Polttoaineensuihkutus

Polttoaineensuihkutus on järjestelmä, jonka avulla polttoaine syötetään polttomoottorin palotilaan. Dieselmoottoreissa polttoaineensuihkutus on välttämättömyys, ottomoottoreissa se on vaihtoehto kaasuttimelle. Kaasuttimella ei kuitenkaan voitu säädellä polttoaineen syöttöä niin tarkasti, että 90-luvun alussa kiristyneet päästöluokitukset olisi voitu täyttää. Erityisesti kolmitoimikatalysaattorin toiminta edellyttää tarkasti oikeaa seossuhdetta, minkä aikaansaaminen ja jatkuva ylläpito eri käyttöolosuhteissa on kaasuttimen avulla lähes mahdotonta. Nämä ongelmat pakottivat lopulta siirtymään täysin suihkutuslaitteiden käyttöön.[1]

Kaasutin- ja suihkutusjärjestelmän suurin eroavaisuus löytyy tavasta, jolla polttoaine atomisoidaan ja sekoitetaan paloilmaan. Suihkutusjärjestelmässä polttoaine työnnetään ruiskusuuttimesta kovalla paineella, jolloin se hajoaa sumuksi. Ottomoottorin kaasuttimessa polttoaine syötetään moottoriin imuilman joukkoon ennen kaasuttimen kurkkua (kiinteäkurkkuiset kaasuttimet), joka kiihdyttää ilman ja polttoaineen muodostaman seoksen virtausnopeutta ja samalla atomisoi polttoaineen.

Tavoitteet

Polttoaineen suihkutusjärjestelmän toiminnalliset tavoitteet saattavat vaihdella. Kaikkien järjestelmien päätehtävänä on toimittaa polttoainetta moottorin palotapahtumaan, mutta lisäksi järjestelmissä voidaan painottaa yhtä tai useampaa osa-aluetta. Alla on listattu joitain järjestelmille asetettavia tavoitteita, jotka saattavat osin jopa kamppailla toisiaan vastaan:

• Voiman tuotto
• Polttoainetaloudellisuus
• Kyky pysyä annetuissa päästörajoissa
• Kyky hyödyntää vaihtoehtoisia polttoaineita
• Luotettavuus
• Ajettavuus ja pehmeä toiminta
• Valmistuskustannukset
• Huoltokustannukset
• Kyky itsediagnoosiin
• Kyky toimia eri ympäristöissä ja olosuhteissa
• Moottorin virittäminen

Modernit, digitaalista dataa hyödyntävät, elektronisesti ohjatut suihkutusjärjestelmät, kykenevät huomattavasti parempaan tavoitteiden yhdistämiseen ja optimointiin kuin vanhemmat mekaaniset järjestelmät ja kaasuttimet.

Hyödyt

Polttoaineen suihkutusjärjestelmän etuja ovat täsmällisempi ja nopeampi kaasuläpän liike, parempi kylmäkäynnistyvyys, tasalaautuinen toiminta eri lämpötiloissa ja ilmanpaineissa, vakaampi tyhjäkäynti, vähentynyt huollon tarve ja parempi polttoainetalous.

Suihkutusjärjestelmä eliminioi erillisen mekaanisen rikastimen tarpeen. Yksinkertaisemmissa kaasutinjärjestelmissä kuljettajan oli huolehdittava manuaalisesti rikastimen säätämisestä moottorin lämpötilan mukaan. Sen lisäksi (suora)suihkutusjärjestelmien etuna on kyky kerrostettuun syöttöön. Kaasuttimella tätä ominaisutta ei ole.

Polttoaineen tasainen jakaminen sylintereittäin jo nelisylinterisessä rivimoottorissa yhdellä kaasuttimella on haastavaa, viisi- ja kuusisylinterisissä rivimoottoreissa vielä vaativampaa. Monet moottorivalmistajat käyttivät kahden tai useamman kaasuttimen järjestelmiä hiemankaan hintavamman luokan autoissa. Samoin esimerkiksi korkean suorituskyvyn omaavissa V8-moottoreissa saatettiin käyttää kahta tai kolmea kaksikurkkuista kaasutinta. Tällaiset järjestelmät olivat hintavia ja niiden säätäminen tasapainoon erikoisosaamista vaativa ala. Polttoaineen monipistesuihkutuksella on päästy tasaiseen sylinterikohtaiseen syöttöön.

Polttoaineen suihkutusjärjestelmä on lisäksi riippumaton asennon muutoksista. Uimurikammiolla varustettu kaasutin ei toimi ylösalaisin tai painottomassa tilassa, jotka ovat lentokonemoottoreille tyypillisiä toimintatiloja.

Ympäristöhyödyt

Polttoaineen suihkutuksen voidaan yleisellä tasolla sanoa parantavan moottorin polttoainetaloutta ja siten vähetävän ympäristökuormitusta. Monipistesuihkutus mahdollistaa tarkan sylinterikohtaisen annostelun. Kaasuttimien ja yksipisteruiskun yhtenä heikkoutena on ollut, imujärjestelmän rakenteesta riippuen, seoksen epätasainen jakautuminen. Sen sivutuloksena, että kaikki sylinterit saavat tehon tuottamisen kannalta riittävän määrän polttoainetta, lähimpänä kaasutinta tai yksipisteruiskun syöttöä olevat sylinterit saavat sitä liikaakin.

Tarkan sylinterikohtaisen annostelun ja tehokkaamman palotapahtuman ansiosta pakokaasuissa on hyvin vähän palamatonta polttoainetta eli hiilivetyä (HC). Tällä taas on suora vaikutus katalysaattorin toimintaan, koska mitä puhtaampia pakokaasut ovat HC-jäämistä, sen tehokkaammin katalysaattori kykenee muuntamaan muita päästöjä vähemmän haitalliseen muotoon. Myös katalysaattorin käyttöikä pitenee, mitä vähemmän sinne kulkeutuu ylimääräisiä jäämiä.

Historia ja kehitys

Englantilaisen Herbert Akroyd Stuart suunnittelema ja vuonna 1892 myyntiin tullut öljymoottori oli ensimmäinen polttomoottori, jossa paineistettu polttoöljy syötettiin suuttimen kautta sylinterin palotilaan. Järjestelmää käytettiin osana Stuartin kehittämää kuulamoottoria. Saksalainen Robert Bosch ja amerikkalainen Clessie Cummins kehittivät Stuartin järjestelmää eteenpäin dieselmoottorien polttoaineen syötössä. Rudolf Dieselin alkuperäisessä järjestelmässä polttoaine atomisoitiin paineistetun ilman voimalla. Tämä vaati erillisen ahtimen, joka vei osan moottorin antamasta tehosta ja teki samalla siitä kalliimman valmistaa.[2] 1920-luvun puolivälissä polttoaineen suihkutus oli dieselmoottoreiden järjestelmänä jo laajalti levinnyt.

Varhaisin bensiinin epäsuoran suihkutuksen järjestelmä näki päivänvalon vuonna 1902, jolloin ranskalainen ilmailuinsinööri Léon Levavasseur asensi tällaisen järjestelmän uraauurtavaan Antoinette 8V -lentokonemoottoriinsa. Kyseinen moottori oli ensimmäinen V8- konfiguraatiolla toteutettu moottori, joka on koskaan valmistettu.[3]

Eräs varhaisimmista bensiinin suorasuihkutusjärjestelmistä löytyy ruotsalaisen insinööri Jonas Hesselmanin vuonna 1925 suunnittelemasta Hesselman-moottorista. Hesselman-moottorit toimivat laihaseos-periaatteella. Niissä polttoaine suihkutettiin palotilaan puristustahdin loppuvaiheessa ja sytytettiin sytytystulpan avulla. Useimmiten moottorit käynnistettiin bensiinillä, jonka jälkeen siirryttiin käyttämään dieselöljyä tai moottoripetrolia.[4]

Useissa II maailmansodan aikaisissa lentokonemoottoreissa käytettiin polttoaineen suorasuihkutusta, huomattavimpina näistä saksalaiset Junkers Jumo 210, Daimler-Benz DB 601 ja BMW 801, sekä venäläinen Shvetsov ASh-82FN (M-82FN). Saksalaisten bensiinin suorasuihkutus oli kehitetty Boschin dieselmoottoreiden ruiskujärjestelmästä. Brittien Rolls-Royce Merlin -moottorissa siirryttiin vuonna 1943 käyttämään yksipisteruiskua, jota tuolloin kutsuttiin nimellä "Pressure Carburettor". Toisen maailmansodan loppuvaiheessa Wright R-3350 -moottorissa siirryttiin polttoaineen suorasuihkutukseen. Japanilaisilla oli polttoaineen suihkutus käytössä kahdessa lentokonemoottorissa, Mitsubishi Kasei ja Kinsei -tähtimoottoreissa.

Eräs ensimmäisistä sähköisesti ohjatuista ruiskujärjestelmistä oli Alfa Romeon vuoden 1940 Mille Miglia -kilpailussa käyttämä Caproni-Fuscaldo -järjestelmä.[5] Kuusisylinterisellä rivimoottorilla ja monipisteruiskulla varustettu Alfa Romeo 6C 2500 "Ala spessa" ajoi kilpailun lävitse täysin ongelmitta.[6]

Rakenne ja toiminta

Ruiskutusjärjestelmät voidaan jakaa ruiskutusventtiilien suuttimien lukumäärän mukaan 1-piste- ja monipisteruiskutusjärjestelmiin. yksipisteruiskutuksessa yksi suutin syöttää polttoaineen kaikille moottorin sylintereille, kun taas monipisteruiskutuksessa jokaiselle sylinterille on oma ruiskutussuuttimensa. Ruiskutusjärjestelmät voidaan jakaa myös polttoaineen ruiskutuspaikan mukaan imusarjaruiskutusjärjestelmiin ja suoraruiskutusjärjestelmiin. Suoraruiskutusjärjestelmät suihkuttavat polttoaineen suoraan palotilaan. Imusarjaruiskutusjärjestelmissä polttoaine suihkutetaan imusarjaan, jossa se sekoituu imusarjassa virtaavaan ilmaan muodostaen polttoaineseoksen. Ruiskutusjärjestelmät voidaan jakaa ruiskutustapansa mukaan jaksottais- eli pulssi- ja jatkuvasuihkutteisiin laitteistoihin.

Suihkutusjärjestelmässä on polttoainelaitteet, jotka hallitsevat polttonesteen liikkeet järjestelmässä, ja ohjausjärjestelmä, joka ohjaa polttoainelaitteita. Ohjausjärjestelmä on yleensä elektroninen järjestelmä, jossa on ohjausyksikkö, joka ohjaa suihkutusventtiileitä antureilta saamansa tiedon perusteella. Polttoainelaitteita ovat polttoainepumppu, joka tuottaa järjestelmään tarvittavan polttoaineen paineen, polttoaineputkisto, joka johtaa polttoaineen haluttuihin kohteisiin, paineensäädin, joka huolehtii oikean ruiskutuspaineen säilyttämisetä, ja suihkutusventtiilit, jotka ohjaavat polttoaineen pääsyä moottoriin.

Yksipistesuihkutusjärjestelmät

Yksipistesuihkutusjärjestelmät eroavat toisistaan lähinnä rakenteellisesti. Kaikissa järjestelmissä on kuitenkin kaasuläpän yläpuolelle sijoitettu suihkutusventtiili, tasaisen seoksen jakautumisen vuoksi, ja niissä yleensä käytetään suihkutuspaineena hieman alle 1 baaria.

Eri polttoaineensuihkutusjärjestelmiä

Bosch-ruiskut

• K-Jetronic
• Ke-Jetronic
• L-Jetronic
• Le-Jetronic
• D-Jetronic
• Mono-Jetronic
• Mono-Motronic
• Motronic

Muut ruiskut

• Denso
• Digifant (VW)
• GM Multec
• Hestec
• Hitachi
• IAW Weber
• Kefico
• Kugelfischer
• Lucas
• Magneti Marelli
• Mazda EGI
• Mitsubishi ECI
• Megasquirt
• Motec
• Pierburg
• Spica

Katso myös

• Yhteispaineruiskutus

Lähteet

• Ransome-Wallis, Patrick (2001). Illustrated Encyclopedia of World Railway Locomotives. Courier Dover Publications. ISBN 0-486-41247-4.
• Lindh, Björn-Eric (1992). Scania fordonshistoria 1891-1991. Streiffert. ISBN 978-91-7886-074-6.
• Olsson, Christer (1990). Volvo – Lastbilarna igår och idag. Förlagshuset Norden. ISBN 978-91-86442-76-7.