MMAF Forum

Ahdetun pyörän käyttämää ahtopainetta pitää voida säätää. Muutoin mekaaninen ahdin tukehtuisi liian suureen ahtopaineeseen. Ylenpalttinen paine rasittaa ja yleensä myös hajottaa paikkoja. Tarpeeton ahtaminen kuluttaa myös voimaa. Ahtopaineen säätöjärjestelmästä pitää tehdä automaattinen, itseään säätelevä järjestelmä.

Tässä kuvataan järjestelmää, jossa mekaaninen ahdin ottaa suodattimen läpi ulkoilmaa ja painepuolen putkisto johtaa sen ilmaläpälle. Polttoaine ruiskutetaan ilmaläpän jälkeen vasta lähellä imuventtiiliä imukanavaan. Ahdin siis käsittelee pelkkää ilmaa.

Ylimääräinen jo kerran ahdettu ja valmiiksi suodatettu ilma ohjataan paineensäätöventtiilillä takaisin ahtimen ilmanottopuolelle ulkoilmaan puhaltamisen sijaan. Suuremman puhaltamisen kanssa tämä järjesty parhaimmillaan putsaa ilmansuodatinta ja tekee ilman paluukierrosta hiljaisemman.

Ahtopaineen säätöjärjestelmässä ei ole elektroniikkaa eikä juurikaan muita liikkuvia osia kuin paineensäätöventtiilin mäntä. Letkuja sitä vastoin on hiukan enemmän.

Lähestytään ahtopaineen säätöä kolmen esimerkkitapauksen kautta.

Maksimipaineen määrittely Mekaanisella ahtimella ilman tuotto kasvaa kierrosluvun kasvaessa. Moottori kykenee kuitenkin käyttämään vain tietyn maksimimäärän tarjottua ilmaa. Tätä suuremman paineen käyttäminen on turhaa ja hajottaa paikat. Tämän takia ahdin tulee mitoittaa sopivaksi koneen kokoon nähden. Katukäyttöön ahtimen maksimituotoksi riittää yleensä noin 3x moottorin koko yhtä moottorin kierrosta kohden. Tähän vaikuttaa siis paitsi ahtimen virtaustilavuus niin myös käytetty välityssuhde kampiakseliin nähden. Paineen säätämiseen käytetään paineensäätöventtiiliä. Paineensäätöventtiilejä on sekä sähköisiä että mekaanisia, joko kalvolla tai jousella varustettuja. Esimerkkipyörässämme on mekaanisella jousella varustettu paineensäätöventtiili. Paineensäätöventtiilin jousikuormitettu mäntä liikkuu ahtopaineen pakottamana ja avaa kanavan takaisin ahtimen imupuolelle. Tämä jousivakion määrittelemä paine on pyörän ahtojärjestelmän maksimipaine. Jousi valitaan sen mukaan, kuinka kova maksimi ahtopaineelle halutaan. Jousi voi olla myös progressiivinen jolloin paineen sallitaan vuotaa varsin helposti mutta rajoitetusti. Kaasun kääntö kiinni kesken täyden ahdon Liikenteessä tulee usein tilanteita, joissa kaasu käännetään kiinni suurilla kierroksilla ajaessa. Ahtimen painejärjestelmän kannalta tapaus on hankala koska kaasuläpän mennessä yhtäkkiä kiinni moottorin kierrokset eivät laske ja mekaaninen ahdin pumppaa ilmaa täpöllä. Tätä ilmanpainetta ei kuitenkaan nyt tarvita, vaan siitä tulee ongelma: voimaa kuluu hukkaan ja jos paine kasvaa liian suureksi jokin paikka hajoaa. Samanaikaisesti kaasuläpän ja imuventtiilin välisessä imusarjassa muodostuu voimakas, yleensä noin 0,5 baarin alipaine koska läppä estää ahdetun ilman pääsyn tähän tilaan ja moottori imee ilmaa kuitenkin normaalisti. Tässä tulee mukaan aiemmin mainittu letkusto. Imusarjassa venttiilin ja kaasuläpän välissä on ilmanippa jossa on kiinni letku. Letkun toinen pää on paineensäätöventtiilin männän jousen puolella. Imusarjan alipaine siis imee paineensäätöventtiilin mäntää auki samalla kun ahdin tuottaa painetta saman männän toiselle puolelle. Tätä jatkuu kunnes kunnes paine-ero tasaantuu.

(http://2.bp.blogspot.com/-upiwtCqQbys/TeNFEFq6d4I/AAAAAAAAAcg/b_GuJ0a6Qxw/s320/Ahtopaine-IMG_6616.jpg) Paineensäätöventtiili. Itse ahdin vasemmalla, ohjausletku lähtee venttiilin päästä oikealle. (http://3.bp.blogspot.com/-7WwGlVsTz7k/Teh1ctEH1XI/AAAAAAAAAcw/2bXyf6hIdr8/s320/20110602_024.jpg) Paineensäätöventtiilin eri vahvuisia vaihtojousia. (http://1.bp.blogspot.com/-QH3iTny-8mo/Teh1dvxdG0I/AAAAAAAAAc0/S309IFE48bg/s320/20110602_029.jpg) Boschin paineensäätöventtiileitä. Nämä ovat umpimallisia eikä näitä voi säätää jousta vaihtamalla. (http://3.bp.blogspot.com/-5q3gKVm7iCM/TeNFCMT1ECI/AAAAAAAAAcc/4Jp_3sEgfJ0/s320/Ahtopaine-IMG_6612.jpg) Imusarjasta lähtevä paineen ohjausletku keskellä.

Yllättävä pidon menetys ja sutiminen

Kuvitellaan tilanne jossa kiihdytetään pitävällä pinnalla osakaasulla ja kovalla ahtopaineella. Yllättäen tuleekin liukas kohta tiessä: vaikka öljyinen kaivonkansi tai keväinen ja hiekkainen risteys.

Takarengas pyörähtää tyhjää ja moottori pyrkii kovemmille kierroksille jolloin paine-ero ilmaläpän eri puolilla kasvaa: paineensäätöventtiili edellisessä kohdassa kerrotun takaisinkytkennän kautta avautuu hieman ja pudottaa ahtopainetta ja siten teho putoaa. Ei suoranainen luistonesto mutta toimii lähes täyskaasuasentoon asti.

Tästä voi joskus seurata myös mielenkiintoinen tilanne; Jos lähtee kiihdyttämään liukkaalta pinnalta ja kesken kiihdytyksen äkkiä kohtaa kuivan, pitävän asfaltin tulee niin sanotusti ’huisaakeli’ kiihdytys jossa ranteet venyy. Kokenut ahdinpyöränkuski ei tällaisesta hätkähdä vaan osaa jopa odottaa tilannetta.

Lyhyesti polttoaineen paineen säätämisestä

Ahtopaineen vaihdellessa syntyisi ristiriitaa jos polttoaineen painetta ei säädeltäisi. Polttoainesuuttimesta ei tulisi pihaustakaan bensaa jos imukaulassa valitsisi polttoaineen painetta suurempi paine. Polttoaineen paine pitää siis jatkuvasti pitää ruiskutuksen vaatiman paineen verran imukaulassa valitsevan paineen yläpuolella. Esimerkkipyörässä on jostain twinibemarista nussitut Boshin 303cc/min suuttimet jotka kaipaavat noin 3 bar ylipainetta toimiakseen oikein.

Tähän tarvitaan polttoaineen paineensäädin joka soveltuu ahtimen kanssa käytettäväksi sekä polttoainepumppu joka pystyy tuottamaan yhteensä aiotun maksimipaineen + ruiskutuksen vaatiman paineen verran.

Tuosta aiemmin mainitusta paineensäätimen letkusta on haara myös polttoaineen paineensäätimelle. Imusarjan paineenmuutokset saadaan näin otettua huomioon myös bensanpaineessa. Näin ei tarvita tarpeettoman pitkiä suuttimen aukioloaikoja joka voisi vioittaa suuttimia ja itse ruiskutuksen säätäminen käy helposti.


Ilmainpaineesta ja alan jargonista lyhyesti

Ilmanpaine on meren tasalla noin 1 bar. Ahtamattoman moottorin imukaulassa on normaalisti reilu, noin 0,5 – 0,6 baarin alipaine. Vain kaasuläppä täysin auki saattaa ahtamattoman moottorin imukaulassa hetkellisesti vallita ilmanpaine, joka on lähellä normaalia painetta.

Erilaisten ilmanohjaustötteröiden ja ram-systeemien kanssa tätä voidaan parantaa kovempia nopeuksia varten, mutta silloinkaan ei päästä juuri normaalipaineen yläpuolelle.

Ahtimen kanssa asia muuttuu. Imukaulassa, eli esimerkkipyörässä läppärungon ja imuventtiilien välissä on tyhjäkäynnillä ahtamattoman moottorin kanssa samankaltainen reiluhko alipaine. Mutta heti kun läppää avataan eli käännetään kaasukahvaa paine kaulassa kasvaa nopeasti aina säädettyyn maksimipaineeseen asti. Jotta asia olisi sekava monet ahtopainemittarit näyttävät normaalissa 1bar paineessa nollaa. Tämän takia ahtajat puhuvatkin esimerkiksi 0,2 ahdosta joka siis tarkoittaa 0,2 yli ilmakehän normaalipaineen, tai vastaavasti 1,4 ahtoa, joka siis tarkoittaa oikeasti 2,4 baarin painetta imukanavassa.

Yhteenveto paineen säädöstä esimerkkipyörässä

Imusarjan paine ohjaa paineensäätöventtiiliä, polttoaineen painetta ja elektronista ruiskutusta.

Ahtopainetta voi säätää säätöventtiilin jousen tyyppiä ja jäykkyyttä muuttamalla.

Ahtimen reagointia voi muuttaa kuristamalla paineensäätöventtiilille menevän letkun virtausta kuristimella, ja/tai lisäämällä letkuun paisuntakammio. Esimerkkipyörässä on molemmat, kuristimena toimii mig-hitsauskoneen lankasuutin joka sopivasti mahtui letkuun, ja painekammiona hyllystä löytynyt wanha bensansuodatin.

Ahtimen kierroslukua ja siten tuottoa voi myös muuttaa vaihtamalla välityksiä. Tämä on hankalin tie koska esimerkkipyörässä ahdin on sijoitettu moottorin ja vaihteiston väliin ja ahtimen välitys on rakennettu kiinteäksi osaksi ensiövetoa.

Painetieto jota pyörän elektroninen ruiskutusjärjestelmä hyödyntää, otetaan samasta paikasta imusarjaa kuin tieto paineensäätimillekin. Samassa letkussa on muuten vielä ahtopaineen mittari joka on kiinteästi asennettu bensatankin päälle.

Ahtopainetta voi mitata kahdesta eri kohtaa: 1) heti ahtimen jälkeen jolloin saadaan isoja ja nopeasti muuttuvia lukemia tai 2) kaasuläpän jälkeen imusarjasta jolloin saadaan tasaisempia ja hieman pienempiä lukemia. Ensimmäisellä voidaan todeta paineensäätöventtiilin toimintaa mutta jälkimmäinen on se todellinen, moottorin toimintaan vaikuttava tehollinen ahtopaine. Todellinen ahtopainehan on siellä männän päällä palotilassa mutta sitä on moottorin käynnin aikana maallikon vaikea mitata.

---

Teksti ja kuvat: Santtu Ahonen (http://luupilotti.blogspot.com/) ja Matti 'motomatti' Tahlo. Juttu julkaistiin MMAF:n jäsenkirjeessä 3/2011.

Ahtaminen voidaan suorittaa myös toisessa järjestyksessä eli ilmaläppä on ahtimen imupuolella ja suuttimet tai kaasutin (paineistettu) painepuolella lähellä imuventtiiliä.

Nykyisessä alkoholikäyttöisessä katupyörässäni aion soveltaa tätä mainittua järjestelmää ruiskutuksen yhteydessä. Kaikki tähän astiset ratkaisuni olen toteuttanut artikkelissa mainitulla tavalla.

Komponenttien määrä ei juurikaan vähene mutta rakenne yksinkertaistuu hieman.
Joskohan Santtu järjestäisi tästä toisesta menetelmästä yhtä hienon grafiikan kuin edellisessäkin artikkelissa.

mm

Pisti silmään tuo ahtopaineen säätö vuodatusventtiilillä. Tiedän toki, että silläkin tavalla voi maksimipainetta rajoittaa, mutta olen ollut siinä uskossa, ettei tätä käytetä juuri missään ahtoprosessin hyötysuhteen heikkenemisen takia. Onko tätä ratkaisua jossain laajemminkin käytössä, esimerkiksi kaupallisissa sovelluksissa?

Keskipakoahtimen kanssa tuo voisi olla jossain tapauksissa kohtuullisen fiksukin ratkaisu kun niissä ahtopaine muuten nousee kierrosluvun mukana. Tällöin sopivasti mitoitettuna vuodatusta tarvittaisiin vain huippukierroksilla ja vaikutus keskimääräiseen hyötysuhteeseen jäisi vähäiseksi. Mutta roots-tyyppisen ja muiden vastaavien ahtimien, jotka tuottavat suunnilleen vakiotilavuuden ilmaa kierrosta kohti kierrosluvusta riippumatta, tuo tuntuu vähän erikoiselta ratkaisulta.

Paljonko tässä esimerkkitapauksen ahtimessa on kierrostilavuutta ja millä välityssuhteella sitä pyöritetään? Siis toisin sanoen, kuinka iso osa ahtimen tuottamasta ilmasta vuodatetaan säätöventtiilin kautta?

Olisiko paluukiertoventtiilin poistoputki ennen vai jälkeen läpän? Varmaan ennen...?

Tasakaasulla, pienellä läpän kulmalla ajaessa melkein kaikki ahdettu ilma vuotaa. Mutta sitten kun avataan kaasua niin ei vuoda mitään. Sitä ahtoahan tulee 'turhaan' tasakaasulle, ja jos painetta ei päästetä pois niin paikat hajoavat: Painepuolen letkut pullahtelevat paikoiltaan, repeilevät jne ja läpän akseli taipuu tai ainakin laakerit joutuvat koville. 

Välityssuhteista: Kampuralla on 45 hampainen pyörä, ahtimen akselilla 22-hampainen. Ahtimena on Eaton M24 joka tuottaa 24 kuutiotuumaa kierroksella, eli hiukan vajaa neljä desiä kierroksella. Se on tän koneen kanssa ihan hilkulla riittääkö ahto, mutta eilisten säätöjen ja koeajojen (ks ADHD blogi (http://luupilotti.blogspot.com/search/label/ADHD)) perusteella riittää melkoisen hyvin. Ainakin toistaiseksi, kunnes taas nälkä kasvaa tai jokin paikka hajoaa.

Tulevassa rakenteessani on järjestys tämä: ilmansuodatin-ilmaläppä-ahdin-paineputki-suutin-imuventtiili. Hukkaportti on kaiken varalta ja sen sijainti on paineputkessa ennen suutinta lähempänä ahdinta. Ilmaa pääsee ulos vain jos tuotto on suurempi kuin kone kykenee kuluttamaan mikä on epätodennäköistä. Ns back fire-tapauksessa venttiilistä voi olla hyötyä. Venttiilin avautumispaine on lähellä maksimipainetta tai sama.

Tässä järjestelyssä on hyviä ja huonoja puolia. Paineputkiston tilavuus tuottaa pientä viivettä täyttyessään ilmalla ilmaläppää avattaessa. Siksi pitää pyrkiä pienitilavuuksiseen ja lyhyeen kanavaan. Aivan päin vastoin kuin aiemmassa järjestelmässä jossa putkisto toimii painevaraajana. Kaasukahva on vaihdettava sellaiseen malliin jossa on ilmaläpän palautusvaijeri. Myös kahvan käyttö on raskaampaa vaikkakin ilmaläpän läpimitta onkin vain noin 30 millimetriä.

Santtu tuon vuodatushomman selittikin. Siihen lisäyksenä että pelkkä ilman kulku ilman paineenmuodostusta kuluttaa varsin vähän energiaa ja jos painetta tarvitaan niin hyöty tulee silloin moottorin suuremmasta tehosta. Pääasiassa normaaliajolla ajetaan kuin vapaastihengittävällä koneella. Vasta "kaasua" annettaessa "vuoto" sulkeutuu ja meno alkaa.

mm




Hyvä puoli on se että ahdin pyörii suuren osan ajoajasta alipaineessa ja tällöin ilmaa siirtäessään se ei kuluta juurikaan energiaa. Myös säätöputkisto yksinkertaistuu kun erityistä paineensäätöjärjestelmää ei tarvita vaan ilmaläppä hoitaa tämän asian.

Joo, tokihan joku vuodatus tarvitaan osakaasulla jos kaasuläppä on ahtimen jälkeen.

Eli tuo venttiili siis toimii käytännössä normaalin dump/bypass-venttiilin tapaan eikä rajoita ahtopainetta täyskaasulla (ainakaan missään normaalitilanteessa)? Sittenhän tuo alkaa vaikuttaa ihan "yleisesti hyväksytyltä" ratkaisulta  :P

Kaasuläppä ahtimen imupuolella on myöskin periaatteessa toimiva ratkaisu ja käytännössäkin monesti käytetty. Siinä vaan tuntuu olevan riski kaikenlaisiin mielenkiintoisiin ongelmiin kaasun vasteen ja säädettävyyden kanssa. Yksi kaveri on tässä vuosien varrella rakennellut remmiahdettua pyörää ja on kokeillut siinä useampiakin ratkaisuja kaasuläpän sijoittelun ja dumppiventtiilien suhteen. Ensimmäisessä versiossa oli läppä ahtimen imupuolella ja sitä oli todella hankala saada edes käymään tasaista tyhjäkäyntiä. Kaasun vaste ajossakin oli aika hankala, etenkin alakierroksilla. Kaasulpän siirtäminen painepuolelle ja pneumaattisen dumppiventtiilin lisääminen paransi tilannetta huimasti. Viimeisimmässä versiossa pneumaattinen dumppi on korvattu mekaanisesti ohjatulla läpällä, joka sulkeutuu kaasua reilummin avattaessa. Tällä käytännön ajettavuus parantui entisestään, pneumaattisella dumpilla kaasun vasteessa oli selvä hyppäys dumpin sulkeutuessa.

Mutta jos haluaa kokeilla tuota ahtimen imupuolella olevaa läppää, niin suosittelisin myös pitämään tilavuuden läpän ja moottorin välillä mahdollisimman pienenä. Tässä esimerkkitapauksessa tilavuutta oli aika paljon, mikä luultavasti vaikutti tulokseen.

Käytännön syistä ahdin tulee sylinterien väliin jolloin matka imukanaviin jää lyhyeksi ahtimen painepuolelta. Paineputkien halkaisija jää alle 30 millimetrin ja pituus 15 - 20 senttimetriä. Ilmaläppä tulee kiinni ahtimen imuaukkoon. Tunnen rakenteen ongelmat mutta aion kokeilla sen yksinkertaisuuden ja juuri tähän tarkoitukseen rakenteellisen soveltuvuutensa vuoksi. Paineputkisto on helppo muotoilla epoksikomposiitista kuten tuossa Santunkin pyörässä.

mm