Dieselmoottorin muuttuva venttiilien ajoitus

Abstract

Työssä perehdytään dieselmoottoriin soveltuvien venttiiliajoitusta muuttavien järjestelmien kartoittamiseen ja sellaisen järjestelmän konseptointiin. Työssä läpikäydään 4-tahtisen polttomoottorin toiminta ja tutustutaan sen venttiilikoneiston rakenteeseen. Käsitellään venttiilien ajoituksen vaikutukset yleisesti polttomoottorikäytössä ja perehdytään muuttuvan venttiilien ajoituksen hyötyihin ja merkitykseen dieselmoottorikäytön kannalta. Esitellään venttiilien muuttuvan toiminnan mahdollistavien järjestelmien toimintaperiaatteita ja tehdään konseptisuunnittelua varten rajaus vain muuttuvaan venttiilien ajoituksen mahdollistaviin järjestelmiin. Järjestelmien toimintaperiaatteita arvioidaan asiakasnäkökulmasta ja arvioidaan laatutyökalun avulla, millainen järjestelmätyyppi soveltuu perussuunnittelultaan valmiiseen työkoneen nopeakäyntiseen 4-tahtiseen dieselmoottoriin. Arviointitulosten pohjalta konseptoidaan kyseiseen moottoriin soveltuva ajoitusmuunnin. Henkilöautojen kipinäsytytteisissä moottoreissa käytetään laajalti muuttuvaa venttiilien toimintaa tehon ja hyötysuhteen parantamiseksi. Vastaavien järjestelmien käyttöä on nähty vähemmän dieselmoottoreissa niin henkilöautojen kuin raskaan kaluston ja työkoneiden keskuudessa. Tiukentuvien päästömääräysten vuoksi ja suorituskyvyn parantamiseksi myös työkonemoottoreiden kehityksessä on kiinnostusta tutkia muuttuvan venttiilien toiminnan vaikutuksia. Työssä kävi ilmi, että muuttuvalla venttiilien ajoituksella dieselmoottorikäytössä voidaan saada tiettyjä etuja kaasunvaihdon kannalta ja pakokaasupäästöjen pienentämiseen välillisesti ja suoraan. On huomioitava, että muuttuva venttiilien ajoitus on vain yksi osa pakokaasupäästöjen hallinnassa ja sillä voidaan täydentää esimerkiksi ahdinkäytön ja jälkikäsittelylaitteiston toimintaa. Nokka-akselin ajoituksen muuttamiseen konseptoidaan ajoitusmuunnin. Konseptille tehdään iteraatiokierroksia rakenteen tilavarauksen optimoinnin ja rakenteen yksinkertaistamisen takia. Konseptirakenne osoittautui mahdolliseksi toteuttaa tilavaraukseltaan ahtaaseen ympäristöön ja sen toimivuus perustellaan vääntömomentin tuoton laskemisella. Moottorin tuottama öljynpaine ja tilavuusvirta todetaan riittävän nokka-akselin ajoituksen säätöön. Konseptin jatkokehittäminen vaatii tarkemman materiaalimäärittelyn, väsymistarkastelua, FEM-laskentaa, prototyypin testaamista ja käyttötilanteiden simulointia rakenteen optimoimiseksi.