Vermogen door het putje

Vermogen door het putje

Vaak wordt onder tuning verstaan "het zo veel mogelijk vermogen uit een motor halen". Niemand zal dit ontkennen. Als dit nu vanuit een ander perspectief wordt bekeken zou je ook kunnen zeggen: "zo veel mogelijk proberen de verliezen te beperken".
Vanuit een tuningsoogpunt is dat de meest interessante kijk op het probleem. Het geeft namelijk inzicht in de oorzaak van de motorverliezen en waar ze zich voordoen. Hierdoor is het mogelijk om een goed idee te krijgen welke aanpassingen er gedaan moeten worden om zoveel mogelijk vermogen te kunnen behouden.

Meer concreet: Elke motor heeft en potentieel vermogen dat gelijk is aan de energetische waarde van de brandstof die wordt toegediend bij het maximum toerental.

Als voorbeeld nemen we een MGB 1,800 met een compressieverhouding van 10.5:1 en een maximum toerental van 7250rpm. De motor zal op dit toerental 391.5 m3/uur aan lucht nodig hebben. Met een soortelijke massa van 0.0289 kg/mol is dit een behoefte van 505.1 kg lucht per uur.

Als wordt uitgegaan van de standaard stoichiometrische verhouding van 14.7:1 volgt een brandstofbehoefte van 34,4 kg/uur, oftewel 46.5 liter per uur.
De energetische waarde van benzine wordt uitgedrukt in BTU (British Thermal Unit) en bedraagt 30,158.73 BTU/liter. Wanneer we dit vermenigvuldigen met het brandstofverbruik per uur is de totale hoeveelheid toegevoerde energie ruim 1.4 miljoen BTU/uur. Dit staat gelijk aan 551 pk!

Onze MGB 1800 heeft dus een potentieel vermogen van 551 pk!!

Een geweldig uitgangspunt maar laten we niet te snel juichen. De standaard otto-cyclus is verre van perfect en heeft een bepaalde mate van inefficiëntie die gelijk is aan:

De efficiëntie van de Otto-cyclus is voor een groot gedeelte afhankelijk van de compressieverhouding en ligt ergens tussen de 56 tot 64%.

Voor de MGB 1800 (10.5:1) betekent dit een niet te vermijden Otto-verlies van 39.8% op het potentieel vermogen. De eerste 219.4 pk is nog voordat we überhaupt onze overall hebben aan kunnen trekken al door het putje.... We houden nu nog maar 332 pk over.
Er zijn oneindig veel andere zaken die een verlies kunnen opleveren. Een aantal hiervan is hieronder genoemd:

Thermisch (Indicated = IMEP)
Warmte (brandstof rijk/arm)....6.0%
Water temp (Q=m Cp deltaT).....6.1%
Olietemperatuur................1.5%
Massa (reciprocating)..........var%
Verbranding....................var%
Blowby.......................0.001%
Timing (Ontsteking)............0.8%
Timing (afstelling 0.009%p/deg)
Phasing........................var%
......................totaal 19-27%

Volumetrisch (Net = PMEP)
Flow...........................var%
Pompwerking (Exh werk).........1.6%
Pompwerking (Int werk).........0.4%
........................totaal 2-3%

Mechanisch (Brake = BMEP)
Motor (Friction to bore).......3.3%
Driveline .....................var%
........................totaal 3-4%

(De aangegeven verliespercentages zijn op basis van een bepaalde motor en kunnen verschillen. Het totaal blijft gemiddeld ongewijzigd tussen de 24-41%)

Als we nu de rekensom compleet maken met de laagste verliezen (thermisch, volumetrisch en mechanisch) dan hebben hebben we in theorie de optimaal getunede motor. In dit geval betekent dat afscheid nemen van nog eens 133pk bovenop de 219.4pk die we al eerder kwijt waren.


Het rekensommetje ziet er als volgt uit:

Potentieel vermogen ..........551pk
Otto-verlies ................ 219pk-
Over ........................ 332pk

Thermisch (19-27%)............105pk
Volumetrisch (2-3%)............11pk
Mechanisch (3-4%)............. 17pk-
Over .........................199pk


Het is toch diep triest dat we de motor hebben moeten voeren met 551pk aan brandstof om er net aan 199pk van terug te zien...... En dan hebben we het over een optimaal getunede motor waarbij de verliezen tot een minimum zijn beperkt.

Voor velen is die waarde niet haalbaar zonder kunstgrepen toe te passen of een oneindig budget. De realistische lat ligt ongeveer 10% lager. We spreken dan nog steeds van een goed getunede motor. Voor de MGB ligt deze waarde rond de 180pk. Een zeer verdienstelijke prestatie! (standaard MGB is ca 90pk bij 4500rpm)



In formulevorm:

Tunen is dus eigenlijk niets anders dan technische "damage control" waarbij we continu bezig zijn met het zoeken van de grenzen (om deze het liefst te verleggen).

Pistonpenbreuk

Pistonpenbreuk???

Pistonpennen worden gebruikt als bevestiging en draaipunt van de zuiger en de drijfstang. De (holle) pennen worden gemaakt van hoogwaardig staal met een hoge hardheid en goede loopeigenschappen. De pistonpen kan op drie manieren worden bevestigd aan de drijfstang en zuiger.
- Floating pin
- Semi-floating pin
- Pressed pin

Vier van de meest gebruikte pistonpen materialen staan hieronder.

52100 High carbon steel | Tensile strength: 325,000 | Yield strength: 295,000
300M - Aerospace steel | Tensile strength: 280,000 | Yield strength: 230,000
9310 Nickel carbon steel | Tensile strength: 187,000 | Yield strength: 162,000
5115 - Low carbon steel | Tensile strength: 107,000 | Yield strength: 71,000


De toepassingsgebieden van de verschillende materialen:
52 - High impact, Dragrace, Endurance
300M - High impact, Dragrace, Endurance
93 - Circle Track, Road Race, Endurance
5115 - High performance Street/Strip


Enige tijd geleden kwamen we de eerste gebroken pistonpen uit onze carrière tegen. Dat was een goede gelegenheid om er eens wat dieper in te duiken. Wanneer breekt zo'n pen nu eigenlijk?

Als we uit gaan van een boring van 82.00mm dan betekent dit dat er een kracht nodig is van 239,000N om de pen te breken (F > Fafschuif). De afschuifkracht is een functie van de treksterkte en ligt ergens rond de 60%. Als we deze kracht omzetten naar effectieve cilinderdruk komen we op 6,569.72 psi (= 446.92 bar).Om een realistische interpretatie van dit getal mogelijk te maken is eerst de drukval over P2/P3 berekend en vergeleken met het normale drukverloop bij een compressieverhouding van 8:1. Hierdoor kan er bepaald worden hoeveel druk er extra nodig is om de pistonpen tot aan het breekpunt (afschuifpunt) te brengen.

De extra druk vertalen we in dit geval naar boost.

De conclusie is dat een pistonpen van 52100 high carbon steel zal breken als, bij een compressieverhouding van 8:1, de boost groter is dan 3.86 bar. Aangezien het uitgesloten is dat dergelijke boost-niveau's bij straatauto's voorkomt moet de pistonpenbreuk een andere oorzaak hebben. Te denken valt daarbij aan:

- Fabricagefout
- Plotselinge drukverhoging in de cilinder (bv door het rijden door een kuil waardoor de krukas de verbranding (en expansie) kortstondig tegenwerkt.
- Mechanische defecten in de kleppentrein (gebroken klepveren eetc.)

Drukverlies in olieleidingen

Drukverlies in olieleidingen


We zien het regelmatig terugkomen: Stukgelopen motoren waarvan je in eerste instantie de oorzaak niet kan vinden. Als blijkt dat de schade typerend is voor een schade als gevolg van te weinig oliedruk en er geen aanleiding IN de motor is te vinden dan moet de oorzaak zich BUITEN de motor bevinden. Al gauw wordt er gekeken naar de externe oliekoeler, olieleidingen en eventuele bypass oliefilters. Vaak wordt dan snel duidelijk waar het probleem zit. In de aanleg en of uitvoering van het oliesysteem. Het zijn vaak dezelfde fouten die iedere keer weer terugkomen.


Er zijn een paar structurele fouten die vaak gemaakt worden:

- Gebruik van de verkeerde soort slang (bijvoorbeeld hydr. of koelwaterslangen als olieleiding)
- Gebruik van de verkeerde koppelingen (hydr. in plaats van de daarvoor bestemde koppelingen)
- Gebruik van een slang met een te kleine doorlaat
- Routen van de leiding met scherpe hoeken (<90deg)



Het hieronder getoonde voorbeeld heeft ze allemaal! U ziet een koelwaterslang met een (te kleine) doorlaat van 12mm aangesloten met hydrauliekkoppelingen en gerout onder een scherpe hoek waardoor de slang niet meer buigt maar knikt.





Het enige dat belangrijk is is voldoende oliedruk en voldoende olieflow. Dit kan maar op een manier bereikt worden:

- Rechte slangen (zo min mogelijk bochten)
- Grote doorlaat (ca16mm bij l<1.5m, >20mm bij l= 2-3m)
- Koppelingen met een grote doorlaat

De drukverliezen als gevolg van een verkeerde montage of verkeerd gebruik van materialen worden als volgt berekend. Laten we uitgaan van een slang met een binnendiamter van 12mm.
Op basis van het volumedebiet van de oliepomp (ca 20 gpm = 0.0011356 m3/s) wordt het drukverlies berekend over een rechte leiding zonder bochten met een interne radius van 6mm en een lengte van 1 meter.


Omdat het een in- en uitgaande leiding betreft wordt het drukverlies met twee (slangen) vermenigvuldigd. Het totale drukverlies in de twee slangen samen is 0.57 bar. Uit het volumedebiet van de oliepomp wordt de stroomsnelheid berekend.


De bocht van slang A (135deg) en de knik van slang B (135deg) worden afzonderlijk berekend.

Slang A
Volgens Hütte is de weerstandscoëfficiënt over de buigradius van 3D 0.125 + 0.085 = 0.21



Slang B
Volgens dezelfde bron is de weerstandscoëfficiënt over de knik van 135deg 1.197 + 0.278 = 1.475



Als we nu de gevonden waarden optellen komen tot het volgende overzicht:

Drukverlies agv de twee slangen: -------------------------------2 x 0.285 = 0.57 bar
Drukverlies agv de 135deg bocht van slang A: ------------1 x 0.126 = 0.126 bar
Drukverlies agv de 135deg knik van slang B: --------------1 x 0.885 = 0.885 bar
Totaal drukverlies: ----------------------------------------------------------------------1.581 bar (≈ 23.2 psi)


Als onbetwistbaar gegeven wordt een oliedruk van 10psi per 1,000rpm internationaal gehanteerd. Dit betekent dat een motor die tot 8,000rpm draait een oliedruk van 80psi nodig heeft (=5.44bar). Het berekende drukverlies is in percentage ten opzichte van de benodigde maximale druk 29%. Dit betekent concreet dat de motor in het lage toerengebied tot 2,500rpm hoegenaamd geen oliedruk heeft. Als de maximale druk wordt verminderd met de berekende verliezen dan blijft een druk over van maximaal 56.8psi. Volgens de regel hierboven betekent dit dat de motor op elk toerental boven de 5,680rpm onvoldoende smering zal krijgen.

Omdat een motor op het circuit bijna voortdurend boven dit toerental draait zal de verminderde smering al heel snel leiden tot een hogere wrijvingsbelasting en dientengevolge en temperatuurverhoging van de olie en de te smeren componenten zoals krukas- en drijfstanglagers. Het is te verwachten dat het drijfstanglager van de tap die het verst weg van de oliepomp zit als eerste (en vermoedelijk na een enkel rondje op het circuit) zal falen, mits dit al niet is gebeurd op de testbank......

Ford Model "T" engine upgrade

FORD MODEL "T" ENGINE UPGRADE

Van dit model zijn er van 1908 tot en met 1927 meer dan 15 miljoen geproduceerd. Van alle auto's wereldwijd was in 1918 de helft een model T. Door deze enorme productieaantallen en de grote beschikbaarheid van onderdelen is het Model T heden ten dage nog steeds een veel gebruikte motor voor custom- en restauratieprojecten.

Track Motortechniek is momenteel bezig met de motor van de "Model-T-World-Tour" die sinds 2012 al meer dan 50 landen heeft bezocht en totaal meer dan  80,000 mile (>128,000 km) door alle continenten zal afleggen. (http://www.tfordworldtour.org/nl/). Het doel is om geld in te zamelen voor het wereldwijde netwerk van SOS-Kinderdorpen.

In de loop der jaren zijn vele onderdelen geupgrade naar de moderne maatstaven en volop in de markt  verkrijgbaar.

Om dit blok enigszins "reparabel" te maken tijdens de wereldreis worden er extra aanpassingen gemaakt. Zoals wellicht bekend zijn zowel de drijfstanglagers als de hoofdlagers ingegoten. Dat betekend dat de lagers niet zomaar vervangen kunnen worden. Het lagermateriaal moet dan opnieuw ingegoten worden waarna het motorblok wordt gelijnboord. Hiervoor moet dan het motorblok uit de auto worden gehaald en geheel worden gedemonteerd. Dat dit een arbeidsintensief en langdurig klusje is spreekt voor zich.

We hebben daarvoor eerst het babbitt van de hoofdlagers weggelijnboord om te bepalen wat de buitendiameter van de nieuwe hoofdlagers moest worden. Vervolgens hebben we de lagers ontworpen en laten maken. Het hoofdlager wordt geleverd op een semi finish maat die pas gemaakt kan worden voor alle krukastapmaten van standaard tot +.060". Het voordeel is dat er maar een set lagers nodig is.

De twee aanpassing is het vervangen van de standaard drijfstangen door H-beam drijfstangen met lagerschalen.

De derde aanpassing is een grondige herziening van het oliesysteem. De Standaard motor maakt gebruik van spatsmering. Hiervoor hebben de standaard drijfstangen een soort lepeltje aan de onderkant waarmee de olie wordt "opgeschept". Uiteraard is deze vorm van smering niet wenselijk voor een motor die zoveel kilometers in de meest uiteenlopende omstandigheden zal gaan rijden.

Er wordt een oliepomp gemonteerd om de lagers van smering te voorzien. Hiervoor hebben we de standaard krukas voorzien van oliekanalen.