• No results found

Konstruktion av avgassystem till MC i syfte att förbättra dess motorkaraktär

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Konstruktion av avgassystem till MC i syfte att förbättra dess motorkaraktär"

Copied!
33
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

Konstruktion av avgassystem till MC i syfte att

förbättra dess motorkaraktär

Mats Vesterberg

Examensarbete TRITA-ITM-EX 2020:135 KTH Industriell teknik och management

(2)
(3)

Examensarbete TRITA-ITM-EX 2020:135

Konstruktion av avgassystem till MC i syfte att förbättra dess motorkaraktär

Mats Vesterberg Godkänt 2020-05-12 Examinator Ulf Sellgren Handledare Ulf Sellgren

Sammanfattning

Detta kandidatexamensarbete behandlar design och konstruktion av ett nytt avgassystem för en motorcykel. Utvecklingen grundar sig på resultat från en körning i bromsbänk av motorcykeln utrustad med original avgassystem, där det visar sig att det finns en påtaglig dipp i vridmoment mellan 4000 och 6500 rpm. Samt på resonemang kring avgassystemets geometri och dess inverkan på motorns egenskaper. Dessa resonemang grundar sig i sin tur på fysikaliska principer.

Målet med projektet är att utveckla ett avgassystem som påverkar motorn på det sätt att vridet i motorns mellanregister ökar för att utradera den påvisade dippen i mellanregistret samtidigt som det fortfarande ska uppfylla de krav svensk lagstiftning ställer på motorcyklar angående ljudnivå. Resonemangen på vilka avgassystemet utformas behandlar cylinderspolning, lågtryckspulser, avgasernas hastighet, avgassystemskonfiguration och cylinderparning. Det beslutas att systemet ska utformas på så sätt att avståndet till kollektorer blir så långt som möjligt i tillgängligt utrymme, att avgassystemet ska vara av 4-2-1 konfiguration och att cylinder 4 och 1 respektive 2 och 3 ska paras ihop.

Avgassystemet tillverkas med enbart handverktyg och består till största del av standarddelar. Efter konstruktion så testas det nya systemet med en körning i bromsbänk och en ljudmätning.

Den resulterade grafen från körningen i bromsbänken visar att dippen i vridmoment mellan 4000 och 6500 varv utraderades samtidigt som momentet ökade lite genom hela registret. Maximala vridmoment ökade från 103,7 Nm (Newtonmeter) med original avgassystem till 106,6 Nm med det nya. Toppeffekten ökade från 115,7 hk (hästkrafter) till 122,5 hk.

På grund av att tillgång till verkstad försvann i och med pandemiutbrottet våren 2020 så beslutades att inte tillverka någon ljuddämpare, istället inhandlades och monterades en standardiserad fullflödesljuddämpare. Ljudmätningar visar att målet med ljudnivån inte uppnåtts. För att vara lagligt så får den maximala ljudnivån vid 5200 rpm inte överstiga 93 dB (decibel). Det nya systemet uppmättes till 109,4 dB vid 5200 rpm och klarar därmed inte ljudnivåkravet.

Projektet visar att det är möjligt att markant påverka motorkaraktären med ändringar i avgassystemets geometri och konfiguration. Detta projekt visar dock bara på vad summan av förändringarna åstadkommer och kan inte ge specifika svar på vilka ändringar som står för vilken del av resultatet.

(4)
(5)

Bachelor Thesis TRITA-ITM-EX 2020:135

Construction of exhaust system for MC in order to improve its engines characteristics

Mats Vesterberg Approved 2020-05-12 Examiner Ulf Sellgren Supervisor Ulf Sellgren

Abstract

This bachelor's thesis deals with the design and construction of a new exhaust system for a motorcycle. The development is based on the results on a dyno run of the motorcycle equipped with the original exhaust system as well on reasonings regarding the exhaust system geometry and its impact on engine characteristics. These reasonings, in turn, are based on physical principles. The dyno run with the original exhaust system showed a significant dip in torque between 4000 and 6500 rpm.

The aim of the project is to develop an exhaust system that affects the engines performance in a way that results in the increase of the engines midrange torque in order to erase the detected dip in the midrange while still fulfilling the requirements Swedish legislation imposes on motorcycles regarding noise pollution.

The reasoning on which the exhaust system is designed deals with cylinder scavenging, low pressure pulses, exhaust speed, exhaust system configuration and cylinder pairing. It is decided that the system shall be designed in such a way that the distance to collectors is as far as possible in the available space, that the exhaust system shall be of 4-2-1 configuration and that cylinders 4 and 1 and 2 and 3 shall be paired.

The exhaust system is manufactured using hand tools only and consists mostly of standardized parts. After construction, the new system is validated with a dyno run and sound level measurements.

The resulting graph from the dyno run of the motorcycle equipped with the new exhaust system shows that the dip in torque between 4000 and 6500 rpm was erased while the overall torque increased slightly throughout the register. Maximum torque increased from 103.7 Nm with the original exhaust to 106.6 Nm with the new. The peak power increased from 115.7 hp to 122.5 hp. Sound measurements indicate that the aim for the sound level has not been achieved. To be legal, the maximum noise level at 5200 rpm must not exceed 93 dB. The new system was measured at 109.4 dB at 5200 rpm and thus does not meet the sound level requirement.

The project shows that it is possible to significantly influence the engine character with changes in the geometry and configuration of the exhaust system. However, this project only shows what the sum of the changes achieves and cannot provide specific answers as to which changes account for what part of the result.

(6)
(7)

NOMENKLATUR

Nedan följer genomgång av några vanligt förekommande förkortningar och ord i rapporten.

Förkortningar

Förkortning

Beskrivning

CAD Computer Aided Design

dB Decibel

hk Hästkraft

Nm Newton-meter

OEM Original Equipment Manufacturer

rpm Revolutions per minute

Ordlista

Ord

Beskrivning

Bänkning/Bänkkörning En metod för att utvinna data för vrid och effekt ur en/ett motor/fordon för specifika motorvarvtal.

Cylinderspolning Evakuering av förbrända gaser inuti cylinder.

Kollektor Del i avgassystemet där två eller flera rör förenas.

(8)

INNEHÅLLSFÖRTECKNING

SAMMANFATTNING

1

ABSTRACT (ENGLISH)

3

NOMENKLATUR

5

INNEHÅLLSFÖRTECKNING

6

1

INTRODUKTION

8

1.1 Bakgrund

8

1.2 Syfte

9

1.3 Avgränsning

9

1.4 Mål

10

1.5 Metodik

10

2

REFERENSRAM

11

2.1 Kortfattat om fyrtaktsmotorn

11

2.2 Avgassystemets funktion

12

2.3 Trimning av avgassystemet

12

2.3.1

Reflekterande tryckvågor och dess inverkan på spolningen

12

2.3.2

Avgasrörens diameter och dess inverkan på spolningen

13

2.3.3

Konfiguration av avgassystemet

13

2.3.4

Cylinderparning

14

2.4 Ljuddämpning

14

2.4.1

Passiv ljuddämpning

14

2.4.2

Aktiv ljuddämpning

14

3

GENOMFÖRANDE

15

(9)

3.2 Framtagning av CAD-modell

16

3.3 Tillverkning

17

3.4 Bänkning

20

3.5 Ljudmätning

20

4

RESULTAT

21

4.1 Resultat från bänkkörning

21

4.2 Resultat från ljudmätning

22

5

DISKUSSION OCH SLUTSATSER

23

5.1 Diskussion

23

5.2 Slutsatser

24

6

REKOMMENDATIONER OCH FRAMTIDA ARBETE

25

7

REFERENSER

26

BILAGA A: TEKNIST DATABLAD YAMAHA XJR 1300

27

BILAGA B: INGÅENDE DELAR FÖR NYA SYSTEMET

28

BILAGA C: EN GENOMGÅNG ÖVER FÖRENKLAD LJUDMÄTNING

30

(10)

1 INTRODUKTION

Detta kandidatsexamensarbete består i att utveckla och konstruera ett nytt avgassystem till en motorcykel i syfte att förändra dess motorkaraktär. Motorcykeln ifråga är en Yamaha XJR 1300 av 2003 års modell. Motorcykeln har en fyrcylindrig luftkyld fyrtaktsmotor på sammanlagt 1251cc slagvolym (se bilaga A för tekniska specifikationer).

I detta inledande kapitel så vill jag introducera läsaren till bakgrunden och syftet för projektet samt redovisa mina resonemang kring avgränsningar, mål och metodik.

1.1 Bakgrund

När motorcykeltillverkare utvecklar avgassystemet till motorerna för dess olika motorcykelmodeller så är det en mängd olika variabler som spelar in i utvecklingen. Bland dessa variabler så återfinns tänkt användningsområde, utvecklingskostnad, tillverkningskostnad, material och vikt, hur stor fysisk plats som finns tillgänglig för systemet, ljudnivå, vibrationer, avgasrening med flera.

Beroende på inom vilken kategori (vardagsbruk, offroad, racing) den specifika motorcykelmodellen utvecklas för så viktas dessa variabler olika. För en fullfjädrad racingmaskin så läggs mer vikt på att optimera effekt och körbarhet samt viktminimering medan på en motorcykel utvecklad för mer vardagligt bruk så läggs mer fokus på pris och masstillverkning. På grund av att motorcykeltillverkaren oftast riktar sig till en global marknad så måste den utvecklade motorcykelmodellen vara kompatibel med en mängd olika länders och regioners specifika lagstiftning när det kommer till buller och utsläpp av skadliga partiklar. Detta tillsammans medför att ett avgassystem utvecklad av en stor motorcykeltillverkare mer eller mindre alltid är begränsande för motorcykelns prestanda.

Då den slutliga produkten av utvecklingen är ett avgassystem som mer eller mindre alltid är en kompromiss av de olika egenskaperna listade ovan så finns det stort utrymme för eftermarknadstillverkare att utveckla eftermarknadsprodukter som är mer nischade för specifika användningsområden.

För exempel så finns det en stor marknad för eftermarknadsavgassystem som är utvecklade för en specifik motorcykelmodell och optimerad för effekt och/eller körbarhet. Eftermarknadstillverkare kan välja att inte kompromissa lika mycket utan kan tillåta att andelen skadliga partiklar och ljudnivån vara högre än original. I och med denna eftergift så kan då samtidigt tillverkaren minska begränsningar i avgassystemet vilket medför högre gasflöde och som följd också högre effekt. Min motorcykel är utrustad med OEM (Original Equipment Manufacturer) avgassystem och är av 4-1-2 konfiguration vilket betyder att fyra primärrör går från var sin cylinder ihop till ett gemensamt sekundärrör som slutligen förgrenas i två slutrör.

Jag är mycket nöjd med min motorcykel i stort men jag upplever att den är svagare än vad den borde vara med en så stor motor. Jag upplever en dipp i vridmomentet i motorns mellanregister vilket också bekräftas av data erhållen ur en bänkkörning av motorcykeln, resultatet av körningen i bromsbänk visas i figur 1. Ur denna graf så framgår en tydlig dipp i vridmomentet mellan 4000 och 6500 rpm (revolutions per minute).

(11)

Figur 1. Graf över vridmoment och effekt som funktion av varvtal erhållen ur bänkkörning av motorcykeln utrustad med original avgassystem.

1.2 Syfte

Syftet med denna rapport kan koncentreras ner till att svara på tre frågor.  Hur påverkar avgassystemets geometri en fyrtaktsmotors egenskaper?

 Kan avgassystemets geometri anpassas för att nå önskvärda motoregenskaper?  Hur kan ett avgassystem formas sådan att vridmomentet ökar utan att ljudnivån ökar? För att svara på dessa frågor så ska det utifrån en teoretisk bakgrund, baserad på tidigare arbeten och simuleringar, utvecklas resonemang kring avgassystemets geometri och dess inverkan på motorns momentkurva. Utifrån dessa resonemang så ska det utvecklas och tillverkas ett avgassystem för motorn som påverkar momentkurvan i önskvärd riktning samtidigt som ljudnivån fortsatt ligger på laglig nivå.

1.3 Avgränsning

Då detta projekt ingår i en kandidatexamenskurs på 15hp så måste projektet begränsas kraftigt. Att utveckla ett nytt avgassystem enligt första princip metoden, det vill säga att genom grundläggande teori inom strömningsmekanik, ljud och vibrationer, kemi och fysik utveckla teorier för att sedan analysera, simulera, konstruera och tillverka för att till sist verifiera konstruktionen med tester kommer att vara alltför omfattande och kostsamt för denna kurs. Istället kommer jag att fokusera på att utveckla resonemang grundade i den grundläggande teorin för hur ett effektivt avgassystem är utformat och utifrån dessa resonemang utveckla och tillverka ett avgassystem.

(12)

 Avgassystemet ska tillverkas av standarddelar från Biltema.

 Primärrören från originalsystemet kommer att användas även i det nya systemet.  Det ska inte tillverkas någon ljuddämpare utan den köps in från Biltema.

 Ingen fokusering på viktminimering kommer att ske.

Även om ingen egen tillverkning av ljuddämpare kommer att genomföras så kommer ändå en liten studie kring ljuddämpning och utformning av effektiva ljuddämpare att utföras i rapporten, detta för att ha underlag för att bestämma vilken slags ljuddämpare som ska inhandlas.

1.4 Mål

Ett grundläggande mål med avgassystemet är att det ska vara lagligt. Motorcykeln utrustad med det nya avgassystemet ska uppfylla de krav svensk lagstiftning ställer på fordon av denna specifika modell. För att motorcykeln ska klara en besiktning så får ljudnivån ej överstiga 93dB vid 5200 varv per minut mätt 0,5m bakom avgasröret i 45 graders vinkel från avgassystemets mynning (se bilaga C för transportstyrelsens föreskrifter angående ljudnivåmätning).

Mitt andra konkreta mål med projektet är att utifrån resonemang kring avgassystemets utformning tillverka ett avgassystem vars effekt på motorkaraktären är sådan att dippen i momentkurvan mellan 4000 och 6500 rpm minimeras samtidigt som toppeffekten hålls konstant eller förbättras.

1.5 Metodik

En omfattande studie i relevant information genomfördes. Detta studium bestod till största del av rapporter från tidigare relaterande arbeten och även en omfattande bok av Blair, G.P, “Design and

Simulation of Four Stroke Engines”, som verkar vara något av en bibel inom detta fält då de flesta

rapporterna och artiklarna jag läst refererar till denna bok. Grundad på denna inledande studie så utvecklade jag resonemang kring hur ett avgassystem för min specifika motor bör formges för att nå mina mål. Ett exempel på typen av resonemangen som formulerats är: ”Avståndet till

kollektorerna ska göras så långt som möjligt i tillgängligt utrymme för att spolningseffekten från de negativa tryckpulserna ska hamna så långt ner i varvtalsregistret som möjligt.”.

Efter detta så utarbetades en omfattande databas i Solid Edge av de tillgängliga standarddelarna hos Biltema. Tillsammans med en CAD (Computer Aided Design) -modell av motorcykeln så arbetade jag fram en modell av ett avgassystem i Solid Edge som uppfyllde de designkrav jag formulerat. När modellen av avgassystemet var utarbetad så kunde jag bara titta i CAD-modellen och se vilka delar som ingick i CAD-modellen och därefter åka till Biltema och inhandla motsvarande delar.

(13)

2 REFERENSRAM

I detta kapitel så redogörs kortfattat om fyrtaktsmotorn och dess olika faser samt för den teoretiska bakgrund vilka mina beslut angående avgassystemets utformning grundar sig på.

2.1 Kortfattat om fyrtaktsmotorn

En fyrtaktsmotor är en typ av kolvmotor som fått sitt namn från att förbränningscykeln kan delas upp i fyra olika faser eller takter. De är insugsfasen, kompressionsfasen, förbränningsfasen och avgasfasen vilka illustreras i figur 2.

Figur 2. Illustration över de fyra faserna i en fyrtaktsmotor. (Blair 1999)

I en fyrtaktsmotor så styrs flödet av gaser in och ut ur cylindern via ventiler som öppnar och stänger de olika portarna. I insugsfasen så är insugsventilen öppen och tillåter en luft/bränsle-blandning att sugas in i cylindern. När kolven når bottenläget så stängs ventilen och kolven komprimerar blandningen under kompressionsfasen. Precis innan kolven nått toppläget så antänds blandningen av ett tändstift som producerar en gnista. Båda ventilerna är nu stängda och trycket i cylindern ökar kraftigt vilket utövar ett arbete på kolven som tvingas nedåt i cylindern vilken då utövar ett moment på vevaxeln. Det är i denna fas kraften från motorn produceras och denna kallas också allmänt för kraftfasen. När kolven nått bottenläget i denna fas så öppnar avgasventilen avgasporten vilket tillåter de förbrända gaserna att strömma ut ur motorn under cykelns sista fas. [1]

(14)

Figur 3. Ventillyft som funktion av vevaxelrotation. (Blair 1999)

2.2 Avgassystemets funktion

Ett avgassystem till en förbränningsmotor har en huvudsaklig uppgift och det är att föra bort de förbrända gaserna från cylindern så att en ny luft/bränsle-blandning kan sugas in i cylindern för förbränning. Avgassystemet har även sekundära uppgifter, som att föra bort värme och giftiga gaser från fordonet, dämpa ljudnivån samt minska andelen av giftiga kemiska föreningar som bildas vid förbränningen.

Ett effektivt avgassystem manipulerar tryckpulserna som uppkommer genom förbränningen inne i cylindern till att hjälpa till med evakueringen av förbrända gaser samt till att påskynda fyllningen av en ny luft/bränsle-blandning. Denna manipulering sker genom systemets geometri och har fysikaliska principer som grund. [2]

2.3 Trimning av avgassystem

Det finns olika fysikaliska fenomen som kan utnyttjas i konstruktionen av ett avgassystem för att justera gasflödet och därmed också karaktären på en motor. I detta avsnitt så redogörs det för några av de vanligaste aspekter som beaktas när det kommer till att trimma avgassystem.

2.3.1 Reflekterande tryckvågor och dess inverkan på spolningen

(15)

Figur 4, Hög- och lågtryckspulser i rör, (övre) Positiv puls, (nedre) Reflekterad negativ puls. (Sawant 2018) Om längden på röret kan justeras sådan att denna lågtryckspuls kommer tillbaka till avgasventilen precis vid tillfället för överlappningen mellan avgas- och insugsventilen (figur 3) så skapas en extra tryckskillnad som suger ur de sista förbrända gaserna samt hjälper till med införseln av den nya luft/bränsle-blandningen. Det är intuitivt att denna trimning bara hjälper för ett visst varvtal eftersom tiden det tar för tryckpulsen att färdas fram och tillbaka ska matchas mot kolvens rörelse i cylindern, vilken är i direkt proportion mot varvtalet. Därför är det riktigt att säga att avgasröret trimmas mot ett specifikt varvtalsintervall. [4]

2.3.2 Avgasrörens diameter och dess inverkan på spolningen

När en fluid rör sig i ett rör så skapas det ett högtrycksområde framför pulsen och en lågtryckspuls bakom. Denna tryckskillnad ökar med fluidens hastighet och vice versa [3]. När avgasporten i cylindern öppnas efter en förbränningsfas så strömmar avgaserna ut i röret med hög hastighet och det lågtrycksområde som bildas bakom avgaspulsen hjälper till med att suga ut de förbrända gaser som blir kvar i cylindern när tryckskillnaden sjunker. En mindre diameter på avgasrören främjar enligt detta perspektiv en effektiv cylinderspolning då hastigheten på de strömmande avgaserna blir högre. Däremot så medför en mindre diameter en begränsning i sig eftersom trycket i röret ökar med minskad diameter vilket medför sämre flöde och pumpförluster ur motorn.

Diameter på avgasrören bör alltså väljas med omsorg och generellt kan det sägas att en stor diameter på avgasrören främjar moment och effekt vid höga varvtal och att en liten diameter på avgasrören främjar moment och effekt på låga varvtal. [4]

2.3.3 Avgassystemskonfiguration

Avgassystemet kan utformas sådant att man får flera lågtryckspulser per högtryckspuls om det införs fler kollektorer i systemet. En vanlig utformning på ett avgassystem för fyrcylindriga motorcyklar är 4-2-1, där 4-2-1 syftar på fyra primärrör som förenas i par till två sekundärrör som slutligen förenas till ett slutrörrör. Det förekommer även andra konfigurationer, för exempel 4-1, och på samma sätt som tidigare så syftar 4-1 på fyra rör som i en kollektor förenas till ett slutligt rör.

(16)

4-2-1-system då areaskillnaden mellan primärrör och kollektor är större då fyra rör går ihop till ett än då två rör förenas. Detta medför att spolningseffekten av den enskilda tryckpulsen är starkare för ett 4-1-systemet, dock enbart vid ett specifikt varvtalsintervall. Ett 4-2-1-system innebär fler kollektorer och därför fler justerbara spolningseffekter per puls. Detta medför en större spridning av tryckpulsernas effekt genom varvtalsregistret. Dock med nackdelen att spolningseffekten inte är lika kraftfull som med ett 4-1-system.

Generellt kan det sägas att 4-1-system används för fordon där toppeffekt är den viktigaste egenskapen medan 4-2-1-system är vanligt för fordon där en större del av varvtalsregistret utnyttjas. [4]

2.3.4 Cylinderparning

Beroende på motorns tändföljd och konfigurationen av dess avgassystem så bör cylindrarna paras ihop på ett bestämt vis för att få ett så jämnt flöde av tryck- och avgaspulser som möjligt. För exempel en fyrcylindrig motor med tändföljden 1-2-4-3, där cylindrarna är numrerade från vänster i färdriktningen, och där dess avgassystemet är konfigurerat enligt 4-2-1 principen. För att tryckpulserna i ett sådant fall ska gå jämnt genom systemet så paras cylinder ett och fyra ihop sådan att de förenas i ett av sekundärrören och cylinder två och tre förenas i det andra. Vid drift kommer då en tryckpuls att gå genom vardera sekundärrör för varje 360 graders rotation av vevaxeln. Om för exempel istället cylinder 1 och 2 hade parats ihop så hade det i vardera rör gått två tryckpulser det första varvet och sedan ett uppehåll av tryckpulser i 360 grader för att sedan gå två pulser till de nästkommande 360 graderna. Så beroende på motorns tändföljd och avgaskonfiguration så bör tanke läggas på hur cylindrarna ska förenas i kollektorer.

2.4 Ljuddämpning

Tryckvågen som alstras när förbränning sker inuti en motor och som sedan färdas genom avgasröret är ingenting annat än en ljudvåg. Om denna ljudvåg inte stöter på något hinder under sin färd genom systemet så kan den vara väldigt kraftig när den kommer ut i atmosfären. Samhället ställer krav på nivån av utsläpp av buller och skadliga partiklar från fordon så för att ett fordon ska vara lagligt så måste det oftast dämpa dessa ljudvågor på något sätt. Det finns i huvudsak två olika vägar man kan gå när det kommer till ljuddämpning och det är passiv och/eller aktiv dämpning. 2.4.1 Passiv ljuddämpning

Passiv ljuddämpning innebär att ljuddämparens mekaniska egenskaper minskar intensiteten av ljudvågen och det finns några olika varianter av passiva ljuddämpare men två av de vanligaste är absorptionsljuddämpare och reaktiva ljuddämpare.

En typ av absorptionsljuddämpare är en fullflödesljuddämpare. Vilket i praktiken är en förlängning av avgasröret med den skillnaden att inuti ljuddämparen är det genomgående röret perforerat med många små hål som omsluts av ett särskilt slags fibermaterial, vanligtvis glasull, vilket absorberar ljudvågorna men låter gasen passera praktiskt taget obehindrat.

En reaktiv ljuddämpare fungerar genom att inuti ljuddämparen så leds ljudvågorna och gasen genom kanaler och hinder vilka designats för att reflektera ljudvågorna mot varandra i syfte att släckas enligt superpositionsprincipen. Denna typ av ljuddämpare är mer begränsande än en fullflödesljuddämpare. [6]

2.4.2 Aktiv ljuddämpning

(17)

3 GENOMFÖRANDE

I detta kapitel redogörs för genomförandet av projektet i sin helhet. Från förarbetet till det färdiga avgassystemet och de mätningar som krävs för att validera arbetet.

3.1 Fastställande av avgassystemets egenskaper

Utifrån den teoretiska referensramen och projektets mål angående motorkaraktär och ljudnivå så beslutades det att designen ska uppfylla vissa krav. Dessa krav grundar sig på avsnitt 2.3-2.4 och redovisas nedan i punktform.

 Avståndet till kollektorerna ska göras så långt som möjligt i tillgängligt utrymme för att spolningseffekten från de negativa tryckpulserna ska hamna så långt ner i

varvtalsregistret som möjligt.

 Systemet ska vara av 4-2-1 konfiguration för att få fler och ett jämnare flöde av negativa tryckpulser för effektivare spolning av cylindern genom hela varvtalsregistret.

 Cylindrarna ska paras ihop för ett så jämnt flöde av avgaspulser som möjligt vilket betyder att cylinder ett och fyra respektive två och tre paras ihop till gemensamt sekundärrör. Detta innebär en tryck- och avgaspuls i varje sekundärrör för varje 360 graders rotation av vevaxeln.

 Ljuddämparen ska vara av fullflödestyp för att introducera så få begränsningar som möjligt till avgasflödet.

(18)

3.2 Framtagning av CAD-modell

För att enkelt kunna testa olika koncept och av vilka delar det nya systemet skulle bestå av så utvecklades det en omfattande del-databas i Solid Edge av de tillgängliga standarddelarna hos Biltema. Tillsammans med en CAD-modell av motorcykeln så kunde jag nu sitta i en virtuell miljö och konstruera CAD-koncept som uppfyllde de designkrav jag ställt i avsnitt 3.1 och samtidigt se direkt hur detta system skulle passa motorcykeln angående längd och fästpunkter. I figur 5 så visas miljön jag jobbade i där arbetet bestod i att testa mig fram med olika komponenter ur del-databasen till jag fick någonting som fungerade.

Figur 5. Modellering i Solid Edge av avgassystemet tillsammans med en modell av motorcykeln.

Eftersom jag använde virtuella modeller av delar som fanns tillgängliga hos Biltema så var det en enkel sak sedan att titta i modellen och se exakt vilka delar som sedan behövde inhandlas. Resultatet av arbetet i den virtuella miljön uppfyller de designkrav vi ställt och visas för sig i figur 6.

(19)

3.3 Tillverkning

När delarna var inhandlade (se bilaga B för komplett redovisning av ingående delar) så monterades delarna först provisoriskt på plats för att bekräfta att den virtuella modellen stämde överens med verkligheten vilket visas i figur 7. Den provisoriska upphängningen bestod av najtråd och den enda modifiering jag gjorde till någon av standarddelarna var att jag kapade den övre av de nedre y-rören i höjd med det nedre, vilket syns i figur 8. Detta för att få plats med flexislangen som skulle utgöra sammankopplingen mellan primärrören och den nya delen av avgassystemet. Flexislang är en böjbar slang tillverkad av stål vilket gör den hållbar men samtidigt formbar.

(20)

När det övre av de nedre y-rören var kapat i höjd med det nedre och avgassystemets läge justerats med hjälp av najtråden så monterades flexirören mellan primärrören och den del av systemet som består av standarddelar ihop enligt den specificerade cylinderparningen. Flexislangarna från cylinder 1 och 4 förenades i det övre y-röret och flexislangarna från cylinder 2 och 3 förenades i det nedre. Det sågades upp skåror i flexislangarnas bakre del i syfte att det skulle vara möjligt att klämma fast dom på primärrören. Flexislangarna monterades utanpå primärrören och klämdes fast innanför den bakre delen av y-rören. Skarvarna tätades med avgasbandage och avgaspasta för att sedan slutligen klämmas på plats av klamrar, två på varje sida av rören. Resultatet av sammanfogningen visas i figur 8.

(21)

När flexislangarna var monterade så slutmonterades även standarddelarna enligt modellen vilket visas i figur 9. Dessa skarvar tätades även dom med avgaspasta och klämdes på plats med hjälp av klamrar, förutom skarven mellan de både sekundärkrökarna och det övre y-röret där skarven bestod av ett skruvmontage.

(22)

Efter det att hela avgassystemet, inklusive ljuddämparen, var monterat och tätat så togs den provisoriska upphängningen av najtråd bort och det installerades istället en permanent upphängning av montageband, vilken kan ses i figur 10, och avgassystemet var nu färdigt för att testas.

Figur 10. Det färdiga systemet med den slutliga upphängningen.

3.4 Bänkning

Efter tillverkning och montering så sattes motorcykeln i samma bromsbänk som när den bänkades med originalsystemet. En bromsbänk är en apparatur vilken låter fordon accelerera en viktad cylinder i syfte att få fram siffror på hur mycket moment en motor levererar vid specifika motorvarvtal. Det finns olika typer av bromsbänkar, de som mäter direkt på vevaxeln och de som mäter på drivhjulen. Testerna i bromsbänk genomfördes hos Din MC i Rotebro där de mäter vrid och effekt på drivhjulet.

3.5 Ljudmätning

(23)

4 RESULTAT

I detta kapitel samlas de resultat, som uppnåtts med de tester som beskrivits tidigare.

4.1 Resultat från bänkkörning

Resultatet från körningarna i bromsbänk, visas i figur 11, där både effekt och vridmoment visas som funktion av varvtal. Kurvorna representerar första bänkningen med originalsystemet (de nedre kurvorna) och den senaste bänkningen med det nya systemet (de övre kurvorna). De flackare kurvorna representerar vridmomentet och avläses på den högra axeln. De brantare kurvorna representerar effekt och avläses på den vänstra axeln.

(24)

4.2 Resultat av ljudmätning

Resultatet av ljudmätningen redovisas i tabell 1 och även som graf i figur 12. Tabell 1. Mätdata från ljudmätningar av både original och det nya systemet. Varvtal [rpm] 1100 2000 3000 4000 5200 6000 7000 8000 9000 Ljudnivå [dB] Original 85.1 87.7 93.2 89.5 91.8 94.0 97.0 98.6 99.8 Ljudnivå [dB] Nya 94.0 98.5 102.8 108.6 109.4 112.9 115.3 117.1 117.3

(25)

5 DISKUSSION OCH SLUTSATSER

I detta kapitel diskuteras och sammanfattas de resultat som presenterats i föregående kapitel. Sammanfattningen baseras på en resultatanalys och syftar till att svara på om syftet och målen med projektet, som redogjordes för i kapitel 1, uppnåtts.

5.1 Diskussion

Den speciella situation som uppkom våren 2020 med anledning av det globala pandemiutbrottet förde med sig förändringar i projektet. Min första tanke med detta projekt var att konstruera ett helt nytt avgassystem från grunden men virusutbrottet förhindrade min tillgång till verkstad i och med att KTH stängde sina lokaler för studenter. På grund av att jag förlorade tillgången till maskiner och lokaler och därigenom min möjlighet att tillverka egna delar så beslutade jag mig för att lösa problemet med standarddelar från Biltema. Detta för att det skulle vara möjligt att tillverka ett avgassystem med enbart handverktyg. De standarddelar jag använt i projektet är främst anpassade för bilar vilket medför att dimensionerna på rören är aningen för stora för att vara lämpliga åt ett avgassystem för en motorcykel. Däremot är slagvolymen på den aktuella motorn för vilket avgassystemet utvecklades för rätt stor, och kan jämföras med en mindre bil, så det fungerade ändå rätt bra. Det medförde dock att jag inte la särskilt stor vikt vid teoriavsnittet som behandlar rörens diameter när jag designade systemet utan jag la större vikt vid att få tillverkningen så enkel som möjligt. Ett egentillverkat system med anpassade och genomtänkta dimensioner tror jag kan åstadkomma ett ännu bättre resultat.

De principer jag genom projektet ville undersöka angående avgassystems-konfiguration, cylinderparning och avstånd till kollektorers påverkan på momentkurvan är dock fortfarande applicerbara även om systemet är tillverkat av standarddelar. Tyvärr blev resultatet av arbetet ett avgassystem som inte är estetiskt tilltalande och knappast särskilt praktiskt men resultaten kan fortfarande visa om de resonemang jag grundade designen på var sunda.

Resultaten av bänkkörningen med det nya avgassystemet visade att dippen i momentkurvan i mellanregistret nästan helt utraderades vilket talar för att resonemangen kring avgassystemets geometri och egenskaper verkligen påverkade motorkaraktären på det sätt vi hoppats. Maximala vridmoment ökade från 103,7 Nm med original avgassystem till 106,6 Nm med det nya systemet. Toppeffekten ökade från 115,7 hk till 122,5 hk.

Tyvärr så är det svårt att exakt säga vilken ändring som påverkat vad och i vilken utsträckning utan detta resultat visar enbart på vad summan av ändringarna åstadkom. För att mer exakt kunna peka på vilken ändring som påverkade vad så måste ytterligare varianter av avgassystemet byggas och testas. Exempel på rekommenderade framtida arbeten ges i kapitel 6.

Vi ser genom att studera grafen från den senare bänkkörningen att även om den största förändringen skedde vid de varvtal vi önskade så ser vi även en ökning av både moment och effekt genom hela varvtalsregistret. Denna ökning kan nog härledas till bättre gasgenomströmning generellt gentemot originalsystemet och den ökningen härstammar nog från en generell dimensionsökning men från minskat motstånd i ljuddämpningen i synnerhet. Eftersom jag saknade tillgång till verkstad så saknade jag möjlighet att tillverka en egen ljuddämpare och köpte därför en standardiserad fullflödesljuddämpare. Det fanns flera olika modeller att välja bland och jag valde en av de mindre både på grund av brist på tillgängligt utrymme samt av ekonomiska skäl då jag ville hålla kostnaderna så låga som möjligt.

(26)

att jag hade lagt mer energi på att lära mig om hur de fungerar och anpassat dimensioner och längder därefter och kanske hade jag åstadkommit ett mer tillfredsställande resultat.

För att vara lagligt så får den maximala ljudnivån vid 5200 rpm inte överstiga 93 dB. Det nya systemet uppmättes till 109,4 dB vid 5200 rpm och klarar därmed inte ljudnivåkravet. Det hade varit intressant att undersöka effekten av en längre fullflödesljuddämpare av samma diameter för att se om det är möjligt att åstadkomma samma resultat men med en lägre ljudnivå och jag rekommenderar därför ett sådant arbete i kapitel 6.

5.2 Slutsatser

En avgörande slutsats vi kan dra från detta projekt är att den geometriska formgivningen av ett avgassystem har en påtaglig inverkan på karaktären hos en motor, och att denna karaktär är möjlig att till viss grad anpassa och forma efter eftertraktade motoregenskaper genom modifikation av avgassystemets geometri. Målet med projektet angående mer vrid i mellanregistret är uppfyllt. Ett par slutsatser vi kan dra från ljudmätningarna av det nya avgassystemet är att ljuddämparen vi valt inte räcker för att dämpa ljudnivån till den nivå vi siktade på, och att ett mer gediget arbete kring ljuddämpning krävs för att svara på frågan: ”Hur kan ett avgassystem formas sådan att

vridmomentet ökar utan att ljudnivån ökar?”. Det grundläggande målet med att hålla motorcykeln

(27)

6 REKOMMENDATIONER OCH FRAMTIDA ARBETE

I detta kapitel ges rekommendationer for mera detaljerade lösningar och framtida arbete.

I syfte att mer noggrant utreda hur förändringar i avgassystemets geometri påverkar motorns egenskaper hade det vart intressant att göra ett mer omfattande arbete där summan av de ändringar jag gjorde analyseras var för sig.

I syfte att utreda förhållandet mellan längden på en fullflödesljuddämpare och ljudnivån rekommenderas även ett sådant arbete. Ytterligare framtida arbeten jag skulle rekommendera är således:

 Ett arbete som syftar till att kvantifiera lågtryckspulsernas effekt på cylinderspolningen. Detta arbete skulle kunna bestå i att succesivt ändra längden på ett rakt avgasrör för en en-cylindrig motor och mäta vridmoment för varje iteration. I detta fall går tryckpulsen direkt ut till atmosfären vilket skapar en kraftig lågtryckspuls ty areaförändringen går mot oändligheten.

 Ett arbete som syftar till att kvantifiera effekten av avgasrörens diameter på

cylinderspolningen. Detta arbete skulle kunna bestå i att succesivt ändra diametern på ett rakt avgasrör för en en-cylindrig motor och mäta vridmoment för varje iteration. Detta skulle testa effekten på cylinderspolningen av avgasernas hastighet och tillhörande lågtrycksområde bakom avgaspulsen mot det ökande mottryck en minskande rördiameter introducerar.

 Ett arbete som kvantifierar effekten på vridmomentet av ett avgassystems konfiguration. Arbetet bör utföras på en 4-cylindrig motor med plan vevaxel och ordinär tändföljd. Arbetet kan bestå i att hålla systemets alla längder och dimensioner konstanta och enbart ändra konfiguration, för exempel från 4-2-1 till 4-1, och mäta vridmoment mellan varje iteration.

 Ett arbete som kvantifierar effekten av cylinderparning på vridmomentet för en 4-cylindrig motor med plan vevaxel och ordinär tändföljd (1-2-4-3 eller 1-3-4-2). Detta arbete kunde bestå i att testa olika parningar av cylindrar (allt annat hålls lika) och mäta vridmoment för varje ny parning.

 Ett arbete som undersöker och kvantifierar effekten av längden av en fullflödesljuddämpare. Detta arbete kunde bestå i att helt enkelt testa

(28)

7 REFERENSER

[1] Blair, G.P., “Design and Simulation of Four stroke Engines”, Society of Automotive Engineers, 1999.

[2] Bari, S. och Aradhye, O.,”Continuously Varying Exhaust Pipe Length and Diameter to

Improve the Performance of a Naturally Aspirated SI Engine”, University of North Carolina at

Charlotte, 2017.

[3] Sawant, P. och Warstler, M. och Bari, S., ”Exhaust Tuning of an Internal Combustion Engine

by the Combined Effects of Variable Exhaust Pipe Diameter and an Exhaust Valve Timing System”, Energies, An Open Access Journal from MDPI, 2018, doi: 10.3390/en11061545.

[4] Anderson, T., “Performance Exhaust System Design And Theory”, Engine Labs, 2016, https://www.enginelabs.com/engine-tech/exhaust/performance-exhaust-system-design-and-theory/, sökt 2020-03-12

[5] Eriksson, L.J och Thawani P.T., Theory and Practice in Exhaust System Design”, Society of Automotive Engineers, 1985.

[6] Kimbrough, B., “Understanding Muffler Design and Sound Absorbation Strategies”, Dragzine, 2014, https://www.dragzine.com/tech-stories/exhaust/understanding-muffler-design-and-sound-absorption-strategies/, sökt 2020-04-05

[7] Coombs, M., “Yamaha XJR1200 & 1300 Service and Repair Manual”, Haynes Publishing, 2016

(29)

BILAGA A: TEKNISKT DATABLAD YAMAHA XJR 1300

Yamaha XJR 1300 (Haynes 2016) Modell Yamaha XJR 1300 Årsmodell 2003 Antal cylindrar 4 Slagvolym 1251cc Kompression 9.7:1

Tändföljd 1-2-4-3 (där cylinder 1 är cylindern längst till

vänster i färdriktningen)

Avgassystemskonfiguration 4-1-2

Längd 2255mm

Vikt (torr) 232kg

(30)

BILAGA B: INGÅENDE DELAR FÖR NYA SYSTEMET

Nedan följer en redovisning för alla ingående delar till det nya avgassystemet. Alla delar är inköpta på Biltema med butikens artikelnummer för artikeln längst till höger med tillhörande bilder från Biltemas hemsida.

Ovan till vänster: Y-rör 50,8x44mm (2st) 79-8565 Ovan till höger: Y-rör 63,5x50,8mm (1st) 79-8567

(31)

Ovan till vänster: Ljuddämpare rund 64mm (1st) 79-8550 Ovan till höger: Avgasslang 36mm (2st) 79-103

Ovan till vänster: Skarvrör 50mm (2st) 98-012

Ovan till höger: Slangklämmor 61-8XX

Ovan till vänster: Montageband 20x0,7x10m 19-381

(32)

BILAGA C: EN GENOMGÅNG ÖVER FÖRENKLAD

LJUDMÄTNING

Vid förenklad ljudnivåmätning ska mätinstrument och fordon placeras enligt figur nedan.

Mätning ska ske på ett öppet område med plan yta. Mätområdet ska begränsas av en rektangel vars sidor befinner sig minst 3 m från fordonets närmaste del (se nedanstående figurer). Mätområdets yta ska vara av betong, asfalt eller annat hårt material med motsvarande reflektionsgrad.

Nivån på ovidkommande ljud inom området ska vara minst 10 dB(A) under den uppmätta ljudnivån för fordonet.

Växelväljare ska vara i neutralläge och motorn ska ha normal driftstemperatur.

Under mätningen ska motorns varvtal hållas konstant på det varvtal som framgår av fordonets skylt eller registrerad uppgift för stationär mätning. Äldre motorcyklar som typbesiktigats får mätas med stöd av tabell till

9 kap. 12 § Vägverkets föreskrifter (VVFS 2003:23) om motorcyklar och släpvagnar som dras av motorcyklar.

Mätinstrumentets mikrofon ska hållas på samma höjd som avgasrörets mynning, dock lägst 0,2 m över marken. Avståndet mellan mikrofonen och mynningen ska vara 0,5 m. Mikrofonens symmetriaxel ska vara parallell med marken om inte annat angetts av mätinstrumentets tillverkare. Symmetriaxeln ska, räknat utåt från fordonets sida, bilda 45vinkel (± 10för motorcykel, ± 5för bil) mot det vertikalplan som går genom avgasernas huvudriktning.

Har fordonet två eller flera likvärdiga avgasrör, och är avståndet inbördes mellan mynningarna för dessa mindre än 0,3 m, ska mätning endast göras mot den mynning som är längst ut åt sidan räknat från fordonets mitt eller som är högst belägen. Är avståndet inbördes mellan mynningarna större än 0,3 m ska mätning göras vid varje mynning.

Varje mätning ska bestå av tre avläsningar med nedvarvning mellan varje avläsning. Skillnaden mellan det högsta och det lägsta avlästa värdet får inte överstiga 2 dB(A). Det värde som är högst ska anses som mätresultat.

Mätresultatet ska avrundas till närmaste heltal. Decimalen 5 och högre ska avrundas uppåt. [8]

(33)

BILAGA D: TEKNISKT DATABLAD LJUDMÄTARE

Biltema ljudmätare. Artikelnummer: 15-342

References

Related documents

Den kategoriseringsprocess som kommer till uttryck för människor med hög ålder inbegriper således ett ansvar att åldras på ”rätt” eller ”nor- malt” sätt, i handling

Enligt 39 kap § 15 i IL (SFS 1999:1229) ska svenska näringsidkare dokumentera transaktioner som sker med de företag inom intressegemenskapen som är begränsat skattskyldiga i

Ingen trängsel- skatt men längre restider till Selma Lagerlöfs torg och Backaplan för boende norr om Backa.. Ingen trängselskatt men längre restider till E6

Tillverkningskostnaden för komplett avgassystem bör vara lägre eller oförändrad jämfört med befintligt system.. Den stående ljuddämparen blir billigare att tillverka än

Vidare har syftet även varit att ta reda på vad för information som idag redan finns tillgänglig men inte förmedlas till eleverna, och utefter denna tillsammans med viss

Joakim Holmberg, Marie Lund Ohlsson and Jonas Danvind, Musculoskeletal simulations: a complementary tool for classification of athletes with physical impairments,

De 2 större kommer vara placerade på vissa plan då de är svåra att flytta runt.. De andra 2 är

Överskottselen från förnybara källor kan användas för att producera vätgas som kan användas direkt i industriella processer eller som bränsle.. Det är detta som sker