Paljonko ilmaa kuluttaa 1100 kuutionen pyörä?

[Petri12r]

"Miten paljon ilmaa imee sisäänsä 1100 kuutioinen moottoripyörä minuutissa maximissaan noin niinkun keskimäärin about eli esim Kawasaki zz-r 1100 kierrosten ollessa esim 12000 mpm"

Edellä esitetty kysymys on tullut Helsingin kaupunginkirjaston iGS Tietohuoltoasemalle. Moottoripyora.orgilta pyydetään siis apuja ja jos .orgista löytyisi joku asiaa tunteva, niin voisi neuvoa täällä ja toimitamme linkin tästä iGS:ään.

Taustaa:
Asiaa on kysytty Kawasakin maahantuojalta, joka vastasi näin "ikävä kyllä teoreettisia suunnitteluarvoja ei ole saatavilla. Myöskään tehdas ei toimita niitä, joten kysyjä joutuu ratkaisemaan arviolla/laskennallisesti kyseisen asian." Miten asia ratkaistaan laskennallisesti tai arvioilla?

[Petri12r]

Sain sähköpostilla tällaisen laskukaavan:
13200l/min =1.1l*12000kierrosta/min

[Samigo]

Miten asia ratkaistaan laskennallisesti tai arvioilla?

Heps!
Tässä olis karu arvio:
V=1.1 l = 0.0011m3
n=12000 1/min
n2=6000 1/min (koska imutahti on vain joka toisella kammen pyörähdyksellä)

V2=V*n2
=0.0011m3*6000 1/min
=6.6 m3/min

Viisaammat korjatkoon...

[Timo Tasakaasu]

Ilman määrän tarve ei riipu kuutioista vaan poltettavan bensan määrästä. Kulutuksen, päästöjen ja tehon suhteen kompromissi, jota suositellaan on n. 14.5 ilman ja bensan määrien suhde. Eiköhän nuo molemmat kuulu olla painoyksiköitä. Muut saavat valaista tuosta lisää.
Puun poltossa muistaakseni kilo puuta tarvitsee 8 kuutiometriä ilmaa. Mitä lie 8 kuutiota kiloissa.

[Mosse]

Näinhän se on, eli selvemmin, 1:13 (tai 1:14,5 tai jotain sinne päin) on bensan palamisessa seossuhde, jolloin palaminen on parhaimmillaan. Eli siis kilo bensaa tarvitsee palamiseen 13 kiloa ilmaa. Yksi kuutiometri normaali-ilmanpaineista ilmaa on jotain 1,3 kg eli seossuhde 1:12 on tarkoittaa sitä, että yhdelle kg:lle bensiiniä annetaan jotakuinkin 10 kuutiometriä ilmaa.

Siitä sitten kalkuloimaan paljonko tavaraa mene läpi 1100 cc moottorista minuutissa 12000 kierroksella...

[petrooli]

Onpahan kysymys..no, aloitetaanpa: jos moottori on kuormituksen alainen ja kehittää esim. 110 kW tuolla käyntinopeudella (12000 rpm) nii siitähän se lähtee. Kaasuläpät on apposen auki, joten hyötysuhde lienee parhaimmillaan. Tämä taas tarkottaa about suunnilleen sitä, että kilowattitunti (kwh)kehittyy polttoainemäärällä 350 g => 0,41 litraa. Minuutissa bensaa palaa siis 0,64 kg. Moottoripyörän "mylly" käy hieman rikkaalla (varsinkin täyskaasuasennossa mainitún ZZR:n kaasutinmoottori), joten ilmaa yhden bensakilon polttamiseen menee vähemmän kuin 14,7 kiloa (joka on ns. lambda 1 -arvo, ts. stökiömetrinen arvo), vois arvioida että 13,7 on lähempänä todellisuutta. Elikkäs siis 0,64 bensakilon polttamiseen tarvitaan 0,64 x 13,7 kiloa ilmaa, joka tekee 8,77 kiloa. Kun yks ilmakuutiometri, toki ilmanpaineesta ja lämpötilasta riippuen, painaa ca. 1,2 kg, joten kun 8,77 kg jaetaan 1,2 kg/kutiometri, saadaan osamääräksi 7,31 kuutiometriä ilmaa. Kun ilmamolekyylin happiatomi hiilivetymolekyylin kanssa, muodostuu palamistuotteena häkää (CO), palamattomia hiilivetyjä (HC), hiilidioksidia (COkakkonen), vettä (HkaksO) ja typpeä (N) sekä typpioksidia (Nox). Koska ilmassa on paljon typpeä luonnostaan, poistuu tämä lähes muuttumattomana ja sellaisenaan ulos myös pakoputkista, joita vakioasuisessa ZZR:ssä kaksin kappalein.
Ja nyt sitten asiantuntijat tarkentamaan/korjailemaan em. pikamatemaattisia lukuarvoja.

[Mika 14R]

Mitä sillä palamiseen tarvittavalla ilmamäärällä on tekemistä sen kanssa, että paljonko moottori imee ilmaa männän mennessä alaspäin imuventtiili auki. Ei siellä sylinterissä silloin mikään pala.

Eikö 1,1 litrainen nelitahti mäntämoottori ime ilmaa keskimäärin noin 5,5 dl kierroksella?

[Mosse]

Eikö 1,1 litrainen nelitahti mäntämoottori ime ilmaa keskimäärin noin 5,5 dl kierroksella?

Joo, tarkemmin 5,5 dl ilma-bensa seosta, jossa bensaa on häviävän pieni osa. Kyllä toi Samigon laskukaava on aikas kohdillaan.

[heme]

Jos kyseessä olisi dieselmoottori, ilmamäärä riippuisi suoraa iskutilavuudesta. Ottomoottorin ollessa kyseessä kaasuttimien luisteilla tai ruiskun läpillä kuristetaan ilmamäärää seoksen palamiselle sopivaksi.

[VOGON]

Muuten on oikea suunta laskuissa 1,1l*12000/2=6600 litraa/min.
Huomioon täytyy kuitenkin ottaa myös täytös, tuskin noilla kierroksilla kerkeää täyttymään 100%...!! Hyvä jos 60-80%.

[petrooli]

Jos lasketaan moottorin imemä ilmamäärä moottorin iskutilavuuden (ja syl.määrän) mukaan, tulee sylinterikohtaisen iskutilavuuden LISÄKSI huomioida myös puristustilavuus. Ja sitten tarttis myös muistaa se, että ns. imutahti voi kestää hieman pidempäänkin kuin 180 kampiakseliastetta, kuten myös se, että pakoventtiili on siinä vaiheessa menossa kiinni kun imuvena aukeaa (ns. overlap) jne.

[Mika 14R]

Jos lasketaan moottorin imemä ilmamäärä moottorin iskutilavuuden (ja syl.määrän) mukaan, tulee sylinterikohtaisen iskutilavuuden LISÄKSI huomioida myös puristustilavuus. Ja sitten tarttis myös muistaa se, että ns. imutahti voi kestää hieman pidempäänkin kuin 180 kampiakseliastetta, kuten myös se, että pakoventtiili on siinä vaiheessa menossa kiinni kun imuvena aukeaa (ns. overlap) jne.

Voidaanhan siihen lisätä vielä kuun asento ja auringonpilkut

Alkuperäisessä kysymyksessä kysyttiin ilmamäärää noin niinku keskimäärin about, ja riittävä tarkkuus lienee noin kuution luokkaa? Tai riippunee vastaajien insinööritasosta.

Sitä en ymmärtänyt tohon aiempaan laskelmaasi palatakseni, että miten vapaastihengittävä moottori voi ottaa enemmän ilmaa kuin sen iskutilavuus sallii

[mopokesa]

Ajoviimapatopaineella

[Mika 14R]

Ram-airista ei ole ollut puhetta missään vaiheessa. Ja mitä jos sitä huudatetaankin paikallaan?

[Mosse]

Ei kai tässä auta kuin ottaa vaikka 10 m3 säähavaintopallo, kytkeä se mopon ilmansuodattimen ja ottaa aikaa kauanko sen tyhjenemiseen menee. Onko kenelläkään ylimääräistä?

[xjrrrrräyh]

Täh? Liikenneministeriö suunnittelee ilmalle hintaa?

Jotain sellaista kuin veden kanssa:
Puhdasilman hinta - jäteilman hinta - saastutetun ilma hinta (5 kategoriaa, riippuen millä saastutettu) - huleilman hinta???

Sitte tarvittas ehkä kylmä, lämmin ja kostea sadeilman hinta...

[petrik]

Tällä valmis laskuri kaavalle: VAF = (L/28.317) x (RPM/2) x VE

Eli on erityisen riippuvainen täyttöasteesta joka voi vaihdella vapaavirtausmoottoreilla esim. välillä 70-yli 100%. Yli 100% arvot teoriassa mahdollisia mikäli imu ja pakopulssit osuvat kohdalleen - eli sekä imusarjassa että pakopuolella on pulsseja jotka etenevät kaasun virtausta nopeammin. Pulssien osuessa kohdallen voi täyttöaste nousta vallitsevaa ilmanpainetta suuremmaksi.

Jos Ve:n arvio pyörän tehon mukaan vaikkapa arvolle 90% jos siis kyseessä moderni tehokkaampi moottori - tällöin arvoksi tulisi vähän alle 6000L/min.

[kawajack]

Petrooli toi laskuun mukaan kaikkein oleellisimman tekijän, eli tuon tehon, koska polttomoottorissa teho on seurausta polttoaineen palamisesta, ja ottomoottorissa se taas on sidoksissa ilmamäärään, koska tämä moottorityyppi on ns. määräsäätöinen, eli tehoa säädetään täytöstä kuristamalla, mitä varten taas on kaasuläpät. (Ainakin periaatteessa, sillä BMW on jo kotilopuolella tehnyt kaasuläpättömiä moottoreita, joissa sama hoituu venttiilien avautumista säätämällä). Ilman kulutuksen kannalta oleellisempaa kuin iskutilavuus tai kierrosluku, on juuri teho. Molemmat tietysti vaikuttavat maksimitehoon, mutta jos iskutilavuudeltaan kahdesta eri kokoisesta moottorista otetaan sama teho, vaikkapa 25 kW, molemmissa virtaa läpi about sama ilmamäärä.

Juttu menee siis myös toisinpäin, eli maksimitehon, jonka kustakin moottorista saa ulos, määrää juuri läpi virtaavan ilman määrä, koska bensiini palaa suhteellisen kapealla ilman ja polttoaineen seossuhteen vaihtelualueella. Tuo 14.7:1 on likimain teoreettinen, josta voi poiketa vähän alas ja ylöspäin. Karkeasti voi sanoa, että ylöspäin (lisää ilmaa), jos haluaa säästää polttoainetta, alaspäin (vähemmän ilmaa), jos haluaa maksimitehoa. Petroolin 13.7:1 menee varmaan aika lähelle tuota täystehotilannetta. Tässä puhutaan sitten massasuhteesta, eli kg ilmaa / kg polttoainetta.

Ilman tilavuusvirtaa säätelee ensisijaisesti iskutilavuus ja kierrosluku, koska mäntämoottori on pyöriessään oikeastaan pumppu, joka pumppaa ilmaa imupuolelta pakopuolelle. Teoreettisen maksimivirtauksen voi laskea iskutilavuuden ja kierrosluvun mukaan muistaen, että vain joka toisella tahdilla vaihdetaan kaasua. Tästä teoreettisesta virtauksesta jäädään aina jälkeen sen takia, että kaikki virtaustiet aiheuttavat häviöitä, eli täytösasteen alenemaa. Vaikka kaasuläpät olisivatkin levällään, imukanavat ja venttiilit kuristavat virtausta.

Lisäksi on otettava huomioon se tosiasia, että virtaus on rajusti sykkivä, koska venttiilit sulkeutuvat työtahdin ajaksi ja ilman virtaus pysähtyy, kunnes taas tulee imutahti, ja ilma kiihdytetään liikkeelle. Riippuen kanavien muodosta, venttiilien koosta jne. parhaimmillankin ns. täytössuhde jää ilman ahdinta alle yhden. [Tässä kohtaa Petroolilla oli termivirhe: hyötysuhde on eri asia kuin täytössuhde, joka yleensä on parhaimmillaan juuri WOT (wide-open-throttle) eli "läpät selällään" -tilanteessa. Hyötysuhde taas lasketaan syötetyn teoreettisen polttoainetehon ja moottorin antaman tehon suhteena]

Sitten tulee kuvioon mukaan vielä paine, eli kuristus alentaa ilman painetta, ja sitä kautta myös tiheyttä, ja kun ratkaisevaa on massavirtaus, niin jossain kohtaa tämä yhtälö asettuu tasapainoon, ja syntyy tilanne, että vaikka kierrosluku nousisikin, ei läpi mene enää enempää ilmaa, ja siksi teho alkaa laskea. Silloin ollaan maksimitehon kierrosluvulla, joka zetorin tapauksessa on juuri tuossa 11500-12000 rpm tietämillä. Hyvät yksilöt saatavat silloin pukata tuon 110 kW, mutta siitäkään ei vielä päästä ihan tarkkaan ilmamäärään, koska tuo teho on ns. antoteho, ja ns. ottoteho (tai polttoaineteho), määrää ilmamassavirran, emmekä tiedä, mikä on moottorin hyötysuhde. Jos kuitenkin oletetaan karkeasti vaikapa 22%, niin tarvittava polttoaineteho on silloin 1/.22x110 kW = 500 kW, ja kun bensassa on lämpöarvo noin 43 MJ/kg, tarvitaan sitä silloin noin 0.7 kg/min, mikä taas 13.7 ilmasuhteella tarkoittaa 9.6 kg/min ilmamassavirtaa. Jaettuna normaalipaineisen ilman tiheydellä 1.293 kg/m3, saadaan about 7.4 m3/min.

Pitkä[styttävä] selostus sille, että Petroolin laskelma tuolla ylempänä oli oikeaa suuruusluokkaa ja ennen kaikkea oikealta teoreettiselta pohjalta laskettu. Kysymys sen sijaan oli väärin asetettu, koska oleellista ei ole niinkään iskutilavuus ja kierrosluku, vaan juuri teho, sillä kuormittamatonta moottoria voi kierrättää vaikka tuon 12000 rpm (ei kuitenkaan suositeltavaa, sillä moottori voi hajota, kun tasapainottavat kaasuvoimat puuttuvat), ja silti ilmaa menee läpi kovin vähän, kun polttoainetta tarvitaan vain vähän mooottorin sisäisten vastusten voittamiseen ja apulaitteiden pyörittämiseen

[Mika 14R]

Teoreettisen maksimivirtauksen voi laskea iskutilavuuden ja kierrosluvun mukaan muistaen, että vain joka toisella tahdilla vaihdetaan kaasua. Tästä teoreettisesta virtauksesta jäädään aina jälkeen sen takia, että kaikki virtaustiet aiheuttavat häviöitä, eli täytösasteen alenemaa. Vaikka kaasuläpät olisivatkin levällään, imukanavat ja venttiilit kuristavat virtausta.

Lisäksi on otettava huomioon se tosiasia, että virtaus on rajusti sykkivä, koska venttiilit sulkeutuvat työtahdin ajaksi ja ilman virtaus pysähtyy, kunnes taas tulee imutahti, ja ilma kiihdytetään liikkeelle. Riippuen kanavien muodosta, venttiilien koosta jne. parhaimmillankin ns. täytössuhde jää ilman ahdinta alle yhden. . Jaettuna normaalipaineisen ilman tiheydellä 1.293 kg/m3, saadaan about 7.4 m3/min.

En kyseenalaista laskelmiasi, mutta jos kerran täytösaste jää alle yhden, miten on mahdollista että näiden laskelmien mukaan ilmaa virtaa moottorin läpi enemmän kuin sen iskutilavuus/kierrokset sallii?

[micco]

Ilmamääriä ja muutakin kivaa voi laskeskella esim. tuolla:
http://www.turbofast.com.au/javacalc.html
Yksiköt on vaan vähän vieraita... *

[petrik]

Kyllä se juuri se teho jonka mukaan Ve voidaan arvioida, mutta polttoaineen määrähän lasketaan käytännön syistä virtaavan ilmamassan mukaan eikä päinvastoin. Joissain autoissa on Nissanin patentoima ns. MAF mittari joka laskee ilmamassan virtauksen perusteella, useimmissa moottoripyörissä taas käytetään MAP sensoria ja lämpömittaria laskemaan moottoriin virtaavaa ilmamassaa eri läpän asennolla.

Eli yksinkertaistaen läppämekanismilla (ja kaasareilla) vaikutetaan Ve:hen tuossa aiemmin esitetyssä kaavassa.

VAF = (L/28.317) x (RPM/2) x VE

Jossa Ve tulee funktioista Ve=f(MAP sensor,RPM) tai Ve=f(TPS sensor,RPM). Jälkimmäistä käytetään silloin kun manifold air pressure alkaa lähestymään vallitsevaa ilmanpainetta eikä enään ole selkeästi mitattavissa. Ne jotka ovat joskus katsoneet ECU:n ohjelmakoodin sisälle tunnistavat esim. TPS taulun ja se on keskeinen elementti tuossa Ve:n määrittelyssä. Esim. Myös jos käyttää PowerCommanderderia voi katsoa TPS arvon merkitystä vaaka-akselilla. Kaasuttimissa periaate on sama, vaikka sitä ei ohjelmallisesti lasketakaan.

Eli karkeasti yksinkertaistaen vastaus alle 6000L/min on kyllä lähempänä totuutta jos Ve lähestyy aiemman esimerkkimoottorin teoreettista maksimia 90%. Jos taas läppärungot ovat auki vain vähän niin että esim. TPS kartta antaa arvoksi 1% niin sitten ilman virtaus voidaan arvioida luvulla Ve=1%. Vastaavasti TPS 100% taas antaa arvoksi sen teoreettisen maksimin, esim. 90% - eli yksinkertaistaen Ve = f(TPS sensor).

[petrooli]

Tässä tuli näköjään, kuten arvata saattoi, sen verran palautetta pro/kontra, että pari riviä selvitystä förklaringkekki-tyyliin lienee paikallaan;
- ominaiskulutuksen arvion 350 g/kWh heitin kokemusperäisesti lonkalta (tätähän ei maahantuojan edustaja edes yrittänyt arvioida, kun ei ilmeisesti olluna moottorin simpukkadiagrammia tontilla)
-polttoaine/ilma seossuhteen 13,7 arvioin myös kokemusperäisesti - sehän voi hyvinkin olla plus/miinus x prosenttia suuntaan jos toiseen
- yleisesti ottaen m-pyörien moottorit käyvät rikkaammalla seoksella (tosin myös suuremmilla käyntinopeuksilla) kuin nykyautojen "myllyt"
Elikkäs kumulatiivista virhetta voi hyvinkin tulla zirka 10-15 prossaa suuntaan taikka toiseen.
Aniway, kuten Kawajack totesi, on moottorin terminen hyötysuhde aika kehnonlainen, jos ja kun 20-25 % poltetun hiilivetykilon energiasta kuljettaa motukkaa ja sen kuskia etiäpäin. Loput muuttuu lämpöenergiaksi ja aika merkittävä osa (n. 40 %) karkaa kuumien pakokaasujen muodossa taivaalle.

Ai kun se näillä bensanhinnoilla kuluttaisikin vain pelkkää ilmaa...