Nakutus

Nakutuksella voidaan tarkoittaa joko dieselmoottorin ominaiskäyntiääntä tai ottomoottorin epäsuotuisaa nakutusta.

Nakutusta on kahdenlaista: ennenaikaista syttymistä, jossa liekkirintama etenee tasaisesti ja jossa maksimipaine on 10–20 astetta jälkeen yläkuolokohdan, sekä haitallista nakutusta, jolloin tapahtuu ennenaikainen räjähdyksenomainen syttyminen (paineisku). Jälkimmäisestä käytetään toisinaan myös termiä dieselöinti, sillä kyseessä on sama ilmiö kuin dieselmoottorin puristussytytys.

Haitallinen nakutus syntyy, kun liekki syttyy kipinästä, mutta kauempana sytytystulpasta (esimerkiksi palotilan reunalla) tapahtuu itsesyttyminen (paineen ja lämpötilan vaikutuksesta esimerkiksi hehkuvien karstanokareiden aikaansaama syttyminen) ja nämä kaksi paineaaltoa kohtaavat. Ilmiön seurauksena on tehon laskua sekä moottorin termisten ja mekaanisten rasitusten lisääntymistä. Mikäli haitallista nakutusta tapahtuu vain hetkellisesti (esimerkiksi kiihdytyksessä), ei se yleensä ole moottorille vaarallista. Jos nakutusta kuitenkin ilmenee raskaalla kuormalla, on vakavan moottorivaurion vaara ilmeinen.

Nakutuksen syntyyn vaikuttavat käytetty polttoaine, kuormitusaste, moottorin ja imuilman lämpötila sekä palotilan muoto ja puhtaus. Nakutusta voidaan vähentää esimerkiksi kuormitusta vähentämällä, sytytystä myöhäistämällä, korkeaoktaanisemmalla bensiinillä sekä pitämällä palotila karstattomana. Nykymoottoreissa käytetään nakutuksen tunnistinta, jonka tehtävänä on tunnistaa haitallinen nakutus ja säätää sen mukaan muun muassa sytytystä sekä ahtopainetta.

Aikainen sytytys
Aikainen sytytys tarkoittaa seoksen syttymistä ennen sytytystulpan kipinää. Aikaisen sytytyksen ei usein katsota olevan varsinaista nakutusta (detonaatio). Aikaisen sytytyksen voi aiheuttaa paikallinen seoksen ylikuumeneminen, esimerkiksi palotilan sisäisen kuuman kohdan aiheuttamana. Sellaisia kohtia voivat olla esimerkiksi pakoventtiili, metallisärmät, kannen tiivisteen reuna ja sytytystulpan elektrodi. Liekki etenee aaltona, kuten sytytystulpan kipinänkin aiheuttamana, mutta oleellinen ero näillä on syttymishetki, joka kipinän tapauksessa on täsmällisesti määritelty ja aikaisen sytytyksen tapauksessa epätäsmällinen, ennustamaton ja ennenaikainen.

Aikainen sytytys lisää kuumien palokaasujen läsnäoloaikaa männän yläkuolokohdassa, mikä lisää palotilan seinien kuumenemista ja lämpöhäviöitä. Tämä kuumeneminen edelleen siirtää hallitsematonta aikaista sytytystä varhaisemmaksi, mikä pahentaa ilmiötä. Pahimmillaan aikainen sytytys tapahtuu monisylinterisen moottorin yhdessä tai useammassa sylinterissä, jolloin nämä aikaisesta sytytyksestä kärsivät sylinterit alkavat työskennellä huonommin, jarruttaen moottoria, jolloin moottorin loput sylinterit enimmäkseen pyörittävät moottoria, jonka käynti hidastuu ja heikkenee. Kasvanut lämpötila voi vahingoittaa mäntää ja männän renkaita. Kova rasitus voi myös rikkoa kiertokangen. Sytytystulpan tai pakoventtiilin ylikuumeneminen ovat tavallisimpia aikaisen sytytyksen aiheuttajia.

Detonaatio
Detonaatio eli haitallinen nakutus on eri asia kuin aikainen sytytys, vaikkakin aikainen sytytys voi olla yksi detonaation aiheuttaja. Detonaatio tapahtuu joko normaalin kipinäsytytyksen tai aikaisen sytytyksen seurauksena. Sytytyksen aiheuttama palorintama kulkee aiheuttamansa paineaallon jäljessä. Paineaalto itsessään aiheuttaa jo valmiiksi puristuksessa kuumenneessa seoksessa hetkellisen lämpötilan nousun, joka voi aiheuttaa seoksessa spontaanin syttymisen, joka vuorostaan aiheuttaa paineaallon mukana nopeasti etenevän ja seoksen palamisesta vahvistuvan palorintaman. Ilmiön havitsi ensimmäisen kerran Harry Ricardo tutkiessaan vuosien 1914–1918 aikana tapahtuneita lentokoneiden moottoreiden rikkoutumisia.

Mitä aikaisemmassa käynnin vaiheesa nakutus tapahtuu, sitä suuremman energiamäärän se saa palamattomasta polttoaineseoksesta. Niinkin pieni määrä kuin 5 % seoksen määrästä riittää tuottamaan kovan nakutuksen.

Keinoja nakutustaipumuksen torjumiseen
Nakutukseen vaikuttavia tekijöitä
 Polttoaineen valinta. Matala itsesytytyslämpötila, eli alhainen oktaaniluku, edistää nakutusta.
 Puristuspaine. Suurempi paine alentaa itsesyttymislämpötilaa. Nakutus tapahtuu yleensä täydellä kaasulla.
 Moottorin käyntinopeus. Matala käyntinopeus tuottaa vähemmän pyörteilyä seoksen virtauksessa imutahdin aikana ja hitaamman liekkirintaman etenemisnopeuden. 
 Sytytyksen ajoitus. Sytytysennakon lisääminen kasvattaa myös huippupainetta, mikä edistää nakutusta. Eräs tapa ehkäistä detonaatiota on sytytyksen tahallinen viivästys kuormituksen mukaan, jolloin paine yläkuolokohdan jälkeen on jo vähän laskenut ja detonaation vaara poistunut.
 Seoksen vahvuus. Optimaalinen seoksen vahvuus tuottaa korkean paineen ja edistää nakutusta. Rikas seos jäähdyttää moottoria ja ehkäisee nakutusta.
 Puristussuhde. Korkea puristussuhde kasvattaa huippupainetta ja edistää nakutusta.
 Palotilan muotoilu. Huono muotoilu aiheuttaa liekille pitkän etenemisreitin, riittämättömän pyörteilyn ja riittämättömän jäähdytyksen, jotka kaikki edistävät nakutusta.
 Sylinterin jäähdytys. Huono jäähdytys kasvattaa seoksen lämpötilaa ja edistää nakutusta.

Lähteet

Viitteet

Polttomoottorit