Polttoainejärjestelmä dieselmoottorissa (kesken)

Polttoaineen syöttö dieseljärjestelmissä

Dieselmoottorin polttoainejärjestelmän toiminta poikkeaa bensiinijärjestelmästä siten, että palaminen tapahtuu paineen aikaansaaman lämpötilan nousun ansiosta. Bensiinimoottorissa syttyminen tapahtuu kipinän avulla. Diesel ruiskutetaan kovalla paineella, jolloin sen koostumus muuttuu hyvin hienojakoiseksi sumuksi. Samalla se palaa entistä tehokkaammin. Paine edesauttaa myös polttoaineen jakautumista palotilaan tehokkaammin. Palotapahtuma tuottaa siis vähemmän palamattomia hiilivetyjä (HC), hiilimonoksidia (häkää) ja nokea. Tehokas palaminen vaikuttaa siis positiivisesti myös polttoaineen kulutukseen.


Rakenne

Polttoainesäiliössä sijaitsee sähköisesti toimiva siirtopumppu, joka syöttää järjestelmään polttoainetta. Polttoainesuodatin on lämmittimellä varustettu, jotta suodatin ei tukkeutuisi kiteytyvästä parafiinista. Ennen jakajapumppua paine piirissä on 10 barin luokkaa.

Jakajapumpun, eli korkeapainepumpun kautta polttoaine siirtyy korkeapainepiiriin, jossa paine voi olla 200-1600 baria. Korkeapainevaraaja sijaitsee suuttimien ohessa, joka varastoi polttoainetta ruiskutukseen kaikkia sylintereitä varten. Ylimääräinen polttoaine poistuu järjestelmästä paluuputkea pitkin polttoainesäiliöön.

Diesel järjestelmän rakenne. Komponenttien sijoittelu. Kuva: Enginemechanics

EDC-järjestelmä

EDC, eli Electronic Diesel Control -järjestelmä...

Hehkutulppa

Kun sytytysvirta kytketään päälle, alkaa esihehkutus. Tällöin odotetaan, että kojelaudan hehkun valo (se sian saparon näköinen) sammuu, jolloin hehkutulpat ja palotilan ilma ovat riittävän lämpimiä käynnistämistä varten.

Jälkihehkutus jää päälle vielä käynnistämisen jälkeen, jolloin meluhaitat vähenee ja HC arvot rajoittuvat minimialueelle.


Ruiskutusjärjestelmät

Jakajaruiskutuspumppu

...

Pumppusuutinruiskutus

...

Yhteispaineruiskutus, eli Common rail

...


Ruiskutusmenetelmät

1. Epäsuorat

Pyörrekammiomenetelmässä pallomaiseen kammioon, joka on erotettu pääpalotilasta, polttoaine ruiskutetaan suoraan hehkutulpan kärjen päähän.

Esikammiomenetelmässä esikammio on erotettu pääpalotilasta kanavalla. Esikammiossa on ruiskutussuutin ja hehku.

2. Suoraruiskutusmenetelmässä polttoaine ruiskutetaan suoraan männän päällä olevaan syvennykseen. Järjestelmän hyötysuhde on hyvä, kun palaminen tapahtuu sylinterissä keskisesti eli sylinterin seinämät jäävät keskiötä alhaisempaan lämpötilaan. Tässä järjestelmässä ei myöskään aina käytetä hehkutulppaa, koska käyttöpaineet ovat niin suuret. Nykyaikainen järjestelmä hyvin usein käyttää Common rail -järjestelmää, jossa on suoraruiskutusmenetelmä, mutta suoraruisku ei itsessään edellytä common rail -järjestelmää.

Ruiskutusmenetelmät kuvina. Esikammio, pyörrekammio ja suoraruiskutus. Kuva: NGK

Monivaiheinen ruiskutus

Suoraruiskutusjärjestelmässä voimakas paineennousu aiheuttaa äkillisen, iskevän palotapahtuman, joka muodostaa dieselille tunnusomaista melua (eli nakutusta). Ruiskutuksen jakaminen tapahtuman eri osiin vaikuttaa tasaavasti paineeseen ja vähentää melua.

Esiruiskutus tapahtuu alkuvaiheessa ja ruiskutus voidaan tehdä yhden tai useammankin kerran. Jälkiruiskutus tapahtuu pääruiskutuksen jälkeen ja se vähentää noen määrää pakokaasussa.


Vianhaku polttoainejärjestelmästä

Vianhaussa ensimmäisenä kannattaa tarkistaa hehkutulppien ja hehkun releen toiminta. Tulppien resistanssi on keskenään sama, mutta irroitettuna tarkistuksen voi suorittaa antamalla tulpan kantaan 12V jännitteen suoraan akulta. Hehkun kärjen pitäisi tällöin hehkua. Toisinaan hehkutulppa voi olla ikääntynyt niin, että hehkuminen alkaa tulpan kärjen tyvestä, jolloin moottorin syvennyksessä ollessaan hehku katoaa runkoon. Tässä vaiheessa hehku ei luonnollisestikaan auta sytytyksessä.

Dieseliä käytettäessä on muistettava kesä- ja talvilaatuisten polttoaineiden koostumuserot. Kesälaadulla ajettaessa liian kylmissä olosuhteissa, polttoaine pilaa suodattimen. Suodatin tulee tällöin kokonaan vaihtaa, joka tarkoittaa sitä, että useimmissa tapauksissa järjestelmä pitää lisäksi ilmata.

Ruiskutussuuttimien kärki on joskus vaihdettavissa, mutta usein vaihdetaan koko suutin. Suuttimien purkamiseen on omat ohjeensa ja tomintatapansa, niitä ei sovi avata, mikäli ei tiedä mitä on tekemässä. Jokaisen avaamisen/kiinnityksen yhteydessä suuttimiin on vaihdettava tiiviste (lämpölevy).


Polttoainejärjestelmän ilmaus

Suodattimen vaihdon yhteydessä järjestelmään voi päästä ilmaa, jolloin se tulee tarvittaessa ilmata. Suodatinta vaihdettaessa voi toki suodattimen kotelon täyttää ensin dieselillä, jotta ilman pääseminen minimoituisi. Kun moottori käynnistetään, uudenaikaiset järjestelmät ovat niin tehokkaita, että ilmakuplat joutuvat nopeasti polttoainesäiliöön ja siten pois järjestelmästä.

Common rail -järjestelmässä suuttimien toimintaa ohjataan sähköisesti, jolloin ilma pääsee pois suuttimien kautta. Käynnistäminen voi kestää tovin kauemmin, mutta usein ilmaamista ei tarvita. Mutta, mikäli järjestelmä on ajettu tyhjäksi, dieseliä on saatava korkeapainepumpulle ja putkistoon imemällä sitä säiliöstä. Tällöin avataan putkistoja. Samoin jos korkeapaineputkessa on ilmaa, avataan putkiliitosta ja pyöritetään moottoria startilla.

Lähtökohtaisesti dieseliä ei kannata ajaa tyhjäksi, koska se voi rikkoa korkeapainepumpun, jonka voitelu tapahtuu dieselillä!

Ruiskutussuuttimet Common Rail -järjestelmässä. Kuva: Denso

Volvon V6 moottorin sisuskalut. Huomaa männän pään muotoilu. Kuva: Volvo

Jekku

Saasteenpoistojärjestelmä

Saasteenpoistojärjestelmä

Pakoputkisto on moottorin osa, jonka kautta pakokaasut poistuvat, mutta jonka varrella ulos kulkeva aines puhdistetaan mahdollisimman hyvin. Putkisto koostuu pakosarjasta, joka on moottorin yhteydessä, pakokaasujen puhdistusosiosta ja äänenvaimennuksesta. Tässä kohtaa kirjoitan enemmän katalysaattorista, eli pakokaasujen puhdistuslaitoksesta ja pakokaasujen kierrätyksestä.


Katalysaattori

Laissa on määrätty ajoneuvoista syntyvien päästöjen osalta raja-arvot, joita pyritään noudattamaan pakokaasujen jälkikäsittelyllä. Jälkikäsittely katalysaattorissa merkitsee eri ainesosien hapettumista tai pelkistymistä myrkyttömiksi yhdisteiksi.

3-toimikatalysaattori ja NOx -katalysaattorit ovat osa pakokaasujen jälkikäsittelyä. Kolmitoimikatalysaattorin nimitys tulee siitä, että sen toiminta keskittyy kolmen eri yhdisteen muuntamiseen myrkyttomiksi aineiksi. Eli HC, CO ja NOx hapettuvat ja pelkistyvät katalysaattorin läpi kulkiessaan.


Hapetus: palamisen nopeuttaminen
- Häkä, CO + O2 = CO2 (hiilidioksidi)
- Palamattomat hiilivedyt, HC + O2 = CO2 + H2O (vesi)

Pelkistys: typen oksidien käsittely
- NOx + CO = N + CO2
- NOx + HC = N + CO2 + H2O

Katalysaattori, jossa sisällä on ns. rypytettyä metalliliuskaa, jonka pinta-ala riittää käsittelemään sen läpi kulkevan pakokaasun.

Palanen keraamista katalysaattoria.

NOx -varastointikatalysaattori

Rakenteeltaan NOx -katalysaattori on kolmitoimikatalysaattorin kaltainen. Laihaa seosta käyttävissä koneissa typpioksideja ei saada muutettua pelkän kolmitoimikatalysaattorin kautta, joten sitä varten on kehitetty oma katalysaattori. Varastointikyky vähenee sitä myöden kun päästöjä kertyy katalysaattoriin. Katalysaattori täytyy siten määräajoin puhdistaa. Kertyneet yhdisteet voidaan poistaa rikastamalla polttoaineseosta hetkellisesti, jolloin pelkistymiseen tarvittavia hiilivetyjä ja hiilimonoksidia syntyy riittävästi. Pelkistymisessä syntyy typpeä, hiilidioksidia ja vettä.


Lambda-säätöjärjestelmä

HC:n ja CO:n muuntaminen edellyttää laihaa ja NOx:n muuntaminen rikasta ilma-polttoaineseosta. Lambda-anturi mittaa pakokaasun seassa olevan jäännöshapen määrän ja muuttaa tiedon ohjainlaitteelle meneväksi sähkösignaaliksi. Signaalin perusteella ohjataan polttoaineen määrää niin, että seoksesta saadaan joko laihaa tai rikasta. Tämä anturi sijaitsee pakoputkistossa ennen katalysaattoria.

Katalysaattorin toisella puolen voi olla myös toinen lambda-anturi, joka valvoo vielä myöhemmin jäännöshapen määrää. Tämä anturi ei kuitenkaan ohjaa signaalia ohjainlaitteelle muutosten tekoa varten. Pakokaasujen vähentämiseksi lambda-anturi on tärkein tietoa antava laite. Lambda-säädön avulla polttoaineen seoksen muodostus voidaan tehdä niin, että palaminen tapahtuu optimaalisella tasolla.

Lambdasäätöjärjestelmässä tärkeimmät osat ovat 3-toimikatalysaattori, lambda-anturi ja ohjauslaite.

Lambda-anturi.

Pakokaasujen takaisinkierrätys

Suurella kuormituksella ajettaessa moottorissa syntyy korkeita lämpötiloja, jolloin muodostuu optimaalinen ympäristö typpioksidien muodostumiselle. Takaisinkierrätysjärjestelmällä typpioksidien määrää saadaan vähennettyä, koska takaisin kierrätetty pakokaasu madaltaa palotilassa syntyvää lämpötilahuippua. Lämpötila alenee, koska palanut aines ei voi enää palaa uudestaan. Järjestelmä on käytössä sekä bensiini- että dieselmoottoreissa.

Liian suuri pakokaasun määrä kuitenkin johtaa jälleen HC-arvojen nousuun, koska palaminen huononee. Moottorinohjausjärjestelmän avulla voidaan määrä pitää optimaalisena.

Sisäinen takaisinkierrätys

Sisäinen takaisinkierrätys tapahtuu venttiilien aukioloaikojen limityksen avulla. Limitys = imuventtiilin avautumista aikaistetaan, jolloin sisäpuolinen kierrätys mahdollistuu.

Ulkoinen takaisinkierrätys

Ulkoisesti pakokaasu kierrätetään siten, että pakosarjan jälkeen viedään paluuputki imuputkeen, jossa pakokaasu sekoittuu polttoaine-ilmaseokseen. Järjestelmä on käytössä dieselmoottoreissa ja joissakin suoraruisku-bensiinimoottoreissa. Pakokaasujen osuutta säädetään takaisinkierrätysventtiiliä avaamalla.


Haihtuvien päästöjen ohjausjärjestelmä

Auton seisoessa ilmaan pääsee höyrystynyttä polttoainetta polttoainesäiliön tuuletusliitännän kautta. Tätä varten on kehitelty ns. palautusjärjestelmä, jonka tärkein osa on aktiivihiilisäiliö. Säiliön tarkoituksena on kerätä höyrystyvä polttoaine, joka lähtee kiertoon jälleen mukaan, kun moottori käynnistetään.

Säiliön ja imuputken välissä on venttiili, jota ohjataan lambdasäädön aktivoituessa. Säiliön aukon kautta virtaa ilmaa, jonka mukana kerääntynyt polttoaine kulkeutuu eteenpäin. Järjestelmä toimii silloin kun lambdasäätö on aktiivinen.


Päästötasot

Autowikissä on taulukot eri ajoneuvojen päästötasoille.


Urean käyttö diesel-moottorien pakokaasujen vähentämisessä

Urealiuosta käytetään pääasiassa raskaan kaluston pakokaasupäästöjen vähentämisessä, mutta menetelmää aletaan hyödyntää myös henkilöautoissa. Ja nimenomaan erityisesti typen oksidien päästöihin liittyen. Typen oksidit voidaan urean avulla muuttaa vaarattomaksi typeksi ja vesihöyryksi. Hiilidioksidipäästöihin urea ei vaikuta.

Urealiuoksen täyttöaukko diesel-tankin aukon vieressä. Korkki avataan rengasavaimella, joten sen avaaminen vahingossa on mahdotonta.

Jekku

Polttoainejärjestelmä ottomoottorissa

Polttoainejärjestelmä

Ottomoottorin polttoainejärjestelmään kuuluu luonnollisesti polttoainesäiliö, jonka yhteydessä on pumppu ja anturi, mikä ilmoittaa polttoaineen määrän tankissa. Takaiskuventtiili, joka estää polttoainetta valumasta järjestelmässä väärään suuntaan. Polttoainesuodatin suodattaa polttoaineesta epäpuhtauksia ennen moottoriin saapumista. Paineensäädin, josta paluuputki edelleen tankkiin. Jakeluputket johtavat polttoainetta ruiskutusventtiileille. Suuttimet sytytysjärjestelmän yhteydessä ja niistä yhteys moottorinohjausjärjestelmään, eli ECU:n.

Hyvin karkea kuvaus polttoainejärjestelmästä.

Suihkutusmäärään vaikuttaa suuttimien aukioloaika, vakiopaine (imusarjan purkautumistilaan nähden n. 3 bar) ja suihkutustaajuus moottorin pyörimisnopeuden mukaan. Seoksen muodostukseen tarvitaan ilmamassan tunnistusta, koska em. suuttimien aukioloaika riippuu ilman määrästä.

Suihkutusaikaan vaikuttavat kaasuläpän asento, lämpötilan tunnistus, mitatun ilman määrä ja lambda-säätöjärjestelmä.

Polttoaineen paineeseen vaikuttavat polttoainepumpun teho ja paineensäätimen toiminta. Paineensäädin säätelee polttoaineen paluuvirtausta ja siten vaikuttaa polttoaineen paineeseen.


Polttoaineen syöttö bensiinijärjestelmissä

Imusarjaruiskutusjärjestelmässä (MFI = multi-point fuel injection) polttoaine ruiskutetaan imuputkeen juuri ennen imuventtiileitä. Venttiileitä on siis yksi jokaista imuputken haaraa ja sylinteriä kohden. Järjestelmän etuna on, että polttoainetta ei pääse tiivistymään imuputken seinämiin. Ruiskutettava määrä riippuu ruiskutuksen kestosta. Sähkömagneettisia ruiskutusventtiileitä ohjataan kerralla kaikkia, pareittain tai yksittäin.

Keskusruiskutusjärjestelmässä eli yksipisteruiskutuksessa (TBI = throttle body fuel injection) sähkömagneettinen ruiskutusventtiili ruiskuttaa polttoainetta imuputkeen juuri ennen kaasuläppää. Venttiileitä on siis vain yksi koko järjestelmässä. Ruiskutettu polttoaine sekoittuu imuputkessa virtaavan ilman sekaan ennen jakautumistaan sylintereille imusarjassa.

Yksipisteruiskutusjärjestelmässä joutokäynninopeus vakautetaan kahden toimenpiteen avulla. Ensinnäkin sytytystä ohjataan, kun moottorin kuormitus on vähäistä. Eli sytytystä aikaistetaan, jolloin suureneva vääntömomentti vakauttaa joutokäynnin. Toiseksi ohjataan seosmäärää kaasuläpän avulla, jolloin ilmamäärä säätyy ja koska ilmamäärä muuttuu ruiskutusajan on säädyttävä sen mukaan.

Suoraruiskutusjärjestelmässä polttoaine ruiskutetaan suoraan palotilaan sähkömagneettisten ruiskutusventtiilien avulla. Jokaisessa sylinterissä on siis oma venttiili ja seoksen muodotus tapahtuu sylinterissä. Bensiinimoottorien osalta tämä mahdollistaa suuremman hyötysuhteen ja pienentää polttoaineenkulutusta. Järjestelmä toimii korkeapainepumpun kautta, joka tuottaa riittävän paineen ruiskutusjärjestelmään. Imunokka-akseli käyttää pumppua suoraan.


Ruiskutusventtiilit eli suuttimet

Ruiskutussuuttimet ovat magneettiventtiileitä. Niiden toiminta voidaan todentaa vastusmittauksella suuttimen käämistä. Arvo on noin 2-16 ohmin luokkaa. Suuttimien vastusarvot ovat keskenään aina samat.

Vialliset suuttimet voivat aiheuttaa mm. käynnistysongelmia, lisätä polttoaineen kulutusta, laskea auton tehoa, vaikuttaa joutokäynnin nopeuteen ja pakokaasupäästöihin. Vika saattaa löytyä polttoaineen suodattimesta, koska mikäli likainen polttoaine pääsee suuttimiin, ne voivat tukkeutua. Myös suuttimen käämissä voi olla oikosulku tai ohjainlaitteelle johtavissa johdoissa vikaa.

Ruiskutussuuttimen rakenne. Kuva: Globalsecurity.org

Polttoainesuodatin

Suodatin suodattaa moottorille menevästä polttoaineesta epäpuhtauksia.

Eräänlainen polttoainesuodatin. Kuva: Mister-auto.fi

Imuvuoto

Imuvuoto laihentaa seosta, kun ilmaa tulee imusarjaan mitatun ilman lisäksi. Vianhaussa on hyvä suorittaa päästömittaus, jossa voidaan todeta palamattomien hiilivetyjen määrä ja happipitoisuus. Ylimääräinen, palamaton happi näkyy päästöissä kohonneina HC ja O arvoina.

Imusarjaan voi ruiskuttaa hieman brake cleaneriä, jonka avulla voidaan vuotokohtaa hakea. Huomattavaa on, että imuvuoto voi syntyä myös jarrutehostimen kalvon ja polttoaineletkujen varrella.



Jenny

Sytytysjärjestelmä ottomoottorissa (kesken)

Sytytysjärjestelmä

Moottori saa voimansa sylintereissä poltettavan polttoaineen ja ilman seoksesta. Seoksen sytyttämiseen vaaditaan suuren jännitteen (~5-10kV) aikaan saama kipinä, jonka on lisäksi muodostuttava tarkasti oikeaan aikaan ja tietyssä järjestyksessä sylintereiden suhteen. Tarkkuus vaikuttaa moottorin tasaiseen käymiseen. Esimerkiksi, mitä suurempi moottorin käyntinopeus, sitä aikaisempi sytytyksen täytyy olla.

Sytytys saadaan aikaan sytytysjärjestelmässä sytytyspuolan ja -tulpan avulla. Käynnistettäessä sytytykseen vaadittava energia otetaan auton akusta ja auton käydessä energiaa saadaan generaattorilta. Akun jännite saadaan muutettua korkeajännitteeksi sytytyspuolan avulla, jonka sisällä on käämi. Energia varastoisuu siis sytytysten välillä ensiökäämiin, joka purkautuu toisiokäämin kautta tulpan kärkiväliin, kun katkojan kärjet yhdistyvät.



Harjoitus: Paljonko on ensiökelan resistanssi, kun virta on 20A ja tiedetään jännitteen olevan 14V?
R = U/I, eli 14V/20A = 0,7ohmia

Kun katkojalaite sulkeutuu, ensiövirta lähtee kulkemaan.
Ensiökelaan varastoitunut energia, W = U x I x t
U = ensiöjännite
I = ensiövirta
t = ensiövirran kulkuaika


Kelan virrannousukyky, eli puolan varautumisaika

Kipinätaajuus, eli...

Sytytysjärjestelmän osat

Sytytyspuolat

'Sytytyspuola on muuntaja'
-> varataan, kun ensiövirta kulkee ja purkautuu tulpan kärkeen kun toisiokäämin yhteys aukeaa

Yksittäiskipinäpuolajärjestelmän tunnistaa siitä, että jokaisen tulpan kohdalla on oma puola. Yleensä puola on tulpan päällä ja sen voi vetää kumitiivisteineen pois (joskus ruuvilla kiinni).

Yksikipinäpuolan johdot lähtevät jokaiselta tulpalta erikseen ja yhdistyvät kaikki pyörivään virranjakajaan.

Kaksoiskipinäpuolassa puolat ovat sijoitettu pareittain kahta sylinteriä kohden. Puolien liittimien parit voidaan löytää yleismittarilla 'soittelemalla'.


Sytytystulpat

Puolalta tuleva energia purkautuu sytytystulpan kärkien välissä aikaansaaden polttoaineseoksen syttymisen palotilassa. Syttymisjännite voi olla jopa 5-10kV, jonka jälkeen palamisjännite on parinsadan voltin luokkaa.

Tulpissa on merkistä riippuen merkintöjä, jotka voivat kertoa tulpan eri ominaisuuksista. Lisätietoa mm. NGK:n sivuilta. Esimerkkinä NGK:n merkinnöistä selviää mm. seuraavaa:

1. ensimmäinen kirjain viittaa kierteen kokoon
2. toinen luku rakenneominaisuuksiin (tätä ei mainita välttämättä kaikissa tulpissa)
3. tulpan lämpöarvo
4. kierteen pituus
5. sytytyspään rakenne

Puolajärjestelmät kytkentäkaavioiden muodossa. Kipinävälin merkintä on kaksi nuolta vastakkain. Yksikipinäjärjestelmässä pyöreä merkintä tarkoittaa virranjakajaa, jossa kärjet merkitsevät jokaista tulppaa. Kärjet ovat jakajassa sytytysjärjestyksen mukaisesti 1 - 3 - 4 - 2. Kaksoiskipinäjärjestelmässä kipinävälit merkattuna toisiokelan piiriin.

Sytytystulpan kärki. Kärkiväli. Tässä mallissa ns. hybridi. Kuva: NGK

Katkojalaite




Sytytysjärjestys

1-3-4-2



Sytytyshetki

Hetki vaihtelee kuormituksen mukaan. Sytytystä on aikaistettava käyntinopeuden kasvaessa, koska seoksen palamiseen käytetty aika on lyhyempi.

Jekku

Moottorinohjauksen teoriaa

Moottorinohjaus on moottorin prosessin ohjausta erilaisissa käyttötilanteissa, mutta jotta ohjausta voidaan tehdä, moottorin toiminta ja prosessi on tunnettava.

Tärkeimpiä seikkoja moottorinohjauksen kannalta ovat,

1. sytytys
2. polttoaine

Moottorin tehoon voidaan vaikuttaa ohjaamalla sytytyksen, polttoaineen ja ilman määrää. Perustilanteessa, kun kaasua painetaan liikenteessä, ohjataan sylinterin täytösastetta ja näin saadaan enemmän tehoa.

Voiman  kaava: F = p x A
kun F on voima, p on paine ja A on pinta-ala.

***

Moottorin käyttöolosuhteet

1. Kylmäkäynnistys -> rikastus

Kylmäkäynnistyksessä on varmistettava syttymiskelpoisen seoksen määrä sytytystulpan alueella. Olosuhteet tunnistetaan jäähdytysnesteen lämpötilaa mittaavan anturin kautta. Polttoainesuuttimien aukioloaikaa säätämällä voidaan vaikuttaa seoksen laatuun.

Kylmäkäynnistysongelmia voi lähteä tutkimaan akusta ja käynnistysjärjestelmän (startti) toimivuudesta, mutta myös polttoaineen saannin kautta (esim. polttoainepumppu). Sytytysjärjestelmästä voi tarkistaa ensiö- ja toisiojännitteen. Alempana on esimerkkikuvia Volvon kaksoiskipinäjärjestelmästä ja lisää tietoa kelojen vastuksien mittaamisesta.

2. Lämmityskäyttö -> joutokäynnin tasaus

Joutokäynti tasataan täytöksen, eli ilma/polttoainesuhteen, määrää säätämällä. Moottorin pyörintänopeus tunnistetaan kampiakselin asentotunnistimen kautta. Kaasuläpän asentotunnistin kertoo ohjausyksikölle, paljonko kaasuläppä on auki. Ilman määrää vähennetään, kun moottori lämpiää. Vianhaku joutokäynninsäätöjärjestelmästä; kaasuläppä, kampiakselin asentotunnistin

3. Kiihdytys -> rikastus/maksimiteho

Kiihdyttäessä tarvitaan paljon tehoa, joten moottoriin syötettävää seosta rikastetaan. Lambda-anturi lakkaa toimimasta hetkellisesti ja moottori voi väliaikaisesti tuottaa enemmän tehoa riippumatta päästöistä. Kiihdytykseen vaikuttavat kaasupolkimen asentoa tunnistava anturi ja nakutuksen tunnistin.


4. Täyskuorma-ajo -> maksimiteho

Täyskuorma-ajossa rajoitetaan pyörintänopeutta ja säädetään polttoaineen ruiskutusta. Tehon tarve täyskuorma-ajolla on myös suurimmillaan, joten seosta säädetään rikkaammalle. Seoksen suhde kuitenkin on oltava tarkka, että voidaan välttää turhia päästöjä.

5. Moottorijarrutus

Moottorijarrutuksessa käytetään hyväksi moottorin omaa vastusta. Moottorijarrutuksessa polttoaineen syöttö katkaistaan. Pyörintänopeus on yli 1500 kierrosta minuutissa. Kaasuläpän asentoa valvotaan.

6. Osakuorma-ajo

Osa-kuorma-ajossa moottorin toiminta pyritään asettamaan polttoaineen ominaiskulutuksen minimin rajapintaan. Palaminen on hidasta, kun käytössä on laihempi seos. Sytytystä siis aikaistetaan, että seos ehtii palamaan kunnolla.

7. Ajo ohuessa ilmanalassa

Ohuessa ilmanalassa rajoitetaan ahtimen pyörintänopeutta, koska ohuempi ilma saa ahtimen pyörimään kovemmin kuin normaalitiheydessä.

***

Mittauksia

Moottorinohjausjärjestelmään tutustuimme oikean kohteen avulla. Otimme muutaman kuvan Volvo V40 ajoneuvosta. Kuvasimme sytytysjärjestelmän, ruiskutusjärjestelmän ja saasteenpoistojärjestelmästä katalysaattorin ja lambda-anturin. Tarkoituksena oli myös kuvata moottorinohjausyksikkö, mutta tässä kyseisessä autossa se sijaitsee ohjaamossa, keskikonsolin sisällä, joten sen esiinsaaminen olisi aiheuttanut enemmän vaivaa.

Kaksoiskipinäsytytysjärjestelmä ja neljä puolaa näkyvissä. Puolien johdot yhdistyvät pareittan aseteltuihin kaksoiskipinäpuoliin. Vasemmalla on sylinterien 2 ja 3 puolat. Oikealle menee sylinterien 1 ja 4 puolat.
Sytytysjärjestys 1-3-4-2.

Sytytyspuolan vastukset voidaan mitata yksittäin puolien päistä vastusmittariasennolla yleismittarin avulla. Vastusarvo vaihtelee puolen pituudesta riippuen n 5 - 20 kilo-ohmin välillä.

Ensiökelan vastusarvoja voidaan tutkia mittaamalla yleismittarin vastusasennolla puolakoteloon menevistä piuhoista. Ensiökelan toinen pää menee ECU:lle transistoriin ja toinen virtalukolle. Arvo jälkimmäisestä irroitettuna on noin ohmin luokkaa. Liitettynä voidaan tehdä myös jännitemittaus.

Toisiokelan vastusarvoja voidaan mitata puolaparien johtojen päistä. Arvo on noin 5 - 20 kilo-ohmia. Mikäli mittaus näin tuottaa äärettömän vastuksen, johdot voi irroittaa puolasta ja mitata johtojen paikalta suoraan. Jos mittaustulos näin antaa normaalin lukeman, voidaan todeta ongelman rajoittuvan irroitettuihin puolanjohtoihin.

Imupuolen putkisto, ruiskutussuuttimet ja niiden liittimet näkyvillä. Polttoaineen syöttö tapahtuu imusarjaruiskutuksena, jossa ruiskutussuuttimet yhdistyvät imusarjan putkien varsiin. Polttoainejärjestelmästä ja saasteenpoistosta lisää täällä.

Vasemmalla näkyy lambda-anturi ja oikean puolen 'mokkula' on katalysaattori.

Tässä kytkentäkaaviossa näkyy mm. sytytyspuolat, joiden mittauksia usein tehdään vianhaussa liittyen käyntiongelmiin.

Jekku

Anturit ja toimilaitteet käyttöolosuhteiden mukaan

Antureista toimilaitteisiin eri olosuhteiden mukaan

Autoissa on monenlaisia antureita. Yleensä niiden avulla mitataan lämpötilaa, painetta, nopeutta tai jonkin laitteen asentoa. Eli niiden tehtävänä on muuttaa jokin fysikaalinen ilmiö sähköiseksi arvoksi moottorinohjausyksikölle. Esimerkiksi jäähdytysnesteen lämpötilaa mittaava anturi välittää tietoa ohjausyksikölle ja säätää moottorin seossuhdetta tarpeen vaatiessa. Anturit voidaan karkeasti jaotella kahteen ryhmään; vastus- ja jänniteantureihin.

Anturit välittävät tietoa vallitsevasta ympäristöstä ohjainlaitteelle. Nämä tiedot vaikuttavat toimilaitteiden toimintaan. Kuva: Ford e-learning.

Jäähdytysnesteen lämpötila-anturi. Kuva: Autowiki

Tieto antureilta välittyy ohjainlaitteen kautta toimintakäskyinä toimilaitteille. Kuva: Ford e-learning.

Vastusanturit ovat niitä, joihin syötetään sähkövirtaa ja näin ollen voidaan mitata vastuksen muutosta. Jänniteanturit tuottavat itse jännitteen ja tätä jännitteen vaihtelua voidaan mitata. Vastusantureiden kunto voidaan tarkistaa yleismittarilla. Irrallinen anturi voidaan tarkistaa vastusmittauksella ja kytketty mittari jännitemittauksella. Jännitettä tuottavat anturit voidaan tarkistaa yleismittarilla jännitemittauksen avulla sekä irroitettuna että kytkettynä. Anturien jännitealue on 0-5V.

Vastusantureita ovat mm. lämpötunnistimet, potentiometrit ja eräänlaiset on/off-katkaisijat. Jänniteantureita ovat mm. lambda-anturit (zirkonium tai titaniumoksidi), asentotunnistimet ja jännitetunnistimet.


1. Kylmäkäynnistys

Kylmäkäynnistyksen yhteydessä tarvittavia antureita, jotka mittaavat lämpötilaa ja kampiakselin asentoa.

Kampiakselinasentotunnistin on induktiivinen anturi. Anturi ilmaisee, missä asennossa kampiakseli on ja sytytys voidaan suorittaa oikeassa kohtaa. Kun hammastetun pyörän hampaat ohittavat anturin pään välittävät jännitesignaalin aina ohittaessaan anturin pään. Mitä nopeammin pyörä pyörii, sitä vinhemmin hampaat ohittelevat anturia ja signaali muuttuu vauhdin lisääntyessä/vähentyessä. Tämä tuottaa siis vaihtosähköä ja toimintaperiaatetta kutsutaan induktiiviseksi. Anturin välittämä data siirtyy moottorinohjausyksikölle. Anturin sisällä on kestomagneetti ja anturin magneettivuota ohjataan nimenomaan edellä kuvatun kaltaisesti esimerkiksi hammaspyörän hammasten mukaisesti.

Induktiivisen anturin lisäksi on HALL-anturi, joka myös on eräänlainen asentotunnistin ja sitä käytetään usein nokka- ja kampiakselin asentotunnistimena. Hall-anturin tunnistaa ainakin siitä, että siinä on aina kolme johtoa. Mittauksessa saadaan millivoltteja, joten sen lukemia vahvistetaan transistorilla. Siitä voidaan mitata käyttöjännitepulssi samoin kuin induktiivisesta anturista. Hall-anturin sisällä on puolijohdekide, jonka läpi johdetaan virtaa. Kiteen lähelle tuodaan magneettivuo, joka saa kiteen elektrodit liikkumaan kiteen toiseen reunaan ja näin reunojen välille syntyy jännite-ero. Erona induktiiviseen anturiin on se, että hall-anturi pystyy havaitsemaan myös paikallaan olevia magneettikenttiä eikä siis magneetin nopeudella ole merkitystä.

Hall-anturin toimintaperiaate. Kuva: kompo2010

Resistiivisten antureiden vastusarvo muuttuu ulkoisen suureen mukaan, kuten esimerkiksi lämpötilan. Seuraavat, NTC- ja PTC-vastukset ovat resistiivisiä antureita. Niistä käytetään myös nimitystä termistori. Resistiivisiä antureita voidaan hyvin tehokkaasti käyttää monissa paikoissa auton erilaisten tilojen tunnistamisessa, joten sitä hyödynnetään myös kaasuläpän potentiometrissä (kohta 2.), ilmamäärän ja -massan mittaamisessa (kohta 2.), mutta myös paineen mittaamisessa (kohta 4.).

NTC-termistori on yhdenlainen lämpötilan tunnistin. NTC tulee sanoista negative temperature coefficient. Tämän anturin vastuksen lämpötilakerroin on negatiivinen, joten kun lämpötila kasvaa sen resistanssi pienenee.

Tässä yhteydessä NTC-anturi on yleisesti käytetty, mutta lähinnä lisätietona, ettävastakohta edelliselle on PTC-termistori, eli positive temperature coefficient. Sen vastuksen lämpötilakerroin on positiivinen ja lämpötilan kasvaessa sen vastuskin kasvaa.


2. Lämmityskäyttö

Lämmityskäyttö eli joutokäynnin tasaus vaatii toiminnan ohjaukseen kaasuläpän asentotunnistinta, pyörintänopeuden tunnistusta, ilmamäärän tunnistusta ja moottorin lämpötilantunnistusta.

Potentiometri on portaattomasti säädettävissä oleva säätövastus. Helposti tunnistettavissa oleva potentiometri löytyy myös mm. useimmista äänenvoimakkuudensäätövääntimistä. Autossa sen sijaan tässä kohtaa mm. kaasuläpän asentotunnistus voidaan hoitaa potentiometrin avulla.

Ilmamäärän tunnistus voidaan suorittaa mekaanisesti VAF-mittarin avulla. Yleisimpiä nykyään lienevät kuitenkin MAF ja MAP -mittarit.

Ilmamäärämittari mittaa imusarjassa kulkevan virtauksen määrää ja tunnistaa ilman lämpötilan. Ilman määrän mittaamista tarvitaan moottorin kuormituksen laskemiseen ja tilannekohtaisen polttoaineen määrän laskemiseen. Vanhemmissa järjestelmissä ilmamäärämittari yhdessä imuilman lämpötila- ja ilmanpaineantureiden kanssa laskee ilmamassan.

Kuumalanka tai -kalvotoiminen ilmamassamittari mittaa imuputkistossa kulkevan ilmamassan. Arvon perusteella lasketaan tarvittava polttoainemäärä ja moottorin kuormitus. Mittaus on siinä mielessä erittäin olennainen, koska sen perusteella annostellaan polttoainetta ja säädetään sytytyksen ajoitus.

MAF-anturi, jossa toimintaperiaatteena on kuumalanka. Kuva: autowiki

Pyörintänopeuden tunnistus voidaan tehdä induktiivisen anturin avulla, eli kampiakselin asentotunnistimen kautta. Moottorin lämpötilaa voidaan tunnistaa jälleen NTC-anturin avulla.

3. Kiihdytys

Kiihdyttäessä moottoria ohjataan kaasupolkimen asentotunnistimen, kaasuläpän asentotunnistimen, nakutustunnistimen, kulmanopeuden ja lambda-anturien kanssa.

Nakutustunnistin on kiinnitetty moottorin kylkeen reagoimaan moottorissa tapahtuvan huonosti ajoitetun palamisen aiheuttamiin värinöihin. Nakutustunnistimen antaessa signaalia ohjainlaitteelle, sytytysennakkoa voidaan säätää myöhäisemmälle ja ahtopaineitta pienentää.

Nakutustunnistin. Kuva: www.motonet.fi

Lambda-anturi on toiminnassa useimmiten auton käydessä, mutta käynnistäessä, kovassa kiihdytyksessä ja moottorin ollessa kylmä anturi ei ole päällä. Näissä tilanteissa seoksen on oltava rikkaampaa kuin tavallisesti.

Lambda-anturi mittaa palamattoman hapen määrää pakokaasun seassa. Tästä voidaan päätellä palamisen tehokkuus. Anturi sijaitsee pakoputkessa ennen katalysaattoria ja sen signaali, välittyessään ohjainlaitteelle, vaikuttaa polttoaineseoksen muodostamiseen joko rikkaammalle tai laihemmalle.

Ilma-polttoaineseoksen ideaalinen suhde on noin 14.6:1, jolloin lambda-arvon sanotaan olevan 1 (stökiömetrinen seos). Moottoriin imetyn ilman määrä siis vastaa tällöin palamiseen tarvittavan ilman määrää. Jos arvo on alle 1, eli happea on vähän, seos on rikasta. Mikäli arvo on yli 1, ilmaa on paljon, joten seos on laihaa. Lisää tietoa NGK:n sivuilta.

Lambda-anturi. Kuva: Autowiki

4. Täyskuorma-ajo

Kaasupolkimen asennon tunnistus on toteutettu edellä mainitun induktiivisella menetelmällä, jonka signaali lähetetään mm. kaasuläpän säätimelle. Anturin jännite riippuu polkimen käyttötavasta.

Imusarjan alipainetta tunnistetaan ...

Kaasuläpän asennon tunnistaminen potentiometrillä käsiteltiin kohdassa 2.


5. Moottorijarrutus

Kaasuläpän asento
Pyörintänopeusanturi

6. Osakuorma-ajo

Kaasuläpän asento
Imusarjan alipaine

7. Ajo ohuessa ilmanalassa

Imusarjan alipaine
Ulkoilmanpaineen anturi



Jekku