Kylningsbehov för bensinmotor

[PHermansson]

Kanske fel kategori, vad vet jag... Frågan är i alla fall hur man räknar fram kylbehovet hos en tvåtakts bensinmotor? Om man har en motor med en viss effekt, kan man då räkna ut hur stort vattenflödet i kylsystemet behöver vara för att hålla temperaturen på en viss nivå?

[TomasL]

Teoretiskt ja, problemet är väl verkningsgraden, eftersom motoreffekten oftast mäts på axeln eller ifråga om bil på hjulen, för det mesta.
Om du utgår ifrån bränsleförbrukningen så bör du kunna få fram bruttoeffekten.
Dock för att kunna fastställa flödet i systemet behöver du värmeövergångstal mm dels för motorn och dels för kylaren.

[Norpan]

Vill minnas att det är runt 30-35% ut på axeln, och resten ganska jämnt fördelat mellan avgaser och vatten.

[PHermansson]

Jo jag såg några liknande siffror. Så om vi har 45 hästkrafter i motorn så är det samma sak som 33kW, alltså ska vattnet kyla bort runt 11kW? Rör jag ihop begreppen nu?

[Norpan]

Har du 33kW på axeln så stoppar du i runt 100kW så du har 66kW fördelat på avgaser, vatten, och lite till strålning.
Så en 35kW iallafall, kanske lite mindre beroende på hur mycket som går oförbränt ut i avgaserna iom att det är en tvåtakt.

Edit:
Mängden oförbränt i avgaserna borde nog inte ha så mycket med cylinderkylningen att göra.

[PHermansson]

Nja tänkte mig 33kW totalt, det är inga större motorer jag tänker på. 3 cylindrar, 841 kubik.
Men det har väl eg mindre betydelse. Hur går man vidare om man vet hur mycket effekt vattnet ska kyla bort?

[TomasL]

Enklaste är väl att göra en test.
Ta en vattenslang, mät flödet och temperaturhöjningen på vattnet du spolar igenom, då får du fram effekten.

Det verkliga flödet, dvs det som den interna vattenpumpen skall pumpa beror helt på kylet.

[xxargs]

bensinmotorer har inte 35 % verkningsgrad - snarare runt 25% verkningsgrad och ännu lägre om det är tvåtaktare - personbilsdieslar kunde ligga på ca 35% och lasbilsdieslar runt 42%.

[blueint]

Vill minnas att det är P_effekt = massflöde * specifik_värmekapacivitet * temperatur_differans

Sen får man räkna med en viss temperaturdifferens inom motorn. Om kylaren är 40 °C. Så kanske motorns känsliga delar är +20 °C.

(Borde väl egentligen räkna i Kelvin men men.. )

[Glenn]

Sen är ju inte flödet i sej själv så intressant, det beror ju på hur mycket du lyckas sänka temperaturen på kylmediat också, du har sällan
tillgång till något som kan ta ner kylvätskan till omgivande temperatur (plus nån grad) alt tillräckligt mycket kylmedia innan den ska in igen.

Du har ju flöde, hastighet och kylförmåga.

Sen går ju en hel del ut i avgaserna, och kylning sker även från motorblock/grenrör/osv ut i luften, samt till viss del kylning genom bränsle/luftblandningen.
dessutom sker ju en del av kylningen via oljan på en ottomotor, men på en tvåtaktare är det väl inte så för det mesta.

Med andra ord, en uträkning kommer bara bli en slags uppskattning, och sen får man ha en marginal mot worst case scenario.

[xxargs]

skall man bedöma värmeproduktionen så mäter man temperatur inkommande kylmedie och temperatur på utgående kylmedie samt hur mycket i volym per tidsdel. - sedan spelar det inte så stor roll om det är 20 grader inkommande och 40 grader utgående eller om det är 40 grader inkommande och 60 grader utgående så länge man också vet volymen per tid.

Dock stämmer inte siffrorna om man tokör båtmotorn i en stor tunna fylld med vatten och mäter temphöjningen då både kraften från motoraxeln omsätts i värme (vispar runt i vatten) och avgasvärmen värmer - här måste man isåfall låta kylvattenslingan gå i en egen större känd mängd vatten och där mäter hur fort vatten värms upp per tidsdel vid olika pådrag.

värmekapaciteten vatten är ca 4.2 kJoule per grad och och kilo vatten (1.166 Wh/grad C/kg vatten).

Det här att bränslet kyler när det förgasas är inte att förakta - motorer som kör på metanol (läs speedway och modellflyg) så är bränslemängden står stor och dess förgasningsvärme så hög att dessa motorer bara behöver minimal extra kyning...

[PHermansson]

Ja det är nog så att det här inte är helt enkelt att räkna ut
Man kanske kan räkna ut ett ungefärligt värde på hur mycket vattnet värms upp av motorn, där vet vi effekten i motorn och på ett ungefär hur mycket som avges till kylvattnet.
Men detta gäller då bara när motorn utvecklar full effekt.
Eftersom det handlar om en bil med instruktionsbok vet vi också kylvätskemängden. Det som är okänt är flödeshastigheten och kylförmågan, och den sistnämnda blir nog svår att räkna ut (då måste man väl veta arean i kylet mm?)

Så det enklaste är nog ändå ett praktiskt experiment. En vattenslang in i kylsystemet, en hink vid systemavtappningen. Sen körs motorn på fullvarv en bestämd tid.

Men hur gör man tex när man ritar en bilmotor? Kan iofs tänka mig att på denna bil som ritades på 50-talet användes erfarenhet, praktiska tester samt 'vi tar i lite extra så räcker det'.

[idiotdea]

Kan någon förklara hur det skulle påverka om ett bränsle har hög förgasningsvärme? Vid fullständig förbränning skall ändå allt bränsle förgasas. Och den energi (värme) som avges vid förbränning är endast beroende av produkterna och reaktanterna, d.v.s. det har ingen skillnad om om bränslet förgasas före det förbränns eller om det förbränns direkt i vätskefas (om det senare ens är möjligt).

Det borde gå att räkna ut kylbehovet om du känner till avgasernas temperatur. Hur kylkanalerna skall utformas för att "täcka" detta kylbehov är sedan betydligt värre att veta. På 50-talet skulle jag gissa på att det långt var trial-and-error som gällde, men det borde ha varit möjligt att göra vissa ofullständiga/överslags -beräkningar med den teorin för värmeöverföring som fanns då. Idag skulle jag (igen) gissa på att man använder CFD (computational fluid dynamics) för att simulera värmeöverföringen, men att man ändå utgår från tidigare erfarenheter när man designar kylkanalerna.

[hecke]

Jag törs nog påstå att man än idag använder en hel del beräkningar som är baserade på empiriskt uppställda samband utifrån kalibrerade mätdata. CFD har inte kommit så långt så att man törs lita på det till 100% när man har mer avancerad värmeöverföring. Är dock inte helt hemma på kylning av en bilmotor, mer på kylning av andra "motorer".

[xxargs]

Kan någon förklara hur det skulle påverka om ett bränsle har hög förgasningsvärme? Vid fullständig förbränning skall ändå allt bränsle förgasas. Och den energi (värme) som avges vid förbränning är endast beroende av produkterna och reaktanterna, d.v.s. det har ingen skillnad om om bränslet förgasas före det förbränns eller om det förbränns direkt i vätskefas (om det senare ens är möjligt).

termodynamik är inte lätt...

Visst om om man ser det som en svart box där man pytsar in lite bränsle och luft, tänder på i någon okänd process och sedan mäter vad som kommer ut så...

skall man göra om bränsle energiinnehåll till något annat än värme så börja timingen och olika status som volym och tryck i rätt ordning bli viktiga om det skall bli något annat än just värme som slutresultat.

tex. så är det inte direkt till någon nackdel om bränsledimman förgasar under insugningstakten och håller insugningsluften kall och den vägen suger in mer luft/bränsle massa i insugningtakten, vidare att det dunstar vidare och håller gasen kall under själva kompressionsslaget, vilket gör att det går åt mindre arbete för själva kompressionsslaget än om det bara hade varit 'vanlig' luft som går het under kompressionsslaget. Det är nog insugningsfasen som står för den största kylverkan på metanolmotorer som modellmotorer och speedway-motorer (och även inom dragracing)

Stökiometriskt utblandningsförhållande i luft så har bensin 14.1/1 Luft/Bränslevikt och ca 2.71 MJ energi per kg luftbränsleblandning , metanol har 6.1/1 L/B och 3.03 MJ/kg och etanol har 9.0/1 L/B och 2.97 MJ/kg - dvs. metanol och etanol borde ge något varmare låga än bensin när det brinner perfekt utblandat och ge högre tryck i motorn och är förmodligen en av orsakerna till att det är populärt inom turbo och dragracingsporten. Sedan har både bensin och etanol samt metanol tendens att ge ännu lite högre medeltryck när motorerna kör på fet blandning, ca 10% på bensin och upp till 25% viktmässigt över stökiometri för metanol och etanol och det är därför man tycker att det ser ut som att man häller i bränsle i cylindrarna och det stänker ut oförbränt dito i avgaserna när det gäller dragracing - då förstås på bekostnad av verkningsgraden

metanol har ångbildningsvärme av 1110 kJ/kg
etanol har ångbildningsvärme av 841 kJ/kg
bensin har ångbildningsvärme av 305 kJ/kg
(vatten har ångbildningsvärme av 2260 kJ/kg)

Med 6,1/1 blandning luft/metanol så är det 0.192 gram metanol och 0.977 gram luft per liter förgasad bränsleluftblandning. Metanol har värmekapacitet av ungefär 2.5 kJ/kg och luft ca 1 kJ/Kg - med siffrorna ovan så blir det 0.192*2.5 + 0.977 * 1 = 1.46 joule i värmekapacivitet per liter luft/bränsleblandning och med 1110 J/gram etanol * 0.192 gram = 213 Joule förångingsvärme per lite bränsleluftblandning och 213 Joule / 1.46 Joule per liter och grad => 146 graders temperatursänkning om allt förgasar på egen hand utan tillskottsvärme.... då metanol har 3.03 MJoule energi vid förbränning per kg bränsleluftblandning och färdigblandade densiteten antas här 1.1686 gr/liter som exempel så ger det 3540 Joule per liter bränsleluftblandning och med 1.46 joule per grad så ger det en temperaturhöjning av 2424 grader när det brinner (låter lite högt, men värmekapaciviteten ändrar sig lite med temperaturen så i verkligheten är nog lågan lite svalare - eller så har jag missat någon viktig parameter) 3540 Joule per liter bränsleluftblandning genom 213 Joule i förångningsvärme gör att förångningsvärmen står för ca 1/16-del av metanolets energiinnehåll (etanol 1/29-del och bensin ca 1/73-del har jag sett någonstans - men inte själv räknat ut)

- inte underligt att metanolmotorena kyler sig själva väldigt bra...

reservationer att jag räknat fel här samt inte har tagit med alla detaljer i resonemanget...


Men detta betyder inte ur praktisk synpunkt att det alltid är bra att luften kyls samtidigt som det komprimeras - dieslar så vill man inte kyla luften för mycket då den kanske inte längre tänder den senare insprutna bränslet. Gasturbiner så förvärmer man ibland insugningsluften eller någon kompressions-mellansteg med avgaserna från turbinen och den vägen ger lite högre verkningsgrad trots högre temperatur och tryck etc. - dvs. det finns många parametrar att skruva på och det handlar mycket om att kyla, kompression, uppvärmning och expansion måste göras i rätt ordning och tidpunkt - annars blir det bara uppvärmd luft till mindre nytta