• muuttuva venttiilien ohjaus
• optimointi
• Polttomoottori
• Sähkömekaniikka

Sähkömekaanisesti ohjatut imu- ja pakoventtiilit ovat ilman nokka-akselia ja jakopyörästöä toimiva venttiilikoneisto. Vapaasti sähköllä ohjattavat venttiilit mahdollistavat polttomoottorin suorituskyvyn optimoinnin ja päästöjen vähentämisen pyörimisnopeudesta riippumatta.

Tavoitteena oli kerätä yhteen sähkömekaanisesti ohjattujen venttiilien toimintaan liittyvää tietoa useista eri lähteistä sekä arvioida menetelmän tuomia etuja moottorin suorituskykyyn ja aiheutuviin päästöihin. Kirjallisuuskatsauksena toteutetussa työssä kartoitettiin aiempia tutkimuksia ja artikkeleita sähkömekaanisesta venttiilien ohjauksesta. Näiden pohjalta muodostettiin ymmärrys teknologian nykytilasta, sen toimintaperiaatteista ja mahdollisuuksista tulevaisuudessa.

Teoria

Työn aiheeseen johdatettiin esittelemällä ensin venttiilikoneiston perustoiminta ja sen merkitys moottorin suorituskyvylle. Tämän jälkeen tarkasteltiin erilaisia venttiilien ohjaustekniikoita, erityisesti muuttuvan venttiilien ohjauksen eri muotoja ja säätöjärjestelmiä. Nämä mahdollistavat venttiilien ajoituksen, aukioloajan sekä avautumiskorkeuden vaihtelun ajon aikana. Näiden lisäksi työssä avattiin täysin muuttuvan venttiilien ohjauksen tuomia mahdollisuuksia, mukaan lukien ratkaisut perinteisellä nokka-akselilla ja ilman (taulukko 1).

Taulukko 1. Venttiilien iskukäyrät ja ominaisuudet. (Mukaillen: Hara, Suga, Watanabe & Nakamura 2009.)

Yllä olevasta taulukosta 1 nähdään, että sähkömekaaninen venttiilien ohjaus mahdollistaa imu- sekä pakoventtiilien täysin muuttuvan ohjauksen. Sähkömekaaninen venttiilien ohjaus ei perustu pyörivän kampiakselin voimaan, vaan erillisiin aktuaattoreihin, jolloin jakopyörästön ja venttiilikoneiston pyörivät ja edestakaisin liikkuvat massat voidaan poistaa.

Sähköisten säätöjärjestelmien tarkkuus ja nopeus reagoida välittömästi moottorin ohjausyksikön komentoihin mahdollistavat monimutkaisten ajoitusten ja aukioloaikojen muutosten reaaliaikaisen hallinnan. Lisäksi järjestelmän vähäinen mekaanisten osien määrä pienentää moottorin kokoaa ja painoa sekä yksinkertaistaa sen rakennetta. Toisaalta sähköisesti toimiva venttiilien säätöjärjestelmä voi olla altis sähköhäiriöille ja vaatii jatkuvaa virransyöttöä toimiakseen luotettavasti, jonka takia tehokas ja toimintavarma sähköjärjestelmä on välttämätön.

Saavutettava hyöty

Tarkastelussa keskityttiin sähkömekaaniseen venttiilin ohjaukseen ja korostettiin tämän toteutusperiaatteen tarjoamia etuja moottoritekniikassa. Huomio kiinnitettiin erityisesti vääntömomentin, tehon, polttoaineen kulutuksen ja päästöjen hallintaan, jotka ovat keskeisiä tekijöitä moottorin suorituskyvyn ja ympäristöystävällisyyden kannalta. Työssä pohdittiin myös, miten sähkömekaaninen venttiilien ohjaus voisi tulevaisuudessa mullistaa moottoritekniikkaa ja millaisia etuja se tarjoaa verrattuna perinteisiin ratkaisuihin.

Ympäristöystävällisyys on moottorin toiminnan tärkein yhteiskunnallinen ominaisuus, sillä polttoaineseoksen palamisen seurauksena syntyy useita haitallisia päästökomponentteja, kuten:

• häkää (CO)
• hiilivetyjä (HC)
• typen oksideita (NOx)
• hiukkasia eli partikkeleita (PM).

Sähkömekaanisesti ohjatut imu- ja pakoventtiilit voivat vähentää edellä mainittuja päästökomponentteja sekä parantaa moottorin hyötysuhdetta, mikä vähentää polttoaineen kulutusta jopa 20 prosenttia. Tämä johtaa hiilidioksidipäästöjen (CO2) vähenemiseen samassa suhteessa polttoaineen kulutuksen kanssa, mikä tekee moottorista huomattavasti ympäristöystävällisemmän.

Tulokset

Tutkimuksen tuloksena havaittiin, että sähkömekaaninen venttiilien ohjaus voi merkittävästi parantaa moottorin joustavuutta ja suorituskykyä ajon aikana. Tulokset osoittivat, että tämä teknologia mahdollistaa venttiilien tarkan säädön eri käyttötilanteissa, mikä voi johtaa polttoaineen tehokkaampaan hyödyntämiseen ja pienempiin päästöihin.

Koska uusien polttomoottoriautojen myynti aiotaan lopettaa Euroopan unionissa vuonna 2035, sähkömekaanisen venttiilien ohjauksen odotetaan mahdollisesti tarjoavan menestykseen vaadittavat edellytykset polttomoottorien käytön viimeisille vuosille. Tätä teknologiaa pidetään autoalalla eräänlaisena Graalin maljana, joka voi mullistaa alan toimintatapoja.

Lähteet

Taulukko 1: Mukaillen: Hara, S. Suga, S. Watanabe, S. & Nakamura, M. 2009. Variable Valve Actuation Systems for Environmentally Friendly Engines, Hitachi Review. Saatavilla: https://www.hitachi.com/ICSFiles/afieldfile/2009/12/25/r2009_07_103.pdf.

Jännäri, J. 2024. Ottomoottorin imu- ja pakoventtiilien sähkömekaaninen ohjaus – Theseus. Opinnäytetyö. Turun ammattikorkeakoulu.

Artikkelikuva: Jännäri, J. Mukaillen taulukosta 1: Hara, S. Suga, S. Watanabe, S. & Nakamura, M. 2009.