Plenum-design på turbomotorer, inte så viktigt...
Det fanns visst ett intresse på forumet för min åsikt angående design av plenum. Skrev därför ihop denna artikel som en grundläggande sammanfattning av mina åsikter rörande detta till er teknikintresserade och alla andra på forumet/klubben. I artikeln har jag grundläggande tänkt behandla flödesmässiga aspekter av plenumutformning. Jag kommer i följande text inte presentera: några formler för beräkningar av flöden; den ultimata utformningen för din motor eller någon annan övergripande utformning, eller allt som jag vet om plenum. Allt som rör utformningen av plenum i denna text kommer vara baserat på min vetskap om hur luft rör sig samt teoretiska faktum som är allmänt gällande. För att inte behöva skriva överdrivet generellt eller löjligt mycket så har jag valt att inrikta mig mot plenum för överladdade I4-motorer, såsom Cosworth YB. Mycket av idéerna kommer vara så pass generella att de kommer att kunna tillämpas på de flesta motortyper dock. Jag kommer inte att behandla utformning av insugsrör eller trattar i denna text. Om vidare åsikter om detta också är intressanta så kanske det också kan behandlas framöver.
Låt mig börja från början, vad är ett plenum i vår motormodell och vilka funktioner ska det fylla? Ett plenum är en samlingskammare för luft. Dessa förekommer på i stort sett alla motorer där enkelt spjällhus och/eller trycksättning förekommer. Dess ultimata syfte på en motor är att från en eller flera tillförslar av luft helt rättvist dela upp luften bland det antal anslutningar mot insugsdelen av toppen som finns, samtidigt som den skall agera som en vettig reserv av luft för motorn.
Låt mig efter detta presentera en rad grundläggande faktum rörande hur plenumets volym påverkar effektiviteten i motorn:
* En motors effektivitet accelererar som bäst då fyllnadsgraden och effektiviteten i förbränningen är hög vid det dåvarande tillfället.
* Hög fyllnadsgrad erhålls då bland annat snabba gasflöden i insugsportarna samt effektiv spridning runt ventiltallrik och i förbrännningsrum är närvarande. Vad fyllnadsgrad innebär konstateras senare.
* För att effektivast/snabbast möjligt förflytta luft(och andra fluider) från en volym till en annan via portar, så är långsam luft ifrån resursvolymen, alltså plenum, av högt intresse. Kan vara lite svårt att förstå... Tänk på det såhär; Är det enklast att byta riktning om du springer eller går? Luften inuti plenumet rör sig från spjällhuset i en viss riktning. Denna riktning vill man ändra, så att luften går in i lämpligt insugsrör, och allra helst lika enkelt till vilket insugsrör som helst. Luften vill helst smyga fram när den ska spridas...
* Lufthastighet sänks på enklast vis då man går från en mindre volym till en större, som t.ex. från spjällhus till plenum.
* Stora volymer i trycksystemet hos turbomotorer leder till långsamare tryckökning/tryckutjämning i systemt, vilket sänker gasrespons och ökar "turbo-lag".
Låt oss resonera om detta. Alltså, ett plenum med stor volym innebär både nackdelar och fördelar. Hur ska man då göra? Denna aspekt av utformningen påverkas i allra högsta grad av användningsområdet för motorn som du bygger. Ibland är "turbo-lag" till stor utsträckning oviktigt, ibland inte.
Många tror att volymen i plenum är en avgörande faktor för huruvida plenumet sprider luften rättvist mellan varje cylinders insugsrör. Detta kan stämma vid fall, men är aldrig en faktor som påverkar om utformningen av plenumet är korrekt för det beräknade luftflödet. En onödig ökning av volymen i plenum är enbart ett sätt för att kompensera för dålig utformning när man pratar om spridning, det allra vanligaste sättet dessutom, tråkigt nog. Vad är det för faktorer som avgör huruvida varje insugsrör kan utnyttja luften i plenum på likvärdigt vis? Jag har nyss nämnt det faktum att luftens hastighet har med fyllnadsgrad att göra. Vad som påverkar luftens hastighet i ett plenum är luftmängd, det tryckförhållande som luften utsätts för samt den volym i vilken luften tvingas röra sig. När luften går från ett oftast relativt litet tryckrör via plenumöppningen in i den relativt stora volym som utgör plenum så sänks hastigheten på luften i den riktning som tryckröret erbjöd p.g.a. det faktum att luften inte längre bara kan röra sig enbart i den riktningen, utan sprider sig i den större volymen mer eller mindre effektivt. Vad säger då detta, jo, beroende på plenumöppningens utformning så delas luftens hastighet upp i det antal nya riktningar som luften kan sprida sig i, naivt förklarat. Alltså, plenumöppningens utformning är väldigt viktig för att en bra spridning skall ske lufthastighetsmässigt.
Utöver hastigheten är likheten i densitet på luften som insugsrören använder sig av vid transportering mot förbränningsrum väldigt viktig. Definitionen på densitet är massa per volymenhet. I det här fallet handlar det alltså helt enkelt om hur mycket luftmassa du har i den volym som insugsrören tar ifrån. Densiteten i luft, precis som i princip allt annat, ökar med trycket. Men, bör inte trycket vara konstant i hela plenumets volym då? Tråkigt nog inte, tryckförändringar i luft sker visserligen mycket snabbare än lufthastighetsförändringar, men samtidigt är trycket väldigt betydande för hur fyllnadsgraden ter sig. Många förbiser det faktum att tryckutjämningen tar tid. Tryckets förändring sker snabbare ju mindre volym du har i plenumet. Ju större volym du har, desto mer luft måste anpassa sig till trycket, självklart. Vad är det som påverkar om tryckökningen sker lika snabbt vid varje intressant punkt i plenum? Svaret på detta är enkelt, men inte på något sätt enkelt att praktiskt realisera; Varje intressant punkt måste förhålla sig på samma avstånd från tryckökningens källa, alltså plenumöppningen. Detta tål att funderas på, vad är intressanta punkter i ett plenum? Innebär det att exempelvis varje insugsrör måste förhålla sig på samma avstånd till öppningen för att kriteriet skall uppfyllas?
Den här frågeställningen och många andra gör att vi måste börja fundera i andra banor än de rent statiska, flödesmässigt sett. En motor är ett dynamiskt system som man vill ska följa ett visst mönster, med vissa variationer beroende på diverse parametrar. Hur påverkar motorns komplexa dynamik plenumets effektivitet? Strax före en förbränning i en cylinder sker så måste luft färdas in i förbränningsrummet för samma cylinder. Luftmassan som sätts i rörelse har någon gång i sin historia befunnit sig i plenum i vår modell av hur motorn ser ut. Varje gång luft färdats in i just den cylindern har en tryckförändring skett i anslutning till öppningen av insugsröret som cylindern använder för att transportera luft. Luftens tryck i anslutning till detta rör har sänkts. Luften runtomkring påverkas på så sätt att den blir en del av tryckutjämningen för tillfället, vilket ger ett lägre snittryck i plenum. Alltså, luften inuti plenum ligger inte snällt och väntar på att få hoppa in i ett insugsrör, utan slits runt hela tiden. Varje gång en insugstakt sker i motorn så påverkar det hela luftmassan i plenumet kraftigt, i bästa fall. I värsta fall påverkar det luftmassan i de andra insugsrören också, vilket man inte vill, då detta kommer att försämra fyllnadsgraden. Detta gör att vi måste fundera på vad det kan vara som skulle kunna få luften att påverka de andra insugsrören... Ett kriterium är plenumets volym, ett annat är hur pass effektivt öppningen in till plenum klarar av att flytta luft till det ställe där luften tagits. Volymen är enkel att öka som sagt, men är inte en bra lösning överlag, som vi konstaterat tidigare. Alltså är utformningen på plenumets öppning återigen viktig. Från anslutningen av tryckrör/spjällhus mot plenum så måste alltså öppningen vara formad på ett sådant vis att den tillåter en god spridning på luften till alla de ställen i plenum som behöver fyllas/tryckutjämnas på ett likvärdigt vis och helst lika snabbt vart det stället än är. Låt oss gå tillbaka till de viktiga punkterna nu, då detta uppdagats. I vilken ordning sker insugstakterna på den motor som vi utvecklar plenum för? Varje gång en insugstakt skett för en cylinder så måste resursluften till den cylinder vars insugstakt kommer näst vara stabiliserad, givetvis jämlikt i alla de förekommande fallen. Alltså, vid varje insugstakt är den nästföljande cylinderns lufttillförsel en viktig punkt.
Hur var det med volymen nu då? Att det kan bli för mycket volym för vissa ändamål har vi klart kommit fram till. Hur är det med för lite? Självklart kan det vara ett problem, på vilka sätt har vi redan varit inne på delvis. Hur vet man då hur mycket volym man behöver i plenum, är det beroende på cylindervolym? På ett sätt är det riktigt att göra det konstaterandet, på ett annat inte riktigt. För varje insugstakt som sker i motorn per cylinder gör så drar motorn i sig så mycket bränsle/luft-blandning som den klarar av in i det gällande förbränningsutrymmet, denna mängd varierar dock enormt. Förhållandet mellan volymen bränsle/luft-blandning i perspektiv till den totala volymen i förbränningsrummet brukar kallas fyllnadsgrad. Om det kommer in lika stor volym bränsle/luft-blandning som det finns volym i förbränningsutrymmet så säger man att fyllnadsgraden är 100 procent. Överladdade motorer har fördelen att luften är i komprimerat tillstånd redan innan den färdas in i cylinderns förbränningsutrymme. Detta gör att fyllnadsgraden över registret hos överladdade motorer vanligtvis befinner sig ganska ofta över 100 procent. Detta innebär alltså att det tas mer luft från plenum än cylinderns volym, vilket vi mer än gärna vill ska hända. När fyllnadsgraden är hög relativt flödesökningen per insugstakt så accelereras motorns effektivitet som bäst. Om inte resursvolymen vi skapat, plenum, kan tillgodose oss med så pass mycket luft för att hjälpligt fylla ut vad som tagits utan att störa nästa insugstakt så kommer vi försämra förhållandena stegvis mer och mer. Detta vill vi alltså motverka! Men observera att volymen må vara viktig i sammanhanget, men än en gång är vägen för luften in i plenum av högsta vikt. Luft måste snabbt kunna ta sig in och fylla ut/tryckutjämna det som tagits. Alltså kan man säga att volymen bör avgöras, i grunden, av förhållandet mellan hur mycket luft som tas från plenum och hur mycket som kan tillföras då motorn arbetar som hårdast med att förbruka luft och tillförseln är som sämst. Utöver detta måste man räkna med hur mycket extra volym som behövs för att hålla luften i en sådan hastighet och ordning i plenumet att motorn kan utnyttja den på ett bra sätt vi den luftåtgång du tänkt dig.
Med allt detta i åtanke så tänker nog många, "Komplicerat... Vad jobbigt allt blev!". Så kan det vara. En vis människa sade en gång, "Med kunskap kommer ansvar", använd den kunskap ni kanske fått till att förstå vilket ansvar ni har för att er motor ska trivas med sitt arbete. En annan vis människa sade "Ignorence is a blessing", vilket kan vara nog så sant i det här fallet. Är ni inte överambitiösa som vissa andra så gör det inte svårare för er än vad det är. Det jag skrivit här var enbart för att vädra ut lite åsikter och för att förhoppningsvis räta ut lite frågetecken som verkar finnas. Jag har själv under två års tid arbetat med en plenum/insugs-utformning till min motor. Förhoppningsvis kommer mitt insug , som ska vara klart under våren, spegla de åsikter jag framfört här, tillsammans med de jag inte valt att framföra.
Skriven av: Patrik
Låt mig börja från början, vad är ett plenum i vår motormodell och vilka funktioner ska det fylla? Ett plenum är en samlingskammare för luft. Dessa förekommer på i stort sett alla motorer där enkelt spjällhus och/eller trycksättning förekommer. Dess ultimata syfte på en motor är att från en eller flera tillförslar av luft helt rättvist dela upp luften bland det antal anslutningar mot insugsdelen av toppen som finns, samtidigt som den skall agera som en vettig reserv av luft för motorn.
Låt mig efter detta presentera en rad grundläggande faktum rörande hur plenumets volym påverkar effektiviteten i motorn:
* En motors effektivitet accelererar som bäst då fyllnadsgraden och effektiviteten i förbränningen är hög vid det dåvarande tillfället.
* Hög fyllnadsgrad erhålls då bland annat snabba gasflöden i insugsportarna samt effektiv spridning runt ventiltallrik och i förbrännningsrum är närvarande. Vad fyllnadsgrad innebär konstateras senare.
* För att effektivast/snabbast möjligt förflytta luft(och andra fluider) från en volym till en annan via portar, så är långsam luft ifrån resursvolymen, alltså plenum, av högt intresse. Kan vara lite svårt att förstå... Tänk på det såhär; Är det enklast att byta riktning om du springer eller går? Luften inuti plenumet rör sig från spjällhuset i en viss riktning. Denna riktning vill man ändra, så att luften går in i lämpligt insugsrör, och allra helst lika enkelt till vilket insugsrör som helst. Luften vill helst smyga fram när den ska spridas...
* Lufthastighet sänks på enklast vis då man går från en mindre volym till en större, som t.ex. från spjällhus till plenum.
* Stora volymer i trycksystemet hos turbomotorer leder till långsamare tryckökning/tryckutjämning i systemt, vilket sänker gasrespons och ökar "turbo-lag".
Låt oss resonera om detta. Alltså, ett plenum med stor volym innebär både nackdelar och fördelar. Hur ska man då göra? Denna aspekt av utformningen påverkas i allra högsta grad av användningsområdet för motorn som du bygger. Ibland är "turbo-lag" till stor utsträckning oviktigt, ibland inte.
Många tror att volymen i plenum är en avgörande faktor för huruvida plenumet sprider luften rättvist mellan varje cylinders insugsrör. Detta kan stämma vid fall, men är aldrig en faktor som påverkar om utformningen av plenumet är korrekt för det beräknade luftflödet. En onödig ökning av volymen i plenum är enbart ett sätt för att kompensera för dålig utformning när man pratar om spridning, det allra vanligaste sättet dessutom, tråkigt nog. Vad är det för faktorer som avgör huruvida varje insugsrör kan utnyttja luften i plenum på likvärdigt vis? Jag har nyss nämnt det faktum att luftens hastighet har med fyllnadsgrad att göra. Vad som påverkar luftens hastighet i ett plenum är luftmängd, det tryckförhållande som luften utsätts för samt den volym i vilken luften tvingas röra sig. När luften går från ett oftast relativt litet tryckrör via plenumöppningen in i den relativt stora volym som utgör plenum så sänks hastigheten på luften i den riktning som tryckröret erbjöd p.g.a. det faktum att luften inte längre bara kan röra sig enbart i den riktningen, utan sprider sig i den större volymen mer eller mindre effektivt. Vad säger då detta, jo, beroende på plenumöppningens utformning så delas luftens hastighet upp i det antal nya riktningar som luften kan sprida sig i, naivt förklarat. Alltså, plenumöppningens utformning är väldigt viktig för att en bra spridning skall ske lufthastighetsmässigt.
Utöver hastigheten är likheten i densitet på luften som insugsrören använder sig av vid transportering mot förbränningsrum väldigt viktig. Definitionen på densitet är massa per volymenhet. I det här fallet handlar det alltså helt enkelt om hur mycket luftmassa du har i den volym som insugsrören tar ifrån. Densiteten i luft, precis som i princip allt annat, ökar med trycket. Men, bör inte trycket vara konstant i hela plenumets volym då? Tråkigt nog inte, tryckförändringar i luft sker visserligen mycket snabbare än lufthastighetsförändringar, men samtidigt är trycket väldigt betydande för hur fyllnadsgraden ter sig. Många förbiser det faktum att tryckutjämningen tar tid. Tryckets förändring sker snabbare ju mindre volym du har i plenumet. Ju större volym du har, desto mer luft måste anpassa sig till trycket, självklart. Vad är det som påverkar om tryckökningen sker lika snabbt vid varje intressant punkt i plenum? Svaret på detta är enkelt, men inte på något sätt enkelt att praktiskt realisera; Varje intressant punkt måste förhålla sig på samma avstånd från tryckökningens källa, alltså plenumöppningen. Detta tål att funderas på, vad är intressanta punkter i ett plenum? Innebär det att exempelvis varje insugsrör måste förhålla sig på samma avstånd till öppningen för att kriteriet skall uppfyllas?
Den här frågeställningen och många andra gör att vi måste börja fundera i andra banor än de rent statiska, flödesmässigt sett. En motor är ett dynamiskt system som man vill ska följa ett visst mönster, med vissa variationer beroende på diverse parametrar. Hur påverkar motorns komplexa dynamik plenumets effektivitet? Strax före en förbränning i en cylinder sker så måste luft färdas in i förbränningsrummet för samma cylinder. Luftmassan som sätts i rörelse har någon gång i sin historia befunnit sig i plenum i vår modell av hur motorn ser ut. Varje gång luft färdats in i just den cylindern har en tryckförändring skett i anslutning till öppningen av insugsröret som cylindern använder för att transportera luft. Luftens tryck i anslutning till detta rör har sänkts. Luften runtomkring påverkas på så sätt att den blir en del av tryckutjämningen för tillfället, vilket ger ett lägre snittryck i plenum. Alltså, luften inuti plenum ligger inte snällt och väntar på att få hoppa in i ett insugsrör, utan slits runt hela tiden. Varje gång en insugstakt sker i motorn så påverkar det hela luftmassan i plenumet kraftigt, i bästa fall. I värsta fall påverkar det luftmassan i de andra insugsrören också, vilket man inte vill, då detta kommer att försämra fyllnadsgraden. Detta gör att vi måste fundera på vad det kan vara som skulle kunna få luften att påverka de andra insugsrören... Ett kriterium är plenumets volym, ett annat är hur pass effektivt öppningen in till plenum klarar av att flytta luft till det ställe där luften tagits. Volymen är enkel att öka som sagt, men är inte en bra lösning överlag, som vi konstaterat tidigare. Alltså är utformningen på plenumets öppning återigen viktig. Från anslutningen av tryckrör/spjällhus mot plenum så måste alltså öppningen vara formad på ett sådant vis att den tillåter en god spridning på luften till alla de ställen i plenum som behöver fyllas/tryckutjämnas på ett likvärdigt vis och helst lika snabbt vart det stället än är. Låt oss gå tillbaka till de viktiga punkterna nu, då detta uppdagats. I vilken ordning sker insugstakterna på den motor som vi utvecklar plenum för? Varje gång en insugstakt skett för en cylinder så måste resursluften till den cylinder vars insugstakt kommer näst vara stabiliserad, givetvis jämlikt i alla de förekommande fallen. Alltså, vid varje insugstakt är den nästföljande cylinderns lufttillförsel en viktig punkt.
Hur var det med volymen nu då? Att det kan bli för mycket volym för vissa ändamål har vi klart kommit fram till. Hur är det med för lite? Självklart kan det vara ett problem, på vilka sätt har vi redan varit inne på delvis. Hur vet man då hur mycket volym man behöver i plenum, är det beroende på cylindervolym? På ett sätt är det riktigt att göra det konstaterandet, på ett annat inte riktigt. För varje insugstakt som sker i motorn per cylinder gör så drar motorn i sig så mycket bränsle/luft-blandning som den klarar av in i det gällande förbränningsutrymmet, denna mängd varierar dock enormt. Förhållandet mellan volymen bränsle/luft-blandning i perspektiv till den totala volymen i förbränningsrummet brukar kallas fyllnadsgrad. Om det kommer in lika stor volym bränsle/luft-blandning som det finns volym i förbränningsutrymmet så säger man att fyllnadsgraden är 100 procent. Överladdade motorer har fördelen att luften är i komprimerat tillstånd redan innan den färdas in i cylinderns förbränningsutrymme. Detta gör att fyllnadsgraden över registret hos överladdade motorer vanligtvis befinner sig ganska ofta över 100 procent. Detta innebär alltså att det tas mer luft från plenum än cylinderns volym, vilket vi mer än gärna vill ska hända. När fyllnadsgraden är hög relativt flödesökningen per insugstakt så accelereras motorns effektivitet som bäst. Om inte resursvolymen vi skapat, plenum, kan tillgodose oss med så pass mycket luft för att hjälpligt fylla ut vad som tagits utan att störa nästa insugstakt så kommer vi försämra förhållandena stegvis mer och mer. Detta vill vi alltså motverka! Men observera att volymen må vara viktig i sammanhanget, men än en gång är vägen för luften in i plenum av högsta vikt. Luft måste snabbt kunna ta sig in och fylla ut/tryckutjämna det som tagits. Alltså kan man säga att volymen bör avgöras, i grunden, av förhållandet mellan hur mycket luft som tas från plenum och hur mycket som kan tillföras då motorn arbetar som hårdast med att förbruka luft och tillförseln är som sämst. Utöver detta måste man räkna med hur mycket extra volym som behövs för att hålla luften i en sådan hastighet och ordning i plenumet att motorn kan utnyttja den på ett bra sätt vi den luftåtgång du tänkt dig.
Med allt detta i åtanke så tänker nog många, "Komplicerat... Vad jobbigt allt blev!". Så kan det vara. En vis människa sade en gång, "Med kunskap kommer ansvar", använd den kunskap ni kanske fått till att förstå vilket ansvar ni har för att er motor ska trivas med sitt arbete. En annan vis människa sade "Ignorence is a blessing", vilket kan vara nog så sant i det här fallet. Är ni inte överambitiösa som vissa andra så gör det inte svårare för er än vad det är. Det jag skrivit här var enbart för att vädra ut lite åsikter och för att förhoppningsvis räta ut lite frågetecken som verkar finnas. Jag har själv under två års tid arbetat med en plenum/insugs-utformning till min motor. Förhoppningsvis kommer mitt insug , som ska vara klart under våren, spegla de åsikter jag framfört här, tillsammans med de jag inte valt att framföra.
Skriven av: Patrik
