_maniac_ skrev:

nej. Förbränningstiden minskar med ökad turbulens. Turbulensen ökar med ökat varvtal. = nej, det finns ingen begränsning. I alla fall ingen begränsning av intresse. Säg att förbränningen hänger med till 100 000 RPm. Svårt att få kolvar/stakar att hålla så långt. :P

Har för mig att flamfrontshastigheten i en optimal stillastående luft-bränsleblandning är 11 m/s? Låt oss anta att vi har en medelkolvhastighet om det dubbla, trots allt. Praktiska erfarenheter bevisar att det är möjligt.

Men jag skulle inte vilja påstå att turbulensen i sig möjliggör oändlig flamfrontshastighet. Turbulens ger ju en massa intern acceleration och det låter rimligt om den accelererar en och annan molekyl med tillräcklig entalpi (?, längesen man pluggade) att knuffa till en annan molekyl, osv.....

Men ryggraden säger att ljudhastigheten sätter en fysikalisk begränsning, så skulle jag nog vilja hävda att det är. Att definiera ljudhastigheten i ett sånt kaos som råder i ett förbränningsrum kanske är en större sak, men ett antal hundra m/s rör det sig väl om? Spelar ingen roll egentligen.

Ryggraden pratar dessutom om att turbulens i sig inte ökar flamfrontshastigheten med typ tiopotenser? Kanske det dubbla i praktisk mening? Men nånstans borde det ligga en praktisk begränsning "tumme-pekfinger" baserat på flamfrontshastigheten?

Tänker också på kam-karakteristik, fyllnadsgrad (relaterat till laminär strömning) vs blandningsgrad (relaterat till turbulent strömning) m.m. Borde det inte finnas åtminstone en empiriskt funnen gräns? Kan kanske F1 och GP1 peka på att 20-25 k är vad som är "teoretiskt" (egentligen empiriskt bevisat) möjligt än så länge?

Pär Hansson skrev:

_maniac_ skrev: nej. Förbränningstiden minskar med ökad turbulens. Turbulensen ökar med ökat varvtal. = nej, det finns ingen begränsning. I alla fall ingen begränsning av intresse. Säg att förbränningen hänger med till 100 000 RPm. Svårt att få kolvar/stakar att hålla så långt. :P Har för mig att flamfrontshastigheten i en optimal stillastående luft-bränsleblandning är 11 m/s? Låt oss anta att vi har en medelkolvhastighet om det dubbla, trots allt. Praktiska erfarenheter bevisar att det är möjligt. Men jag skulle inte vilja påstå att turbulensen i sig möjliggör oändlig flamfrontshastighet. Turbulens ger ju en massa intern acceleration och det låter rimligt om den accelererar en och annan molekyl med tillräcklig entalpi (?, längesen man pluggade) att knuffa till en annan molekyl, osv..... Men ryggraden säger att ljudhastigheten sätter en fysikalisk begränsning, så skulle jag nog vilja hävda att det är. Att definiera ljudhastigheten i ett sånt kaos som råder i ett förbränningsrum kanske är en större sak, men ett antal hundra m/s rör det sig väl om? Spelar ingen roll egentligen. Ryggraden pratar dessutom om att turbulens i sig inte ökar flamfrontshastigheten med typ tiopotenser? Kanske det dubbla i praktisk mening? Men nånstans borde det ligga en praktisk begränsning "tumme-pekfinger" baserat på flamfrontshastigheten? Tänker också på kam-karakteristik, fyllnadsgrad (relaterat till laminär strömning) vs blandningsgrad (relaterat till turbulent strömning) m.m. Borde det inte finnas åtminstone en empiriskt funnen gräns? Kan kanske F1 och GP1 peka på att 20-25 k är vad som är "teoretiskt" (egentligen empiriskt bevisat) möjligt än så länge?

De flesta kolväten har flamhastigheter kring 0,3-0,6 m/s ungefär. Räkna med kring det dubbla för de temperaturer och tryck som råder i en förbränningsmotor. Faktiska förbränningshastigheter ligger kring 25-100 m/s tack vare densitetsskillnaden mellan förbränd och oförbränd gas (skjuter på gasen utåt) samt turbulens vilket ökar framfrontens area och därmed värmeöverföringen till den oförbrända gasen.

Att kolven ska accelerera ifrån förbränningen är dock inget man behöver oroa sig för. Längsta flamvägen är mellan tändstift och cylinderns periferi så vad som är problemet är att om kolvrörelsen blir väldigt stor under den tid det tar för förbränningen att ske så sjunker verkninggraden. En otto-motors ideala värmefrigörelse ska ske med konstant volym, blir förbränningen långsam så sker förbränningen med varierande volym. Antänder man gasen tidigt så får motorn jobba mot tryckuppbyggnaden på vägen upp och tänder man sent så är inte värmen frigjord förrän volymen är såpass stor att cylindertrycken blir betydligt lägre än vad de bör.

För en väldigt hög förbränningshastighet så är det HCCI som gäller. Anledningen till dess högre verkningsgrad är delvis pga den snabba förbränningen (förbränning vid konstant volym).

Johan Edlund skrev:

...För en väldigt hög förbränningshastighet så är det HCCI som gäller. Anledningen till dess högre verkningsgrad är delvis pga den snabba förbränningen (förbränning vid konstant volym).

Finns det några, för bilbruk lämpliga, motorer som använder HCCI?

ice skrev:

Johan Edlund skrev: ...För en väldigt hög förbränningshastighet så är det HCCI som gäller. Anledningen till dess högre verkningsgrad är delvis pga den snabba förbränningen (förbränning vid konstant volym). Finns det några, för bilbruk lämpliga, motorer som använder HCCI?

Nej, men man jobbar på det. Bland annat svenska staten och svenska biltillverkare har tillsammans lagt ut ett antal miljoner på forskning kring detta.

Johan Edlund skrev:

ice skrev: Johan Edlund skrev: ...För en väldigt hög förbränningshastighet så är det HCCI som gäller. Anledningen till dess högre verkningsgrad är delvis pga den snabba förbränningen (förbränning vid konstant volym). Finns det några, för bilbruk lämpliga, motorer som använder HCCI? Nej, men man jobbar på det. Bland annat svenska staten och svenska biltillverkare har tillsammans lagt ut ett antal miljoner på forskning kring detta.

Vid vilka varvtal jobbar man me HCCI? Det e ju knappast lämpligt vid bankörning, möjligtvis i depån.

Cedergren skrev:

Johan Edlund skrev: ice skrev: Johan Edlund skrev: ...För en väldigt hög förbränningshastighet så är det HCCI som gäller. Anledningen till dess högre verkningsgrad är delvis pga den snabba förbränningen (förbränning vid konstant volym). Finns det några, för bilbruk lämpliga, motorer som använder HCCI? Nej, men man jobbar på det. Bland annat svenska staten och svenska biltillverkare har tillsammans lagt ut ett antal miljoner på forskning kring detta. Vid vilka varvtal jobbar man me HCCI? Det e ju knappast lämpligt vid bankörning, möjligtvis i depån.

Man kan i princip använda det med det varvtal man önskar. Vad som är problemet är att styra tidpunkten för tändning. Genom att variera faktorer som intern EGR, kompressionsförhållande och liknande så gäller det att få bränsle/luft blandningen i cylindern att självantända då kolven befinner sig i lämpligt läge.

Likasom dieseln används inget gasspjäll och man slipper således problem med pumpförluster.

Jag vill inte på något sätt förringa värdet av Johan Edlunds förklaring (han brukar förklara så att t.o.m. jag förstår);

men jag tycker även att Wikipedia förklarade HCCI rätt bra: http://en.wikipedia.org/wiki/HCCI

Angående flamhastighet så står det i den här artikeln om "Engine knocking": http://en.wikipedia.org/wiki/Engine_knocking
att flamhastigheten är ~33 m/s. Så storleksordningen 1 ms för att ta sig ifrån tändstift till cylindervägg.

Hmm, hur långt hinner kolven då och vilken hastighet har den efter ~1 ms?

Förenklat en enkel sinusrörelse för kolven:
s=d*sin(2*pi*f*t)

s=avvikelse ifrån mittenläget, positiv uppåt.
t=lokala tiden

d = 0.03 m = amplitud, halva slaget.
Vmedel=25 m/s
f = Vmedel/(4*d) = 208 varv/s (=12500 varv/min)
T = 1/f = 0.0048 s = periodtid för ett helt varv = 4*d/Vmedel

t0 = tiden vid TDC = T/4 = 0.0012 s = d/Vmedel

Kolven kan alltså misstänkas nå nästan till halva slaglängden innan flamfronten når längst ut på kolven.

Den lokala hastigheten på kolven är:
v=d*2*pi*f*cos(2*pi*f*t) =>
Vilket ger max hastighet mitt i slaget:
Vmax = d*2*pi*f = 0.03*2*pi*f = 39 m/s = pi*Vmedel/2

Nu är ju knappast flamhastigheten konstant 33 m/s hela tiden, kolvrörelsen är inte en enkel sinusvåg, tändningen sker innan TDC, tiden för flamman att nå en kolvradie på 5 cm med 33 m/s = 0.05/33=1.5 ms, gasen står inte längre still när kolven rör sig, o.s.v., men som överslag verkar det onekligen som att det kan vara flamhastigheten som begränsar kolvhastigheten. I samverkan med borrningen, eftersom det tar längre tid att nå ut till cylinderväggen vid större borrning. Eller?

Johan Edlund skrev:

Faktiska förbränningshastigheter ligger kring 25-100 m/s tack vare densitetsskillnaden mellan förbränd och oförbränd gas (skjuter på gasen utåt)

Tror du att du skulle kunna utveckla det där lite så att jag hänger med på detaljerna?
Varför skulle densitetsskillnaden skjuta på gasen utåt?
Jag antar att det ökade trycket i den förbrända gasen får den att expandera mot området med lägre tryck, om inte flamfronten innehåller ett lokalt förhöjt tryck som håller tilbaks den,och därmed minskar densiteten i den förbrända gasen. Men densitetsskillnader förflyttar inga molekyler om man inte tar hänsyn till gravitationen. Se bara kontaktdiskontinuiteter som fortlever utan problem (ställer dock till en massa problem för oss stackars CFD-kodutvecklare) och förflyttar ingen massa.
Frågan är bara om en tryckdriven expansionshastighet är i paritet med flamhastigheten? De kanske följs åt och är det som delvis avgör flamhastigheten?

Ett litet utdrag från H-E Ångströms texter

Citat:

Tändning av tändstift långt före ÖD (storleksordning 30 ° före, konstant volymförbränning verklighetsfrämmande). Start laminär med långsam flamutbredning ca. 0.5 m/s med tunn flamfront. Flamhastigheten är beräkningsbar utgående från värmeledningstal och reaktionshastigheter. Helt definierad från bränsletyp, l, P och T. Densitet sjunker till ca. ¼ bakom flamfronten (volymen ökar motsvarande) och skjuter flamman framför sig. Om förbränningen skulle fortsätta att vara laminär skulle ej motorn fungera, då förbränningen skulle bli för långsam. Flamman övergår snart till en tjock (cm) turbulent flamfront med hastighet 10-50 m/s som utsläckas vid väggar och det blir kvar ett skikt oförbränt HC på ytan, samt det som inträngts i skrymslen. Hastigheten går ej beräkna (trots bra datorer 2002) direkt, men med erfarenhetskorrektioner till den laminära flamhastigheten väl beräkningsbar på känd motor. Turbulensen är den faktor som dominerar korrektionen. Även l påverkar flamhastigheten, men även restgaser (EGR), temperatur- och trycknivå. olika insugskanaler ger olika luftrörelser vid insug och därmed olika turbulens vid förbränningen som tillsammans med förbränningsrumsutformningen bestämmer turbulensen i förbränningsrummet vid ÖD. Förbränningshastigheten är ungefär proportionell mot turbulensen. Turbulensen är proportionell mot varvtalet och därmed också förbränningshastigheten. Detta ger en med varvtalet ungefär oförändrad brinntid uttryckt i vevvinkel. En mycket väsentlig egenskap som inte dieselmotorn uppvisar. Därmed möjliggörs användning av ottomotorn på höga varvtal. Tumble är en storskalig rotation med rotationsaxel vinkelrätt mot cylinderaxeln. Denna strömningsform bryts sönder vid ÖD, när förbränningsrummets form blir platt. Nedbrytningen omvandlar storskalig rörelse till småskalig turbulens. Hög tumble ger hög turbulens och därmed snabb förbränning och hårt motorljud, önskvärt vid racing, men för normala motorer måste man kompromissa.

Flamhastigheten har noterats till 20 och 50 m/s, ex. "Velocity and Turbulence Measurements in a Combustion Chamber of SI Engine under Motored and Fireing conditions by LDA with Fibre-optic Pic-up", SAE 870166.

Baserat på de förbränningsdurationer som en F1 motor har så kan man dock uppskatta högre flamhastigheter än så.

förbränningsduration = (6*flamväg*rpm)/flamhastighet

Normalt så brukar man nå 80-90% bränd massfraktion vid ca 30-50 vevaxelgrader efter att antändning skett. Någonstans här kan flamfronten anses ha nått cylinderväggarna. Av denna tid så utgörs 10-15 grader av tändfördröjningen innan energifrigörelsen börjar. En F1 motor har en förbränningsduration på 70 grader eller något sådant vill jag minnas, flamvägen ligger på ca 50 mm, alltså har vi flamhastigheter på ca 75 m/s eller något högre om man antar att vi antar att dessa 70 grader också inkluderar tändfördröjningen. Det är dock lite svårt att hitta data om vilka förbränningsdurationer F1 motorer har, denna siffra (om jag minns rätt dvs) ska dock komma från något papper om simulering av F1 motorer vilket inte låter helt fel med tanke på att förtändningen på dessa motorer ska ligga på 45-55 grader (detta ger max cylindertryck vid ca 15-25 grader efter övre dödläge).

Exempelvis turboladdning kan också påverka förbränningshastigheten.

Intressant. Det verkar ändå som att det är flamhastigheten som begränsar varvtalet, förutom andra praktiska saker som kostnader, tillförlitlighet, etc., eftersom den är lite i samma härad som max kolvhastighet.
Det blir till att gå över till detonation istället.
Det diskuterades i wikipedia-länken ovan om knackning verkligen är detonation, men jag har lite svårt att se vad det annars skulle kunna vara. Vad jag kommer ihåg så brinner en given gasblandning med två hastigheter, en underljud, deflagration och en överljud, detonation, så det skall alltså inte kunna finnas två olika flamhastigheter i underljud. Rätt?

AndersY skrev:

Intressant. Det verkar ändå som att det är flamhastigheten som begränsar varvtalet, förutom andra praktiska saker som kostnader, tillförlitlighet, etc., eftersom den är lite i samma härad som max kolvhastighet. Det blir till att gå över till detonation istället. Det diskuterades i wikipedia-länken ovan om knackning verkligen är detonation, men jag har lite svårt att se vad det annars skulle kunna vara. Vad jag kommer ihåg så brinner en given gasblandning med två hastigheter, en underljud, deflagration och en överljud, detonation, så det skall alltså inte kunna finnas två olika flamhastigheter i underljud. Rätt?

om man kikar på exempelvis detta påstående; "Turbulensen är proportionell mot varvtalet och därmed också förbränningshastigheten. Detta ger en med varvtalet ungefär oförändrad brinntid uttryckt i vevvinkel." så låter det ju som att högre varvtal inte ger så stora problem när det gäller förbränningen i otto-motorer.

När det gäller knackning så är detta ett detonations relaterat fenomen.

"Detonation is the creation within the cylinder of a pressure-wave travelling at such a high velocity that, through its impact against the combustion chamber walls it excites them into vibrating."

"The average vibrating frequency of detonation will be in the region of 500 cycles/second whereas the shockwaves propagating through the burnt and unburnt charge will reach velocities in the 1000 to 1200 m/s range."

Vid detonation så brukar cylindertrycken inte bli så mycket högre än vid normal förbränning, däremot blir cylindertrycken oscillerande. Detonation brukar i regel kunna ge tre sorters skador vilka är mer relaterade till shockvågorna än till cylindertrycken.

1. Det luftskikt som normalt isolerar kolv och förbränningsrum mot värme kan brytas ned.
2. Samma som 1 fast gällande oljefilmen och dess smörjande effekt.
3. Självsvängning och andra vibrationsrelaterade skador.

Då den faktiska tiden för förbränningen sjunker vid högre varvtal (se påståendet ovan) tenderar risken för detonation att sjunka i takt med ökar varvtal.

Johan Edlund skrev:

om man kikar på exempelvis detta påstående; "Turbulensen är proportionell mot varvtalet och därmed också förbränningshastigheten. Detta ger en med varvtalet ungefär oförändrad brinntid uttryckt i vevvinkel." så låter det ju som att högre varvtal inte ger så stora problem när det gäller förbränningen i otto-motorer.

Jo, men det där gäller säkert bara till en viss gräns.
Men turbulens antar jag menas turbulent kinetisk energi och att det är den som är proportionell mot varvtalet? Eller menar han tjockleken på det turbulenta skiktet kring framfronten?

AndersY skrev:

Johan Edlund skrev: om man kikar på exempelvis detta påstående; "Turbulensen är proportionell mot varvtalet och därmed också förbränningshastigheten. Detta ger en med varvtalet ungefär oförändrad brinntid uttryckt i vevvinkel." så låter det ju som att högre varvtal inte ger så stora problem när det gäller förbränningen i otto-motorer. Jo, men det där gäller säkert bara till en viss gräns. Men turbulens antar jag menas turbulent kinetisk energi och att det är den som är proportionell mot varvtalet? Eller menar han tjockleken på det turbulenta skiktet kring framfronten?

Vad exakt som menas med turbulens i detta fall är jag inte säker på men sannolikt syftas på turbulent kinetisk energi.

Eftersom förbränningshastigheten uppges vara propertionell mot turbulensen och turbulensen uppges vara proportionell mot varvtalet så verkar det som inte förbränningshastigheten utgör något större problem, inom rimliga gränser i alla fall. Även en F1 motor verkar ju ge en relativt kort förbränningsduration trots 50 mm flamväg och 19000 rpm, även om denna motorkonstruktion sannolikt är mera beroende av ex. hög tumble än en mer normal motor.