» tehnika » mootor » 

Õhu tee läbi mootori III
» VE ehk täiteaste
» VE ja sisselaskekollektor
» VE ja plokikaaned

No nii, nüüd oleme enam-vähem selgeks saanud selle, mis mootoris toimub, kuid loodetavasti tekkis ka väike huvi teada saada, miks nii toimub.

 

Selles artiklis võtamegi lähema vaatluse alla sisselaskekollektoris ja plokikaantes toimuva õhu liikumise ning nimetatud juppide mõju sellele.

 

VE ehk täiteaste
 

Nagu varasemates artiklites öeldud, on mootorisse just õhku raske piisavas koguses saada; kütust pole põhimõtteliselt kuigi raske juurde kallata, et iga võimaliku õhuvoolu juures sobivat õhu-kütuse suhet saavutada. Seepärast käib lihtsuse mõttes edaspidi jutt õhuvoolust kui peamisest murelapsest, kuigi tolle õhu sees võib olla ka pihustunud kütus.

Niisiis, nagu jällegi enne korduvalt rõhutatud, on mootori pöördemomendi ja võimsuse seisukohalt oluline see, kui palju ta suudab õhku sisse (ja välja) hingata. Seda võimet iseloomustabki selline näitaja nagu täiteaste, ehk inglise keelest tõlgituna mahuline efektiivsus e. volumetric efficiency, edaspidi VE.

Oletame, et meil on mootor, mille ühe silindri töömaht on 50 CID (820 cm3). Kui kolb sisselasketakti ajal alla liigub, peaks ta ideaalis sisse tõmbama mahuliselt sama palju küttesegu (50 CID), kuna just sellise ruumala kolb alla liikudes vabastab. Ometi ei suuda silinder tavaliselt oma töömahuga võrdset kogust küttesegu sisse tõmmata. Seda, kui suure osa silindri mahust mootor täita suudab, näitabki VE. Näiteks, kui meie silinder suutis sisse tõmmata 40 CID õhku, oleks tema VE 40/50=80%.

Tavamootorite VE ongi enamasti 80% ringis, forsseeritud mootoritel u. 90% ja üle, võistlusmootoritel 95% ja rohkem, isegi üle 100%, mis tähendab, et silindrisse surutakse rohkem õhku, kui sinna normaalselt mahtuma peaks. Hiljem vaatleme, kuidas selline asi ilma kompressori, turbo või muu selliseta võimalik on.

Kompressoriga mootorite puhul on aga VE päris pikalt üle 100%, milles tuleb ka kompressormootorite tavalisest suurem võimsus.

Siinkohal võiks ära tuua ühe valemi, mille järgi on võimalik umbkaudselt hinnata mootori võimsuspotentsiaali:

 
 

HP on umbkaudne maksimumvõimsus;

AP atmosfäärirõhk, selles valemis väljendatud naelades ruuttolli kohta, pound per square inch, PSI, normaalrõhk on 14,7 PSI;

CR on mootori surveaste;

VE on nüüd juba tuttav täiteaste (mahuline efektiivsus);

CID on mootori töömaht kuuptollides; RPM pöörete arv, mille juures maksimumvõimsus saavutatakse;

Näiteks leiame veidike forsseeritud 426 CID mootori umbkaudse tippvõimsuse, võttes surveastmeks 11, VE = 90% ehk 0,9 ja pööreteks 6500. Saame:

 
 

Toodud valemist peaks üks osa tuttav olema, nimelt pööretega korrutamine ja 5252-ga jagamine. See on valemist, mis võimaldas leida pöördemomendi järgi võimsuse:

 
 

Järelikult annavad esimese valemi ülejäänud komponendid - õhurõhk, surveaste, VE ja mootori töömaht - kokku pöördemomendi.

Siinkohal võiks korrata artiklis 'Pöördemoment ja võimsus' öeldut, mis nähtub ka äsja toodud valemist, et võimsuse kasvatamiseks on kaks võimalust, pöörete või pöördemomendi kasvatamine. Mainitud artiklis jõudsime ka järeldusele, et meid huvitab rohkem pöördemomendi kui pöörete suurendamine, kuna see annab jõudu, mida on võimalik ka omal nahal tunda ning mis rakendub ka mujal kui ainult täiega veerandmiili läbides. Selle saavutamiseks pakuti välja kõige ilmsem lahendus - suurendada mootori töömahtu. Kuid nagu näha esimesest valemist, mõjutavad pöördemomenti veel õhurõhk, surveaste ja VE.

Õhurõhu mõju on üsna ilmne. Mida suurem on õhurõhk, seda usinamini pressib õhk end hõrendusse, mis kolvi allapoole liikumisel tekib, seda rohkem kütust pressib ta karburaatorist kütteseguse, seda parem on silindri täituvus ja kokkuvõttes mootori jõudlus. Kui kompressori kasutamine hetkeks kõrvale jätta, siis õhurõhu muutmine käib paraku tavainimesel üle jõu ja seega mootori forsseerimisel pole selle teadmisega suurt midagi peale hakata. Küll aga tähendab õhurõhu mõju seda, et viletsa ilmaga ja madalrõhkkonna korral on mootoril võimsust vähem. Sama käib ka kõrgmäestikus sõitmise kohta, isegi sellisel määral, et USAs on kasutusel korrektsioonifaktorid, et merepinnast oluliselt kõrgemal olevate kiirendusradade ajad oleks võrreldavad madalamal olevatega.

Surveastmest sai räägitud kolbe käsitlenud artiklis, kus sai tõdetud, et surveastme kasvatamine üle teatud piiride on kahjuks võimatu ja tänavasõidumootoris, mis peab tavalise bensiiniga läbi ajama, pole võimalik seda üle 10-11 kasvatada.

Jääbki järgi meie päevakangelane, mahuline efektiivsus (VE).

Seni on juttu olnud VE-st kui konstantsest arvulisest väärtusest. Tegelikult on VE mootori erinevate töökiiruste juures erinev, sest mootori võime silindreid küttseguga täita pole kõikide pöörete juures sama. Kuna pöördemoment sõltub nii otseselt VE-st (nende graafikud on tegelikult sama kujuga), tahaksime me muidugi VE-d läbi kogu pööretevahemiku suurendada. Miks aga pole VE kõikidel pööretel sama? Mis on takistuseks VE kasvatamisel? Miks vähendavad komponendid, mis on mõeldud vabaks hingamiseks kõrgetel pööretel, pöördemomenti madalatel pööretel? Miks on iga järgmine Toyota Celica koledam kui eelmine? Mõnedele neist küsimustest üritamegi nüüd vastust leida.

 

VE ja sisselaskekollektor
 

Üsna lihtne on aru saada sellest, et liiga väike kollektor ja liiga kitsad runnerid ei lase suure töömahu ja võimsusega mootori jaoks küllalt õhku läbi ja see piirab mootori võimsust. Tegelikult oleks vaja see veidi täpsemini lahti seletada. Asi on nimelt selles, et eeldades, et mootori 'sisse imetava' õhu ruumala on konstantne, siis mida väiksema ristlõikega (kitsamad) runnerid on, seda kiiremini peab õhk liikuma, et sama aja jooksul samas hulgas sealt läbi voolata. Mõistagi kasvab voolukiiruse kasvades takistus õhu liikumisele ning õhu soovimatus suunda muuta, ja see takistus ei kasva lineaarselt vaid ruutvõrdeliselt. Näiteks kui mõni sisselase sööb 3000 RPM juures mootori võimsusest ära 10 hj, siis 6000 RPM juures võtab ta juba 40 hj, mitte 20 hj. Seepärast muutubki väike runner pöörete ja õhuvajaduse kasvades järjest kiiremini piiravaks teguriks, mis ei võimalda silindril küttseguga täituda ja vähendab VE-d ja seeläbi pöördemomenti ja võimsust.

Noh, väga tore siis, teeme hästi jämedad runnerid, siis saab õhk sealt alati ilusti läbi. Tõepoolest, nii kõrgelt forsseeritud võistlusmootorite juures tehtud ongi. Kõrgetel pööretel hingab mootor ilusti. Miks siis mitte kõikidel mootoritel kasutada suure ristlõikega runnereid? Selgub, et selline mootor ei taha eriti hästi töötada madalatel pööretel. Selline runner, mis tagab hea hingamise kõrgetel pööretel ja täisgaasil, on liiga avar madalamatel pööretel ja aeglaselt liikuv kolb ei suuda suures runneris olevat õhumassi korralikult liikuma panna ning kokkuvõttes jääb õhu kiirus liiga aeglaseks, et silindrit korralikult täita. Kiiruse tähtsus tuleb sellest, et silindri täitmisel on oluline segu kineetiline energia, mis täidab silindrit seguga ka veel siis, kui kolb juba ülespoole liigub. Kineetiline energia on aga kiirusega ruutvõrdeline, massiga aga kõigest võrdeline ja seepärast on segu kiirus silindri heal täitmisel olulisem kui selle mass. Segu madal kineetiline energia suures runneris vähendab VE-d (ja ühtlasi pöördemomenti) madalatel pööretel ja osagaasi juures. Siit tuleneb võistlusmootorite ebaühtlane tühikäik (tihti viidud kõrgematele pööretele, et mootor üldse käiks), väiksem pöördemoment madalamatel pööretel ja raskused madalamatelt pööretelt vedama hakata.

Näiteks F1-autod ei lähe boksist kummide suitsedes mitte seepärast, et see cool oleks, vaid seetõttu, et nende sidur ei võimalda libistamist ning kui üritada kohalt minna madalate pöörete ja väikse gaasiga, sureks mootor hoopis välja.

Madalatel pööretel jõudu pole, mootor sureb välja, kui just pedaali põhja ei talla - pole just omadused, millega igapäevaliikluses tore elada oleks.

Seepärast ongi mootoriehitus alati kompromiss: tuleb otsustada, mida on vaja, kas pöördemomenti madalatel või võimsust kõrgetel pööretel. Siit tuleb välja ka üks suurte V8-mootorite eelis: tänu oma suurele töömahule suudavad nad pakkuda äärmuslikke võimsusi (u. 1000 hj) selliselt, et muud omadused ei kannata niipalju, et mootoriga ei saaks liikluses sõita. Ja kui tänavasõiduomadused pole olulised, siis võib üks suur V8 anda samapalju võimsust kui pool stardirivi F1-võistlusel.

Lisaks runneri läbimõõdule on oluline ka selle pikkus. Kui läbimõõt määrab iga mootori suuruse juures kindlaks, millistel pööretel asub maksimaalne pöördemoment, siis runneri pikkus mõjutab seda, milline on pöördemoment ülal- ja allpoole tippmomenti. Selgub, et pikemad runnerid suurendavad pöördemomenti allpool tippmomenti ning lühemad runnerid ülalpool seda. Miks?

Lihtsustades jällegi toimuvat ja süvenemata vedelike ja gaaside dünaamikasse võib öelda, et õhuvool karburaatorist silindrisse pole sugugi ühtlane. Kui sisselaskeklapp avaneb ja kolb hakkab allapoole liikuma, tekkib pordi klapipoolses otsas hõrenduslaine, mis hakkab heli kiirusel klapi juurest piki runnerit plenumi poole liikuma ning põrkub sealt rõhulainena tagasi. Selle küttesegu tihendava laine kasulik mõju VE-le on suurim siis, kui ta jõuab tagasi selleks ajaks, kui kolb on oma suurima kiiruse juures (90 kraadi pärast Ü.S.S). Teine rõhulaine tekkib siis, kui sisselaskeklapp sulgub. Hooga liikuv õhk põrkab klapilt tagasi ning sellest tekkiv rõhulaine hakkab runneris edasi-tagasi pendeldama. Kui see laine jõuab jälle klapi juurde selleks ajaks, kui klapp uuesti avaneb, siis parandab ka see VE-d. Kuna sisselaskeklapi teistkordne avanemine võtab üsna kaua aega, jõuab laine tavaliselt mitu (taval. 2-4) korda peegelduda, enne kui klapp avaneb. Mitmekordse peegeldumise käigus laine nõrgeneb ja seega on selle efekti mõju nõrgem kui esimesena mainitud nähtuse puhul.

Seos runneri pikkusega on muidugi see, et kuna lainete levimise kiirus on konstantne (heli kiirus), siis jõuab laine õigeks ajaks kohale vaid teatud pöörete juures. Pikema runneri korral võtab laine liikumine rohkem aega, ning VE-d parandav rõhulaine jõuab selle vahemaa läbida ainult siis, kui pöörded on madalad. Kui aga runner on lühike, jõuab laine kohale liiga vara, jõudes näiteks 2. nähtuse puhul enne õiget hetke uuesti ära põrgata. Sisselaskeklapi avanemise ajal on laine siis hoopis vastufaasis või veidi paremal juhul jõuab kohale juba mitu korda edasi-tagasi liikunud laine, mis mõistagi on nõrgem kui esimesel korral õigel ajal õiges kohas olnud laine. Seega lühikesed runnerid parandavad VE-d kõrgetel pööretel, kuid vähendavad seda madalatel pööretel, pikemate runnerite mõju on aga vastupidine.

Nimetatud nähtusi ära kasutades ongi võimalik saavutada mingite pöörete juures isegi üle 100% ulatuvaid VE-sid kompressorit kasutamata.

Teades nüüd midagi õhu liikumisest sisselaskekollektoris, võime nüüd anda ka seletuse eelmises artiklis kirjeldatud erinevustele dual-plane ja single-plane kollektorite vahel.

Esiteks on dual-plane kollektori pleenum väiksem, kuna on sisuliselt kaheks jagatud, mis tähendab seda, et aeglaselt liikuval kolvil (madalatel pööretel) on kerge seda väiksemat massi liikuma tõmmata, kui single-plane kollektoris olevat massi, mis pole kaheks jaotatud. Kuna liikuma tuleb saada vähem massi, koguneb silindri täitmiseks nii vajalik voolukiirus kergemini, VE on madalatel pööretel parem ning mootor kogub kergemini ka pöördeid. Kuna runnerid on pikad, toetavad nad pöördemomenti madalatel pööretel. Kokkuvõttes just see, mida vaja tänavaautos.

Single plane kollektori runnerid on avaramad, toetades ideaalset voolukiirust kõrgetel pööretel. Lisaks on nad lühikesed, mis nagu nägime, annab pöördemomenti kõrgetele pööretele, kus ta suurendab tippvõimsust. Lisaks sobivad avarad runnerid rohkem täisgaasil sõitmiseks, kuna osagaas vähendab veelgi runnerites liikuva küttsegu hulka ja ühtlasi selle kiirust, jaotust ja silindrite täituvust. Nagu näha, sobilikum lahendus kõrgelt forsseeritud mootoritele. Mida kaugemale asja edasi viia, seda rohkem kannatavad mootori omadused madalamatel pööretel, mistõttu teatud tasemest edasi minnes pole sellise autoga enam mugav igapäevaseid sõite teha.

 

VE ja plokikaaned
 

Põhitõed on samad, mis sisselaskekollektorite puhul: suured pordid on vajalikud kõrgetel pööretel, kuid mõjuvad halvasti pöördemomendile madalatel pööretel. Väiksemad pordid seevastu loovad head kiirust ja ühtlasi VE-d ja pöördemomenti madalatel pööretel, kuid jäävad mootori töömahu ja pöörete kasvamisel kitsaks. Kuna pordi kuju on klappide, tõukurvarraste ning silindrisse suubumiseks vajaliku järsu käänaku tõttu üsna keeruline, ei ole paljas pordi maht siiski eriti ülevaatlik näitaja ja rohkem kasutatakse hoopis pordi suutlikust mingi rõhu ja klapitõusu juures õhku läbi lasta. Seda mõõdetakse kuupjalgades minuti kohta (cubic feet per minute, CFM). Tulemuste võrdlemisel on oluline, et testimised oleksid tehtud sama rõhu juures, vajadusel saab arve korrigeerida. Järgnevalt võikski vaadata ühe kompressoriga umbes 600 hj 355 CID '95 Camaro tugevalt porditud (vt. allpool) plokikaante netist leitud voolunumbreid standardse 28 tolli H20 rõhu juures:

 
Tõus (tolli)
Sisselase (CFM)
Väljalase (CFM)
.300
193
152
.400
233
177
.500
262
189
.600
273
193
 

Nagu näha, mõõdetakse õhuvoolu ka väljalaskepoolel. Näha on ka, et nende plokikaante väljalaskeportide suhe sisselaskesse (näiteks 233/177 = 76%) on küll natuke väiksem kui tavaliseks loetav 80-85% ja seega võib väljalaskepool olla nende kaante kitsaskohaks, eriti kuna tegemist on kompressoriga, mis vajab head väljalaset, nagu ka nitro. Ent võimsuspotentsiaali seisukohast huvitavad meid ikkagi peamiselt sisselaskepoole numbrid. Pole vist kuigi üllatav, et numbrid kasvavad klapitõusu suurenedes, kuna lihtsustatult on uks gaasidele siis rohkem valla. Mingil hetkel klapitõusu suurendamine enam lisaefekti ei anna, kuna klapi avanemisel tekkiv ava ületab pordi ristlõiget ning suurem vool pole lihtsalt pordi suuruse tõttu võimalik. Seda näitab õhuvoolu üsna väike kasv klapitõusu suurenemisel 0,5 tollist 0,6-tollini. Märkida tasuks ka, et oluline pole mitte voolu tippväärtus mingi suure klapitõusu juures, vaid pigem just tugev ühtlane vool väikestel tõusudel, kuna klapp veedab väikeste tõusude juures märksa rohkem aega kui maksimaalse tõusu asendis olles. Jälgida tuleb ka seda, millise tõusuga kasutatav nukkvõll reaalselt on, näiteks kõnealuse mootori nukkvõllid on harva suurema tõusuga kui 0,55 tolli ja seega 0,6-tollise tõusu juures saavutatav õhuvool on meie jaoks üsna ebaoluline.

Muidugi ei suuda ka õhuvoolu mõõtmine kõike öelda, näiteks voolu kvaliteedi kohta (kui ühtlase ja segunenuna kütus õhuvoolus on, milliste keeristega segu silindrisse jõuab); mõõtmine ei arvesta ka seda, et töötavas mootoris ei liigu segu sugugi pidevalt ühes suunas vaid pigem pulseerib.

Siiski on õhuvoolu järgi võimalik väga umbkaudselt hinnata võimsust, mida mootor potentsiaalselt sellise õhuvoolu juures arendada suudaks. Valemiks on: võimsus = õhuvool * 0,257 * silindrite arv. Meie näite puhul siis umbes 270 *0,257 * 8 = 555 hj. Noh, vähemalt suurusjärk on õige.

Kuigi tehases on eri mootoritele pandud küllalt erinevate omadustega plokikaasi (mille valunumbreid iga mootori tõsisemad poolehoidjaid peast teavad, et leida endale need kõige sobivamad (enamasti suurimate portide ja klappidega ning väikseima põlemiskambriga)), ei saa tehas siiski masstoodangu iseärasustest ja kulude kokkuhoiust lähtuvalt enamasti teha optimaalsete portidega plokikaasi. Seepärast ongi levinud selline tegevus nagu portimine (ingl. k. porting). Portimine oma erinevate võtete ja liikidega on omaette artiklit vääriv kunst, kuid lühidalt võiks ta siinsamas kokku võtta. Kõige lihtsamal kujul on tegemist plokikaante või ka sisselaskekollektori portide avardamisega, et mootor (eriti suurendatud töömahuga mootor) saaks paremini hingata, ning selle tagamisega, et port võimalikult sujuvalt kollektorist plokikaande üle läheks (port matching). Samuti on võimalik portide poleerimine (polishing), mis seisneb portide seinte siledamaks tegemises, kui on alust arvata, et valamisest kare pind liialt õhuvoolu segab. Sealt edasi tulevad aga keerulisemad võtted, mille kasutamise vajalikkuse üle kogenud portija silma ja näputunde järgi otsustab. Nendeks on näiteks pordi põranda või lae kumeruse muutmine, klapipuksi 'aerodünaamilisemaks' tegemine ning klapipesa ja klapi töötlemine (3-angle valve job). Kõige eesmärgiks on ikka kaasa aidata sellele, et küttesegul oleks läbi sisselaske ja eelkõige plokikaante võimalikult kerge liikuda, et suurendada VE-d ja järelikult ka pöördemomenti ja võimsust.

Kokkuvõtvalt võiks plokikaasi nimetada mootori üheks määravaimaks komponendiks. Mõistagi peavad nad olema kooskõlas ülejäänud komponentidega, kuid normaalsete plokikaanteta pole lihtsalt võimalik head võimsust arendada; nukkvõlli ja sisselaskega on mänguruumi natuke rohkem, kuid lõpuks peavad kõik komponendid siiski omavahel kooskõlas olema.

Kuna see lugu venis niigi pikaks, siis jääb nukkvõlli lahkamine seekord ära. See-eest on nukkvõlli ja lisaks natuke ka süüte ajastamisest juttu järgmises artiklis.


» Järgmine artikkel
 
 
muskelautod | kiirendusvõistlused | tehnika | üritused | autoesitlused | foorum | sõnastik | kalkulaatorid
tqhq'st | sisukaart | e-mail
© tqhq.ee 2000 - 2017. Loe meie materjalide linkimisest ja kopeerimisest.