Föregående sida.

Nästa sida.

Bilden överst till vänster visar insugningskanalens olika zoner.
A är storleken 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 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 stämmas av på. En lång kanal blir avstämd på ett lägre varvtal än en kort kanal.
Om man har två kanaler med samma längd och den ena har parallella väggar och den andra konar upp mot tratten så hamnar den konade kanalens avstämning på ett högre varvtal.
Det gör även en kanal med grövre diameter på samma motor, medelhastigheten i kanalen påverkar avstämningsvarvtalet.
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.

Det är mycket komplicerat att rätt beräkna längden på insuget eftersom det är så många faktorer som inverkar. Det finns två stycken olika puls förlopp under de 720° som fyrtaktscykeln tar. Ett med öppen insugningsventil och ett med stängd insugningsventil. När insug öppnar, avgasgrenröret är rätt avstämt och varvtalet är det avgassystemet är avstämt till så ger avgasgrenrörets återvändande undertryckspuls det högsta undertrycket under insugningstakten, ibland under 0,5 bar. Detta undertryck är det som startar insugningstakten innan kolven rör sig tillräckligt snabbt för att skapa någon tryckskillnad själv. Kolven som når max hastighet någonstans mellan 72 och 78° ETDC drar inte ett högre undertryck än 0.27 bar vid varvtalet för max effekt om insugningskanalen är rätt dimensionerad. Denna trycksänkning i cylindern sänder en kraftig undertrycksvåg upp i insugningskanalen.

Nu till problemen med beräkningen av pulsen under fasen med öppen ventil. Finit amplitud ljudvågor rör sig med ljudets hastighet ca 340m/sek. Samtidigt som pulsen rör sig uppåt i kanalen så rör sig luften eller luft-bränsleblandningen i kanalen mot cylindern. När kolvens hastighet är som högst ca 75° ETDC är också gasens hastighet i insuget som högst med en fördröjning från kolvtoppen till kanalen med några grader. Hastigheten vid trängsta stället i kanalen ligger vid detta gradtal på runt 0.6 mach eller strax över 200m/sek. Detta innebär att pulsen ut mot trattkanten under första delen av insugningstakten bara rör sig med 0.4 mach eller ca 135 m/sek ut från ventilen. Denna höga gashastighet ger även en temperatursänkning som minskar ljudets hastighet. Allteftersom kanalen vidgar sig och kolvhastigheten sjunker så ökar pulsens relativa hastighet i förhållande till ventilen. En enkel jämförelse är en simmare som simmar mot strömmen i en trång del av en flod som gradvis blir bredare. Hans hastighet i förhållande till det strömmande vattnet är konstant men hastigheten i förhållande till stranden ökar med vattnets minskande hastighet. När undertryckspulsen når fram till kanalkanten kommer den att reflekteras tillbaka in mot ventilen som en tryckpuls. Denna reflektion sker delvis utanför kanalen och detta kallas för ändeffekt. Under insugningspulsen så blir denna ändeffekt endast en tredjedel av vad den blir när insugningsventilen är stängd pga. hastigheten på gasinströmningen. Om detta låter komplicerat så ger tryckpulsen när den passerar genom insugningsröret en hastighetsökning in mot ventilen som vid en amplitud på 0,2 bar över eller under atmosfärstryck är ungefär 50m/s.
Storleken på insugningskanalen påverkar tiden för pulsen att gå från cylindern ut till änden på insugningskanalen och tillbaka till cylindern under ventil öppen fasen. Detta innebär att en grövre kanal med lägre strömningsmedelhastighet kommer att få pulsen att komma tillbaka tidigare medan en mindre kanal med högre strömningsmedelhastighet kommer att få pulsen att komma tillbaka senare. Att det är så här beror på att med tilltagande strömningsmedelhastighet så kommer pulsen att tillbringa mer tid mot strömmen än med strömmen och den förlorade tiden mot strömmen går aldrig att ta igen hur snabbt pulsen än går tillbaka in. Det skulle vara intressant att få till någon slags formel som tog hänsyn till pulserna under ventil stängd och ventil öppen kontra insugningsdurationen. En ändring av kanalens längd gör mycket men frågan är om man inte skulle kunna tjäna rätt mycket på att kunna räkna ut hur man ska optimera kamaxeln?
Motorn som driver det här pulssystemet är undertrycket som skapas av avgasgrenröret och kolvens rörelse under pumpningsfasen. Om insugningslängd och tidpunkten för ventilens stängning är synkade så kommer kompressionspulsen att hjälpa till att fylla cylindern när kolven är på väg upp och tillsammans med den kinetiska energin i kanalen hindra gasen från att vända innan insugningsventilen stänger. Kompressionspulsen som möter den nästan stängda insugningsventilen kommer att reflekteras som en kompressionspuls ut från ventilen. När pulsen når insugningskanalens inlopp så kommer den där att reflekteras som en undertryckspuls. Denna undertryckspuls kommer att färdas ner till ventilen för att där reflekteras som en undertryckspuls ut mot kanalöppningen. Vid kanalöppningen kommer undertryckspulsen att reflekteras som en kompressionspuls ner mot ventilen igen. När denna kompressionspuls når ventilen så har pulsen gått ut och in två gånger. Detta är den första kompressionspulsen som återvänder till insugningsventilen efter att den stängde och kallas följaktligen första pulsen. Det man använder i motorer är andra, tredje eller fjärde återvändande kompressionspulsen så ovanstående scenario upprepas två eller tre gånger. Skillnaden ventil stängd mot ventil öppen är att endast pulsen är i rörelse och gasen i insuget står still. Denna pulsen kommer därför hela tiden att röra sig med den lokala ljudhastigheten och även ha denna hastighet i förhållande till kanalväggen. Andra eller tredje till ventilen återvändande kompressionspuls synkas med insugets längd och insugningsventilens öppning så att den återvänder när ventilen öppnar och hjälper till att sätta gasflödet i rörelse. Tryckökningen i insuget är mycket lägre än trycksänkningen från avgas men ändå väldigt viktig om man vill uppnå maximal volymetrisk verkningsgrad.


Utan ett beräkningsprogram så går det inte att beräkna insugningslängden under ventil öppen. Men eftersom gashastigheten ökar med varvtalet och detta mest påverkar den utgående pulsen så räcker det med en beräkning under ventil stängd så länge man inte använder för långt insug eller använder fel puls. Hur väljer man rätt puls då? Ja, det beror på. Ju lägre ordning på pulserna (2:a istället för 3:e) desto starkare är dom men svackorna mellan pulserna blir också större. Ett sätt kan vara att välja den puls som ger insuget från ventil till trattkant den volym som är närmst motorns cylindervolym utan att insuget blir omöjligt långt. Detta blir lättare ju högre motorn varvas.

Nedan är formler från Gordon P. Blair’s 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:
Insugningslängden = Ljudhastigheten i insugningskanalen x insugningspulsfaktorn / varvtalet.
Insugningspulsfaktorerna för andra, tredje, fjärde och femte pulsen är: 8900, 6600, 5150 och 4150.
Ljudhastigheten är i meter per sekund och beräknas i förhållande till insugningstemperaturen. Ljudhastigheten i meter / sekund fås ur formeln:
331.4 + 0.6 x Temperaturen i C.

Insugningslängden är i mm och är från ventilen ut till trattkanten.
Om man exempelvis ska beräkna längden på insuget för tredje pulsen med en temperatur på 25° C på gasen i insuget vid 11000 RPM så ser formeln ut så här:
346.4 x 6600 / 11000 = 207.84 mm

För att beräkna på vilket varvtal fjärde pulsen blir avstämd:
RPM = 346.4 x 5150 / 207.84    RPM = 8583.33

Femte pulsen blir avstämd på 6917 RPM och andra pulsen vid 14833 RPM.
För att beräkna var trycksvackorna kommer används denna formeln:
Varvtal för trycksvacka = Ljudhastigheten i insugningskanalen x trycksvackefaktorn / insugningslängden

Trycksvacke faktorerna är 12000, 7600, 5700, 4500 och 3650. Genom att sätta in siffrorna i formeln kan trycksvackorna beräknas till 20000, 12667, 9500, 7500 och 6083 RPM. Eftersom max effekt bestämdes till 11000 RPM så är det lämpligt att stämma av avgassystemet till 9500 RPM för att minska trycksvackans påverkan.

Det finns en uppsjö med andra formler att beräkna insugningslängden  med. Här är en från David Vizards bok How To Build Horsepower vol 2.
Insugningslängden i tum = ( (720 – ECD) X 0,25V X 2  / RPM X RV ) – 0,5D
ECD är Effective Cam Duration, duration vid 0 spel minus 30 grader.
V är ljudets hastighet i fot per sekund, ca 1125fps vid 20 grader.
RV är Reflective value, vilken puls man stämmer av vid.
D är kanalens diameter vid trattkanten för att beräkna hur långt ut pulsen vänder.

För en Volvo motor med Weber förgasare, kam med 300 graders duration och max effekt vid 6500 varv ser beräkningen ut såhär för 2:a pulsen.
L = ( 720 – ( 300 – 30 ) X 0,25 X 1125 X 2 / 6500 X 2 ) – 1,06 = 18,41” eller 467,6 mm. Lite långt kanske så jag provar med 3:e pulsen istället:
L = ( 720 – ( 300 – 30 ) X 0,25 X 1125 X 2 / 6500 X 3 ) – 1,06 = 11,92” eller 302,8 mm som jag tycker låter väl kort
Med Blair´s formel får man för 2:a och 3:e pulsen:
L = 343,4 X 8900 / 6500 = 470,2mm
L = 343,4 X 6600 / 6500 = 348,7mm
Jag tycker Blair´s formel ger ett bättre resultat.
Pipemax beräknar för samma motor:
2nd Harmonic= 19.651 (some Sprint Engines and Factory OEM's w/Injectors) = 499,1mm
3rd Harmonic= 13.719 (ProStock or Comp SheetMetal Intake) = 348,5mm
Tre beräkningar där två ligger ganska nära varandra. Jag använde visserligen en lägre insugningstemperatur än Vizard gör och med ändrad ECD så går det att få annat resultat. Jag ska fundera och räkna lite och även jämföra hur Blairs formel stämmer på en motor med mycket duration.

Här är en länk till en ljudhastighets kalkylator: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
På Hyperphysics finns det massor med intressanta formler.

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