Moottoritehon mittaus on tuttu toimenpide varmaan kaikille getarin lukijoille. Useimmiten auto tai moottoripyörä ajetaan rullan tai rullien päälle, jonka päällä kiihdytetään, ja lopuksi kone printtaa ensin laskun ja sitten teholapun. Mutta miten itse tehon mittaus oikeastaan toimii? Otimme selvää.
Artikkeli julkaistu ensikerran GTi-Magazinen numerossa 08 / 2023
Kuvat & Teksti: Jyrki Repo
Tavallisin mittaustapa siis on kiihdyttää mitattavalla laitoksella pyörivien rullien päällä. Joissain dynoissa vetävät pyörät tiputetaan kahden rullan väliin, jossain dynoissa pyörät ovat yhden hyvin suuren rullan päällä, ja jossain on monen monta pientä rullaa. Yhteistä rullien päällä kiihdyttämiselle on se, että teho mitataan siis renkailta.
Nämä kaikki erilaiset rullaratkaisut soveltuvat tehon mittaukseen, kunhan renkaat eivät luista rullien päällä. Väkevästi yleistäen voidaan kuitenkin sanoa, että suuri yksittäinen rulla soveltuu suurien tehojen mittaukseen paremmin kuin pienihalkaisijainen rullapari. Tähän on monta syytä.
Suuritehoinen auto täytyy vetää liinoilla tiukasti rullia vasten. Pienihalkaisijainen rulla painaa renkaan kulutuspinnan epäluonnollisesti mutkalle, jolloin pyörän vierintävastus on moninkertainen ajotilanteeseen verrattuna. Suuri rulla puolestaan painuu renkaaseen hyvin vähän, koska sen pinta on loivemmin kaareva. Tilannetta voi verrata vaikka siihen, että painaa jalalla pesäpalloa tai keilapalloa. Keilapallo tekee kantapäähän paljon loivemman painauman.
Pelkällä inertialla ei voi pitää moottoria kuormitettuna vakiokierroksilla, vaan silloin on käytettävä jarrua.
Kaikissa dynoissa ei ole jarrua
Vaikka yksi tehodynosta käytetty kutsumanimi onkin ”jarru”, ei kaikissa dynoissa ole jarrua lainkaan. Itseasiassa moni dynottelija ei käytä jarrua tehovedoissa, vaikka sellainen olisi käytössä. Tämä on yleistä erityisesti silloin, kun mitataan kohtuullisen matalatehoista moottoria ja käytössä on suuret ja painavat rullat tai yksittäinen suuri rulla. Tällöin rullan oma inertia tuottaa riittävän kuorman, jotta tehoveto vastaa kolmos- tai nelosvaihteen kiihdytystä tiellä. Jarrua käytetään vain rullan hidastamiseen tehovedon jälkeen.
Inertiaan perustuvassa mittauksessa kiihdytetään rullan päällä suurella vaihteella mahdollisimman pieniltä kierroksilta kierrosrajoittimelle saakka. Inertiamittaus onkin yksinkertaisin tapa toteuttaa tehon mittaus. Mittauksessa riittää, että tallennetaan ainoastaan rullan pyörimisnopeus, nopeuden muutos ja moottorin kierrosluku.
Kun rullan hitausmomentti tiedetään, voidaan yksinkertaisella laskutoimituksella pyörimisnopeuden muutoksesta laskea teho eri kierrosnopeuksilla. Ohjainlaitteen asetusten mukaan anturitietojen tarkastus ja niihin liittyvät laskutoimitukset voidaan tehdä karkeasti vain muutaman kerran sekunnissa tai hyvin nopeasti, satoja tai tuhansia kertoja sekunnissa.
Joskus jarru on pakollinen
Joskus moottorin säätö vaatii, että moottoria kuormitetaan vakiokierroksilla. Tämä on lähes välttämätöntä, kun moottorinohjauksen nakutustunnistusta säädetään. Pelkällä inertialla ei kuitenkaan voi pitää moottoria kuormitettuna vakiokierroksilla, vaan silloin on käytettävä jarrua. Jarru ei tehodynon tapauksessa ole samanlainen jarru kuin autoissa tai moottoripyörissä.
Tyypillisin rullien avulla toteutetussa tehodynossa on pyörrevirtajarru, jonka toiminta perustuu sähkömagnetismiin. Tyypillisessä dynon pyörrevirtajarrussa on donitsin muotoiselle kehälle sijoitettu suuria keloja, jotka on asennettu pyörivien jarrulevyjen väliin.
Kun pyörrevirtajarrun keloihin syötetään virtaa, kelojen ytimien ympärille muodostuu magneettikenttä, jonka läpi jarrulevyn kehä kulkee. Magneettikentän läpi kulkevassa metallissa syntyvä pyörivä magneettikenttä suuntautuu siten, että se jarruttaa levyn pyörimisliikettä. Mitä suurempi virta, sitä voimakkaampi magneettikenttä, ja sitä suurempi jarrumomentti.
Toinen yleinen jarrumekanismi on hydraulinen jarru, joka on useimmiten yksinkertainen öljypumppu, johon on liitetty säädettävällä kuristimella varustettu suljettu kierto ja jonkinlainen öljynjäähdytin.
Jarrun ja inertian yhteensovittaminen
Jos rullien inertia ei ole riittävä, täytyy jarrua käyttää inertian apuna myös tehon mittauksessa. Erityisesti suuren litratehon turbomoottorien kohdalla tämä on tärkeää, sillä ahtopaine käyttäytyy eri tavoin suurella kuormalla hitaasti kiihdyttäen kuin pienellä kuormalla nopeasti ryntäyttäen.
Tämän takia jarrulaite on asennettu kehtoon, johon on yhdistetty voima-anturi. Kun jarrua käytetään, voima-anturi kertoo dynon ohjainlaitteelle, kumpaan suuntaan rullan pyörimisnopeus muuttuu. Mitä suuremmalla voimalla rullaa jarrutetaan, sitä suurempi lukema voima-anturilta voidaan lukea.
Jos rullaan kytkettyä jarrua ohjataan siten, että moottorin kierrokset pidetään vakiona, voima-anturilta voidaan lukea toteutuva vääntömomentti reaaliaikaisena. Vääntömomentista ja moottorin kierrosluvusta voidaan puolestaan laskea myös teho. Silloin rullan inertialla ei ole merkitystä, koska rullan pyörimisnopeus ei muutu.
Jos taas dynolla ajetaan tehonmittausveto matalilta kierroksilta rajoittimelle, jarrua käyttäen, dynon ohjainlaitteen täytyy pystyä laskemaan yhteen jarrulta mitatusta voimasta saadun momentin kautta laskettu teho ja rullan sekä jarrun inertioista ja pyörimisnopeuden muutoksista saatava teho. Lauseeksi puettuna kuulostaa monimutkaiselta, mutta on lopulta aika yksinkertainen laskutehtävä.
Napadyno ja moottoridyno
Napadynot ovat yleistyneet markkinoilla viime vuosina, ja koto-Suomeenkin niitä on muutamia hankittu. Napadynon ero rulladynoon on luonnollisesti se, että dyno pultataan suoraan vetävien pyörien renkaiden tilalle, jolloin renkaat ja rullat jäävät yhtälön ulkopuolelle.
Napadynoissa kuormitus tehdään aina jarruttamalla, sillä käytössä ei ole rullia tai vauhtipyörää, jonka hitausmomenttia hyödyntää. Napadynoissa jarru on samaan tapaan hydraulinen tai pyörrevirtajarru kuin rulladynoissakin. Hydraulijarrun tapauksessa teho voidaan laskea hydrauliikan paineesta, virtauksista ja lämmöistä tai voima-anturilla kuten pyörrevirtajarrunkin tapauksessa.
Moottoridyno puolestaan kiinnitetään suoraan moottorin kampiakseliin. Moottoridyno on laboratoriotyökalu, joka soveltuu erityisesti erilaisiin haastaviin kehitys- ja tutkimusprojekteihin tai erityisen haastaviin säätö- ja simulaatioajoihin ja erilaisten apulaitteiden tai vaikkapa imu- tai pakosarjadesignien testailuun.
Moottoridynoissa jarruna on usein eräänlainen vesipumppu, joka on suunniteltu siten, että sen tuottama jarrutusmomentti on suurempi kuin siihen kytketyn moottorin momentti. Vesijarrua säädetään veden virtausta muuttamalla. Kyseessä ei siis ole varsinaisesti pumppu, koska jarrulla ei ole tarkoitus tuottaa painetta.
Moottoridynosssa joko moottori tai jarrulaite on kytketty samalla tavoin saranoituun kehtoon kuin rulladynon jarrukin. Kehto on varustettu voima-anturilla, josta moottorin tuottama vääntömomentti voidaan lukea reaaliaikaisesti ja siitä voidaan kierrosluvun avulla laskea ulos myös teho.
Rulladynojen tapauksessa koneteho on parhaimmillaankin vain arvaus.
Moottoriteho vs. pyöräteho vs. napateho
Suomessa ja yleisesti Euroopassa tykätään piireissä puhua konetehosta. Rulladynojen tapauksessa koneteho on kuitenkin parhaimmillaankin vain arvaus, sillä todellisia voimansiirtohäviöitä ei saada dynolla mitattua.
Monet dynot mittaavat voimansiirtohäviöt tehomittauksen jälkeen, ja tämä näkyy nollan alle sukeltavana viivana tehokäyrän alla mittauksen reaaliaikaisessa tulosteessa.
Alas rullatessa dyno siis mittaa sitä momenttia, jolla auton voimansiirto hidastaa rullia. Lopuksi tämä arvo kerrotaan jollain hattuvakiolla ja se lisätään pyörätehoon. Mittaustulos täytyy kertoa jollain, sillä kaikkien moninaisten voimansiirron osien häviöt ovat hyvin erilaiset vapaasti rullatessa kuin silloin, kun voimalinjasta painetaan läpi vaikkapa 800 Nm suuruinen vääntömomentti.
Napadynojen tapauksessa häviöt ovat selkeämpiä, sillä renkaiden ja rullien välisen kitkapinnan muuttuja puuttuu. Samalla, koska napadynoissa ei ole rullia tai vauhtipyöriä, voimansiirtohäviöiden mittaaminen on vielä enemmän arvailua. Tämä takia napadynoista useimmiten saadaan ulos vain ns. napateho, joka edustaa siis vain sitä teho- ja vääntölukemaa, joka vetävien pyörien navoille voimansiirron läpi välittyy.
Moottoridynossa sen sijaan teho mitataan suoraan kampiakselilta eikä tehohäviöitä ole. Sen takia aidon moottoritehon saa mitattua vain moottoridynolla.
Näiden ratkaisujen lisäksi ajoneuvoteollisuus käyttää nykyään dynojen kuormitukseen sähkömoottoreita, jotka on kytketty generaattoreiksi. Tällä tavalla on toteutettu esimerkisi Valtran Suolahden traktoritehtaan koko testausfasiliteetti. Sähkömoottoreilla toteutettuja dynoja ei juuri ole harraste-, tuninki- tai kilpailukäytössä, ainakaan vielä. Generaattorijarrun etuna on, että syntyvä hukkaenergia voidaan valjastaa suoraan sähkönä hyötykäyttöön. Kaikissa muissa jarruratkaisuissa jarruteho muuttuu hukkalämmöksi.
Korjauskertoimet
Monesti teholapun jossain nurkassa on merkintä DIN, ATMC2 tai SAE ja sen perässä litania kirjaimia ja numeroita. Tämä tarkoittaa mittaukseen sovellettua korjauskerrointa.
Korjauskertoimella pyritään mittaustuloksista saamaan vertailukelpoisia eri mittalaitteiden ja mittaustapahtumien kesken. Korjauskerroin säätää tehoa vallitsevan ilman lämpötilan, paineen ja kosteuden mukaan.
Eri korjauskertoimia ohjaavissa standardeissa mm. imuilman lämpötila huomioidaan eri tavoin, ja tämä aiheuttaa joskus paljon hämmennystä. Joissakin standardeissa imulämpö luetaan dynosalista, toisessa imusarjasta. Sama koskee ilmanpainetta. Korjauskertoimien vaikutus mittaustulokseen on muutamia prosentteja. Niillä kuitenkin voidaan huijata sekä itseä että asiakasta, sillä joissain dynon ohjausohjelmistoissa kaikki korjauskertoimeen vaikuttavat tiedot voi syöttää itse.
Jos imulämpöä säätää vaikka vain parikymmentä astetta, voi teholukema nousta tai laskea monta kymmentä hevosvoimaa. Tarkkana on siis syytä olla.
Muista seurata GTi-Magazinea myös somessa!
- Facebook: https://www.facebook.com/GTiMagazine/
- Instagram: https://www.instagram.com/gtimagazine/
