Pienmoottorin tehonmittaus – mitä tarvitaan?
Moottorien testaus ja suorituskyvyn mittaus on keskeisessä asemassa polttomoottorien säätämisessä, tutkimuksessa ja kehityksessä. Mittauksen mahdollistamiseksi tarvitsee moottorille rakentaa kuitenkin sopiva testipenkki eli moottoridynamometri, johon moottori kiinnitetään mittausta varten. Dynamometrillä moottoria voidaan kuormittaa halutunlaisesti ja moottorin suorituskyky voidaan mitata. Moottoridynamometrin rakenne yhdistelee mukavasti eri koneenrakennuksen aihealueita, minkä vuoksi laitteen suunnittelu ja rakentaminen onkin tekijälleen monipuolinen ja mielenkiintoinen projekti.
Opinnäytetyön tavoitteena oli suunnitella ja valmistaa pienmoottorien tehonmittaukseen soveltuva dynamometri. Työ toteutettiin yksityisenä projektina, eikä siinä tavoiteltu vielä kaupallisesti valmista tuotetta, vaan toimivaa ja vähintään prototyyppiasteista omavalmisteista dynamometriä. Tarkoituksena oli työn lopuksi saada selvyys käytettävän, iskutilavuudeltaan 125 cm3:n, 2-tahtimoottorin suorituskyvystä.
Moottoridynamometri
Dynamometrillä tarkoitetaan voiman – erityisesti mekaanisen voiman – mittaamiseen tarkoitettua laitetta. Moottoridynamometrillä mitataan siis moottorin suorituskykyä. Arkikielessä moottoridynamometrien yhteydessä puhutaan usein moottorin tehonmittauksesta, mutta todellisuudessa lähes kaikki dynamometrirakenteet mittaavat jollakin tavalla moottorin vääntömomenttia tai mittapisteeseen kohdistunutta voimaa, jonka perusteella vääntömomentti voidaan laskea. Kun tunnetaan mittaushetkellä moottorin pyörimisnopeus, voidaan laskea myös moottorin teho. Dynamometrien avulla voidaan pelkän suorituskyvyn mittauksen lisäksi esimerkiksi simuloida erilaisia moottorin kuormitustilanteita vaikkapa pakokaasupäästöjen tutkimus- ja kehitystarkoituksessa. Erilaisia moottoridynamometrirakenteita on olemassa useita.
Moottoridynamometrin suunnittelun haasteet
Suunnittelun alkuvaiheessa on tärkeää vetää erilaisia suuntaviivoja ja tehdä rajauksia, joiden sisällä dynamometrin suunnittelutyö on mahdollista aloittaa. Erilaisia moottoreita on olemassa niin suuri lukumäärä, ettei ole mitenkään mahdollista valmistaa moottoridynamometriä, johon voisi suoraan, ilman minkäänlaisia muutoksia kytkeä minkä tahansa moottorin. Hyviä dynamometrisuunnittelun lähtökohtia dynamometrin rakennetyypin lisäksi ovatkin mitattavien moottorien fyysisen koon sekä arvioidun teholuokan rajaaminen.
Tässä tapauksessa koko rajattiin pienmoottoreihin, mikä tässä yhteydessä tarkoittaa alle 40 kW tehoisia, pääosin yksisylinterisiä kaksi- tai nelitahtimoottoreita. Toisin sanoen mitattavan kokoluokan moottoreita on siis pienemmän kokoluokan moottoripyörissä ja näitä pienemmissä kulkuvälineissä.
Koska dynamometrin käytöstä ja rakenteesta riippuvia muuttujia on paljon, dynamometrin suunnittelu on tasapainoilua eri kompromissien välillä. Moottorit tuottavat yleensä melko suuria voimia ja värinöitä käydessään täydellä kuormalla ja pyörimisnopeudet kohoavat melko suuriksi, minkä vuoksi myös lujuustarkastelu on tarpeellista ottaa huomioon dynamometrin suunnittelussa. Tässä tapauksessa dynamometristä suurin osa valmistettiin itse, mikä piti myös huomioida jo dynamometrin suunnitteluvaiheessa esimerkiksi käytettävissä olevien työkalujen osalta.
Koekäytöstä havaintoja ja ideoita tulevaan
Projektin odotetuin ja jännittävin vaihe oli rakennetun pienmoottoridynamometrin testaaminen. Testausvaihe on dynamometrin jatkokehityksen kannalta tärkeä vaihe, sillä tällöin pystytään havainnoimaan ja arvioimaan dynamometrin toimintaa ja kehitystarpeita. Kiinnostavaa oli myös testauksessa käytetyn moottorin suorituskyky, mutta tässä vaiheessa projektia dynamometrin toiminta, turvallisuus ja luotettavuus olivat havaintokohteina tärkeämpiä.
Lopulta myös käytetyn testimoottorin suorituskyky mitattiin rakennetulla dynamometrillä. Vaikka moottorin tehon ja vääntömomentin mittaustulokset olivat odotetun kaltaisia, ne kertovat lopulta dynamometrin luotettavuudesta ja mittaustarkkuudesta varsin vähän. Varsinkin moottoria säädettäessä moottoridynamometrien mittaustuloksissa absoluuttisia lukuarvoja tärkeämpää on nimenomaan mittaustulosten toistettavuus, sillä vain tällöin voidaan huomata, onko moottoriin tehdyistä muutoksista ollut suorituskyvyn kannalta hyötyä vai haittaa. Havainnot tämänkin asian suhteen ovat tässä projektissa kuitenkin positiivisia.
Mittaustulosten lisäksi projektin tuloksina saatiin ideoita ja näkemyksiä dynamometrin jatkokehityksestä ja ajatuksia siitä, mitä olisi mahdollisesti kannattanut tehdä toisin. Työn tulosten pohjalta voidaan jatkaa dynamometrin yksityiskohtien jatkokehitystä ja mittaustarkkuuden parantamista. Lisäksi työn havaintoja voidaan hyödyntää ja käyttää inspiraationa muissa vastaavissa projekteissa tulevaisuudessa.
Lähde:
Rieppola, J. 2023. Pienmoottoridynamometrin suunnittelu ja rakentaminen – Theseus, Turun ammattikorkeakoulun opinnäytetyö.