• fi
  • en

Vesi-metanoliruiskutus

1       Johdanto

Polttomoottorin vesi/vesi-metanoliruiskutus tuodaan aika-ajoin uutena teknologiana markkinoille, jota yritetään myydä kuluttajille uutena innovatiivisena ratkaisuna. Vesiruiskutusjärjestelmiä on kuitenkin käytetty jo toisen maailmansodan aikaisissa lentokoneissa, ja autoteollisuudessakin järjestelmiä on ollut useilla eri merkeillä jo tehdas asenteisesti usealla eri vuosikymmenellä. Tarkoituksenamme oli tutkia vesi/metanoli -ruiskutuksen hyötyjä kilpa-autosovelluksissa, jota on käytetty usean vuosikymmenen ajan eri moottoriurheilu lajien parissa. Kiinnostuksen kohteenamme on myös hyödyt vesiruiskutuksesta yhdistettynä eri kilpapolttoaineisiin jotka eroavat suuresti normaaleista polttoaineista. Sillä monissa eri sarjoissa on tullut mahdolliseksi käyttää uusia alkoholipitoisia polttoaineita.

 

Kautta aikojen polttomoottorien kilpakäytössä on pyritty etsimään polttoaineita joilla yritetään parantaa moottorin hyötysuhdetta. Markkinoilla on myös lukuisia polttoaineen valmistajia joiden polttoaineet ovat suunniteltu sekä luokiteltu eri autourheiluliittojen alla ajettaviin kilpailuihin. Näiden polttoaineiden koostumuksesta voidaan jättää joitakin asioita suuren yleisön tietämättömiin. Suurimmassa osassa eri sarjoja ajetaan bensiinillä, mutta myös korkeaseos-alkoholi-polttoaineet ovat lisääntyneet huomattavasti vihreän trendikkyyden myötä. Eri polttoaineilla saadaan suuria eroja niiden kemiallisten eroavaisuuksien takia. Nämä erot mahdollistavat myös moottorin suunnitteluun liittyvät rakenteelliset muutokset. Kilpa-auto sovelluksessa vesi-/metanoliruiskutuksen pääasiallinen tarkoitus on estää ääriolosuhteista johtuvat moottorivauriot, mutta lisänä järjestelmästä saadaan hyötyjä kasvaneena moottorin vääntömomenttina. Nykysuuntaus kilpapolttoaineissa on ollut selkeä ja polttoaineiden sisällöstä löytyykin kokoajan enemmän alkoholeja. Alkoholien hyviä puolia on lukuisia joista mainittakoon korkeat puristuskestävyydet ja matala höyrystymislämpö. Matalat höyrystymislämpötilat tuovat kuitenkin haasteita polttoaineen siirtojärjestelmissä jotka muutenkin joudutaan mitoittamaan epäedullisesti ajatellen polttoaineen lämpenemistä, sillä siirtomäärät ja ruiskutuspaineet nostavat lämpötiloja helposti sekä alkoholien viskositeetti on bensiiniä suurempi ja täten taas vaati enemmän energiaa pumpattaessa.

 

2       Vesi/metanoliruiskutusjärjestelmän teorian tarkastelu

Tarkasteltaessa kilpakäytössä olevia eri polttoaineita voimme havaita niiden välillä suuriakin eroavaisuuksia ja täten haluttiin selvittää ennen työhön ryhtymistä näitä eroja. Kilpabensiinin sisältäessä suuren määrän nafteeneja, voidaan jalostaa edelleen tuottamaan korkeampia oktaanilukuja. Tämän takia tolueeni ei hajoa niin helposti sylinterissä ja palaa siksi osittain vasta pakosarjassa. Kilpabensiinin sisältäessä suuria määriä hiiltä saadaan tämän hiilen ja als-järjestelmän lisähapen avulla turboahtimelle jatkuvaa energiaa.

Metanolin lämpöarvo on huomattavasti alhaisempi kuin bensiinin. Pienemmän ilmantarpeen ja suuremman höyrystymislämmön takia metanoli-ilmaseoksella saadaan sylinteritäytöksen energiasisältö kuitenkin hieman korkeammaksi kuin bensiinillä. Metanolin bensiiniä korkeampi höyrystymislämpö alentaa polttoaine-ilmaseoksen lämpötilaa ja siten parantaa moottorin volymetristä hyötysuhdetta. Metanolilla saadaan siis korkeampi teho kuin bensiinillä. Metanolimoottorin tehoa parantaa palamisen yhteydessä tapahtuva täytöksen tilavuuden laajeneminen, joka on suurempi kuin poltettaessa esimerkiksi bensiini-ilmaseosta. Tämä johtaa tehollisen hyötysuhteen paranemiseen. Käytettäessä metanolia vesiruiskutuksen yhteydessä jäähdytykseen on hyötyä metanolin pienestä energiatiheydestä, sillä silloin metanolia voidaan ruiskuttaa moottoriin huomattavan suuria määriä ilman pelkoa moottorin tukehtumisesta liian rikkaaseen seossuhteeseen.

Etanolin käyttö kilpakäytössä on suosittua ja tarkasteltaessa etanolin ominaisuuksia se onkin helposti selitettävissä, sillä etanolin höyrynpaine sellaisenaan on alhainen 15-20 kPa (37,8°C) Etanolin vaikutus bensiinin höyrynpaineeseen on kuitenkin epälineaarinen: jo parin prosentin etanolilisäys nostaa voimakkaasti höyrynpainetta. Etanolin määrää edelleen lisättäessä höyrynpaine kuitenkin palautuu kohti bensiinipohjaista seosta. Etanolin palamisnopeus on bensiiniä nopeampi joka helpottaa polttomoottorin säätötoimenpiteitä sekä stabiloi palotapahtuman ennakointia. Lisäksi etanolin puristuskestävyys tuo huomattavia etuja moottorin mekaanisiin muutoksiin sekä ehkäisee tehokkaasti detonaatiota. Suurempi pakokaasun määrä myös luo suuremman energian turbiinisiivelle. Tämä mahdollistaa alhaisemmat pakokaasun lämpötilat sekä suuremman moottoritehon

 

Veden suihkuttamisen tarkoituksena kilpa-auton moottoriin ei suoranaisesti ole tuottaa moottoritehoa. Vaikkakin vesi höyrystyessään laajenee voimakkaasti vesihöyryksi, tehden näin lisäenergiaa ahtimen turbiinisiivelle. Vaikkakin voidaan ajatella sen taas olevan pois pakokaasujen lämpölaajenemisen tuottamasta lämpöenergiasta. On kuitenkin selvää, että polttomoottorin huonon hyötysuhteen takia lämpötiloja on saatava laskettua varsinkin kilpakäytössä. Joten voidaan kuvitella, että syntyy kaksi hyötyä: laskeneet pakolämmöt sekä laajenevan vesihöyryn tuottama energia. Ihanteellinen tilanne olisi, että bensiinimoottori pystyisi pilkkomaan veden atomirakenteen niin, että se saisi vedestä eroteltua hapen palotapahtumaan. Näin ei kuitenkaan tapahdu, mutta on tehty lukuisia testejä siitä että dieselmoottorin korkea mekaaninen puristussuhde mahdollistaa tämän. Imuilman sisältäessä höyryä ja vesisumua, imusarjassa kulkevan imuilman inertia ja massa on suurempi kuin pelkän kuuman ilman. Joten imuilman massanhitauteen perustuva teoreettinen imuaaltoahtaminen on tehokkaampaa. Suihkutettaessa vettä on kuitenkin aina suurena riskinä vesihöyryn ja ahtoilman kastepistelämpötila. Korkeaviritteisessä kilpamoottorissa suuresta ahtopaineesta on hyötyä sillä kaasun paineen nostaminen nostaa myös sen kastepistelämpötilaa. Jos ilmaa puristetaan niin, että kokonaispaine kaksinkertaistuu, silloin myös vesihöyryn osapaine kaksinkertaistuu Daltonin lain tavalla. Joten suuremman ahtopaineen hyötyinä voidaan mainita myös korkeampi kastepiste.

Panta XS Metanoli Etanoli C85 Vesi H2O Tolueeni
Oktaaniluku (RON) 115 108,7 106 0 121
Höyrystymislämpö (C°) 149 65 85,6 100 111
Happipitoisuus (%) 4,65 49,9 35
Energiatiheys (Mj/kg) 48 22,7 34
Höyrynpaine (kPa, 20C°) 99,98 13,02 5,95 0 3,1
Ominaislämpökapasiteetti (kJ/(kg·°C)) 2,5 2,43 4,19

Kuvio 1. Aineiden ominaisuudet.

Turboahdetussa kilpa-autossa eri polttoaineiden pakokaasujen massat vaikuttavat turboahtimen pakokaasusta saatavaan energiaan. Kun tutkittiin eri polttoaineiden vaikutusta moottorin vääntömomenttiin, päätettiin samalla myös selvittää eri polttoaineiden pakokaasujen massat. Helpottaaksemme selvitystyötä, tehtiin muutamia oletuksia:

  • Bensiini sisältää vain oktaania
  • Täydellinen palaminen, ei sivureaktioita
  • Ilmaa menee moottoriin juuri sen verran kun stoikiometriseen palamiseen tarvitaan
  • Ilman menevät moottorin läpi reagoimatta

Kuvio 2. Reaktioyhtälöt

Yksi mooli polttoainetta tuottaa seuraavat yhdisteet:

 

 mol  mol  (g/mol) 1kg on mol Pakokaasun massa (poltettua yhtä kilogrammaa kohden)
Bensiini e98 8 9 114,2 8,76 16,1kg
Metanoli 1 2 32 31,25 7,5kg
85% etanoli + 15% bensiini 2,9 3,9 56,3 17,76 11,8kg
Tolueeni 7 4 92,1 10,86 14,5kg

Kuvio 3. Pakokaasujen massat.

 

3       Vesi/metanoliruiskutusjärjestelmä kilpakäytössä

Kilpakäyttö tuo suuria haasteita polttomoottorin toiminnalle. Olosuhteet voivat vaihdella ilmaston muuttuessa ja luoden isojakin lämpötilaeroja. Monet kilpasarjat kiertävät eripuolilla maapalloa, ja luokiteltua jäähdytinjärjestelmää on käytettävä kaikissa osakilpaluissa. Tämä tuo haasteita kompaktiin suunnitteluun ja samalla riittävän jäähdytystehon takaamiselle. Polttomoottorien huonon hyötysuhteen ja kilpakäytön tuomien rasitusten takia, joudutaan usein pohtimaan uusia näkökulmia jäähdytyksen suhteen, tämä on yksi syy miksi vesi-/metanoliruiskutusjärjestelmiä on käytetty kilpa-autoissa iät ja ajat. Yleisesti käytössä olevat turboahtimet nostavat niin imuilman, pakokaasun ja yleisesti ottaen polttomoottorin lämpötilaa. Turbomoottorien tehoa rajoitetaan imupuolen kuristeella, joka tuottaa valtavan määrän lämpökuormaa tavoiteltaessa aivan viimeisiä tehoja. Monissa kilpasarjoissa jäähdyttimet ovat suunniteltu ja valmistettu mahdollisimman pieniksi kuitenkin säilyttäen riittävän jäähdytystehon optimiolosuhteissa. Moottorin jäähdytysveden lämpötila ei yleensä muodostu suurimmaksi ongelmaksi, vaan turboautojen imuilman jäähdytys. Vaikka lämpötilat eivät olisikaan ensisijainen ongelma, voi tulla tilanteita joissa jäähdytys esimerkiksi estyy, ja tällöin vesiruiskutusjärjestelmä mahdollistaa polttomoottorin lämpötilojen kurissa pitämisen ja jopa toiminnan jatkumisen ongelmitta. Esimerkiksi rallissa lehdet tai lumi saattaa estää jäähdytysilman kulun jäähdyttimelle.  Yleisesti ottaen imulämpöjen kohotessa ohjainlaitteeseen on tehty imulämpökompensaatio sytytyskarttaan, tällä tavoin estetään kohonneiden imulämpöjen mukanaan tuoma riski moottorin detonoinnille. Sytytysennakon myöhästämisellä estetään moottorin mahdolliset vauriot, mutta moottorin tuottama vääntömomentti laskee välittömästi, tästä syystä vesi-/metanoliruiskutusjärjestelmä on erittäin tehokas keino estää moottorin imuilman lämmön nousua, ennen kuin ohjainlaite joutuu myöhäistämään sytytysennakkoa. Tietyissä kilpasarjoissa ja tietyissä asennussovelluksissa turbon ja imusarjan sijainnit saattavat olla sellaiset, että välijäähdytintä ei voida asentaa paikkaan jossa sillä olisi kunnolliset toimintaedellytykset. Täten vesi-/metanoliruiskutus on suunniteltu lähtökohtaisesti paikkaamaan huonoa jäähdytystä.

 

Yleisesti käytössä on myös jäähdyttimen ulkopuolinen ruiskutusjärjestelmä, tämä jäähdyttimen pinnalle ruiskutettu vesi sitoo höyrystyessään tehokkaasti lämpöä, ja laskee imuilman lämpötilaa. Tämän tyyppistä järjestelmää käytetään kilpasarjoissa, joissa välijäähdyttimelle ei saada tarvittavaa ilmavirtaa riittävän jäähdytyksen takaamiseksi esim. ajonopeuksien takia. Joissakin sarjoissa moottorin sisäinen vesiruiskutus on kielletty, jolloin tämän tyyppinen järjestelmä on suosittu.

 

4 MW Steel Ruiskutusjärjestelmä

4.1.            Suunnittelu

 

Aloitimme suunnittelun aikaisempien kokemusten ja käsitystemme perusteella. Jouduimme, kuitenkin perehtymään järjestelmän yksityiskohtiin ja lähtökohtanamme olikin selvittää vesiruiskutuksen toiminta yksityiskohtaisesti ennen komponenttien valmistusta ja hankintaa. Lähes jokaisen kaupallisen järjestelmän laitteistot ovat hyvin rajoittuneita ja pyritty valmistamaan kustannustehokkaiksi ja hyvin kaupallisiksi laajalle sektorille. Meillä oli tarkoitus rajata laitteisto vain kilpa-auto puolelle ja rakentaa laitteisto, jossa ei olisi lukuisia heikkoja lenkkejä ja sudenkuoppia niin, kuin lähes kaikissa kaupallisissa versioissa.

Pidimme lähtökohtana sitä, että saisimme mahdollisimman saman ainemäärän suihkutettua jokaiseen sylinteriin mahdollisimman homogeenisenä seoksena polttoaineen kanssa sekä integroitua järjestelmän nykyisiin käytössä oleviin moottorinohjainlaitteisiin. Täten emme tehneet kompromisseja komponenttien suhteen vaan käytimme mielestämme parhaita markkinoilla olevia komponentteja ja jos emme löytäneet kohteeseen sopivaa, kehittelimme ja tuotimme sen itse. Suurimmat haasteet liittyivät korkeisiin ruiskutuspaineisiin. Vaikka painetta laskemalla olisimme selvinneet huomattavasti helpommalla, tiesimme silti että veden sumuuntuminen on tärkeää jotta lämmön sitoutumiskyky olisi mahdollisimman hyvä. Jotta pystyimme varmistumaan tasaisista ruiskutusmääristä sylinterien kesken, valmistimme autoon imusarjan jossa käytetään ns. tuplakammioista painekoteloa jonka painejakauma on mahdollisimman tarkka eri sylinterien kesken. Sijoitimme suuttimet imusarjaan mahdollisimman lähelle sylinterikantta niin, että jokaisella sylinterillä on oma suutin ja näitä suuttimia ohjattiin ohjainlaitteen omilla suutinajureilla. Kuviossa 4 esiintyy ruiskutusjärjestelmän pääkomponentit.

vesi-metanol-asennustarvikkeet

Kuvio 4. Komponentit.

 

4.2.            Komponentit

 

4.2.1.      Pumppu

Pumpun valintaan vaikutti tavoiteltu paine ja tuotto. Monissa markkinoilla olevissa pumpuissa ongelmana oli tuoton romahtaminen korkeilla paineilla. Virran kulutus oli myös huomattavaa yli 10barin paineilla joka tuo omat haasteensa kilpakäytössä. Löysimme kuitenkin amerikkalaisvalmisteisen (Shurflo) pumpun, jonka tekniset tiedot tyydyttivät vaatimuksiamme, kun tiedossamme oli, ettemme pystyisi kuitenkaan itse omalla panoksellamme tuota kaupallista versiota parempiin lukemiin. Valmistaja ilmoitti että pumpussa on sisäänrakennettu lämpösuojaus ja tuotto noin 4l/min vapaalla virtauksella. Testasimme pumpun ennen asennusta ja teimme paine-/tuottokaavion varmistuaksemme pumpun kelvollisuudesta käyttötarkoitukseemme. Teimme testit pelkällä vedellä turvallisuussyistä olettaen ettei viskositeetin muutos vaikuta suuresti mittaustuloksiin.

 

Paine(bar)                                     Tuotto (l/min)                             Virta(A)
0                                                        4,56                                                  2,5
1,38                                                  4,33                                                  3,5
2,76                                                  4,03                                                  4,3
4,14                                                  3,69                                                  5,2
5,52                                                  3,27                                                  6,2
6,90                                                  3,04                                                  7,1
8,27                                                  2,77                                                  7,8
9,65                                                  2,47                                                  8,6
11,00                                               2,20                                                  9,4
12,40                                               2,10                                                  9,5
13,80                                               0,30                                                  10,0

vesimetanol_pumppu

Kuvio 5. Vesi/metanolipumppu.

 

4.2.2.      Suuttimet

Suuttimina käytimme Boschin RST sisuskaluilla olevia suuttimia joiden tuotto olisi lähellä tarvitsemaamme, sillä tiesimme että tämä virtauskapasiteetti on mitattu 3,5bar ruiskutuspaineella. Näiden suuttimien virtaus kapasiteetti nousee kohtuullisen lineaarisesti paineen noustessa, toisin kuin monilla muilla vastaavilla suuttimilla. On myös otettava huomioon että suuttimien neula ja muut osat on oltava valmistettu RST-materiaaleista, jottei korroosio ongelmat estä järjestelmän toimintaa. Suuttimien kompakti koko sekä 14 ohmin impedanssi olivat myös yhtenä valintakriteerinä. Oli myös otettava huomioon suuttimien maksimi avautumispaine, sillä suuttimen kara liikkuu nesteen painetta vasten joka saattaisi aiheuttaa suuttimen kelalle liian suuren kuormituksen.

vesimetanol_imusarja

Kuvio 6. Imusarja vesi/metanolisuuttimineen.

4.2.3.      Regulaattori

Tarpeisiimme soveltuvaa paineensäädintä ei ollut suoraan markkinoilla saatavan ja näin päädyimme hankkimaan aihioksi säätimen jossa on venttiili kalvo ja virtauskyky sellaisia jotka sopisivat jatkojalostukseen. Säätimen kanavien koko oli 14mm ja näihin yhdistimme an liitokset kokoa AN 8.  Poistimme prässätyn kannen ja sorvasimme uuden säätökannen, jousilautasen tupla jousille, ja muut tarvittavat pikkuosat tupla jousia varten jotta jousivakioksi saataisiin lähelle kaavailemamme 100psi:tä jolla laskemamme mukaan olisi mahdollista saavuttaa noin 10-15barin paine järjestelmään. Lopuksi kaikki alumiiniset osat tästäkin anodisoitiin korroosion välttämiseksi.

metanol_regulaattorit

Kuvio 7. Regulaattorit.

4.2.4.      Linjasto

Linjoina käytimme Goodridgen teräspunospäällysteellä olevaa AN 8 teflonletkua. Läpiviennit teimme rintapeltiin sääntökirjan mukaisilla läpivienti liittimillä ja muissakin liitoksissa käytimme ainoastaan lentokoneistakin tuttuja ja motorsport puolella käytettäviä AN-liittimiä. Teflon soveltui letkumateriaaliksi parhaiten sillä metanolin ja nitriilikumin yhteensopivuudesta on ristiriitaisia kokemuksia, joten emme halunneet ottaa riskiä tässäkään kohtaa. Ruiskutuskiskon valmistettiin tekemällä suutinreiät ja kierteen ja kiinnityspaikat raaka-aihioon jonka sisäreiän halkaisija oli 16mm. Tämänkin komponentin jouduimme anodisoimaan, jottei vesi pääse syövyttämään tätä. Säiliönä toimi 3mm anodisoidusta alumiinista valmistettu 20l neliskanttinen kilpapolttoainesäiliö turva vaahdolla. Tankin koko oli mitoitettu ajatellen mahdollisia tulevia kilpailutilanteita sekä huolto ja tankkausvälejä ajatellen.

polttoainekiskot

Kuvio 8. Polttoainekiskot.

4.2.5.      Ohjainlaite

Vesi/metanoliruiskutusjärjestelmän asennuksen yhteydessä autoon asennettiin uusi moottorinohjainlaite (KMS MD35) jonka toiminnat ja kapasiteetti ohjata samalla moottorin kaikkia toimintoja sekä hallita vesiruiskutusjärjestelmämme komponentteja oli huomattavasti parempi, kuin autossa ollut edeltäjänsä. Näin saimme tärkeää informaatiota suoraan can-väylän kautta ohjainlaitteelle josta pystyttiin tehdä johtopäätöksiä järjestelmän toiminnasta. Ohjainlaitteelle saimme tiedot kahdesta eri imuilman lämmöstä, joista toinen tuli imuventtiilin juurelta ja toinen kaasuläpän läheisyydestä. K-tyypin pakolämpöantureita oli käytössä viisi joista yksi oli sijoitettu turbon turbiinisiiven taakse ja loput olivat välittömästi pakoventtiilien jälkeen kanavan suulla. Polttoainelinjan paluupuolella oli myös anturi jolla saimme tiedon polttoaineiden lämmöstä ja alkoholipitoisuudesta. Pystyimme nyt myös tekemään automaattisia ”fail safeja” ohjelmallisesti käyttäen tietoa kohonneista pako tai imulämmöistä. Ohjasimme ohjainlaitteella neljää imusarjassa olevaa vesi/metanoli suutinta pareittain ohjainlaitteen suutin ajureilla. Näille vesi/metanolisuuttimille oli oma ”polttoainekartta” jota pystyi muokkaamaan perinteisesti joko 2 tai 3 d:nä. Suutinryhmän säädössä käytettiin kuormantunnistuksena map-anturin signaalia ja näin pystyimme varmistumaan siitä, ettei pääsisi syntymään ongelmia esim. käynnistystilanteissa liiallisen veden vuoksi. Tällä tavoin saimme vesi-/metanoliannostelun tarkaksi juuri haluamaksemme jokaiselle kierrosluku ja kuormapisteelle, sillä kartassa oli käytettävissä 375 eri säätöpistettä. Ahto putkeen sijoitettua suutinta ohjasimme kohonneista imulämmöistä käyttäen tätä suutinta lähinnä turvaamaan moottoria detonoinnin aiheuttamalta tuholta. Tätä suutinta ohjasimme ohjainlaitteen ulostulo liitännällä releistettynä, sillä suuttimen virta oli 2,8A, ja ohjainlaitteemme ulostulo ei kestäisi tällaisia kuormia. Nykyiset kilpa-autoihin tarkoitetut ohjainlaitteet pystyvät lähes kaikki samankaltaisiin ohjausratkaisuihin joita tässä työssä käytimme.

vesimet_kms_moottorinohjaus

Kuvio 9. Ohjainlaite.

4.3.        Testiauto

Laitteiston testiautona toimi MW Steel Oy:n Toyota Celica st205 ralliauto. Auto valittiin testikäyttöön monistakin eri syistä, sillä meillä oli myös entuudestaan paljon mittaustuloksia ja käyttökokemuksia kyseisen auton moottorista ja sen toiminnasta. Auto soveltui tähän tarkoitukseen erityisen hyvin, sillä halusimme että autossa on perusasiat kunnossa, jotta ruiskutusjärjestelmän mittaustulokset eivät pääse vääristymään joistain puutteellisista kokoonpanon komponenteista tai muista heikoista lenkeistä. Tiesimme jo entuudestaan, että vesi/metanoli ruiskutusjärjestelmällä voidaan kompensoida tai korjata turboahdetun kilpa-auton ongelmia esim: imulämpöjen ja detonoinnin suhteen, mutta juuri tätä halusimme välttää ja saada mahdollisimman realistiset mittaustulokset veden ja metanolin hyödyistä jo valmiiksi hyvin toimivasta kokoonpanosta. Testiauton moottorina on luokitussääntöjen mukainen kilpamoottori jonka iskutilavuus on 1989cc ja puristus-suhde 10,8:1. Turbossa imukuriste 34mm.

Kuvio 10. Testiauto.

4.4.        Mittausten suoritus

Testiauton valmistelut alustadynamometrille aloitettiin mittaamalla moottorin puristuspaineet sekä ohivuodot. Arvot olivat kohdallaan joka oli oletettua, sillä moottorilla ei ollut ajettu kuin n. 100 testi-EK kilometriä. Suoritimme nelipyöräsuuntauksen autoon ja pyrittiin suuntaamaan pyörät mahdollisimman neutraalisti, jotta voimansiirron häviöt tai mittaustulokset eivät vääristyisi. Mittauksissa käytettiin jäykkäkylkisiä uusia renkaita, jotta mittaustulokset eivät vääristyisi lämpötilan aiheuttamista muodonmuutoksista renkaissa.  Auto sidottiin alustadynamometrin päälle jokaisesta nurkasta, sekä vielä varmistusliinalla keskeltä auton lävitse. Tässä yhteydessä mitattiin myös etäisyys korin kiinteistä mittauspisteistä dynamometrin kiinteisiin mittauspisteisiin, ja tätä etäisyyttä valvottiin ja tarvittaessa korjattiin mittausten välissä. Auto kytkettiin alustadynamometrin ohjainlaitteisiin niin, että saatiin näkyviin ahtopaine, kierrosluku ja ilma/polttoaine -seossuhde. Mittaukset aloitettiin auton ohjainlaitteen perusparametrien kuten sytytysennakkokarttojen ja polttoainekarttojen ohjelmoinnilla. Tämän jälkeen, perusasioiden ollessa kunnossa, aloitettiin viralliset mittaukset E98 polttoaineella. Kontrollimittauksen jälkeen ohjainlaitteen sytytysennakko ja polttoainemääräkarttoja muokattiin niin, että polttoaine/ilma -seossuhde olisi mahdollisimman hyvä maksimivääntömomentin suhteen (AFR:12,5-13/E98). Sytytysennakkoa ja ahtopainetta nostettiin aina niin kauan, kuin moottorin vääntömomenttikäyrästä alkoi havaita, ettei sytytysennakon aikaistamisesta tai ahtopaineen nostosta ole hyötyä tai nakutuskuulokkeiden avulla oli havaittavissa detonaatiota. Näiden säätöjen jälkeen kytkettiin vesi/metanoliruiskutusjärjestelmä käyttöön. Metanolin rikastaessa ilma/polttoaine seosta pyrittiin seosta laihentamaan ja samalla lisättiin sytytysennakkoa ja ahtopainetta. Tätä toistettiin kunnes moottorista oli taas saatu maksimi vääntömomentti ilman detonaatiota. Useissa mittauksissa havaittiin ettei ahtopaineen nostosta ollut hyötyä, joten todettiin, että turbon kapasiteetti alkaa olla käytetty ja ahtopaine rajataan 1,7 bariin. Kaikki seuraavat mittaukset tehtiin samalla tavoin, aloittaen pelkällä perus polttoaineella, ja seuraavassa mittauksessa ruiskutettiin myös vesi/metanolia. Kriteereinä todeta kunkin polttoaineen maksimi ahtopaine ja sytytysennakon määrä oli pienikin havainto detonaatiosta joko kuulokkeiden tai anturin välityksellä. Jos näistä ei ollut viitteitä eikä vääntömomentissa nähty positiivisia muutoksia todettiin parhaimman tuloksen tulleen silloin. Nämä mittaukset toistettiin kolmella eri perus polttoaineella. E98 bensiini, kilpabensiini ja e85. Mittaukset ajettiin kaikki auton 4. vaihteella. Juuri ennen jokaista mittausajoa mitattiin polttoaineen ja vesimetanoli-seoksen lämpötila tankeista upottamalla Fluken lämpötilamittarin sauva keskelle tankkia täyttöaukosta ja odottamalla, ettei mittarin lukema muutu. Pakosarjan pinnan lämpötilat mitattiin k-tyypin lämpötila-anturisauvalla jolle oli porattu 3mm syvä kuoppa pakosarjan kollektori osaan. Näin pystyimme varmistumaan, että mittaus tehdään aina samasta paikasta. 5 kappaletta pakokaasun lämpötilojen huippuarvoja kirjattiin myös jokaisen mittausajon yhteydessä. Imuilman lämpötilat dokumentoitiin kummastakin lämpötila anturista.

 

4.5.        Mittaustulokset ja yhteenveto

Mittausten suoritus kesti kaksi työpäivää. Mittausolosuhteet pysyivät lähes identtisinä kumpanakin mittauspäivänä. Mittaustulokset noudattivat sitä kaavaa mitä olimme niiltä odottaneetkin. Olimme ennen mittauksia punninneet polttoaineiden kemiallisia koostumuksia ja tehneet johtopäätöksiä niiden perusteella. Mittauksissa saimme vahvistusta ajatuksillemme miten vesi/metanoli seos tulisi vaikuttamaan eri polttoaineiden kohdalla. Arvelimme, että suurimmat hyödyt tulisivat kun käytössä on normaali jakeluverkoston e98 polttoaine ja näin kävi.

Kuvio 10. kuvaa vääntömomentti eroja. Taulukossa on e98 bensiinin (yhtenäinen viiva) sekä e98 bensiinin ja vesimetanoliruiskutuksen (katkoviiva) kuvaajat vääntömomenteista. Taulukosta voi havaita, kuinka katkoviivalla ilmoitettu vesi/metanoli ruiskutuksen vääntömomentti kuvaaja piirtyy huomattavasti pelkän e98 kuvaajan edellä ja huippuarvo on korkeammalla.

Kuvio 11. E98 ja E98+vesimetanoli.

 

 

Kuvio 12 kuvaa vääntömomentti eroja. Taulukossa on kilpabensiinin (yhtenäinen viiva) sekä kilpabensiinin ja vesi/metanoliruiskutuksen (katkoviiva) kuvaajat vääntömomenteista. Taulukosta on havaittavissa, että erot ruiskutuksen hyödyistä kapenevat käytettäessä kilpapolttoainetta. Mittaustuloksissa on myös mahdollisesti havaittavissa, että mittauksessa ei saada saavutettua todellista lämpökuormitusta ja näin turbolle menevä energia jää todellisuutta pienemmäksi ja täten vesimetanolin ruiskuttaminen saattaa aiheuttaa liiallistakin lämpötilan laskua pakokaasussa.

Kuvio 12. Kilpabensiini ja kilpabensiini+vesimetanoli.

 

 

Kuvio 13 kuvaa vääntömomentin eroja. Taulukossa on korkeaseosetanoli polttoaineen (yhtenäinen viiva) sekä korkeaseosetanoli polttoaineen ja vesi/metanoliruiskutuksen (katkoviiva) kuvaajat vääntömomenteista. Taulukosta on havaittavissa, että erot ruiskutuksen hyödyistä kapenevat entisestää, sillä etanolin ja metanolin erot ovat hyvin pieniä. On kuitenkin kiistattoman selvää, että ruiskutuksella saadaan jälleen imuilman ja pakokaasun lämpötiloja laskettua. Kuvaajassa on myös havaittavissa, että turbon ja pakosarjan lämpötilat eivät ole välttämättä olleet tarpeeksi korkeita ja näin vesi/metanolin ruiskutuksesta ei ole ollut hyötyä juurikin vedon alussa jossa on äärimmäisen tärkeää, että turbon lämpötilat olisivat korkeita saavuttaakseen maksimaalisen heräävyyden.

Kuvio 13. Korkeaseosetanoli ja korkeaseosetanoli+vesimetanoli.

 

 

Polttoaine Pako-

lämmöt

Pakosarjan pinta

(% lämmön lasku)

Vesimetanoli Polttoaine Imuilman lämpötila
E98 650 C° 24 C° 22 C° 49 C°
E98+W/M 599 C° 7,8% 25 C° 17 C° 25 C°
E98T 648 C° 18 C° 18 C° 56 C°
E98T+W/M 526 C° 18,8% 18 C° 18 C° 22 C°
RE85 631 C° 18 C° 28 C° 43 C°
RE85+W/M 594 C° 5,9% 20 C° 13 C° 24 C°

Kuvio 14. Lämpötilat.

 

Kuvioon 14 kirjatuissa lämpötiloista voi havaita, kuinka pakokaasun lämpötilat laskivat kaikissa sylintereissä 50°C-100°C ja imuilman lämpöjä 24°C . Ottaen huomioon mittaushetken kylmät olosuhteet ovat vesi/metanoliruiskutuksen hyödyt lämpöjenhallinnassa ällistyttävän hyviä. On kuitenkin selvää, että imuilman lämpötilat ovat kesäolosuhteissa useamman kymmenen astetta korkeampia, kuin mittaushetkellä.

On kuitenkin havaittavissa, että kilpabensiinin sisältämä tolueeni nostaa pakokaasun lämpötiloja huomattavasti auttaen turbon heräämistä. Lämpötilannousut näkyivät hyvin myös silmämääräisesti moottorin pakopuolen osista jotka hohtivat huomattavasti punaisempina, kuin aiemmin. Myös pinnan lämpötilat olivat noin 100°C korkeampia. Tolueenin sisältämä hiili karstoittaa sytytystulppaa sekä palaa pakosarjassa höyrystyneen vesimetanoliseoksen kanssa. Näitä kohonneita pakokaasun lämpötiloja vesi/metanoliruiskutus sai laskettua jälleen huomattavasti. Lämpötilojen laskusta voi suurimmat hyödyt olla ahtimen ja pakopuolen osien lisääntyneenä kestoikänä. Tästä saimme opetuksen testiajoissa joissa saimme yhden inconel-turbiini siiven ahtimesta rikottua liiallisten pyörintänopeuksien ja lämpötilojen seurauksena.

Voimme havaita kuinka kaikilla eri polttoaineilla moottorin vääntömomentti kohosi käytettäessä vesi/metanoliruiskutusta. Kuitenkin turboahdetun moottorin kannalta suurimmat hyödyt näkyivät selkeästi imuilman lämpötilojen romahtaessa välittömästi vesimetanoliruiskutuksen käynnistyessä. Imuilman lämpötilat olivat laskusuunnassa vedon aikana, kun taas ilman ruiskutusta imuilman lämmöt olivat nousu suunnassa. Vesi/metanoliruiskutuksella pystyttiin madaltamaan imuilman lämpötiloja aina, oli kyseessä mikä tahansa polttoaine.

Toteamme että, järjestelmästä tuli varsin toimiva. Järjestelmää on testattu noin tuhat testi ek-kilometriä. Komponenttien kuntoa on tarkkailtu ja minkäänlaisia merkkejä järjestelmän kulumisesta tai väsymisestä ei ollut havaittavissa. Suuttimien, pumpun, kiskojen jne ja moottorin komponenttien korroosiosta ei ole merkkejä. Olemme vakuuttuneita järjestelmän hyödyistä käytännön testeissä ja tämänhetkisten kylmien olosuhteiden takia välttämättä koko hyöty järjestelmästä ei ole päässyt vielä valkenemaan. Vaikkakin on havaittavissa, että järjestelmän hyödyt esiintyvät konkreettisissa testeissä paremmin, kuin dynamometrillä. Tämän auton luonne antilagjärjestelmän ja aikansa turbotekniikan takia on hyvinkin agressiivinen jonka takia on paljon ek-osuuksia joissa ajetaan pitkiä matkoja jarrua vasten momenttipyynnön ollessa täydellä tasolla kokoajan. Järjestelmä pystyy tämän kaltaiset tilanteet hoitamaan erinomaisesti ja käytännön testeissä havaittiin imulämpöjen pysyvän kokoajan alle 20c astetta. Tilanteet, joissa imuilmanlämpö kohoaa korkeaksi, olivat esim AT-asemalla odottaminen ennen lähtökäskyä. Näissäkin tilanteissa oli huomattavaa hyötyä käyttää launch-control toimintoa normaalia pidempään saadakseen ennen lähtöä ruiskutuksen alkamaan hyvissä ajoin ja nostettaessa kytkintä olikin imuilman lämpötilat pudonneet jälleen 20c asteen tietämille ja pakokaasun lämpötilat nousseet optimitasolle. Kulutuksesta mainittakoon, että virallista polttoainetta auto kuluttaa noin 1,4l / km ja  ja vesi/metanoli seosta noin 0,7l/km.

Järjestelmän toiminnan kannalta äärimmäisen tärkeitä seikkoja oli useita, joista manittakoon korkea ruiskutuspaine, imuilma-anturin sijoituspaikka, stabiili ohjainlaite, täydellisesti toimiva lambda kontrolli ja luotettavuus. Jos jokin näistä osa-alueista pettää on järjestelmä hyödytön. Tai siitä on jopa enemmän haittaa, kuin hyötyä. Toimiessaan järjestelmästä on valtavasti hyötyä varsinkin imukuristeisissa turboautoissa. Lisäksi järjestelmä on osoittautunut hyvin huoltovapaaksi. Kaiken tämän jälkeen on vaikea kuvitella markkinoilla olevien yksinkertaisten ruiskutusjärjestelmien toimivan kovinkaan hyvin. Huomasimme järjestelmää kehittäessä, kuinka paljon jouduimme tekemään töitä saadaksemme ruiskutusmäärät, anturien sijainnit, toimintaviiveet ja monet muut lukuisat seikat kohdalleen.

 

 

 

4.5.1.      Mittalaitteet

Alustadynamometri (T A T   Chassis Dyno Rolling Road Inertia Dyno Systems)

pakokaasunlämpötilat (KMS MD35)

Polttoaineen lämpötilat (fluke)

pakosarjan pintalämpötila (fluke)