Moottorin tärinä

[Junkers]

Osaisikohan kukaan selittää tuota Guzzin moottorikonstruktiota tärinän rajoittamisen vinkkelistä. Guzzissa ovat molemmat kiertokanget samassa "kaulassa" (ihan ymmärettävistä syistä), mutta V-moottoreissa (ehkei moottoripyörissä) noin yleisesti lienevät kiertokanget eri "kauloissa" ja nuo "kaulat" eri asennoissa toisiinsa nähden. Olisiko siis tärinä vähäisempää jos nuo kiertokanget olisivat eri "kauloissa", jotka olisivat eri asennoissa toisiinsa nähden ? Vielä sellainenkin kysymys, että saavutetaanko Guzzin konstruktiolla kuitenkin vähäisempi tärinä kuin samankokoisella perinteisellä "twinillä" ? Ainakin joissakin kaksisylinterisissä "twineissä" on ollut erilaisia tasapainoitusakseleita (näin muistaakseni 1970-luvulla ainakin Yamahan 750-kuutioisessa  "twinissä", olisikohan tyyppimerkintä ollut TX tai jotain siihen suuntaan).

Kysyn tätä ihan vain mielenkiinnosta, omassa Nevadassani ei tärinä ole tuntunut mitenkään häiritsevältä. Jos kysymykseni vaikuttavat tyhmiltä, se johtuu pelkästään tietämättömyydestä.     

[TunturiTT]

90 asteen samankaulainen tvini pitäisi olla helppo tasapainotettava. Nuo erikaulaiset v koneet ovat käytännössä aina jollain muulla kulmalla varustettuja. Tasapainoakseleita ei varmaan missään 90 asteisissa ole?

[Camn]

Aprilian koulutusmateriaalista muistiinmerkittyä:

"It is true that the 90° V engine is itrinsically ("itsessään, luonnollisesti") balanced. The first order forces generated during the movement of the internal organs automatically cancel one another."

Toimii omalla kohdalla n.3300 rpm tienoilla, ei muuten. Suurehko iskutilavuus ja erillisten tasapainotuselementtien puuttuminen (eihän siellä sisällä ole mitään ylimääräisiä pyöriviä osia) johtaa Guzzimaisiin värinöihin.

Kuvassa Aprilian 1000cc 60° V-Twin (Rotax, kampiakseli poikittain/sylinterit pitkittäin, 1998-2009), ja sen 2 tasapainotusakselia.
"60° V-formation two-cylinder engine responds to the need for a compact engine. The system uses anti-vibration turning countershaft which, in the opposite direction to the engine shaft, balances the first order forces. The moment generated by the countershaft is, in turn, balanced by fitting a second countershaft (smaller than the main one) inside the head of the rear cylinder."

[motomatti]

Ovat kovin mallikohtaisia nuo tärinät. Myös säädöt kuten seos ja ajoitukset vaikuttavat moottorin liikkeisiin. Lisäksi on osoittautunut että herkkyys tärinoille ja niiden eri taajuuksille on erilaista eri henkilöillä.

Itsellä on useampi eri tilavuuksinen Guzzi. Vanhemmasta päästä (850cc) tärinät ovat varsin mietoja ja omalta kannalta nähden suorastaan tuovat fiiliksen liikkeestä ja voimasta. V10 on aivan omanlaisensa ja tärisee hyvin voimakkaasti jos sitä koittaa vedättää liian alhaisilla kierroksilla. Toisaalta se täristää varsin tuntuvasti kun kierrosluku kiipeää 9000 kierrosta/minuutissa lukemiin ja siitä ylöspäin. 950cc California ei kovastikaan täristele mutta kaikista nätimmin käy 1100 Breva. On oikein etsittävä alueita jossa tuntuisi tärinää. Kone on alunpitäen säädetty siten että alle 3000 kierroksen ei tapahdu juuri mitään ja loppu kierroslukualue ei tärinöitä aiheuta. Mukavaa pitkällä matkalla mutta jotenkin pienimunaista.  

Nykyisin pystytään moottorin tärinöitä suitsimaan siten että jokaisella sylinterillä on oma polttoaineensyöttönsä ja oma sytytyksenajoituksensa läpi koko kierroslukualueen tai laajemmin koko tehoalueen.

[Pekka]

Asiasta hieman syvällisemmin, alussa teoriaa ja kaavoja, loppupuolella erilaisien moottorirakenteiden
esittelyä. Myös yleispätevää tietoa laakeroinneista yms.

https://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/27945/Ossi_Lintula.pdf?sequence=1

[motomatti]

Sivulla 31 alkaen on mainintoja erilaisista V-koneista. Tässä opinnäytetyössä on käsitelty vain mekaanisia tapoja säädellä käynnin tasaisuutta.
Sylinteripaineen säätelyyn ja sytytysennakon muutoksen vaikutuksiin perustuva käynnin tasapainotukseen ei tutkielmassa ole puututtu ja asia lienee tilauksen tehneen Wärtsilän kannalta tarpeetonta. Äkkiseltään en aiheesta löytänyt kotimaista tutkielmaa josko sellaista on tehtykään.
Tässä sivutaan aihetta ulkomaaksi: http://www.maintenanceresources.com/referencelibrary/ezine/enginebalance.htm

Moottorin, varsinkin vinkkelitwinin (vinkkeli = 90 astetta) saa helposti käymään hyvin epätasaisesti säätämällä sytytysennakon yhdessä sylinterissä eri arvoon kuin toisessa tai toinen sylinteri saa eri seosta. Tällöin menetetään myös tehoa.
Toisinpäin toimiessa optimoidaan erikseen sylinterien täyttö ja sytytysennakko jokaiselle moottorin kierrolle ja tehoasetukselle optimaaliseksi. Tällöin saadaan paras teho. Mutta tärinöitä voi olla edelleenkin.
Otetaankin lähtökohdaksi mahdollisimman tasainen käynti per työkierto ja katsotaan vähenikö teho (todennäköisesti väheni) ja näiden kahden (moottorin teho/värinättömyys) kompromissista tehdään sytytys- ja ruiskutusparametrit. Valitettavasti nykyään on otettava huomioon myös päästöt kolmantena kompromissiasiana. Mutta tähän suuntaan ollaan menossa.

[Pekka]

Ohjelmallinen "tasapainotus" mahdollistaa myös vikojen paikallistamisen. Edellyttää
että käytössä on testeri mikä osaa lukea/käsitellä sylinterikohtaisen ohjauksen toiminnan.
 Toisaalta voi spekuloida sillä, ehtiikö näin alkava ja alussa piiloon jäävä mekaaninen vika kasvaa
turhan suureksi ennen ilmituloaan.

[TunturiTT]

Tätä sylinterikohtaista neppailuahan käytetään superbikessä ja motogp:ssä sutimisenestoon ja mutkan ulostulon parantamiseen. Pyörä rötää ja puutuu, mutta kello tykkää. Ei sinällään toki liity tasapainotukseen..

[motomatti]

alussa piiloon jäävä mekaaninen vika kasvaa turhan suureksi ennen ilmituloaan.

Tämä ongelma on jo ollut olemassa siitä lähtien kun erilaisia takaisinkytkentöjä käynnin optimoimiseen on alettu käyttää.

Otetaanpa hieman taapäin: kaasutinmoottorissa, erityisesti alipainekaasuttimilla varustetuissa (harvinaista Guzzilla) oli jo takaisinkytkentä melko pitkällä: kuljettaja väänsi kaasuvipua mutta kaasua annosteli kaasuttimen pneumaattinen järjestelmä niin että moottorilta ei vaadittu liikoja. Guzzin V-kone on taasen niin hidas hyppäämään kierroksille että alipaineohjausta ei tarvittu. Tavallisessa suoravetokaasuttimessakin on lievä takasinkytkentä: vaikka kaasuluisti avataan selälleen niin ilmaa ei sylinteriin mene sen enempää kuin imukanavassa oleva paine sitä sinne painaa. Ja ilman virtaus imee polttoainetta sen mitä kykenee mukaansa ottamaan.

Ensimmäiset ruiskutusmoottorit olivat alkuunsa täysin ilman takaisinkytkentää: kaasuläpän avautumiskulma määritti kuinka paljon polttoainetta syinteriin ilman kanssa tuupataan. Oletusmoottori kävi oletusarvoisesti. Tehtaalla oli tehty ohjelma joka takaa kaikissa käyntitilanteissa oikeahkon seoksen että moottori käy. Jos polttoaineen laatu muuttui, ilmansuodattimen tukkeutui hiljalleen tai moottorin kului tai muuta muutostatapahtumaa ilmeni niin kyseinen moottorinojaus ei siihen kyennyt sopeutumaan.

Koska polttomoottorissa itse palamistapahtuma on se tärkein tapahtuma ja sitä pystytään nykyisin seuraamaan edulliselle anturointimenetelmällä pakokaasuista sekä sylinterinpään lämmöstä, saadaan aikaan voimakas takasinkytkentä joka pystyy muuttamaan palamistapahtumaa valmistajan (viranomaisen, viherpiipertäjän, polttoaineyhtiön) haluamaan suuntaan halusi käyttäjä sitä tai ei.

Nyt takaisinkytkentä on kehittynyt jo niin pitkälle että jopa yhden työkierron osiakin pystytään havainnoimaan sekä muokkaamaan. Monissa moottoreissa on ollut käytäntönä jo melko pitkään että suutin ei aukea työkierron imuvaiheessa vain kerran vaan saattaa tietyssä tilanteessa antaa imukanavaan ennen imuventtiilin aukeamista jo pienen esiruiskauksen höyrystymään joka sitten joutuu palotilaan perässä tulevan polttoaineen pääosan kanssa: ensiksi tullut on seonnut hyvin hapen kanssa ja kipinän tullessa syttyy herkästi ja höyrystää myös perässä tulleen ruiskauksenkin niin että sylinterin keskipaine kohoaa merkittävästi vasta sillä kierron kohdalla missä painetta eniten tarvitaan kun pääosa polttoaineesta ja hapesta palaa. Siinä yksi syy miksi sytytysennakko on varsin suuri tietyillä toimialueilla eikä nousekaan samassa suhteessa kuin kierrosluku kuten aiemmin oli asian laita.

[TunturiTT]

Nyt takaisinkytkentä on kehittynyt jo niin pitkälle että jopa yhden työkierron osiakin pystytään havainnoimaan sekä muokkaamaan. Monissa moottoreissa on ollut käytäntönä jo melko pitkään että suutin ei aukea työkierron imuvaiheessa vain kerran vaan saattaa tietyssä tilanteessa antaa imukanavaan ennen imuventtiilin aukeamista jo pienen esiruiskauksen höyrystymään joka sitten joutuu palotilaan perässä tulevan polttoaineen pääosan kanssa: ensiksi tullut on seonnut hyvin hapen kanssa ja kipinän tullessa syttyy herkästi ja höyrystää myös perässä tulleen ruiskauksenkin niin että sylinterin keskipaine kohoaa merkittävästi vasta sillä kierron kohdalla missä painetta eniten tarvitaan kun pääosa polttoaineesta ja hapesta palaa. Siinä yksi syy miksi sytytysennakko on varsin suuri tietyillä toimialueilla eikä nousekaan samassa suhteessa kuin kierrosluku kuten aiemmin oli asian laita.

Tästä on hienona esimerkkinä nykyaikaiset suoraruiskutusbensamoottorit. Samalle palotapahtumalle saadaan suoraan palotilaan useita ruiskutuksia. Fiatilla taasen kerrostettu täyttö jne on toteutettu Multiair-järjestelmällä, jolla voidaan muuttaa venttiilien aukeamista lähes rajattomasti, jopa useampi imuventtiilin avautuma yhdellä imulla..

[Junkers]

Tuosta opinnäytetyöstä kävi hyvin selville se, että monenmoista konstia on kehitetty käynnin tasapainottamiseksi. Mainitsemassani Yamahassa oli "parallel twin" ei siis V-moottori. Wikipediassa oli Yamaha TX 750-mallista hyvä juttu. Jutun mukaan koneessa olevat tasapainoakselit  vispasivat öljyä niin rankasti, että siitä aiheutui voitelun huononemista ja moottorin kestävyysongelmia. Yhdellä kaverillani tuollainen 70-luvulla oli ja se oli silloin komeanoloinen pyörä. 

[TunturiTT]

Siihen Yamahaan tuli tehtaan korjauskitiksi korotettu öljypohja, joka laski öljyn pintaa suhteessa pyöriviin. Sen jälkeen kesti ilmeisesti tavallisen ajon.

[egon]

Sylinteripaineen kautta tuleva tärinä on kampiakselin epätasaista pyörimistä. Kun kaasunpaine kiihdyttää kampiakselia, se vääntää lohkoa vastakkaiseen suuntaan. Vastaavasti puristustahdin aikana kampiakseli hidastuu ja se momentti "työntää" sylinterilohkoa edellään. Sytytyksen ja ruiskutuksen säädöillä pystyy vaikuttaamaan siihen miten tasaisesti kukin sylinteri työnsä tekee. Jos yksi sylinteri on huonosti hoidettu, se aiheuttaa pienemmän lisäyksen kampiakselin nopeuteen kuin naapurinsa ja siitä syystä seuraava sylinteri lähtee tavallaan takamatkalta ja tekee kovemman potkun.

Sylinteripaineesta johtuva tärinä on aika pientä, mutta teoriassa on niin, että esim. kaksisylinterisen bokserimoottorin tärinä on pienempi, koska työtahdit tulevat tasaisin väliajoin. V-moottorissa on työtahdeilla lyhyt väli ja pitkä väli, jolloin pitkän välin jälkeen kampiakselin kulmanopeus on pienempi ja työvuoroon tuleva sylinteri joutuu tekemään isomman työn. Todennäköisesti ongelman vähäisyyden takia siihen ei ole tuossa opinnäytetyössä katsottu tarpeelliseksi kajota. Avainroolissa tärinään nähden on mottorin kiinnitys runkoon, koska lohkoon tuleva tärinä siirtyy sinne ja pahimmassa tapauksessa joillakin kierroksilla tulee vastaan resonanssialueita. Autoissahan tuo ongelma on ratkaistu kumityynykiinnityksellä, joka pyörissä ei kuitenkaan taida olla yleinen ratkaisu, ei ainakaan meidän tallissa olevilla malleilla.

[Camn]

Sylinteripaineen kautta tuleva tärinä

Koneen mekaaniset osat lienevät kohtuuhyvin tasapainotettu. Kokemuksesta voin todeta että kampiakselin tarkkuustasapainotus ja liikkuvien massojen pienentäminen ei tuonut suurta eroa, ehkä 3-8% pienempi tärinä ("amplitudi"), muuten tismalleen samanlainen käyttäytyminen jatkuu eri kierroksilla. Täytyy siis johtua juuri noista "työtahdeista" ja niiden aiheuttamista asioista. Jos moottoria pyörittäisi kannet irti vaikka sähkömoottorilla, menisi varmaan jouheasti vähillä värinöillä 90 asteen V -kulmansa ansiosta...

Sylinteripaineen kautta tuleva tärinä on kampiakselin epätasaista pyörimistä

Tämän uskon olevan perinteisen 1100 ccm moottorin kohdalla tärinän aiheuttaja (oliko V11 -05 asti ja Cali -06 asti). Ominaisuus, ja sillä hyvä. Kun Pekka ja muutama muu on muistaakseni maininnut että LeMans IV on paljon värinättömämpi, se johtunee siitä että LeMans:issa on hiukan vähemmän potkua (alkuperäiskunnossa) ja painavammat mukana pyörivät massat - niin ja tietty eri runko V11 malliin verrattuna.

Jos yksi sylinteri on huonosti hoidettu, se aiheuttaa pienemmän lisäyksen kampiakselin nopeuteen

Tämän asian tahallista "eri tavalla" hoitamista juuri olen ajatellut "virtuaalisena tasapainotusakselina", mutta lienee melko vähän tehtävissä näin? Ja nykyisin pakokaasumääräykset varmaankin myös haittaavat moisella leikkimistä ?

mottorin kiinnitys runkoon

Ja sehän on lujasti kiinni. Oliko ainoastaan Cali1400 jossa tyhjäkäynnin ravistus on tarkoituksella mukaan suunniteltu.

[egon]

Tuohon kaasuvärähtelyyn vaikuttaa myös pyörivän massan hitausmomentti. Raskaalla vauhtipyörällä pyörimisliike reagoi hitaammin kaasunpaineeseen, jolloin reaktiomomentti sylinterilohkoon kasvaa isommaksi. Kevyellä vauhtipyörällä kampiakselin pyörimisnopeus muuttuu epätasaisemmaksi ja sen seurauksena esim. ensiövetoon saattaa tulla hammaskiillettä hakkaavaa voimaa enemmän kuin raskaan vauhtipyörän kanssa.