Nakutus

Kohteesta 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 aikainen sytytys tapahtuu monisylinterisen moottorin yhdessä tai useammassa sylinterissä, jolloin nämä aikaisesta sytytyksestä kärsivät sylinterit alkavat työskennellä huonommin, jarruttaen moottoria, jolloin moottorin loput sylinterit enimmäkseen pyörittävät moottoria, jonka käynti hidastuu ja heikkenee. Kasvanut lämpötila voi vahingoittaa mäntää ja männän renkaita.[2] Kova rasitus voi myös rikkoa kiertokangen.[3] Sytytystulpan tai pakoventtiilin ylikuumeneminen ovat tavallisimpia aikaisen sytytyksen aiheuttajia.[4]

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.[5][6] Ilmiön havitsi ensimmäisen kerran Harry Ricardo tutkiessaan vuosien 1914–1918 aikana tapahtuneita lentokoneiden moottoreiden hajoamisia.[7]

Mitä aikaisemmin detonaatio tapahtuu, sitä suurempi määrä palamatonta seosta antaa sille energiaa. Niinkin vähän kuin 5 % seoksen määrästä riittää tuottamaan kovan nakutuksen.[8]

Keinoja nakutustaipumuksen torjumiseen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Nakutukseen vaikuttavia tekijöitä[9]

  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.[10]
  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.[11][12]
  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. Lainaus: "The initiation of ignition and the propagation of the flame front from the heated hot-spot is similar to that produced by the spark-plug when it fires, the only difference between the hot-spot and spark plug is their respective instant of ignition. Thus, the sparking plug provides a timed and controlled moment of ignition whereas the heated surface forming the hot-spot builds upto the ignition temperature during each compression stroke and therefore the actual instant of ignition is unpredictable. "
  2. Rajput, s. 207. Lainaus: "The real undesirable effects of pre-ignition are when it occurs only in one or more cylinders in a multi-cylinder engine. Under these conditions, when the engine is driven hard, the unaffected cylinders will continue to develop their full power and speed, and so will drag the other piston or pistons, which are experiencing pre-ignition and are producing negative work, to and fro until eventually the increased heat generated makes the pre-igniting cylinders' pistons and rings sieze."
  3. Rajput, s. 207. Lainaus: "Pre-ignition is a serious type of abnormal combustion. It increases the heat transfer to the cylinder walls because high temperature gases remain in contact with the cylinder for a longer period. The load on the crankshaft during compression is abnormally high. This may cause crank failure."
  4. Rajput, s. 208. Lainaus: "Over-heated spark plugs and exhaust valves which are the main causes of pre-ignition should be carefully avoided in the engines."
  5. Rajput, s. 208
  6. Pickerill, s. 181. Lainaus: "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."
  7. V.S.S.: Abadan and aviation fuels. Flight and Aircraft Engineer, 26.10.1951, LX. vsk, nro 2231, s. 540. London, United Kingdom: Artikkelin verkkoversio (PDF) Viitattu 16.3.2016. (englanniksi) Lainaus: "The steady improvements in aviation spirit since the first world war hinge on the discoveries made between 1916 and 1919 by Mr. (now Sir) Harry Ricardo. He was the first to observe the phenomenon of detonation, and blamed it for the frequent engine failures in aircraft between 1914 and 1918."
  8. Rajput, s. 209. Lainaus: "The ´intensity of detonation´ will depend mainly upon the amount of energy contained in the ´end-mixture´ and the rate of chemical reaction which releases it in the form of heat and a high intensity pressure-wave. Thus, the earlier in the combustion process the detonation commences, the more unburnt end-mixture will be available to intensify the detonation. As little as 5 per cent of the total mixture charge when spontaneously ignited will be sufficient to produce a very violent knock."
  9. Rajput, s. 210–211
  10. Taylor, s. 61. Lainaus: "Because of the fact that it is easily changed, spark timing may be varied in such a way as to help control detonation."
  11. Pickerill, s. 183. Lainaus: "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."
  12. Vizard, s. 115. Lainaus: "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."