Topplocksverkstans Logga




Nu är det dags att ta tag i fyrtaktssidan. Här är det tänkt att jag ska visa allt jag kan komma på som har med trimning och justering av fyrtaktsmotorer att göra. Maila gärna in saker ni undrar över. Jag har även färdiga bilder på kaminställning och ventiljustering som kommer ut så fort jag hinner. Bilden till vänster är på John, en av Ebos supermekaniker. Om du ber honom riktigt snällt kan du få hur många hästar som helst med hjälp av hans magiska korrigerringsfaktor.






Det har blivit vanligt med andra ventilvinklar än 45° på racingtoppar med höga ventillyft. Många trimmare spärrar sina sätesstål, varför vet jag inte. När jag skulle renovera ett par Prostock toppar fanns det inga 55° stål som inte var spärrade. Jag fick rätt vinklar av firman som portat topparna, gjorde en ritning och beställde stålet. Efter nästan 3 månader fick jag det slutligen. Jag har inte spärrat stålet och det går att beställa från Trego maskin. Stålets beställningsnummer är 4650. Fördelen med brantare sätesvinkel än 45° är bättre flöde vid höga lyft, sämre flöde vid låga lyft vilket ger mindre reversion samt att ventilen inte har lika lätt att studsa i sätet vid stängning.

 

Jag ska här försöka förklara fyrtaktsmotorns funktion.
Enklast är att börja med kompressionstakten. Insugsventilen har precis stängt och kolven är på väg mot ÖD. Bränsle luftblandningen komprimeras och när kolven närmar sig topplocket skapar klämspalterna kraftiga virvlar i förbränningsrummet.

                                                                                                                                        
                                                                                 

                                                       
                                                                                                                                        
                                                                                                                                        
                                                                                                                                        
                                                                                                                                        
                                                                                                                                        
                                                                                                                                        


   Förstora
Runt 35° före ÖD antänds bränsle luftblandningen av en gnista från tändstiftet. Tändpunkten före ÖD beror på hur effektivt förbränningsrummet är, ju bättre förbränningsrum desto mindre förtändning. Ett centralt placerat tändstift ger flamfronten kortare väg till förbränningsrummets bortersta del. Klämspalterna virvlar in bränsle-luft blandningen mot tändstiftet och exponerar på så vis en större yta mot flamfronten vilket gör att förbränningen går snabbare. Dessutom kyler klämspalterna ändgaserna vilket gör det svårare för dem att självantända. Det gäller att inte få för stor tryckstegring före ÖD eftersom det ger ett negativt arbete. Efter ÖD ökar trycket till ett maximum vid runt 16° efter ÖD för att sen sjunka allt eftersom kolven rör sig mot ND.
                                                                                                                                                                                                      
                                                                                                                                                                                                      
                                                                                                                                                                                                      
                                                                                                                                                                                                      
                                                                                                                                                                                                      

                                                  
                                                  
                                                  
Ca 90° före ND öppnas avgasventilen och avgaserna rusar ut under högt tryck. Från att avgasventilen öppnar till ND kallas på engelska "blow down" fasen. Mesta delen av avgaserna ska då ha lämnat cylindern för att man inte ska få en pumpningsförlust när kolven går mot ÖD. Fasen när kolven går från ND till ÖD kallas för pumpningsfasen. Maximalt lyft på avgasventilen uppnås inte förrän efter ND så ett högt flöde på mellanlyft är viktigt. När avgasventilen öppnar så rusar avgaserna som har en massa ut i primäravgasröret. Förutom detta så rör sig en finit amplitud ljudvåg med ljudets hastighet bort genom primärröret. Vid varje areaförändring kommer denna ljudvåg att reflekteras. Blir arean större reflekteras tryckvågen tillbaka som en undertryckspuls samtidigt som tryckpulsen fortsätter vidare i röret. Tanken är att denna undertryckspuls ska nå förbränningsrummet lagom tills insugningsventilen ska öppna. Ett sånt här avstämt avgassystem fungerar bara på vissa varvtal. På vissa varvtal kommer istället en tryckpuls till förbränningsrummet när insug ska öppna. Detta går att åtgärda genom att man förutom ett primärrör även har ett sekundärrör och ser till att sekundärröret ger en undertryckspuls när primärröret ger en tryckpuls. På så vis tar pulserna ut varandra. Alla moderna fyrcylindriga motorcyklar har 4-2-1 rör som fungerar efter denna princip. Förutom pulserna hjälper avgasernas massa till att tömma förbränningsrummet och därför är rätt rördiametrar viktiga. Fasen när insug och avgas har öppet samtidigt kallas för överlapp. Ju större överlapp och därmed högre lyft på insug och avgas ventilen runt ÖD desto viktigare blir det med ett rätt avstämt extraktorsystem. Insugningstakten börjar med rörelse och pulsenergin som skapas av avgastakten.


                                                  
                                                  
                                                  
                                                  
                                                  
                                                  
                                                  
                                                  
                                                  
                                                  
                                                  
                                                  
                                                  
                                                  
När insugningsventilen öppnar så vill man att trycket i insugningskanalen ska vara högre än trycket i förbränningsrummet så att insugningsgaserna rusar in i cylindern. När kolven rör sig bort från ÖD skapas en undertryckspuls som rör sig upp genom insugningskanalen, Är insugningskanalens längd rätt avstämd ska denna undertryckpuls reflekteras vid trattkanten och återkomma till insugningsventilen som en tryckpuls innan denna ska stängas. Genom att använda denna tryckpuls och genom att ha rätt dimension på insugningskanalen kan man få en dynamisk överladdning och uppnå mer än 100% volumetrisk verkningsgrad. Insugningskanalens diameter är viktig, är den för liten blir det pumpningsförluster och är den för stor så får gaserna för lite rörelse energi. Ju senare insugningsventilen stänger efter ND desto högre hastighet krävs för att övervinna cylindertrycket. Insugnings takten består av två olika faser. Från att insugningsventilen öppnar före ÖD och till ND så drar först avgaserna igång flödet och efter det är det undertrycket som kolven skapar när den är på väg ner från ÖD som sätter insugningsgaserna i rörelse. Efter ND så är insugningsflödet beroende av rörelse energin i kanalen samt av tryckpulsen för att hålla trycket högre i insugningskanalen än i cylindern. På lägre varv går det inte och då får man reversion. Det finns två olika pulsfenomen i insugningskanalen, ett när ventilen är öppen och ett när den är stängd. Den först pulsen sätts igång av att kolven rör sig bort från ÖD. Det är en undertryckspuls som reflekteras mot insugets öppna ände som en tryckpuls. När denna tryckpuls når insugningsventilen när den håller på att stängas reflekteras den tillbaka som en tryckpuls mot insugets öppna ände. Där reflekteras den tillbaka som en undertryckspuls och rör sig ner i kanalen mot den stängda insugningsventilen för att där reflekteras tillbaka som en undertryckspuls. När en puls reflekteras mot en öppen kanalände reflekteras den tillbaka med motsatt tryck, dvs. en undertryckspuls reflekteras som en tryckpuls. Mot en stängd kanalände reflekteras pulsen tillbaka likadant som den kom, dvs. en undertryckspuls reflekteras som en undertryckspuls. För att ha nytta av de här pulserna så dimensionerar man längden på insugningskanalen så att en tryckpuls kommer till insugningsventilen när den ska öppna. Pulserna kommer att ha studsat fram och tillbaka flera gånger. Det är svårt att utnyttja första och andra gången tryckpulsen kommer tillbaka eftersom det ger ett väldigt långt insugningsrör. Istället försöker man att använda tredje och fjärde pulsen. Eftersom pulserna blir svagare efterhand så ger pulserna mindre och mindre tryck i kanalen för varje högre reflektion och därför mindre hjälp att fylla cylindern.
                                                                                                                                                                                                      
                                                                                                                                                                                                      

 

 

 

 

Bilden ovan till vänster visar insug och avgas olika fasers tidareor.
1. Blow down fasen. Fast avgasventilen inte når fullt lyft så evakueras större delen av avgaserna under den här relativt korta delen av avgastakten pga. det höga cylindertrycket.
2. Avgaspumpningsfasen. Kolven trycker ut resten av avgaserna. I ett mach diagram kan man se att avgasernas hastighet ökar över ventilsätet mot slutet av pumpningsfasen när ventilen stänger. Har man inte blivit av med tillräckligt mycket avgaser får man pumpningsförluster och motorn tappar effekt vid högre varvtal. Då måste man antingen öka flödet eller öppna avgasventilen tidigare.
3. Överlappsfasen. Här stänger avgasventilen samtidigt som insugningsventilen öppnar. Avgaserna som har lämnat cylindern har accelererats i primärröret. Dessa gasers rörelseenergi hjälper till att dra ut de sista restgaserna ur förbränningsrummet. Nu är det viktigt med en undertryckspuls från avgassystemet och en övertryckspuls från insuget för att få igång gasflödet in i cylindern.
4. Insugningspumpningsfasen. Den nedåtgående kolven skapar ett undertryck i cylindern vilket gör att atmosfärstrycket fyller på cylindern genom insugningskanalen. Samtidigt rör sig en undertryckspuls upp genom insugskanalen. Det är nu gasmassan i insugningskanalen sätts i rörelse så att den ska kunna fortsätta strömma in efter att kolven har vänt vid BDC.
5. Den dynamiska laddningsfasen. Nu ska rörelseenergin i insugningskanalen övervinna det ökande trycket i cylindern fram tills dess att insugningsventilen stänger. Samtidigt har undertryckspulsen reflekterats mot insugets öppna ände och med rätt insugningslängd kommer den som en tryckpuls när ventilen ska stänga. Detta fungerar bara på de varvtal insuget är avstämt till. Om trycket i insugningskanalen stiger mer än trycket i cylindern så ökar flödet in i cylindern mer än vad ett flödestest visar. En data simulering av motorn i Dynamation visar tryckskillnaderna mellan kanalerna och cylindern. Det är tryckskillnaden som flyttar gasen och flödet är direkt proportionellt mot roten ur tryckskillnaden. Tryckpulsen kommer att reflekteras mot den stängande ventilen och insugningsrörets andra pulsrörelse sätter igång.
Nedan ska jag visa hur man dimensionerar insug och avgassystem.

 

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:

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 insugstemperatur på 25° C 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 = 9029.35

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 insugskanalen 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.

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. 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
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.

Gashastigheter för beräkning av insugningsareor

Under julhelgen har jag haft tid att läsa igenom tidningar och böcker. Dessutom har jag mätt areor och räknat på toppar jag har liggandes. Jag har funderat på hur jag på ett enklare sätt ska kunna beskriva gashastigheten genom motorns kanaler. Enklast är att beräkna medelhastigheten vid max effekt och max varvtal. Först räknar man ut motorns kolvmedelhastighet: Slag i mm x 2 x varvtal / 60 x 1000. Kolvmedelhastigheten mäts i meter / sek och 60 används för att omvandla varv / min till sekunder och 1000 används för att omvandla mm till meter. Nästa steg är att räkna ut areaförhållandet mellan tex. cylindern och porten: Cylinderarea / Portarea. Eftersom pi används i båda areorna kan det förkortas bort, radien är halva diametern:
Kanalmedelgashastigheten = (Slag i mm x 2 x RPM x Cylinderradien²) / (60 x 1000 x Kanalradien²)

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. För att räkna ut minsta portarean kan du använda formeln:
Minimum portdiameter i mm = 2 x roten ur (slag i mm x 2 x RPM x cylinderradie²) / (60 x 1000 x önskad kanalmedelgashastighet (110 m/sek))
Minimum portarea i mm² = (Slag i mm x 2 x RPM x radien² x pi) / (60 x 1000 x 110)

Jag ska själv läsa igenom detta stycket ett par gånger och sedan redigera det efter hand. Maila gärna era synpunkter till mig Mvh Erland.
      
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.

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:


CA=(Borr x Borr x Slag x RPM x 0.001808) / FPS

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 volumetrisk verkningsgrad på ungefär 120% vilket är i närheten av vad en högeffekts motor har i volumetrisk verkningsgrad. Jag ska lägga in volumetrisk verkningsgrad i formlerna så fort jag har räknat på det.

RPM = (FPS x CA) / (Borr x Borr x Slag x 0.001808).
FPS = (Borr x Borr x Slag x RPM x 0.001808) / CA.

Gashastigheten i formeln nedan gäller för ventilbegränsade 2-ventilsmotorer. Gashastigheten är den hastigheten man får i strypningen under ventilsätet. För att beräkna minsta storlek på insugningsventilen används denna formel:


RPM är varvtalet motorn ska dra till, tex. 1000 varv högre än max effekt.
CID är motorns slagvolym i kubiktum. 1 kubiktum motsvarar 16.39 kubikcentimeter. 314.5 är kanalhastigheten i fot / sekund. Använd en lägre hastighet för sämre toppar. Ju bättre form och rakare väg en kanal har desto högre gashastighet klarar den. För diametrar och areor på flerventilstoppar beräkna arean och dela med antalet ventiler.
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 lika stor som 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.

      

Precis som med insug så är det viktigt att bestämma längd och diameter på avgassystemet. Avgassystemet är mer komplicerat än insugningssystemet pga. variationer i tryck och temperatur mellan kompressionspulsen och expansionspulsen. Det tar expansionspulsen över 7 gånger så lång tid att återvända till avgasventilen som det tar för kompressionspulsen att nå kollektorn. När man designar ett avgassystem så är målet att minska insugningssvackorna och förstärka insugningspulserna. Medelavgastemperaturen fås genom att mäta temperaturen mitt mellan avgasventilen och kollektorn. Det är inte lika enkelt att beräkna ett avgassystem som ett insugningssystem eftersom avgasformeln är beroende av amplituden på kompressions och expansionsvågorna i avgassystemet. Amplituden på dessa vågor är beroende av motorns BMEP, motorns medeltryck och också på förhållandet mellan grytan under avgasventilens och primärrörets storlek. Bäst är att göra en beräkning som man sätter in i ett simulationsprogram typ Dynamation och sen ändra längderna åt bägge hållen. När det gäller kollektorn så beror längden på antal cylindrar och tändföljden. En vanlig rak fyrcylindrig motor har jämn tändföljd med 180 ° mellan pulserna medan en Amerikansk V8 har ojämna tändpulser med 270°, 180° och 90° mellan pulserna. Till en V8 brukar man stämma av kollektorn så att kollektorns returpuls förlänger undertryckspulsen så att röret blir avstämt till ett bredare register. Till motorer med jämn tändföljd kan man förstärka primärpulsen med sekundärpulsen. Primärrörets längd beräknas med formeln:

Primärrörslängden = primärrörsavstämningsfaktorn (205800) x roten ur (medelavgastemperaturen + 273) / varvtalet som primärröret ska stämmas av till.

Medelavgastemperaturen är beroende av motorns effektivitet. Högre kompression och högre effektivitet ger lägre avgastemperatur. En bra gissning är 500° - 550° C. En bra utgångspunkt för primärrörets diameter ut från toppen är 5 - 10% större area än avgasventilen. Där primärröret går in i kollektorn bör det vara samma area som avgasventilens mantelyta vid fullt lyft eller större. Mantelyta = Ventildiameter x pi x ventillyftet. För att beräkna längden på kollektorn till en motor med jämn tändföljd och få kollektorns undertryckspuls att återvända samtidigt som nästa primärrörspuls kommer används formeln: Kollektorlängden = kollektoravstämningsfaktorn (900000) x roten ur (medelavgastemperaturen + 273) / antal cylindrar x varvtalet som kollektorn ska stämmas av till.
För att få en effektiv reflektion på primärrörspulsen vid kollektorn krävs en ökning av arean till 6 gånger primärrörsarean. Förhållandet mellan primärrörens areor och kollektorns area kan skrivas så här:
Kollektorareaförhållande = (( antal cylindrar - 1) x primärrörsdiameter²) + kollektordiameter² / primärrörsdiameter²
För headerserna som sitter på min Mustang med 2.5 tums primärrör och 4.5 tums kollektor ser formeln ut så här: ((4 - 1) x 2.5²) + 4.5² / 2.5² = 6.24. Egentligen ska man använda innermåtten men detta är bara ett exempel. Det kommer mer avgasrörs information och fler räkneexempel från riktiga motorer längre fram.

Burns Stainless gör riktigt fina avgaskomponenter.

Fortsättning följer...

För fler formler gå in på Wallace Racing.






Eftersom det är enklast att testa och utveckla på en encylindrig motor så börjar jag med trimning av en 125cc "kinacross". Jag har portat några toppar och fått lite feedback på hur motorerna har fungerat. När det gäller bottendelen av motorn så har vi monterat innerotortändning och på andra sidan vevaxeln har vi lättat oljeutkastaren. Vissa motorer har kopplingen direkt på vevaxeln men de har jag inte sysslat med än. Kopplingen har börjat slira vid högre effektutag men det finns kit med fler lameller och hårdare kopplingsfjädrar. Den kamaxel vi har använt är en som Josun har testat fram och det ska vara en av de bästa på marknaden. Jag kan direkt säga att jag vill ha mer insugningslyft och jag får se om det går att få fram en specialtillverkad kamaxel längre fram. Dessa motorer ska användas till att köra cross och motard med vilket gör att det krävs ett brett effektregister.








När man portar en topp så är det mycket lättare att se hur kanalen ser ut om man gör en avgjutning. Jag använder en massa som vanligtvis används av tandläkare. Jag fick en spann av en kund. Jag kommer inte ihåg vem han var men tack så mycket, det funkar jättebra ! Massan tar bara 2.5 min för att härda så det är snabbjobbat. Det är till stor hjälp framför allt när man ska slipa korta radien. Det är svårt att se vilken vinkel man har mot ventilen bara genom att titta ner i kanalen. Denna massan blir ganska hård när den härdat så den fungerar inte i toppar med stora instickande styrningar. Där använder jag siliconmassa istället.











Denna topp har 27 och 23mm:s insug och avgasventiler. Det gäller att få en lång och jämn radie mot insugningsventilen. Titta på bilderna av avgjutningarna, insugningskanalen är plastad både i golvet och taket för att få rätt form och storlek på kanalen. Insug ska kona ner hela vägen från förgasaren till ventilstyrningen och sen kona upp mot sätet så att man på det minsta stället får en gashastighet på max 320 fot/sekund mätt vid 28" tryckskillnad. Under 270 fot/sekund ger för lite kinetisk energi på gasmassan och över 320 fot/sekund ger både för hög gashastighet över korta radien och pumpningsförluster. Om man vet flödet på en kanal och minsta tvärsnittsarean så kan man räkna ut gashastigheten med den här formeln:
2,4 x cfm vid 28 tum vattenpelare / tvärsnittsarean i kvadrattum = Gashastigheten i fot per sek.
Observera att ovan angivna hastigheter endast får dig i närheten av idealet.
För optimering krävs test efter test i en bromsbänk. På den här toppen blir kanalstorleken i flänsen mot insug ungefär samma som ventilstorleken. Storleken under bottenvinkeln på sätet är 90% av ventilens diameter.

















På avgassidan är radien från ventilsätet ut mot kanalen alldeles för snäv och jag skulle gärna vilja svetsa upp golvet men det är en liten trång kanal så jag vet inte riktigt hur jag ska komma till med svetsen. På avgassidan ska man också helst ligga runt 300 fot/sekund i gashastighet jag har bara kommit upp i runt
250 fot/sekund eftersom kanalen svänger så snävt. För avgaskanaler i övrigt gäller att de max får kona upp 11° totalt annars får man flödesförluster pga. virvelbildning. Med 45° ventilsätesvinkel är 90% av ventilens diameter lämplig storlek på venturin under sätet. Avgasporten ut mot grenröret brukar ligga på 105-110% av avgasventilens diameter. Avgasgrenrörets area där det mynnar ut i kollektorn eller ljuddämparen skall vara större än avgasventilens mantelyta vid max lyft. Samma formel som på insug ger dig diametern. En motor med låg kompression kräver bättre avgasflöde än en motor med hög kompression beroende på att man kan öppna avgasventilen tidigare på högkompressions motorn. Man kan då använda mindre avgas och större insugsventil.













Kompressionen med 27-23 toppen ligger original på runt 9:1. Det finns mycket effekt att tjäna på att öka kompressionen och det är bla därför de här motorerna svarar så bra på slagvolymsökning. Ska man hålla sig under 125cc är det ganska svårt att få hög kompression. Jag har gjort flera toppar med igensvetstade förbränningsrum, den första är den till höger. Förbränningsrummet håller 15cc från början och det är svårt att komma ner under 12cc utan att plana mycket. Det gäller att minimera klämspalten, jag har lagt mig på 0.6mm. Detta åstakommer jag antingen med tunnare packningar eller genom att fräsa av cylindern. Det är extra viktigt att kolla frigången mellan kolv och ventil när man planar. Frigången kollar jag med modellera. På topparna med små ventiler måste man även kolla frigången mellan insug och avgas ventilerna.












Toppen till vänster har jag svetsat igen förbränningsrummet på och den är dessutom planad 1mm. Förbränningsrummet håller nu under 11cc. Svetsningen har dock inte varit helt problemfri. Först lossnade avgassätet efter start. Jag monterade ett 0.15mm större säte i hålet och sen provade vi igen. Då lossnade insugningssätet. Jag tryckte i ett 0.15mm större säte även här och nu verkar de sitta, time will tell... Det går att få en topp omhärdad efter att den har blivit svetsad men det är sällan det behövs. Jag har funderingar på att tillsammans med Mats Clementz ta fram en billet topp. Han har tidigare tagit fram en Husaberg topp så han har både kunskapen och erfarenheten. Husaberg motorn lämmnar för övrigt över 75 Hk från 650cc i sitt nuvarande utförande. Mats och jag skall under vintern vidareutveckla Husaberg motorn och förhoppningsvis även ta fram en Fiddy topp.











Diagrammet till vänster visar flödesvärdena från en Lifan topp med 27-23mm ventiler standard och portad. Diagrammet till höger är från Ebos bromsning av Mats Törnquists Fiddy. Denna motor har fortfarande standard kompression på 9:1. Josun har med en av mina toppar fått ut 16.4 Hk. Även han har bromsat hos Ebos.







Till vänster är bromsdiagrammet från den svetsade Fiddy toppen. Tyvärr blev topparna för mjuka av svetsningen så sätena lossnar efter ett tag. Ska man svetsa så måste man tydligen härda om topparna. Josun har tagit hem lite kolvar som ger högre komp istället. Jag har lyckats att få lika mycket effekt med ett standard förbränningsrum. Det som måste till för att få ut mer effekt är en kam med mera lyft.

Fortsättning följer...

Om du vill läsa mer om fyrtaktsteknik så gå in på speedtalk.com

Till toppen

Tillbaka till tekniksidan