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

Kehitys dieselmoottoreissaa

Pääartikkeli: Dieselmoottori

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.

Dieselmoottorit voidaan jakaa suoraruiskutusdiesel- ja esikammiodieselmoottoreihin. Suoraruiskutus tyyppisissä moottoreissa polttoaine ruiskutetaan suoraan palotilaan ja palotapahtuma tapahtuu kokonaan palotilassa. Esikammiodieselmoottoreissa on varsinaisen palotilan lisäksi pieni kammio, josta on pieni aukko palotilaan. Polttoaine ruiskutetaan aluksi kammioon, jossa se palaa osittain. Esipalanut polttoaine-ilmaseos laajenee ja siirtyy varsinaiseen palotilaan, jossa se palaa lähes täydellisesti.

Dieselien polttoaineenruiskutusmenetelmiä on kolmea tyyppiä: mekaaninen ruiskutuspumppu (jakaja-/rivipumppu), yhteispaineruiskutus (common rail) ja pumppusuutin.

Kehitys bensiinimoottoreissa

Mekaaninen suihkutus

Mekaanisella polttoaineen suihkutuksella varustettu Antoinette 8V -lentokonemoottori vuodelta 1909.

Ranskalainen keksijä Leon Levavasseur kehitti suunnittelemansa V8-lentokonemoottorin polttoaineen syöttöä varten mekaanisen epäsuoran suihkutusjärjestelmän vuonna 1902.[3] Levavasseur suunnitteli Antoinette-yhtiön lentokoneiden lisäksi näissä käytössä olleet moottorit, joita käyttivät myös muut lentokonevalmistajat. Levavasseur suunnitteli ja valmisti maailman ensimmäiset V8- ja V16 -konfiguraatiolla toteutetut moottorit, jotka kaikki olivat varustettu polttoaineen mekaanisella suihkutuksella. Lentokoneiden lisäksi näitä pieniä ja kevyitä moottoreita käytettiin vuonna 1906 esitellyn Antoinette-auton voimanlähteenä (maailman ensimmäinen V8-moottorinen ja ensimmäinen polttoaineen suihkutuksella varustettu auto) ja venekäytössä jopa V32-konfiguraationa. Levavasseurin V16-moottori tuotti tehoa 100 hevosvoimaa, joka oli omana aikanaan melkoinen luku.

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]

Toisen maailmansodan päätyttyä kanadalaissyntyinen, hot rod-autoja rakentanut Stuart Hilborn, alkoi tarjoamaan mekaanista suihkutusjärjestelmäänsä ratakilpa-autoihin, suolajärviautoihin sekä midget-kilpa-autoihin.[7] Hilbornin järjestelmällä varustetut moottorit oli helppo tunnistaa pystyssä olevien, kiillotettujen ilmatorvien ansiosta.

Saksalainen Bosch kehitti ensimmäisen sarjatuotantoisessa bensiinimoottorisessa henkilöautossa käytetyn polttoaineen mekaanisen suihkutusjärjestelmän, joka otettiin käyttöön vuonna 1952 Goliath-merkin GP700-mallissa sekä Gutbrod-autossa. Järjestelmä oli periaatteessa dieselmoottorin korkeapaine-suorasuihkupumppu, johon oli yhdistetty kaasuläppä. Dieselmoottorissahan ei ole kaasuläppää, vaan moottorin tehoa säädetään polttoaineen syötön määrää muuttamalla. Järjestelmään kuului tavanomainen bensiinipumppu, joka syötti polttoainetta mekaaniselle ruiskupumpulle. Ruiskupumpussa oli jokaiselle suutinlinjalle oma plungeri (mäntämäinen osa, joka liikkuu sylinterimäisen osan sisällä), jonka avulla polttoaine korkeapainestettiin ja työnnettiin sylinterin palotilaan. Vuoden 1954 Mercedes-Benz W196 Formula 1 -kilpa-autossa käytettiin Boschin suorasuihkutusta, joka oli jatkokehitetty II maailmansodan aikaisesta lentokonemoottoreiden järjestelmästä. Kilparadoilla saadun menestyksen myötä vuoden 1955 Mercedes-Benz 300SL sai polttoaineen suorasuhkutusjärjestelmän. Näin mallista tuli ensimmäinen polttoaineen suihkutuksella varustettu sarjavalmisteinen urheiluauto. Vuoden 1955 Mercedes-Benz 300SLR -kilpa-auto, jollaisella Stirling Moss ajoi vuoden -55 Mille Miglian voittoon ja Pierre Levegh menehtyi vuoden -55 Le Mansin suuronnettomuudessa, oli varustettu W196:n moottorista jatkokehitetyllä voimanlähteellä. Siinä Boschin polttoainesuuttimet oli sijoitettu sylinteriseinämien porauksiin, joissa Mercedes-Benzin muissa kuusisylinterisissä moottoreissa sijaitsivat sytytystulpat. Tässä moottoriversiossa sytytystulpat oli sijoitettu sylinterikanteen. Tämän jälkeen valtavirta alkoi suuntautua valmistuskustannuksiltaan edullisempien epäsuoran suihkutuksen järjestelmien käyttöön.

1959 Corvette 283 cid V8, Rochesterin mekaanisella ruiskulla

Vuonna 1956 Chevrolet esitteli mallivuoden -57 283 V8 -moottoriin optiona tarjolla olleen, General Motorsin Rochester-divisioonan valmistaman mekaanisen polttoaineen suihkutusjärjestelmän. Järjestelmään kuuluu imusarja ("koirankoppi"), ilmamäärän mittari ja polttoaineen annostelija. Sen toiminta on seuraavanlainen: Kun moottori käynnistetään, startin sähköpiiriin kytketty solenoidiventtiili avaa polttoainelinjan. Ilmamäärän mittari mittaa kaasuläpän ohi virtaavan ilman määrän ja tämä tieto kulkee alipainejärjestelmän välittämänä polttoaineen annostelijalle, joka syöttää järjestelmään oikean määrän polttoainetta. Polttoaine pumpataan suuttimille, jotka sijaitsevat jokaisen sylinterin imukanavassa, aivan imuventtiilin yläpuolella. Tässä imuilma ja bensiini sekoittuvat ja imeytyvät sylinteriin imuventtiilin avautuessa. Järjestelmässä ei ole jaksotus- tai pulssitoimintoa, vaan se oli jatkuvan virtauksen järjestelmä.[8]

Vuonna 1956 brittiläinen Lucas kehitti suihkutusjärjestelmänsä, joka oli ensi kertaa käytössa Jaguar-kilpa-autoissa Le Mansissa. Järjestelmä otettiin hyvin pian käyttöön Formula 1 -kilpa-autoissa ja sen avulla Cooper, BRM, Lotus, Brabham, Matra ja Tyrrell varmistivat mestaruuden vuosien 1959 – 1974 välisenä aikana.[9] Kun kilpa-autojen järjestelmissä käytettiin pottoaineen annosteluun yksinkertaista nokkavipua, ("Fuel cam") [10][11] sarjatuotantoautoja varten kehitettiin hienostuneempi Mk 2 -versio, jonka polttoaineen annostelu hoidettiin alipaineohjatulla shuttle metering -luistiannostelijalla. Tämä mekaaninen järjestelmä oli käytössä joissain Maserati, Aston Martin ja Triumph malleissa vuosien 1963 ja 1975 välisenä aikana.[12][13]

1960-luvulla muitakin mekaanisia järjestelmiä, kuten esim. Hilborn, oli toisinaan käytössä kisakäyttöön muovatuissa amerikkalaisissa V8-moottoreissa, erilaisiin kilpamuotoihin kuten kiihdytysajoihin sekä ovaali- ja mutkaratakilpailuihin sovellettuna.[14] Nämä kilpailukäyttöön sovelletut järjestelmät eivät kuitenkaan olleet käyttökelpoisia jokapäiväisessä arkiliikentessä, koska niissä ei ollut ominaisuuksia moottorin matalia käyttönopeuksia varten, usein ei edes käynnistämistä varten. (Käynnistyminen edellyttää suuttimien avautumista jo starttausvaiheessa). Ne olivat kuitenkin aiemmin mainittuja autourheilumuotoja harjoittavien kilpailijoiden suosiossa, koska niissä kaasuläppä täysin auki ajaminen on vallitseva olotila. Jatkuvan virtauksen suihkutusjärjestelmät ovatkin edelleen käytössä kiihdytysajojen tehokkaimpien luokkien autoissa, jossa kaasu auki ja korkeilla kierroksilla ajaminen on yksi avaintekijöistä.[15]

Ensimmäinen mekaanisella polttoaineensuihkutuksella varustettu japnilaisauto oli vuoden 1967 Daihatsu Compagno 1000 GT.

Eräs eurooppalainen järjestelmä oli Boschin Jetronic, jonka ensimmäiset versiot olivat mekaanisia jatkuvalla virtauksella. Jetronic syötti polttoaineen imukanavaan imuventtiilin yläpuolella olevasta suuttimesta. Järjestelmän eri versioita käyttivät monet eurooppalaiset autonvalmistajat ja erityisesti Porsche, vuosien 1969 – 1973 911-sarjassa ja vuoteen 1975 asti Carrera 3.0 -mallissa. Porsche jatkoi tämän järjestelmän käyttöä 1970-luvun lopun ja 80-luvun alun kilpa-autoissaan. Porschen kilpa-autoissa 911 RSR 2.7 & 3.0, 904/6, 906, 907, 908, 910, 917 (vapaasti hengittävistä 5,5-litraiseen, 1580 hv:n tuplaturboversioon) ja 935 käytettiin Boschin tai Kugelfischerin ruiskujen eri variantteja. Varhaisia Bosch Jetronic -järjestelmiä käyttivät myös Audi, Volvo, BMW, Volkswagen ja monet muut. Kugelfischerin mekaanista järjestelmää käyttivät mm. BMW 2000 tii / 2002 tii, Peugeot 404 / 504 sekä Lancia Flavia.

Italialainen SPICA valmisti Alfa Romeolle Boschin mekaanista rivipumppua muistuttavan järjestelmän, jota käytettiin Montreal-mallissa ja vuosien 1969 – 1981 välisenä aikana Yhdysvaltain markkinoilla myydyissä 1750 Berlina- ja 2000 Berlina -malleissa. Järjestelmä suunniteltiin täyttämään Yhdysvaltain päästövaatimukset ilman moottorin tehon menetystä. Lisäksi se laski mallien polttoaineenkulutusta.

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.