dieselmoottorin ominaiskäyntiääntä tai ottomoottorin epäsuotuisaa nakutusta.

Nakutuksen havainnekuva.

Nakutusta esiintyy kahdenlaista: normaalia, jossa liekkirintama etenee tasaisesti, maksimipaine 10–20 astetta jälkeen yläkuolokohdan, sekä haitallista nakutusta, jolloin tapahtuu ennenaikainen räjähdyksenomainen syttyminen (paineisku).

Haitallinen nakutus syntyy, kun liekki syttyy kipinästä, mutta kauempana sytytystulpasta (esimerkiksi palotilan reunalla) tapahtuu itsesyttyminen (paineen ja lämpötilan vaikutuksesta esimerkiksi hehkuvien karstanokareiden aikaansaama syttyminen) ja nämä kaksi paineaaltoa kohtaavat. Seurauksena on tehon laskua sekä moottorin termisten ja mekaanisten rasitusten lisääntymistä. Mikäli haitallista nakutusta tapahtuu vain hetkellisesti (esimerkiksi kiihdytyksessä), ei se yleensä ole moottorille vaarallista. Jos nakutusta kuitenkin ilmenee raskaalla kuormalla, on vakavan moottorivaurion vaara ilmeinen.

Nakutuksen syntyyn vaikuttavat käytetty polttoaine, kuormitusaste, moottorin ja imuilman lämpötila sekä palotilan muoto ja puhtaus. Nakutusta voidaan vähentää esimerkiksi kuormitusta vähentämällä, sytytystä myöhäistämällä, korkeaoktaanisemmalla bensiinillä sekä pitämällä palotila karstattomana. Nykymoottoreissa käytetään nakutuksen tunnistinta, jonka tehtävänä on tunnistaa haitallinen nakutus ja säätää sen mukaan muun muassa sytytystä sekä ahtopainetta.

Aikainen sytytys[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Aikainen sytytys tarkoittaa seoksen syttymistä ennen sytytystulpan kipinää. Sen voi aiheuttaa paikallinen seoksen ylikuumeneminen, esimerkiksi palotilan sisäisen kuuman kohdan aiheuttamana. Sellaisia kohtia voivat olla esimerkiksi pakoventtiili, metallisärmät, kannen tiivisteen reuna ja sytytystulpan elektrodi. Liekki etenee aaltona, kuten sytytystulpan kipinänkin aiheuttamana, mutta oleellinen ero näillä on syttymishetki, joka kipinän tapauksessa on täsmällisesti määritelty ja aikaisen sytytyksen tapauksessa epätäsmällinen, ennustamaton ja ennenaikainen.[1]

Aikainen sytytys lisää kuumien palokaasujen läsnäoloaikaa männän yläkuolokohdassa, mikä lisää palotilan seinien kuumenemista ja lämpöhäviöitä. Tämä kuumeneminen edelleen siirtää hallitsematonta aikaista sytytystä varhaisemmaksi, mikä pahentaa ilmiötä. Pahimmillaan että aikainen sytytys tapahtuu vain moottorin yhdessä sylinterissä, jolloin kyseinen sylinteri alkaa työskennellä huonommin, jarruttaen moottoria, jolloin pääasiassa muut sylinterit pyörittävät moottoria. Kasvanut lämpötila voi vahingoittaa mäntää ja männän renkaita. Kova rasitus voi myös rikkoa kiertokangen.[2] Sytytystulpan tai pakoventtiilin ylikuumeneminen ovat tavallisimpia aikaisen sytytyksen aiheuttajia.[3]

Detonaatio[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Detonaatio on eri asia kuin aikainen sytytys, vaikkakin aikainen sytytys voi olla yksi detonaation aiheuttaja. Detonaatio tapahtuu joko normaalin kipinäsytytyksen tai aikaisen sytytyksen seurauksena. Sytytyksen aiheuttama palorintama kulkee aiheuttamansa paineaallon jäljessä. Paineaalto itsessään aiheuttaa jo valmiiksi puristuksessa kuumenneessa seoksessa hetkellisen lämpötilan nousun, joka voi aiheuttaa seoksessa spontaanin syttymisen, joka vuorostaan aiheuttaa paineaallon mukana nopeasti etenevän ja seoksen palamisesta vahvistuvan palorintaman.[4][5]

Mitä aikaisemmin detonaatio tapahtuu, sitä suurempi määrä palamatonta seosta antaa sille energiaa. Niinkin vähän kuin 5 % seoksen määrästä riittää tuottamaan kovan nakutuksen.[6]

Keinoja nakutustaipumuksen torjumiseen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Nakutukseen vaikuttavia tekijöitä[7]

  1. Polttoaineen valinta. Matala itsesytytyslämpötila edistää nakutusta.
  2. Puristuspaine. Suurempi paine alentaa itsesyttymislämpötilaa. Nakutus tapahtuu yleensä täydellä kaasulla.
  3. Moottorin käyntinopeus. Matala käyntinopeus tuottaa vähemmän pyörteilyä seoksen virtauksessa imutahdin aikana ja hitaamman liekkirintaman etenemisnopeuden.
  4. Sytytyksen ajoitus. Sytytysennakon lisääminen kasvattaa myös huippupainetta, mikä edistää nakutusta. Eräs tapa ehkäistä detonaatiota on sytytyksen tahallinen viivästys kuormituksen mukaan, jolloin paine yläkuolokohdan jälkeen on jo vähän laskenut ja detonaation vaara poistunut.[8]
  5. Seoksen vahvuus. Optimaalinen seoksen vahvuus tuottaa korkean paineen ja edistää nakutusta.
  6. Puristussuhde. Korkea puristussuhde kasvattaa huippupainetta ja edistää nakutusta.
  7. Palotilan muotoilu. Huono muotoilu aiheuttaa liekille pitkän etenemisreitin, riittämättömän pyörteilyn ja riittämättömän jäähdytyksen, jotka kaikki edistävät nakutusta.[9][10]
  8. Sylinterin jäähdytys. Huono jäähdytys kasvattaa seoksen lämpötilaa ja edistää nakutusta.

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Rajput, R. K.: A Textbook of Internal Combustion Engines. Laxmi Publications, 2005. ISBN 81-7008-637-X. (englanniksi)
  • Pickerill, Ken: Automotive Engine Performance – 6th Edition. Clifton Park, New York: Cengage Learning, 2014. ISBN 978-1-133-59287-7. (englanniksi)
  • Vizard, David: How to build & modify Chevrolet small-block V-8 cylinder heads. St. Paul, Minneapolis, Minnesota, USA: MBI Publishing Company, 1991. ISBN 0-87938-547-2. (englanniksi)
  • Taylor, Charles Fayette: The Internal-Combustion Engine in Theory and Practice, Volume 2: Combustion, Fuels, Materials, Design – Revised Edition. Massachusetts, USA: MIT Press, 1985. ISBN 0-262-20052-X. (englanniksi)

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Rajput, s. 205–206
  2. Rajput, s. 207
  3. Rajput, s. 208
  4. Rajput, s. 208
  5. Pickerill, s. 181: "The last part of the air-fuel mixture is both heated and pressurized, and the combustion of those two factors can raise it to the self-ignition point. At that moment, the remaining mixture burns almost instantaneously. The two flame fronts create a pressure wave between them that can destroy cylinder head gaskets, break piston rings, and burn pistons and exhaust valves."
  6. Rajput, s. 209
  7. Rajput, s. 210–211
  8. Taylor, s. 61: "Because of the fact that it is easily changed, spark timing may be varied in such a way as to help control detonation."
  9. Pickerill, s. 183: "Combustion chamber shape. The optimum combustion chamber shape for reduced knocking is hemispherical with a spark plug located in the center. This hemi-head allows for faster combustion, allowing less time for detonation to occur ahead of the flame front."
  10. Vizard, s. 115: "To keep the possibility of detonation to a minimum, especially in a high-compression engine, it is necessary to achieve the closest possible approach of piston to deck. This accomplishes two things. First, it speeds combustion to the maximum level possible. Second, for a given compression, it means less piston dome is needed, and therefore a more favorable combustion chamber shape results."