Motowiki
Ohjattu sivulta 2-tahti
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Kaksitahtimoottori

Kaksitahtimoottorin kierroksessa on työtahti ja huuhteluvaihe. Kaksitahtimoottorin kierros tapahtuu yhden kampiakselin kierroksen aikana eli männän liikkuessa kerran ylös ja kerran alas, nelitahtimoottorissa vastaava aika on kaksi kampiakselin kierrosta. Kaksitahtimoottorissa moottorin voiman antava työtahti esiintyy siis jokaisella kampiakselin kierroksella eikä joka toisella, kuten nelitahtimoottorissa, tämän vuoksi kaksitahti on nelitahtia tehokkaampi. Kaksitahti on myös nelitahtia halvempi moottori ratkaisu ja tämän vuoksi myös aikoinaan käytetty jopa autoissa, esimerkiksi Saabissa. Nykyään päästönormit ovat kiristyneet ja kyseistä moottoriratkaisua käytetään pääasiassa mopoissa ja kevytmoottoripyörissä, myös jonkin verran ylemmässä luokassa kuten 250cc. Kaksitahtimoottorin tunnistaa ulospäin yleensä pienemmästä koosta sekä pakoputkesta jossa on muuta putkea paksumpi kohta, paisuntakammio.

Kaksitahtiperiaate oli toteutettu höyrykoneissa 1801 lähtien. Kaasumoottoreissa sen ensimmäinen kaupallinen toteutus (puristus itse sylinterissä) oli 1881 julkistettu skottilaisen Dougal Clerk`in moottorissa. 1889 nykyään huonosti tunnettu lontoolainen Joseph Day loi tästä edelleen kehitetyn nykyisenmallisen mäntäohjatun kaksitahtisen paikallismoottorin, "Valve-Less Two Stroke Engine":n. Dayn työntekijä Frederick Cock oivalsi lisätä moottoriin huuhtelukanavat, ja tästä 1892 palkitusta parannetusta versiosta on jäljellä kaksi kappaletta, Science Museumissa Lontoossa sekä Deutsches Museumissa Münchenissä. Day ei itse ollut kiinnostunut moottorinsa valmistuksesta vaan patentoi sen 1894 Yhdysvalloissa, missä ainakin Palmers (Connecticut) valmisti niitä suuria määriä eri tarkoituksiin, myös apumoottoriksi polkupyöriin. Moottoripyörien kaksitahtimoottoreiden uranuurtaja oli 1908-1978 Bradfordin (West Yorkshire) esikaupungissa toiminut SCOTT. Sen perustaja Afred Angas Scott oli kuitenkin aloittanut kokeilunsa veljensä kanssa yhteistyössä jo varhain koettuaan Day:n kaksitahtiperiaatteen selvästi nelitahtista Otto-moottoria edukkaammaksi. 1901 Scott asensi ensin veneen perämoottorissa testaamansa kaksitahtimoottorinsa polkupyörärunkoon. Kekseliäät kokeilut ja testaukset jatkuivat kunnes Scott pystyi 1904 patentoimaan luomansa kaksitahtisen kaksisylinterisen vesijäähdytteisen moottorin, mikä edelleen kehitettynä (polkukäynnistys, 2 vaihdetta) esiteltiin julkisuudelle 1908 jolloin myös yritys perustettiin. SCOTT oli niin ylivoimainen samankokoisiin nelitahtipyöriin verrattuna, että sille asetettiin kilpailuissa handicap-kerroin. Menestystä tuli tästä huolimatta: esimerkiksi Isle of Man:in kuuluisassa Tourist Trophy:ssä kierrosennätys 1911, nopein moottoripyörä 1912-14, ja voitot 1912-13, kunnes 1. maailmansota keskeytti kilpailut.

Moottorin kaasunvaihto

Nykyään yleisin on mäntäohjattu kaasunvaihto, eli männän liike paitsi välittyy kiertokangen kautta kampiakselille ajopeliä liikuttavaksi voimaksi myös hoitaa poltetun latingin ulos myös pumppaa kampikammiosta uuden latingin tilalle.

Kaasuttimessa sopivaksi sekoitettu ilman ja polttoaineen seos imeytyy kampikammioon männän liikkuessa ylöspäin eli synnyttäessä alipaineen, samanaikaisesti kuin edeltävä latinki puristuu sytytystä varten palotilassa. Sytytyksen tapahduttua alas liikkuva mäntä aiheuttaa ylipainetta kampikammiossa, jolloin sinne imeytynyt latinki virtaa sylinterin seinämiin jyrsityistä kanavista eli "porteista" palotilaan. Tämä huuhteluvaihe tapahtuu nykyään kääntövirtaus- eli Schnürle-huuhteluna (sen 1928 DKW:n moottoreissa esitellyn tekniikan kehittäjän mukaisesti). Kaksitahtimoottorin mekaniikasta johtuen osa tästä uudesta latingista karkaa pakoaukon kautta pakoputkeen: pakoputken suunnittelulla sijoitettu laipio heijastaa pakopaineaallon takaisin sylinteriä kohti, mikä optimikierroksilla puristaa palamattoman latingin takaisin sylinteriin, eli mahdollisimman tehokkaasti toimiakseen kaksitahtimoottori tarvitsee tämän vastapaineen. Paineaallon ajoituksen tarkentamiseksi eri kierrosalueille sopivaksi on käytetty erilaisia teknisiä ratkaisuja, aikoinaan jopa pakoputken pituutta muuttavilla laitteilla, mutta sarjamoottoreissa hyväksytään lievä hyötysuhdehävikki optimialueen (tehohuipun) molemmin puolin. Tämän ominaispiirteen eli seoshävikin vuoksi kaksitahtinen kuluttaa tarkemmin ohjattua nelitahtimoottoria enemmän polttoainetta, ja tuottaa enemmän saasteita - kiristyvien saastemääräysten vuoksi moottorityyppi on poistumassa kuluttajamarkkinoilta. Kilpamoottorina kaksitahtimoottori sen sijaan on yhä suosiossa, sillä sen vähemmät osat tarkoittavat pienempää sisäistä kitkaa, ja joka kampiakselikierroksella sytyttävä moottori antaa tilavuuteensa ja painoonsa nähden korkeamman tehon sekä väännön.

Mäntäohjatun kaksitahtimoottorin sovittaminen käyttötarkoituksiin tapahtuu eri kanavien (imu/pako sekä huuhtelukanavat) kokoa, muotoa sekä sylinteriseinämissä olevien aukkojen sijoittelua (port map) muuttaen. Männän liikerataan sovitettua ajoitusta voi toki muuttaa myös esimerkiksi männän itsensä muotoilulla, säädettävällä pakoaukolla ja pakoputken vastapaineaallon ajoitusta muuttamalla. Imupuolella ohjauksessa käytetään yleisesti läppäventtiilejä, ja imuilmamassan liike-energian säilyttämiseksi se johdetaan Yamahan keksimään resonanssikammioon (YEIS), "keuhkoihin". Varakkaista japanilaisista suuryhtiöistä juuri Yamaha on 1970-luvulta lähtien ollut johtava teknisten ratkaisujen kehittäjä, kun niin Kawasaki kuin Suzuki luopuivat suurimittaisesta kaksitahtisten moottoripyörien valmistuksesta jo 1970-luvun puolenvälin jälkeen. Aiheesta löytyy laaja kirjallisuustarjonta.

Muitakin tapoja hallita kaksitahtimoottorin kaasunvaihtoa tarkemmin on käytetty (ao. esittely käsittelee vain mp-kaksitahtisissa yleisimpiä ratkaisuja).

Pääasiassa kilpakäytössä yksisylinteriset kaksitahtimoottorit voivat olla luistiohjattuja. Tällöin kaasutin sijaitsee kampikammion kyljessä kampiakselin vieressä, ja akseliin on kiinnitetty luistikiekko minkä kautta tuore latinki kulkee. Luistikiekossa on oikean ajoituksen määrittelevä aukko tai sektori, ja sektoria (astelukuja) muuttelemalla moottorin luonnetta voidaan sovittaa esimerkiksi kilparatakohtaisesti. Rakenne on mäntäohjausta monimutkaisempi eli kalliimpi, sen ehdottoman tiiviyden turvaaminen vaatii enemmän vaivaa, moottorista tulee leveämpi ja luistikiekko on altis erinäisille rikoille (esimerkiksi väsyminen, kuluminen, kiinni leikkaaminen). Kuluttajakäyttöön tarkoitetuissa pyörissä luistiohjaus on siksi aika harvinainen, ja suurista valmistajista lähinnä Kawasaki on käyttänyt sitä pitkään. Luistiohjatut monisylinterimoottorit (lähinnä twinit eli 2-sylinterimallit) ovat harvinaisia sarjatuotantomoottoreissa, mutta ainakin Kawasakilla (esimerkiksi A1 Samurai 250 sekä A7 Avenger 350) ja Bridgestonella niitä on ollut. Luisti voi olla myös mm. Vespassa käytettyä tynnyrimallia.

Nykyään jo kokonaan kadonnut kaasunvaihdon ratkaisu on kaksoismäntä. Tällöin varsinaisen työsylinterin kupeessa on apusylinteri, ja näiden männät yhdistetty työsylinterin kiertokankeen liitetyllä apukiertokangella. Latinki kulkeutuu tässä rakenteessa apumännän ohjaamana, ja sen ajoitus valitaan geometrian avulla halutunlaiseksi. Rakenteen monimutkaisuuden eli kalleuden vastapainoksi apumäntä sallii kaasunvaihdon täsmällisemmän ohjauksen ja ajoituksen, hukkaseosta syntyy vähemmän, ja työsylinteriä voi kanavien sijoittelulla ahtaa, ts. puristaa latinki sinne paineistettuna lisätehon saavuttamiseksi. Rakenteen esitteli 1913 italialainen Alberto Garelli, ja sitä käytettiin aina vuoden 1970 PUCH 250 SGS-malliin asti. Kaksoismännän suosio laantui vasta 1960-luvulle tultaessa, kun itäsaksalaiset Ernst Degner ja Walter Kaaden olivat loikanneet DDR:stä 1961, ja siirtyneet kaksitahtimoottorin kaasunvaihdon syvällisine uusine tietoine SUZUKI:n kilpaosastolle moottorisuunnittelijoiksi. Degnerin ja Kaadenin konstruktioilla (muun muassa MZ:ssä ensi kertaa toteutettu paisuntakammio eli "paisari") sama hyöty kuin kaksoismäntämoottoreissa oli saavutettavissa paljon yksinkertaisemmin keinoin.

Myös polttoaineen suoraruiskutusta on kokeiltu kaksitahtimoottorissa 1930-luvun lopulta lähtien BOSCH:in mekaanisena toteutuksena DKW Meisterklasse-autoissa. Sen kehittely keskeytyi toisen maailmansodan takia, vaikka tarkka polttoaineen annostelu toi 30% kulutussäästön. Elektronisesti ohjatun matalapaine-suoraruiskutuksen kehitti australialainen Orbital Engine Corporation, ja se on käytössä mm. eräissä Piaggion, Peugeotin ja Kymcon malleissa. Jatkokehitetty matalapaine-suoraruiskutus OMC-periaatteella on tarjolla EnviroFit-jälkiasennussarjana Aasiassa, missä ilmansaasteista on tullut mittava ongelma suurissa asutuskeskuksissa. Korkeapaine-suoraruiskutuksen taas kehitteli saksalainen Ficht GmbH 1990-luvun alussa, ja OMC-perämoottorivalmistaja lisensoi sen 1995. Tätä korkeapaineperiaatetta kehitteli OMC:n sittemmin ostanut Evinrude, ja se sai kehitykselleen patentin Yhdysvalloissa vuonna 2003. Moottoripyörissä sarjatuotantoon pääsi italialainen BIMOTA:n 500-kuutioinen V-Due:ssa (kaksitahti-V2:lla varustettu harvinainen urheilupyörä). Tässä tapauksessa käytetty korkeapainetekniikka oli vielä keskeneräinen, runsaiden lastentautien vuoksi tuotanto päättyi muutaman sadan kappaleen jälkeen, ja V-Due:n loppusarja palasi mäntäohjaukseen missä vain kaasuttimet oli korvattu polttoaineruiskutuksella.

Voitelu

Seosvoitelu

Voitelu hoidetaan yksinkertaisimmin erillaisilla polttoaineen sekaan lisätyillä öljyillä. Öljyn ja polttoaineen suhde ei ole vaihdeltavissa vaan öljyosuuden on tankatessa oltava riittävä jotta seos vähentää riittävästi kitkaa moottorin liikkuvien osien välillä. Öljyn suhde bensiinin on yleensä 2-3%. Ennen muinoin huoltoasemilta sai suoraan pumpusta valmiiksi sekoitettua seosbensiiniä (suhde 1:25 eli "neliprosenttista"), nykyään seokset on sekoitettava itse. Seosvoitelu on tuorevoitelua luotettavampi.

Kaasuttimelta moottorin kampikammioon kulkeva seos voitelee matkansa varrella niin kampiakselin kuin kiertokangenkin laakereita, ja viimein sylinterin pintaakin ns. "tuurivoitelulla", eli osiin tarttuvat öljyroiskeet varmistavat niiden voitelukalvon. Tämä tuurivoitelu on sikäli kiusallinen, että joissain virhetilanteissa (kaasutinhäiriö, ilmavuoto) voideltavien osien lämpötila voi nousta liian korkeaksi: öljykalvo voi silloin revetä, metalli joutua metallia vasten, ja näin tapahduttua ilman voitelua jäänyt kone "leikkaa" kiinni pienellä aikavälillä. Tuurivoitelun seurauksena kaksitahtinen kuluu nelitahtimoottoria nopeammin, eli männän joutuu vaihtamaan selvästi useammin ja myös kampiakselin laakerit on syytä uusia ajoittain (yleensä joka toinen männänvaihto).

Kaksitahtimoottorissa osiin tarttumatta jäänyt ylimääräinen öljy palaa bensan mukana pois, ja se muodostaa karstaa paitsi palotilaan myös pakoputkeen - tämä karsta kaipaa ajoittaista poistamista. Öljy myös aiheuttaa merkittävää savuttamista. Näiden haittojen takia seossuhteessa pyritään niin pieneen öljymäärään kuin voitelun kannalta on mahdollista. Kaksitahtimoottorissa saa käyttää vain kyseiselle moottorityypille tarkoitettua öljyä mikä eroaa selvästi tavanomaisesta moottoriöljystä. Etenkin kilpamoottoreissa se on usein risiiniöljyyn pohjautuvaa, eli makeahko tuoksu on hyvin omalaatuinen.

Tuorevoitelu

Seosvoitelussa öljyn osuus joudutaan riittävän voitelun varmistamiseksi pitämään korkeampana kuin moottori käyttötilanteeseensa nähden tarvitsisi. Bensan ja öljyn sekoittaminen joka tankkauskerralla on myös ylimääräinen työvaihe, ja erinäisille vahingoille altis. Tuorevoitelun ensimmäisiä toteutuksia nähtiin saksalaisissa GOLIATH- ja GUTBROD-autoissa 1950-luvun alussa, mutta tuorevoitelu oli yhdistetty mekaaniseen polttoaineruiskutukseen mikä tuotti paljon ongelmia: valmistajat siirtyivät pian nelitahtimoottoreihin, minkä vuoksi tuorevoitelujärjestelmien jatkokehittelystä luovuttiin. Pääasiassa tai pelkästään kaksitahtimoottoreihin keskittyneet japanilaisvalmistajat alkoivat jo 1960-luvun alussa miettiä Yhdysvaltain suuria mp-markkinoita ajatellen, miten öljyseosongelma olisi ratkaistavissa käyttäjän kannalta mahdollisimman helpoksi. Näin ne päätyivät saksalaismallin mukaisesti bensiinin ja öljyn erottamiseen kummatkin omaan säiliöönsä (siis "tuoretta" öljyä sille tarkoitetussa säiliössä, mistä nimi tekniikalle), ja niiden sekoittamiseen vasta moottorissa. Yamaha oli edelläkävijä, ja esitteli AUTOLUBE-järjestelmänsä 1964 mallissaan YDS-3 (250-kuutioinen twini). Autolubessa tuorevoiteluöljy kulki säiliöstä kaasuvaijeriin kytketyn pumpun kautta suuttimiin imukaulassa, missä se sekoittui ilma/bensa-seoksen joukkoon. Suzuki esitteli oman vastaavansa 1965 kilpailevassa mallissa T20/X-6 "Hustler" CCI-nimisenä, mutta Yamahan ratkaisusta sikäli parannettuna että kampiakselin laakereille oli erilliset öljykanavat imukurkkusuurinten lisäksi. Kawasaki taas esitteli Suzukin järjestelmän kaltaisen INJECTOLUBE:n vuoden 1967 malleissaan A1 Samurai ja A7 Avenger. Vastaavat järjestelmät otettiin sittemmin käyttöön monien muidenkin valmistajien kaksitahtimoottoreissa.

Tuorevoitelun eduiksi mainittakoon helppokäyttöisyys, eli tuorevoitelusäiliö kestää usein noin 1.000km ajomatkan ennen täydennystarvetta, kun taas bensan voi tankata seossuhteita aprikoimatta suoraan mittarilta. Kehittyneemmissä järjestelmissä suorasyöttö kampiakselin laakereihin varmisti niiden voitelun tuurimenetelmää paremmin, ja annostelu vaihteli tarkemmin moottorin todellisen öljytarpeen mukaan - paremman voitelun lisäksi savutus väheni huomattavasti. Järjestelmän heikkouksia taas olivat sen mahdolliset toimintahäiriöt tai käyttövirheet, mitkä voitelun loputtua johtivat väistämättä moottoririkkoon. Korkeaviritteisissä moottoreissa taas pumpun toimintalogiikka eli öljysyötön määrä voi joissain käyttötilanteissa olla riittämätön mikäli ohjaus tapahtuu kaavamaisesti kaasun asentoa seuraillen - joissain malleissa kuten Yamahan RD500:ssa (V4-raaseri) pumpun ohjauksessa huomioitiinkin YPVS-pakoaukonsäätimen asento. Kilpamoottoreissa (vaikkapa karting) on riittävän ja luotettavan voitelun varmistamiseksi pysytty vanhanaikaisessa seosvoitelussa.

Katso myös