Topplocksverkstans Logga

 

För väldigt många år sen byggde jag en flödesbänk.

Nu ska jag försöka komma ihåg alla uträkningar bakom, inte helt lätt men lärorikt även för mig.
Sen ska jag även förklara vad man kan göra med en flödesbänk. Längre fram i tiden ska jag bygga
en helt ny flödesbänk som ska ha kapacitet för mycket större tryckskillnader
Detta är min andra flödesbänk. Den första gjordes helt efter en artikel i Car Craft.
Det är egentligen ingen större skillnad på bänkarna förutom att denna är inbyggd i ett skåp.
Till denna bänken lärde jag mig räkna ut flödet i cfm. (cubic feet per minute)
Det finns flera olika sätt att räkna ut medelhastigheten i ett rör.
Tre olika sätt är: Med pitotrör, med venturimeter och med strypfläns.
Man kan även använda sig av elektronisk utrustning.
Jag valde att använda mig av pitotrör eftersom artikeln i Car Craft visade hur man byggde en sådan bänk.
Bilden ovan är originalritningen till min flödesbänk. Den ser nästan ut så här.

Detta är en schematisk bild av slangdragningen till flödesmanometern.



Om vi börjar nerifrån så sitter det tre st. fläktmotorer i botten som skapar tryck eller sug
beroende på om jag vill flöda avgas eller insug.
Rör från fläktarna mynnar i ett kollektorrör som genom en slang är förbundet med ventilhuset. I ventilhuset sitter ventilen som ställer in tryckskillnaden.
Mellan ventilhuset och plenumet sitter teströret som innehåller pitotrören.
Plenumet sitter under testcylindern och det är tryckskillnaden mellan atmosfären och plenumet som skapar flödet genom topplocket.
Mina tre fläktmotorer som numera är fyra till antalet (Totalt 4.4 Kw) räcker bara till att flöda en portad volvo 531 topp vid 28" vattenpelare.
På större toppar får jag köra med mindre tryckskillnad. Jag har köpt en fläkt med 15 Kw motor till min nästa flödesbänk. Den ska klara över 100" vattenpelare på alla toppar.

Detta är flödesbänkens U-manometrar. Den högra visar tryckskillnaden mellan plenumet och atmosfären. Den vänstra används för att proba kanaler, dvs. mäta gashastigheten.
Om den vänstra manometern visar mer än den högra vid flödning så är gashastigheten vid den punkten i toppen troligen för hög. I mina manometrar använder jag vatten med karamellfärg och en droppe diskmedel (för ytspänningen). Vatten har en specifik vikt på 1 vilket gör det lätt att sätta in i formler. Formeln för en vätskepelares tryck är: rå x g x h, det vill säga densiteten gånger gravitations kraften gånger höjden. Det går att använda vilken manometervätska som helst bara den är lättflytande och inte avdunstar för fort.



Detta är själva flödesmanometern. Här använder man en lutande skala för bättre mätnogranhet. Denna manometer visar skillnaden mellan det statiska och det dynamiska trycket i teströret.







Så här ser ett pitotrör ut. Denna modellen mäter det statiska och dynamiska trycket i samma probe och kallas för Prandtlrör.

Här är formeln man använder för att räkna om tryck till hastighet. När man har hastigheten så multiplicerar man den med teströrets tvärsnittsarea och rörets hastighetsfördelning. Hastighetsfördelning innebär att luften rör sig olika fort i olika delar av röret, snabbast i mitten. Vid fullt utbildad turbulent rörströmning är V medel lika med 0,82 x V max.
Jag räknar i SI enheter för enkelhets skull och omvandlar sen till Amerikanska enheter.
En kubikmeter per sekund motsvarar 2118,88 cfm.

Bilden visar hur teströret med prober ser ut inuti.
Teströret har en innerdiameter på 60.4 mm, det blir 0.0604 m. Detta ger en area 0.002865 kvadratmeter. Med arean för pitotröret avdragen blir detta 0.002837.

Om man nu tar formeln och sätter in sina värden kan man få reda på gashastigheten i centrum av teströret. Detta är en stor och jobbig formel så för att förenkla bryter jag ut allt som inte är en variabel ur formlen. Dessutom passar jag på att ändra så att jag kan sätta in mm istället för pascal i Pv och omvandlar till cfm.

 





Vad är nu detta för kladd ?
Så här får det egentligen inte se ut när man räknar.
Vad jag har gjort här är att jag har brutit ut två olika konstanter, en för insug och en för avgas vid 28" vattenpelare. De enda variablerna förutom flödesavläsningen blir nu temperaturen och barometertrycket. För att räkna ut min flödeskonstant vid flödestillfället tar jag roten ur T/B x 38.84 för insug eller 35.81 för avgas. Temperatur i Kelvin och tryck i hektoPascal. Är det nu 20° Celsius och ett barometertryck på 1013 hektoPascal blir det roten ur 293/1013 = 0.5378. För insugsflöde 0.5378 x 38.84 = 20.89. Min lutande manometer har 200 mm vattenpelare vid 1000 mm på skalan så jag får multiplicera med 0.2 för att få höjden på vattenpelaren. För att slippa multiplicera med 0.2 varje gång lägger jag in det i uträkningen ovan. Det blir roten ur (293/1013 x 0.2) = 0.240. Flödeskonstanten för insug blir då 38.84 x 0.24 = 9.32. Med en avläsning av 500 på skalan så tar jag roten ur 500 = 22,36 x 9.32 = 208.40 cfm. Observera att korrigeringen för 28" vattenpelare endast gäller om flödesbänken klarar att flöda vid 28" på alla lyft. Om din bänk inte klarar detta så använd 37.53 x 0.24 = 9.01 istället för både insug och avgas. 28" vattenpelare blir 7112 pascal och vid avgas respektive insugsflödning har du 107112 respekive 92888 pascal i plenumet. Denna skillnad i tryck gentemot atmosfärstrycket ger olika konstanter vid avgas respektive insugsflöde. För att slippa lägga in värden i pascal i uträkningen har jag lagt in roten ur 10 i formeln så att jag kan slå avlästa mm värden direkt i miniräknaren. Jag ska försöka göra en riktig härledning längre fram och även kolla upp ev. räknefel. Längre fram ska jag visa hur man kan kalibrera sin flödesbänk.

OBS!
När jag har testat topplock på min flödesbänk och sen på en Superflow 600 så stämde värdena på insug nästan exakt medan värdena på avgas blev för låga. Genom att köra med konstanten som beräknades för insug även på avgas fick jag avgasflödesvärdena att stämma. Jag vet inte om jag har missförstått formeln ?









Jag passade på att göra nya prober till mitt teströr. Dessa är en förbättring och dessutom gav det mig chansen att ta bilder. Jag tog vanliga stålbromsrör som jag skar av med röravskärare vilket gjorde änden avsmalnad. Lite putsande med en fil så blev det riktigt hyfsade prober. Det tjocka röret är för att mäta det statiska trycket vid rörväggen och sitter på ett borrat 2mm:s hål på teströret.









Så här ser teströret ut med proberna monterade. Teströret ska helst vara så långt som möjligt för att man ska få fullt utbildad rörströmning. På min bänk har jag bara 300 mm rör till proberna vilket blir 5 diametrar. Detta är i minsta laget, jag rekommunderar minst 10 diametrar i längd. Jag ska försöka ändra mitt teströr så jag får mer rörlängd framför pitotrören. Att man måste ha ett långt teströr är nackdelen med att använda pitotrör. En strypfläns tar inte lika mycket plats.

När man testar ett topplock så skall man ha en cylinder med rätt diameter under. Jag har tillverkat cylindrar i de flesta storlekarna. Cylindrarna har spår för oringar som tätar mot flödesbänken och mot toppen. Bordet där man lägger toppen har även stifthål som centrerar de vanligaste topparna.









När man testar flödet på insug måste man antingen ha en radie utanför kanalen eller insuget monterat. Detta för att inte få en s.k. vena contracta. Vena contracta innebär att luften inte kan svänga runt ett skarpt hörn utan att släppa från kanalens yta. Får man flödesseparation verkar kanalen mindre för den inströmmande luften och man får ett felaktigt flödesvärde. Flödet på insug får inte stalla på något lyft, inte ens på lyft mycket högre än vad ventilen lyfts. Stallning innebär att man får en flödesseparation i kanalen med följden att flödet minskar. Det är dock helt ok om flödesökningen avtar med ökat lyft. Det får inte uppstå några ljud som tyder på flödesseparation i kanalen. Det hörs tydligt när ljudet ändrar karaktär. Det är svårt att helt rättvisande simulera flödet i en insugningskanal på en flödesbänk. På en motor kan tryckskillnaden bli upp mot 125" vattenpelare. På en flödesbänk testar man dessutom flödet statiskt vilket inte är realistiskt. I en motor har man varierande tryckskillnader och även pulser som påverkar flödet.

För att få ett riktigt flödesvärde på avgas måste man testa med en kort rörbit monterad. Avgassätet och ventilen verkar som en restriktor på flödet och avgasporten som en diffusor. En diffusor är ett rör som konar upp i storlek. En diffusor kräver 10 diametrar för full tryckåtervinning. Lämplig storlek är samma som det tänkta extraktorgrenröret, det blir en märkbar skillnad att flöda med eller utan rör. Det är omöjligt att på en flödesbänk prova verkliga avgasflöden eftersom det inte går att simulera riktiga tryckskillnader och temperaturer. Vad som är viktigt är att luftflödet låter bra och inte har en massa konstiga ljud för sig. Det är ok om det låter på låga lyft men inte på högre. Porten måste ha tystnat vid halva lyftet.

För att mäta gashastigheten i kanalerna använder man en probe ansluten till en U-manometer.
Det är ganska lätt att själv tillverka en probe. Det krävs en J-probe för insug och en rak probe för avgas. Det enklaste är att använda sig av två rör som ligger sida vid sida, ett med ett hål mot luftströmmen och ett med fyra hål i periferin som på bilden längst nere till vänster. Eller så kan man stoppa ett tunnare rör i ett tjockare som på mittbilden nedan. Här har jag först borrat fyra hål för det statiska trycket en cm från ena änden och ett hål för den statiska manometeranslutningen ca två cm från den andra änden. Efter detta har jag stoppat det tunna röret i det tjocka och därefter bockat rören. Sedan har jag lött ändarna så att det blir tätt mellan det tjocka och det tunna röret samt lött fast röret till den statiska manometeranslutningen. För att lättare förstå titta på bilden längst ner till höger. Det tjocka röret är ett vanligt kopparbromsrör och det tunna röret tog jag från ett gammalt värmepaket till en Saab 99.
Formeln för att räkna ut gashastigheten . Tänk bara på att undertrycket i kanalen inte är det samma som i plenumet. Högsta hastigheten blir över den korta radien. En bra tumregel är att om probmanometerns utslag är större än plenumets manometerutslag så är det mest troligt att gashastigheten lokalt är för hög. Förutom att man kan få flödesseperation så kan bränslet som är betydligt tyngre än luft inte svänga hur mycket som helst under hög hastihet. En modern 4-ventilstopp med höga raka kanaler klarar betydligt högre gashastigheter än en äldre 2-ventilstopp med skarpare kanalböjning. Ungefär som när man tar en kurva med en bil, skarp sväng lägre hastighet...

Det går att kolla hur pass bra flödesuträkningen på bänken har blivit genom att kalibrera bänken. En tunn plåt med ett stansat hål i med skarpa kanter flödar 88.9 cfm per kvadrattum vid 28" vattenpelare. Ett hål med en perfekt radie flödar 146 cfm per kvadrattum vid 28" vattenpelare. Eftersom jag inte vet hur detta perfekta hål ska utformas, olika tjocklekar på plattan ger olika flöde så tillverkade jag tre st kalibreringsflänsar i 3mm stålplåt. En kalibreringsfläns ska ha knivskarpa kanter på hålet. Vilken storlek man gör kvittar bara det täcker upp lågt mellan och högt flöde. Jag satte in förkortningen för insugningsflöde vid 28" vattenpelare 38.84 x roten ur (temp.k / barometertrycket. hpa x 0.2) = 9.34. Efter detta flödadade jag mina kalibreringsplattor. Platta 1 med ett hål på 28.25 mm (0.972 kvadrattum) ska flöda 86.4 cfm. Min bänk visade 87.0 cfm. Platta 2 med ett hål på 35.20 mm (1.508 kvadrattum) ska flöda 134.1 cfm. Min bänk visade 129.0 cfm. Platta 3 med ett hål 53.80 mm (3.520 kvadrattum) ska flöda 313.2 cfm. Min bänk visade 313.8 cfm. Jag vet inte varför platta 2 stämde sämre än nummer 1 och 3, det är en felvisning på 4%. Vad detta beror på ska jag försöka lista ut men platta 1 och 3 ger helt acceptabla värden. Vill man kalibrera flödesmätarens lutande skala så kopplar man bort den från pitotrören. Övre slangen låter man hänga löst och den undre kopplar man med en T-koppling till plenumet. Om U-manometern på min bänk visar 100 mm ska den lutande skalan visa 100mm / 0.2 = 500. Stämmer detta så är lutningen rätt men för säkerhets skull kan man kolla ett par olika värden. Dock inte för nära 200 mm för då rinner vattnet i flödesmanometern ut.

Även om ett högt flöde är viktigt för att få ut effekt ur en motor så är gashastighastigheten och flödesgradienten viktigare. Gashastigheten i insugningskanalen beror väldigt mycket på hur kanalen svänger. Ett enkelt sätt att få reda på rätt hastighet är att flöda en liknande topp som den man håller på med och som man vet fungerar bra och sedan räkna ut gashastigheten på den. Det gör man med denna enkla formel: Flöde vid 28" vattenpelare x 2.4 / Kanalarean i kvadrattum. Denna formel ger hastigheten i fot per sekund. På en tvåventils topp ska minsta kanalarean vara vid ventilsätet eller så nära ventilsätet som möjligt. På de fyrventilstoppar jag undersökt så är minsta kanalarean precis innan svängen ner mot ventilen. Ett bra riktvärde på en tvåventilstopp är att inte överskrida 320 fot per sekund i insugningskanalen. Detta är medelhastigheten mätt med flödet från flödesbänken dividerat med kanalens area. Med proben kan man kolla hastighetsgradienten. Idealiskt sett skulle hastigeheten vara den samma i hela kanalen men så ser inte verkligheten ut. Ju jämnare man kan få hastighetsgradienten destu mindre blir risken för bränsleutfall och flödesseperation. Det gäller att göra svängarna i kanalerna så långa och så mjuka som möjligt och att inte ha några abrubta area förändringar. En rund eller en oval kanal är bättre än en rektangulär. På min sida om fyrtaktsteknik ska jag analysera lite olika toppar som jag får in. Man kan jämföra flöden vid olika tryckskillnader genom att multiplicera eller dividera med roten ur tryckskillnaderna. Om man har en flödesbänk som klarar höga tryckskillnader kan man testa kanalerna vid olika undertryck och jämföra flödena mot roten ur tryckskillnaderna. Ett perfekt rör flödar som roten ur tryckskillnaden oavsett tryckskillnaden. I insugningskanalen på en motor i drift kan det bli upp till 125" vattenpelare i tryckskillnad. Om flödet minskar i förhållande till tryckskillnaden vid ökat testtryck så beror det på flödesseparation i kanalen. Då gäller det att hitta punkten i kanalen där luften släpper. Modifieringar som flyttar separationen till en högre tryckskillnad ökar effekten.

 

För att öka kapaciteten i min flödesbänk har jag monterat en extra 5.5 Kw flödespump. Med hjälp av frekvenstyrnig av pumparna kan man helt eliminera flödesventilen samt öka kapaciteten på flödespumparna. Jag ska styra frekvensomvandlaren med en tryckgivare så att den automatiskt ställer in plenumtrycket till förvalt tryck när jag ökar eller minskar ventillyftet. Genom att öka frekvensen från 50-75Hz så ökar pumparnas kapacitet med ca. 100%.
Med denna ökade kapacitet måste flödesmätaren höjas från 200mm till 300mm i sin bortre ände.

För att få ytterligare kapacitet att göra flödestest på höga tryckskillnader, gärna på över 100 tum vattenpelare skall jag bygga en ny flödesbänk. Jag har tillgång till två st 17 Kw flödespumpar som tidigare har fungerat som spånsugar. Framtida test får visa hur stor tryckskillnad de klarar av.

Av Ulf Enkvist har jag fått bilder på en ventil för att byta riktning på flödet mellan insug och avgas. Delen med två hål är ansluten till flödespumpens tryck respektive sug sida. Slangen till flödesbänken ansluts till det mittersta hålet i delen med tre hål. Genom att sidoförskjuta delen med tre hål kan du flytta slangen mellan tryck och sugsidan samtidigt som motsatt sida av flödespumpen är frilagd.
Bilderna nedan visar Ulf Enkvists egentillverkade flödesbänk.




 
Här hittade jag en intressant länk till en ventil som man kan mäta flödesdistrubitionen runt ventil sätet med. Det lilla hålet i tallrikens tätningsyta är genom en ihålig ventilstjälk förbundet med pitotrörets ena uttag. Fungerade väldigt bra och gav en stark signal.

Om du vill läsa mer om flödesbänkar så gå in på tractorsport.com

Jag kommer att lägga ut praktiska exempel hämtade från min egen flödesbänk efter hand.

Till toppen

Tillbaka