 |
Bilden överst till vänster visar insugningskanalens olika zoner. A är förträngningen under ventilsätet som vanligtvis ligger mellan 85 och 92% av ventildiametern beroende på ventillyft och sätesvinkel. B är grytan där hastigheten minskar genom att arean ökar från kanalens trängsta punkt ut till ventilsätet. C är kanalens svänghjul, höghastighetszonen vars energi driver flödet efter nedre dödpunkten till insugningsventilen stänger. Det finns toppar vars minsta area hamnar i förträngningen under ventilsätet, tex. hos NHRA och IHRA Prostock motorer. D konar till zon E. E är där gasspjället eller förgasaren sitter. Tillräckligt stor för att minska flödesförlusten men inte för stor för att ge dålig venturisignal med förgasare. I änden på E sitter insugningstratten. På en högeffekts motor brukar trattens area precis innan den konar upp vara lika stor eller större än insugningsventilens mantelyta vid max lyft. ((Ventildiametern x lyftet.) Roten ur summan och sen x 2 så har du trattdiametern.) Insugningskanalens totala längd beror på vilket varvtal kanalen skall tuna på. En lång kanal tunar på ett lägre varvtal än en kort kanal. Om man har två kanaler med samma längd och den ena har paralella väggar och den andra konar upp mot tratten så tunar den konade kanalen på ett högre varvtal. Det finns ett bra dataprogram för att beräkna kanalareor och längder, Pipemax. Pipemax köper du hos: maxracesoftware.com |
 |
 |
 |
När man ska tillverka ett insug så behöver man beräkna längden och arean på kanalen. För att beräkna insugslängden vid olika reflektionspulser kan man använda formeln nedan. En sådan här beräkning ger en grund som man måste finjustera i bromsbänk för att få ut max effekt. En beräkning är dock mycket bättre än en gissning. Innan man börjar räkna måste man bestämma sitt varvtalsregister. En offroad bil tex. har helt andra krav än en dragracing bil. Ett avstämt insug ger en tryckökning vid insugsventilen vid ett bestämt varvtal men även en tryckminskning vid andra varvtal. Man kan inte ha sin kaka och äta den också. Jag har beslutat att använda formler från Gordon P.Blairs bok "Design and simulation of four-stroke engines". Formlerna blir enklare med färre variabler. Dessutom har han formler för trycksvackorna mellan trycktopparna så att det är lätt att beräkna på vilket varv avgassystemet ska stämmas av. Genom att analysera ett flertal högprestanda motorers insugningssystem och sen ställa upp ett matematiskt samband mellan dem så har professor Blair beräknat en dimensionslös insugningspulsfaktor. Vill ni läsa om den exakta matematiken bakom finns boken att köpa hos SAE. |
 |
 |
 |
 |
| Den optimala insugningslängden beräknas med formeln:
Insugningspulsfaktorerna för andra, tredje, fjärde och femte pulsen är: 8900, 6600, 5150 och 4150. |
| Motorerna som Gordon P.Blair har beräknat ovanstående konstanter ur är motorer med ganska breda effektregister. En dragracing motor däremot är väldigt extrem och har oftast ett effektregister på mindre än 2500 RPM. Kamaxeln har mera duration och insuget konar mera extremt. Det är möjligt att göra en egen konstant från en motor man har tillgång till måtten på med lite enkel matematik. Måtten jag använder här är från en Prostock motor. Insugets totallängd är 10.646" = 270.4mm och varvtalet för max effekt är 9450 RPM. Om jag använder samma temperatur som i formlerna ovan så ser uträkningen ut så här: 346.4 x K / 9450 = 270.4 Vilket blir 270.4 x 9450 / 346.4 = K. K = 7376.9. På så här vis har jag fått en ny tredje puls konstant som passar bättre till dragracingmotorer. Har man en bra känd motor att mäta på så kan man göra likadant med både insug och avgas. |
När det gäller till vilken puls man ska stämma av insuget får man ta hänsyn till flera faktorer, en av dem är plats. Om man har väldigt mycket insugningsduration och gott om plats kan andra pulsen vara bäst. Motorer med mindre insugsduration fungerar bäst på tredje pulsen och förlorar effekt om man använder andra pulsen. De flesta högeffektsmotorer använder tredje pulsen. En V8 med en fyrportsförgasare använder fjärde pulsen. Jag tror att insugets längd har med vilken puls man ska använda att göra. Med för långt insug så får man ett litet gradtal på insugets uppkoning mot plenumet och förlorar då koningens gynnsamma effekt på gasväxlingen. En motor som varvar under 10 000 RPM ska definitivt inte använda en puls lägre än den tredje. En fördel med att stämma av insuget till en högre puls är att varvtalsområdet mellan pulserna minskar och man utnyttjar flera pulser i det effektiva vartalsområdet men pulsernas effekt avtar för var reflektion. En kortare kanal ger dessutom väsentligt lägre friktionsförluster. Ljudhastigheten i gaser ges av sambandet v = roten ur (1/(roh x K)), där roh är dess täthet och K dess kompressibilitet. Nu visar det sig att tätheten ökar och K minskar med ökande tryck på ett sådant sätt att effekterna tar ut varandra. Ljudhastigheten är alltså inte tryckberoende, men ökar däremot när temperaturen ökar. Detta gäller exakt för en ideal gas, och tämligen väl för luft av atmosfärstryck eller lägre. Man använder alltså samma formel till överladdade motorer som till atmosfäriska motorer. Bränsledimman i insugningskanalen ökar ljudhastigheten så det har betydelse för insugets längd var spridarna sitter eller om man har förgasare. Här är en länk till en ljudhastighets kalkylator: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu |
  |
Dessa bilder från en CFD beräkning visar vad som händer med insugsreflektionen vid tre olika kanalutföranden. Den skarpa kanten och den enkla radien på bilderna till vänster förlorar en massa energi vid reflektionen. Den eliptiska tratten till höger förlorar minimalt med energi och reflektionen blir starkare. |  |
| Även om CFD beräkningen visar att en eliptisk tratt skulle vara bäst så verkar det sitta trattar med betydligt mindre radie på racingmotorer. Detta kan bero på att tratten för det mesta konar ända ut till radien. Till ett tunnelraminsug med förgasare så ska man inte ha större radie än 5/8 tum eller 16mm enligt Amerikanska motorbyggare. Bilderna nedanför visar en av Ferraris F1 motorer från 2004. | |||
|
|
|
|
| Bilderna nedan visar insuget från en prostock truck 358" motor. Denna motor lämnar runt 950 Hp vid 9500 RPM. Lägg märke till hur liten radien ut i plenumet är. Här står lite om trattar till motorcyklar som de har testat på bromsbänk www.factorypro.com | |||
 |
 |
 |
 |
Gashastigheter för beräkning av insugningsareorVentilmedelgashastigheten är gashastigheten beräknad på ventilens area. Kanalmedelgashastigheten är gashastigheten beräknad på kanalens minsta area. Detta förkortas till: Kanalmedelhastigheten = (Slag x RPM x Cylinderdiametern²) / (30 000 x Kanaldiametern²) Det finns något som kallas för kubik kvadratlagen. Detta innebär att en cylinders volym ökar med kubiken medan bottenarean endast ökar med kvadraten. Beroende på varvtal så blir olika volymer på cylindern optimala. Ibland kan man ändra antalet cylindrar och till en viss gräns kan man ändra förhållandet mellan borr och slag. En 2-ventils motors insugningsventils area är lite mer än 25% än cylinderns area medan en 4-ventilsmotors ventilers area är lite mer än 33% av cylinderns area. När man räknar på kanal och ventilhastigheter så finns det två olika typer av motorer: Ventilstorleks begränsade och icke ventilstorleks begränsade. En vanlig personbils 4-ventils motor har ungefär 50 m / sek i ventilmedelgashastighet vid max effekt. En formel 1 motor och många andra högeffekts 4-ventilare ligger strax över 70 m / sek i ventilmedelgashastighet. 2-ventils motorer har betydligt högre ventilmedelgashastigheter. Chevrolet Corvette C5R som bla. tävlade på Le Mans hade 77 m / sek i ventilmedelgashastighet. När det gäller Nascar och dragracing V8:or kan det bli extremt höga medelgashastigheter förbi ventilen, över 100 m / sek. Alla motorer som jag har räknat på från BMW M5 till formel 1 motorer lämnar max effekt vid en kanalmedelgashastighet på ca 110 m / sek. Knappt någon motor har över 120 m / sek i kanalmedelgashastighet vid max RPM. Enda undantaget är stora 2-ventils motoret som tex. en 500 kubiktums prostock motor. Idag varvas dessa motorer över 10 000 varv, vilket ger en kolvmedelhastighet på över 30 m / sek. Med ett borr på 119 mm och en insugningsventil på 64 mm så blir gashastigheten i ventilsätesringen över 120 m / sek. Ovanför ventilsätesringen ökar man upp arean mer än 15% för att minska gashastigheten i svängen ner mot ventilen. I resten av kanalen ut till stötstången ligger man på en medelgashastighet på 110 m / sek vid varvtalet för max effekt ( Ca 9500 RPM). Från stötstången och upp till plenumet konar kanalen upp kraftigt för att vara ca 50% större uppe vid plenumet. Max ventilstorlek på en 2-ventils motor bestäms av flera faktorer. Eftersom avgasventilen har så liten diameter i förhållande till cylindern så störs inte flödet särskilt mycket även om man sätter den så nära cylinderväggen som 1-1.25 mm. Om insugningsventilen lutar i sidled mot centrum av cylindern så kan man ha max 53.5% av cylinderdiametern i ventildiameter. Om ventilen inte lutar i sidled så är 52% max. Om man tittar på en 4-ventils motor så kan jag ta en Mercedes 190 DTM topp som ex. Denna toppen har två stycken 39 mm:s insugningsventiler och diametern i sätesringen är 35.5 mm. Från sätet minskar arean upp förbi korta radien till sin minsta diameter på 31.5 mm. Ungefär där kanalen går från två portar till en och ut mot insugningsflänsen konar kanalen upp till 90% av arean under ventilerna. Ett vanligt mått här för en 4-ventils racingmotor är runt 95%. Insuget konar hela vägen ut mot plenumet till en största diameter på 75 mm innan radien ut till plenumet. Den stora skillnaden mellan en ventilbegränsad och en icke ventilbegränsad kanal är var minsta arean finns. I en 4-ventils motor hamnar den mellan ventilstyrningen och insugningsflänsen och i en ventilbegränsad 2-ventils motor hamnar den precis ovanför ventilsätet. Hur kanalen ser ut på 2-ventils motorn styr hur snabb gashastighet man kan ha innan ventilsätet. En racing topp med hög kort radie klarar högre hastigheter än äldre standard topp med lägre kort radie. Storleken på kanalen är direkt proportionell mot den volymetriska verkningsgraden. De motorer jag har räknat på har haft en volymetrisk verkningsgrad runt 120%. När jag har räknat in den volymetriska verkningsgraden i ekvationen så visar det sig att medelgashastigheten blir 130 m/s. De två nedersta formlerna som tar hänsyn till volymetrisk verkningsgrad använder därför 130 m/s. Om du inte vet motorn volymetriska verkningsgrad använd 110 m/s. När du räknar på portarean under ventilen så glöm inte att dra av ventilens och ventilstyrningens area från portens area. För att räkna ut minsta portarean kan du använda formeln: Minimum portarea i mm ² = (Slag x RPM x diametern ² x pi) / (120 000 x 110) Om du vet din motors volymetriska verkningsgrad kan du använda formlerna nedan: Dessa formler går att skriva som motorns slagvolym i cc delat med antal cylindrar. |
   
|
| Formlerna nedan hänvisar till gashastigheter man får när man flödar toppen vid 28 tums vattenpelare på en flödesbänk. Detta är inte samma sak som när man räknar ut medelgashastigheten i förhållande till varvtalet utan bara siffror som används när man flödar toppar. 300 ft/s vid 28 tums vattenpelare på en flödesbänk motsvarar 110 m/s i kanalmedelhastighet på en riktig motor. När det gäller kanalareor så är de länkade till flödesbänken. Eftersom alla referenser är i Amerikanska enheter kan det ibland vara lättare att hålla sig till dessa. För att beräkna insugningskanalens minsta area kan man använda denna formel: Slag och Borr är i tum. CA är toppens minsta tvärsnittsarea i kvadrattum. RPM är varvtalet motorn ska dra till. FPS är fot/sekund. I denna formeln används hastigheter från 300 till 330 FPS beroende på hur rak och jämn kanalen är och hur stor ventil du får plats med i förbränningsrummet. Till en 23° Chevrolet smallblock topp används 307 och till toppar med rakare kanaler, mindre ventilvinkel och högre kort radie typ prostock används 315 och uppåt. Till en ej ventilbegränsad topp används 300 FPS. Dessa hastigheter motsvarar de snitthastigheter man får i kanalen när man flödar toppen vid 28 tums vattenpelare. När man ska porta en topp så är det bra att ha en referenstopp som har fungerat bra så man vet ungefär vilken gashastighet man ska lägga sig på. Det enda man behöver veta är vid vilket varvtal motorn lämnade max effekt, hur mycket den varvade förbi max effekt och minsta tvärsnittsarean så kan man räkna ut gashastigheten. Formeln kan också skrivas om för att beräkna varvtal eller kanalhastighet. Denna formel beräknar kanalstorleken vid en volymetrisk verkningsgrad på ungefär 120% vilket är i närheten av vad en högeffekts motor har i volymetrisk verkningsgrad. Jag ska lägga in volymetrisk verkningsgrad i formlerna så fort jag har räknat på det. FPS = (Borr x Borr x Slag x RPM x 0.001808) / CA. Formel för att omvandla 1 ventils eller kanals diameter till 2 eller 3 mindre ventiler eller kanaler. 
En bra utgångspunkt för kanalens area i den öppna änden är att göra den lite mindre än ventilens frilagda mantelyta vid max ventillyft. Detta gäller den punkt precis där kanalen når fram till radien. För att beräkna diametern använd denna formel: 
KD är kanaldiametern innan radien. VD är ventildiametern. VL är max ventillyft. Observera att en insugningskanal som konar blir avstämd på ett högre varvtal än en rak kanal med samma längd. Ju fler grader den konar desto högre varvtal. Nedan några formler för gashastighet i flödesbänken. FPS = Flöde i CFM x 2.4 / kanalarea i tum² Kanalarea i tum² = Flöde i CFM x 2.4 / FPS Flöde i CFM = kanalarea i tum² x FPS / 2.4 För att räkna ut gashastigheten i FPS från en avläsning av en u-manometer kopplad till ett pitotrör använd formeln: Pitot FPS = (Roten ur pitot trycket i tum) x 66.2 |
    |
    |
