Dieselmoottorin sähköisen jäähdytysneste- ja voiteluöljypumpun käytön suunnittelu ja toteutus
Opinnäytetyön tavoitteena oli suunnitella ja toteuttaa sähköinen vesi- ja öljypumppu dieselmoottoriin. Sähköisillä pumpuilla korvattaisiin moottorin alkuperäiset mekaanisella käytöllä olevat pumput, jotta tulevaisuuden testiajoissa voidaan tutkia sähköisten pumppujen tuomia mahdollisia kulutus- ja päästöhyötyjä.
Työn alussa etsin tutkimustietoa sähköisten pumppujen hyödyistä ja mahdollisista jo tehdyistä tutkimuksista ja mittauksista. Dieselmoottorin pumppujen mekaniikka, päästönmuodostus ja päästöstandardit kuuluivat työn teoriaosuuden tutkimusaineistoon. Dieselmoottorin hyötysuhde on bensiinimoottoria korkeampi, mutta ongelmana ovat hiukkaspäästöt ja typen oksidipäästöt.
Suunnittelu ja osien valmistus ja asennus
Opinnäytetyön suunnittelu alkoi paperille hahmottelemalla mahdollisia ratkaisuja, joilla pumput saadaan kiinni moottoriin. Vaatimuksia olivat: rakenteiden pitää olla kestäviä ja toimivia, akselien linjauksen oltava säädettävissä ja osien asennuksen oltava mahdollisimman helppoa.
Kiinnitystukien suunnittelussa sain moottorivalmistajalta avuksi dieselmoottorin 3D mallinnuksen. Tuet mallinnettiin Siemens NX ohjelmiston avulla. Ohjelmasta oli suuri apu tarkkaan mitoittamiseen ja tukirautojen suunnitteluun. Kun tarvittavat tuet olivat mallinnettu sähköisesti, lähetin tiedostot eteenpäin ja seuraavaksi saapui ilmoitus, että osat ovat noudettavissa laserleikkauksesta.
Kiinnitys tukien materiaalina käytettiin 8 mm S235 teräslevyä. Laserleikatuista paloista MAG-hitsasin suunnitelman mukaiset kokonaisuudet, joista valmistui tuet vesipumpun sähkömoottorille ja sähköiselle öljypumpulle. Tarvittavat säätömahdollisuudet toteutin ovaaleilla kiinnitysrei’illä.
Dieselmoottorin vesipumpun akselin ja sähkömoottorin akselin väliin tilasin sakarakytkimen, joka yhdistää akselit toisiinsa. Sakarakytkin myös sallii pienen virheen linjauksessa ja vaimentaa värinöitä. Kytkintä valittaessa huomioin akselin mitoituksen ja kiinnitystavan. Sorvissa valmistin holkit, joilla sakarakytkin asettui akselille oikeaan kohtaan ja käsityönä tein myös erilaisia kiinnitysosia, jotta sakarakytkimen asennus oli mahdollista. Sorvissa myös valmistui erikoistyökalu akselien linjaukseen.
Sähköisen öljypumpun toimintakuntoon laittaminen vaati dieselmoottorin alkuperäisen mekaanisen öljypumpun irrottamisen ja tarvittavien öljylinjojen rakentamisen alkuperäisten tilalle. Uusi sähköinen öljypumppu asentui moottorin ulkopuolelle alkuperäisen öljypumpun ollessa moottorin öljypohjan sisällä. Rakenteessa piti suunnitella ja toteuttaa liitos alkuperäiseen öljynpaineputkeen ja valmistaa uudet öljylinjat sekä läpiviennit. Läpivienneillä saataisiin öljynpainelinja ja öljyn imuputki tuotua moottorin öljypohjan ulkopuolelle sähköiselle öljypumpulle.
Palaveria varten tein taulukon erilaisista vaihtoehdoista, joilla öljylinjat ja öljypohjan läpiviennit on mahdollista toteuttaa. Taulukossa oli eri toteutustapojen hyvät ja huonot puolet. Yhdessä päätettiin käyttää hydrauliikkaosia ja letkuja, niiden luotettavuuden ja asennettavuuden vuoksi.
Hydrauliikkaliittimillä pääsi hyvin kiinni moottorin alkuperäiseen öljynpainelinjaan. Sen jatkoksi tuli hydrauliikkaletku, joka kaartui 90° öljypohjan sisällä. Kaarre oli välttämätön, jotta läpivientiliitin asettui haluttuun paikkaan. Käytettävä tila, asennettavuus, sekä mahdollisimmat lyhyet ja yksinkertaiset öljylinjat ohjasivat suunnittelua.
Öljynlinjojen suunnittelu oli projektin vaativin vaihe. Öljypohjan sisällä ei ollut ylimääräistä tilaa ja hydrauliikkaletkujen suuri taivutussäde johti siihen, että öljypohjaa piti muokata tilavammaksi. Siemens NX ohjelmistolla sain suunniteltua ja mitoitettua rakentuvat öljylinjat, kun valittujen osien mitat ja taivutussäde oli tiedossa. Suunnitelman mukaan leikkasin öljypohjan kulman ja viereiset sivut auki ja tilalle MAG-hitsasin uuden tilavamman ja tasaisemman metallinpalan. Uudella muotoillulla sain tarvittavan tilan uudelle hydrauliikkaletkulle öljypohjan sisällä, sekä valmistui tasainen ulkopinta läpivientiliittimille ja niiden tiivistykselle.
Hydrauliikkaletkut teetettiin mittojen mukaan. Letkujen ja osien sisähalkaisijaksi valitsin 19 mm, mikä oli öljypumpun valmistajan suositusten mukainen. Öljypohjan toiseen läpivientiliittimeen valmistin metalliputkesta öljyn imuputken, jonka mitoitus oli vastaava kuin alkuperäisessä öljypumpussa kiinni ollut imuputki.
Valmistetut metallituet hioin ja maalasin viimeistellymmän ja turvallisemman lopputuloksen vuoksi. Lopuksi asensin molempien järjestelmien osat paikoilleen ja varmistin vielä viimeisen kerran osien keskinäisen sopivuuden ja toiminnan, niiltä osin kuin se oli mahdollista.
Yhteenveto
Työmäärä ja itsevalmistettujen tarvittavien osien suuri määrä yllätti tekijän projektin aikana. Lopputuloksena valmistui kaikki tarvittavat osat ja tuet sähköisten pumppujen kiinnittämiseksi ja toimintakuntoon saamiseksi. Nyt sähköiset pumput olivat sähkötöitä vaille valmiit tulevaisuuden testiajoihin, joissa verrataan mahdollisia kulutus ja päästöhyötyjä alkuperäiseen dieselmoottoriin.
Työmäärä ja itsevalmistettujen tarvittavien osien suuri määrä yllätti tekijän projektin aikana
Sähköisten pumppujen tutkimustiedoista nousi esille pumppujen tuoma noin 1 % energiakulutuksen säästö sekä pumppujen parempi ohjattavuus verrattuna mekaanisella käytöllä oleviin pumppuihin. Mekaaniset pumput toimivat suurimman osan ajasta liian suurella teholla ja näin hukkaavat energiaa. Sähköisiä pumppuja voidaan ohjata moottorin pyörintänopeudesta riippumatta ja näin optimoitua tuotto moottorin kuormitustilanteeseen sopivaksi. Sähköisten pumppujen ohjauksella voidaan myös jäähdyttää moottoria esimerkiksi sammuttamisen jälkeen, tämä voi lisätä moottorin osien kestoikää.
Artikkeli on osa Moottori- ja voimalinja -tutkimusryhmän julkaisuja.
Lähde:
Peltola, J. 2024. Dieselmoottorin sähköisen jäähdytysneste- ja voiteluöljypumpun käytön suunnittelu ja toteutus – Theseus, Turun ammattikorkeakoulun opinnäytetyö.