Eksosgass og turbin.

Når motoren produserer eksos er summen av krefter fra eksosgassene som virker på turbinbladene det som driver turbinen.
Volumet rundt turbinen er konstant, gasshastigheten ut fra motoren øker linjert med eksosmassen og eksosmengde .  Eksos er et produkt av hvor fort motoren kan overføre energi fra kjemisk PE, kinetisk Eĸ, mekanisk Eᴍ og termisk energi T.

Den absolutte gasshastigheten igjennom systemet er vektorsummen av hastigheten på turbinbladene og den relative eksoshastigheten.
Det er ikke eksosgassens hastighet som direkte påvirker  systemet. Det er kinetiske krefter lagret i den passerende eksosmassen som virker på turbinbladene der vinkelretningen til bladet snur vektorretningen slik at akselen begynner å rotere.
Eksoshastigheten fortsetter å akselerere frem til vektorkrefter i motsatt retning av eksosgassene virker på kraften i den “normale” fartsretningen som driver bladene. Denne motkraften oppstår enten mellom bladene (begrenset areal), eller i rørene før turbinen og eventuelt eksoshuset når hastigheten på gassen blir stor nok.

En annen ting som kan virke på fartsretningen, er dersom eksosrørene har mange vinkler samtidig som eksosen har stor masse og stor hastighet.
Store masser får problemer med å følge rørsidene i rørbendene, fordi vekten gjør at gassen slipper fra rørsidene og da oppstår det og turbulente områder eller såkalte vortexer (virvler). Turbulens forstyrrer eksosens naturlige retning, og gjennomstrømningstiden blir lenger.

  • Siden den totale massen luft som kan passere punkt A til punkt B i et rør er begrenset av tid kan man si at på en rett linje vil grenseverdien for massefløde være:
    «limdt→0 dm/dt=Qm
  • Der Qm er luftmassen og hastigheten på gassen som er ekvivalent med terminologien “gassfløde”  pr tidsenhet.
    (skal man beregne flow langs vinkler eller radier, blir man nødt til å gjøre om formelen til en integral).

En reduksjon av eksoshastighet der massetettheten er stor, betyr at tiden det tar for systemet å forflytte massen øker.
Dermed kan man bruke det kjente uttrykket: “baktrykk” eller eksostrykk, evt trykk fra rester etter en forbrenning.

Ulemper:
Høyt “baktrykk” betyr at det vil  oppstå et overtrykk i eksosen som tilslutt blir høyere enn innsugstrykket.
Når eksostrykket overstiger innsugstrykket vil eksosgassene snu og passere innsuget ved ventiloverlapp (ofte fra -40-+40grader ift 0 på veiv (avhengig av type kamaksler og innstillinger på kamsenter).

Fordeler med mindre diameter:
Høy eksoshastighet ved lav stempelhastighet er at det gir raskere turborespons, fordi kompressoren raskere kommer opp til det området i figuren(kompressorkartet) der den komprimerer luft mest effektivt (minst varmeutvikling). Altså høyere dynamisk VE selv om motoren har lavt turtall, men dette størrelsesforholdet bør være i forhold til motorens parametere, effektivitet og motorvolum. Samt drivstofftype og kjøreregister. En manipulasjon av forholdet mellom turbin og kompressor vil kunne gi en rask ladetid og mindre eksostrykk.

Hva man kan gjøre:
Lyddempere, radier og eksosbend vil alle være med på å påvirke hastigheten. Det å gjøre en rask analyse av den innvendige perforeringen av lydemperene er nødvendig når man lager et eksosanlegg på en turbobil, fremfor å bare montere så stort som mulig. Et godt eksempel på en riktig lydemper er denne fra “burns Stainless”:

Bildets opphav:

PRI 2011: Burns Stainless Turns Sound Into Power

Der perforeringen sørger for å dempe lydresonansen, uten å bremse eksosgassene.
Perforeringen gir friksjonskoeffisienten µ.
Multipliserer du pumpedrivkraften fra motoren med µ Har du motkraften  R. Der R = µN.
Altså friksjonskrefter er ekvivalent med pumpekraften multiplisert med friksjonskoeffisienten.
Det er friksjonskrefter som skaper det kjente ordet baktrykk, sammen med virvelstrømmer i rørbend som hindrer eksos å passere.
Dersom friksjonen blir større enn 1 vil farten være lik null, fordi summen av krefter som virker fra hver sin retning blir lik null.

Normalt sett ønsker man å opprettholde eksosgasshastighet nær motoren,for å kvitte seg med gassene fortest mulig og samtidig spare på energien motoren trenger å bruke for å få ut eksosgassene. Da er det optimale å prøve å redusere diameteren på eksosen i forhold til i enden av et eksosanlegg.
Ettersom eksosgassene beveger seg lengre unna kildens opphav, vil temperaturen synke og massetettheten stige. Ettersom gassen blir tyngre når den kjøles ned.
Fordi bilen ofte har lyddempere og bend fra midten og bakover, vil det være naturlig å øke rørenes diameter. Dette for å redusere eksoshastigheten når temperaturen synker, hastighet er Gassmengde pr tid dividert med rørets Areal.
I tillegg til motstand “R” som ofte  gir et stort pumpetap når hastigheten er for høy, er også en annen faktor for baktrykk at  tyngre eksos vil kunne danne  vortexer (virvler) der rørene krummer, dersom hastigheten er for høy.
En varm og lett gass enkelt passerer med en laminær retningslinje selv om diameteren er mindre.

Konklusjonen:
Det er flere krefter som påvirker en turbin. Kinetiske krefter er masse i bevegelse og er den kraften som virker på turbinbladene. Bladene snur retningen på energien, og skaper derfor en roterende bevegelse. Eksosdiameter er kritisk, ikke for stort og ikke for lite. Det er viktig å bruke litt tid på å velge de riktige komponentene, og kanskje vurdere å spare noen ekstra kroner på kvalitetsdeler. Slik får et produkt som er laget for det du prøver å oppnå med bygget, fremfor å bare høre på en som har dannet seg en teori utifra noen få erfaringer han eller hun har gjort.
Man ønsker å opprettholde en høy hastighet på eksosgassene slik at systemet kan utnytte den kinetiske energien. Det for å trekke med seg eksos motoren produserer, slik at pumpekreftene blir så lave som mulig. Mindre krefter i sving til å drive eksos, betyr mer mekanisk kraft til å drive bilen fremover.

Race Lab AS

 

 

Kilder:
http://www.math.utah.edu/~erin/22101/flux.pdf
http://www.dragzine.com/features/pri-coverage/pri-2011-burns-stainless-turns-sound-into-power/