Tässä artikkelissa tarkastellaan seosmittarin asennusta 8-sylinteriseen tähtäimenä kaasuttimen säädön helpotus. Tähän tarkoitukseen konfiguraatioksi valittiin kumpaankin pakosarjaan 4- johtiminen (lämmitettävä) narrow-band lambda-anturi ja niihin kumpaankin LED- näytölliset mittarit. Tällä säätää kaasutinkoneen jo hyvin.

Yleistä

Seosmittarin asennuksella haettiin tieteellistä evidenssiä moottorin kulloisenkiin käyntitilaan eri käyttöalueilla; kaasuttimen säätämiseksi optimiin on tarpeellista tietää, käykö moottori rikkaalla, vaiko kenties laihalla. Liian rikas seos näkyy ainakin polttoaineenkulutuksen nousuna ja koneen laiskuutena, mutta liian laiha seos on sen sijaan jo huonompi juttu; pahimmillaan sillä saa männät sulatettua... Kannattaa siis kiinnittää huomiota kaasuttimen säätöihin aika ajoin. Toki autoharrastaja haluaa myöskin hyödyntää ajoneuvonsa kaiken tehon, vaikkei sitä joka päivä esittelekään :-)

Polttoaineen ja ilman seosta (A/F mixture, A/F ratio, seossuhde) mitataan happianturilla (O₂-anturi, lambda-anturilla), joka muuntaa pakokaasujen happipitoisuuden jännitesignaaliksi välillä noin 0 -1 V (1000 mV). Mitä suurempi jännite, sitä rikkaampi seos ja parhaan palamisen seossuhde, ns. stokiometrinen seossuhde jolloin kaikki polttoaine ja happi palaa prosessissa, saavutetaan arvolla 14.7:1, jolloin anturi näyttää n. 450 mV alla olevan kuvan käyrän mukaisesti:

Kysessä on ns. kapeakaista-anturin ominaiskäyrä, on saatavana myös laajakaistaisia antureita, joita emme käsittele tässä. Kuten kuvasta näkyy, käyrä on erittäin jyrkkä optimiseossuhteen ympäristössä, joten ilman tietokoneistettua polttoainesäätöä on turha yrittääkään saada seossuhde aivan optimiin. Tarkoituksenamme on kuitenkin saada 4-tahtikoneen kaasutin säätöihin, mihin anturin antama tieto kuitenkin hyvin käy etenkin yhdessä imusarjan alipainemittauksen kanssa, kaasutinmoottoriahan on mahdotonta aivan optimiseossuhteella saada käymäänkään. Oleellista onkin, ettei kaasutinkone karkaa missään käyttötilanteessa liian rikkaalle ja etenkään laihalle. Kun pelataan rikkailla suhteilla missä ylimääräistä happea ei juurikaan ole, anturi alkaakin toimia lähinnä lämpömittarina.

Kuvan käyrä vaihtelee jonkin verran anturin lämpötilan funktiona; käyrä ikään kuin "litistyy" lämpötilan noustessa, eli alle 14.7:1 seossuhteella käyrän vaakasuoralla osuudella jännitearvot alenevat jonkin verran, kun taas 14.7:1 suhteen jälkeen vaakaosuudella arvot nousevat. Käytössä lämpötilan onkin annettava nousta toiminta-alueelleen ennen mittauksia. Itse asiassa monissa "uudemmissa" autoissa kylmällä koneella lambda-anturin tietoa ei edes käytetä, vaan ruiskun yms. säätö toteutetaan muiden antureiden ja ohjelmoitujen karttojen avulla, minkä huomaakin aika karkeasta käynnistä kylmänä.

Kuvasta huomaa myös selvästi, että optimiseossuhteen ympäristössä käyrän jyrkkyydesta johtuen jännitesignaali heittelee rajusti puolelta toiselle, mikä antaakin hyvän indikaattorin siitä ollaanko laihan vai rikkaan puolella ja sitähän tässä haetaankin. Huonona puolena on tietenkin, että mittaus on tarkka ainoastaan tässä optimisuhteen ympäristössä ja muualla sitten taas ei, mutta kuten sanottu, kaasutinkoneiden säätöön jo pelkästään rikas/laiha tietokin riittää.

Mihin sitten seossuhteen ja sitä kautta anturin jännite/ mittarin näyttämä tulisi saada ? Alla karkeata nyrkkituntumaa:

Nämä pätevät yleisimpiin moottoriratkaisuihin. Yleisenä periaatteena tulisi pysyä 12.0:1 ja 16.0:1 välillä. Seuraavassa kuitenkin huomioita eri käyttötilanteista:

• Kylmässä koneessa polttoaine ei höyrysty hyvin, joten seossuhdetta tulee rikastaa, esim 4:1. Tätä varten kaasuttimessa on "ryyppy", jolla rajoitetaan itse asiassa ilmanottoa. Vaarana koneen "hukkuminen". Koneen lämmitessä rikastusta pienennettävä.

• Tyhjäkäynnin seossuhde on paljolti riippuvainen käytetystä nokasta. Pitkä duraatio ja iso overlap johtaa sylinteritäytöksessä olevien pakokaasujen lisääntymiseen. Tälläinen seos palaa hitaasti, vaatii paljon ennakkoa ja palotapahtuma muodostuu epäsäännölliseksi. Mitä jyrkempi nokka, sitä rikkaampi seos tarvitaan. Vakiomoottori toiminee ideaalisella 14.7:1 -seoksella jos vähäpäästöisyyttä tavoitellaan, mutta jyrkät race -nokat saattavat vaatia 11.5:1 ja ylikin.

• Kevyellä kaasulla seossuhde alkaa tyhjäkäyntiseokselle säädetystä ja kaasun lisääntyessä voi alkaa menemään laihalle päin. Edelleen nokka määrittää paljon tarvittavaa seosta. Seossuhteet 12.5:1 - 13.0:1 ovat tavallisia ainakin kaasun alkupäässä. Hyvin miedolla nokalla jopa 14.0:1 - 15.0:1.

• Pienillä nopeuksilla/ kuormituksella nokan duraation ja overlapin vaikutus seoksen tasaisuuteen alkaa vähenemään, joten seosta voidaan laihentaa 14.0:1 - 15.5:1. Kovemmissa katumoottoreissa paras taloudellisuus löytyy suunnilleen väliltä 15.5:1 - 16.5:1, mutta vaatii lisää ennakkoa laihan seoksen hitaan palamisen johdosta.

• Kova kuormitus osakaasulla johtaa seoksen lisärikastustarpeeseen tarvittavan tehon saavuttamiseksi. Seossuhde tulisi olla jossain matka-ajon ja täysikaasuajon välimaastossa, yleensä luokassa 14.5:1 - 13.0:1 riippuen kuormasta ja vauhdista.

• Täysikaasulla pyritään saavittamaan maksimi teho/ vääntö ja ylläolevan taulokonkin mukaisesti laihin seos, jolla tämä löytyy, on 13.3:1 nurkilla. Rikkain taas 11.5:1. Tähtäimeksi kannattaa ottaa 12.0:1 - 12.5:1, jonka pitäisi toimia kaikissa olosuhteissa.

Pelkästään anturin asennusta varten pakosarjaa ei todennäköisesti kannata irrottaa, mikäli sen paikallaan saa hoidettua, joskin irrallisena asennus varmasti on helpointa. Koska sarjat olivat artikkelia kirjoitettaessa muutenkin irti, asennus tehdään luonnollisesti tässä samalla, samoin sarjat uudelleenmaalataan ulkonäkösyistä.

Pakosarja puhalluskaapissa

Pakosarjat olivat aika hyvässä kunnossa entuudestaan, eikä maalikaan järin huono ollut, mutta kun projektissa oli tarkoitus tehdä hyvää, eikä melkein hyvää jälkeä, sarjat maalataan luonnollisesti uudelleen. Lambda-antureiden asennuksen jäljiltä ne kuitenkin olisi ainakin korjausmaalattava. Homma alkoi kuulapuhaltamalla pakosarjat puhtaiksi vanhasta maalista ja muusta kertyneestä ylimääräisestä tavarasta. Kuvassa osittain puhallettu sarja kuvattuna kuulapuhalluskaapin työskentelyikkunan läpi....

 

 

 

Pakosarjat puhallettu

... ja lopputuloksena sarjat lattialla puhtaina odottelemassa jatkotoimenpiteitä.

Tässä kannattaa muistaa, että sarjat olosuhteista johtuen korrodoituvat ja ohenevat ajan kuluessa, joten minkäänlainen ylimääräinen aineenpoisto ei ole toivottua, ainakaan jos sarjat ovat vanhat, mutta aiotaan kuitenkin asentaa jälleen takaisin. Siksi laskuulapuhallus pienellä kuulakoolla on melko ihanteellinen ratkaisu; se irrottaa kaiken lian, mutta on silti erittäin hellävarainen eikä poista perusainetta. Ronskimmilla aineilla, kuten hiekalla, puhaltamista kannattaa välttää. Ennen pakosarjojen puhallusta kannattaa tietenkin arvioida niiden kunto; turha puhaltaa jo muutenkin rikkiruostuneita sarjoja. Kun puhalluksen jälkeen sarjat ovat puhtaina, kannattaa niihin jälleen luoda kriittinen silmäys ja tutkia, onko puhdistaminen paljastunut vaurioita, joita ennemmin ei ollut havaittavissa. Myös laippojen kunto on syytä tutkia. Jos vaurioita löytyy, arvioidaan tapauskohtaisesti, miten ne korjataan, vai joudutaanko peräti uusien sarjojen hankintaan. Tässä tapauksessa sarjat olivat erittäin hyvässä kunnossa, ruostetta ei juuri ollut, pakosarjoissa yleisiä lommojakaan ei juuri ollut ja laipat näyttivät olevan ehjät ja kohtuullisen suorat. Laippojen hitsauksisiin on saattanut jäädä purseita, knöölejä yms. toivomisen varaa, joten ne kannattaa "portata" tässä vaiheessa siloisiksi.

 

 

Seosanturin natsat

Anturit kiinnitetään pakosarjoihin kuvan mukaisilla "natsoilla", joita saanee valmiinakin, mutta tässä tapauksessa ne tehtiin kaverin toimesta sorvilla. Kierre antureissa on lähes kaikissa sama kuin normaalissa sytytystulpassa, tosin tuota pienempääkin mallia saa. Natsoja varten putkiin tehdään reiät, joihin ne hitsataan huolellisesti kiinni.

 

 

Seosanturin natsa hitsattu

8-koneessa vaihtoehtona on laittaa anturi joka molempiin tai vain toisen puolen pakosarjoihin. Toki sen voi laittaa  vaikka joka sylinterille, mutta normaalikäytössä tästä ei ole mitään perusteltua hyötyä, ainakaan jos kustannukset ottaa huomioon. Yhden pakosarjan anturointi on usein riittävä, mutta itse laitoin kummallekin puolelle. Näkeepä sitten vähän kummankin sylinterilohkon käyttäytymistä. Anturi tulee sijoittaa mahdolllisen kuumaan paikkaan. Siis mitä lähemmäs konetta, sen parempi. Toisaalta normaalissa pakosarjassa eri sylintereiden pakokaasuvirrat yhtyvät vasta kollektorissa, joten (kuten yleensä) haluttaessa mitata koko "puolikkaan" seossuhdetta, anturi sijoitetaan siihen. Missä asennossa anturi on, ei liene kovin merkityksellistä sinänsä, joka tapauksessa paikka kannattaa etenkin sarjojen ollessa irrallaan miettiä sikäli tarkasti, että anturit tosiaankin mahtuvat suunnitellussa paikassa olemaan. Itse asensin ne kuvanmukaisella tavalla, eli kollektoriin siten, että anturi tulee vaakatasoon osoittaen konehuoneesta ulospäin. Tilaa on riittävästi, eikä anturin johdot lähde suoraan tulikuuman sarjan yläpuolelta. Hitsaus on tehtävä huolellisesti; liitos ei saa vuotaa yhtään ilmaa, mikä pätee myös anturinatsan vieressä näkyvälle laippaliitokselle. Jos järjestelmään pääsee ilmaa, anturi näyttää mitä sattuu.

 

Pakosarja maalattuna

Kun natsa on hitsattu paikalleen, kuulapuhalsin sen, pesin putkista liat päältä tinnerillä ja lopuksi maalasin sarjat kahteen kertaan Dinitrolin kuumakestomaalilla, jonka luvataan kestävän jopa 800 C. Riittävästi turbottomalle koneelle...

 

Ulkonäöstä tuli kohtuullisen siisti.

 

 

Pakosarjalaippa tiivisteineen

Seuraavassa vaiheessa kiinnitin sarjat paikalleen. Tiivistäminen on muutenkin luonnollisesti oleellista ja vielä oleellisempaa se on lambda-anturia käytettäessä; happivuodot sekoittavat lukemat. Tätä(kin) varten asensin peltisarjojen laippojen alle uudet FelPron 4V-kansille tehdyt pakotiivisteet. Myös imusarjan tiivistin aikanaan ns. RTV-silikonilla, joka ei sisällä lambda-anturin toimintaa häiritseviä aineita kuten tavalliset massat tekevät.

 

 

 

Lambda-anturi kiinnitetty

Sitten vain lambda-anturit paikkaansa kuparitahnaa käyttäen kiinni. Olin jo natsoja paikalleen suunnitellessa päättänyt asemoida anturit osoittamaan suoraan kollektorista sivulle, koska mittausten mukaan siellä näyttäisi olevan hyvin tilaa kummallakin puolella.

 

 

JATKUU JA TARKENTUU ASENNUKSEN EDETESSÄ :-)...

Mittareita joilla anturin signaalia tulkitaan, saa monena versiona. Tarkka talousmies, joka ei ylimääräisiä mittareita välitä ostella eikä teknohippien LED-hässäköistä välitä, mittaileekin säätötarkoituksiinsa signaalin yleismittarilla. On myös täysin mahdollista hommata/vuokrata/lainata tarkoitusta varten tehty käsimittalaite joka kytketään anturiin vain mittausten ajaksi. Tämä ei itse asiassa ole tavallisesta yleismittarikäytöstä kaukana. Kaupallisia mittareita ja näyttöjä oikealla palstalla. Itse ajattelin kuitenkin jonkinlaiset LED-näytöt rakentaa, joskin kytkimen kanssa tarvittaessa päällelaitettavat.

Vaihtoehtoja tuohon omaan mittarirakenteeseen on, mutta ajattelin lähteä liikkeelle mittarista, jossa kummankin puolen sylinteriryhmät näkyisivät alekkain/ vierekkäin esim. 20 LEDin näytöllä/ puoli. Vähempikin LED-määrä saattaisi olla hyvin riittävä. Lisäksi joissakin markkinoilla jo olevissa laitteissa on mahdollisuus säätää 20 LEDisen näytön kumpikin 10 LEDin puolisko erikseen siten, että kummallekin määritetään ylä- ja alarajat ja LEDit syttyvät tällä alueella 1/10 alueen inkremetin välein.

Itse mittarihan on periaatteessa muunnin, jolla tuo lambda-anturin jännitesignaali muunnetaan sopivin portain syttyviksi LED-valoiksi. Tähän tarkoitukseen sopii hyvin Dot/Bar display driver LM3914. Kun halusin 2-kanavaisen ja 20 LEDiä per puoli, tarvitaan niitä 4 kpl + tarvittavat oheiskomponentit. Kuvassa suunnittelemani versio aiheesta. Klikkaamalla suuremmaksi.

Laitehan on hyvin yksinkertainen, periaatteessa siitä löytyy vasemmalla ylhäällä oleva regulaattori suodatinkondensaattoreineen ruokkimassa LED-pattereita ja kaskadiin kytkettyjä drivereitä, joita on siis 2 paria, pari per kanava. Drivereiden edessä on tarvittavat säätötrimmerit referenssitasojen asettelua varten.

Koska käytän drivereitä Dot-moodissa, riittää yksi 7805 regu ruokkimaan hyvin koko piirin LEDeineen kaikkineen. Koska regu syöttää 500 mA, riittäisi se varmaan Bar-moodiajoonkin. Muuten tässä ei mitään erinomaisen merkillistä huomioitavaa ole, regu tosin kannattaa ottaa TO-220 -paketoituna ja huomioida tarvittava jäähdytystarve, joka sekään ei suuri ole.

En aikonut tälle mitään omaa piirilevyä alkaa suunnittelemaan, vaan kytken hässäkät protolevyyn, LEDit puolestaan sijoittelen aikanaan sopivaan paneeliin, joka taas riippuu sitten tuosta auton sisustusvaiheesta... Tosin LEDien johdot kannattaa pitää mahdollisimman lyhyinä häiriöiden välttämiseksi.

Miten nuo komponentit määräytyvät, selviää LM3914 datasheetista. Sitä tutkimalla aiheesta voi kukin tehdä omat variaationsa.