CFD analyse av ulike eksoskombinasjoner på turbomotor.

Siden jeg har sett så mye forskjellige teorier på eksosoppsett i det siste så brukte jeg litt tid på å gjøre noen egne simuleringer i Siemens Star ccm+ CFD. Programvare for å simulere ulike væsker og gasser eller akustikk i rom.

Første steg var å sette noen startbetingelser for simuleringen, betingelsene er antagelser hentet fra reelle data:

1. En rask beregning av termisk virkningsgrad for en ideell otto syklus på en motor med kompresjonsforhold 9:1

2. Så finne hvor stor luftmasse ca 1000hk tilsvarer. Her brukte jeg et flowkart fra en kjent Garrett turbo.

3. Konvertere amerikanske units til kg luft/sekund.

tilføre drivstoff i kvanta en kg drivstoff pr 12 kg luft.

(AF: 12:1)

4. Beregne hvor mye restgass som blir igjen etter en forbrenningsyklus ved å estimere ved hjelp av beregnet effektivitets grad.

5. Legge til 54% mer restgasser pga praktiske forhold (sen tenning, dårlig forbrenning, annet type drivstoff osv) Ingen skal påstå at ikke det er simulert med nok eksos. 

6. Sette eksostemp ved utgangen til turbinhjul til 750 grader celcius 1023Kelvin.

1atm ~ 103Kpa Startverdi. Slik at trykket i sim er overtrykk over 1atm.

Lage noenlunde like radier og lengder i tegningene.

Lage noenlunde like gitter for å beregne numerisk strømning. Eksosanlegget består kun av rakt rør, dvs det er ikke tatt hensyn til bend eller potter. Dette kan man trekke logiske konklusjoner av ved å se på utgangshastigheten til rørene. Senker man farten for å svinge eksosen eller dempe lyd øker trykket i systemet. Vi er derfor opptatt av så lavt mottrykk som mulig, men også det å holde temperaturen høy og farten relativt lav slik at ikke trykket øker dersom man setter på bend og lyddempere.

Resultatet:

3″ hele veien < 4″Downpipe og 3″ eksos

4″Downpipe og 3″ eksos < 3″ downpipe og 4″ eksos

  • Ved bruk av 3 ” eksos hele veien ble det høyeste simulerte mottrykket ca 0.8bar overtrykk.
  • Ved bruk av 4″ downpipe og 3″ eksos sank mottrykket til 0.45bar noe som er fordelaktig, problemet her er at hastigheten ut av røret og evt inn i et bend eller en lyddemper er supersonisk med over 400m/s, dvs den har passert lyd-farten ved romtemp . En potte eller et bend som reduserer farten vil skape økt mottrykk i eksosen.
  • Ved bruk av 3″ downpipe og 4″ eksos sank mottrykket til sub 0.3bar Max, og 0.18bar ved turbin. Hastigheten i utgangen av røret sank til ca 200m/s dvs sub sonisk, eksostemperaturen er fortsatt relativt høy med ca 600-650 grader celcius ved utgangen og eksosen klarer fint å passere lydfeller eller bend.
  • Tallene oppgitt er simuleringstall for å finne ut forskjellen på de ulike størrelsene. Faktisk baktrykk målt i ekte omgivelser vil ha endel variabler som kan endre resultatet. Noen eksempler på deler og tilstander som påvirker resultatet er: Type Lyddempere, lengden på eksosanlegget og hvor mange bend det har. Termisk effektivitet varierer med turtall fordi kompresjonen er dynamisk. Dette er fordi fyllingsgraden vil variere med turtall som en direkte konsekvens av valg av kamaksler og åpne/lukke tider på ventilene. Testen viser derfor en konkret sammenheng mellom Trykk, hastighet og de ulike rør størrelsene uten forstyrrende variabler.

Neste simulering blir av forskjellige lyddempere. Både baflet og perforerte.

Start betingelsene blir resultatene av simuleringene gjort nå slik at man kan se at hypotesen stemmer. Dette er også noe jeg har erfart når plassen har vært trang da jeg har bremset ~ 500whp med 30%metanolholdig bensin på 2″ downpipe og 3″ eksos samtidig som baktrykket var lavere enn ladetrykket.