Luchtverplaatsing berekenen a.d.h.v. voorstuwingskracht

JasperW

Rookie
13 okt 2016
21
0
Rotterdam
Weet iemand of het mogelijk is om de luchtverplaatsing (in hoeveelheid lucht per tijdseenheid) te berekenen aan de hand van voortstuwingskracht?

Ik heb een electromotor welke in combinatie met een propeller een voorstuwingskracht heeft van 1000 gram (thrust). Nu was ik benieuwd of ik aan de hand van enkel dit gegeven kan berekenen wat de hoeveelheid lucht is die ik daarmee per minuut verplaats.

Heb al wat rond zitten neuzen op het internet, maar tot zover niks kunnen vinden.

Wellicht dat iemand hier ervaring mee heeft?


Zal even uitleggen waarom ik dit wil berekenen:

Zat me te verdiepen in het gebruik van turbo's en supercharger's bij brandstofmotoren.
Zowel een turbo als een supercharger leveren vermogenswinst op. Beiden werken als een soort pomp welke de lucht onder druk de motor in pompt. Het verschil tussen een turbo en een supercharger is dat een turbo zijn energie haalt uit de uitlaatgassen (turbine wordt aangedreven door de uitlaatgassen, en de turbine drijft vervolgens weer een compressor aan). Een supercharger staat niet in verbinding met de uitlaat, maar met de krukas. De compressor wordt doormiddel van een snaar aangedreven door de krukas van de motor. Dit betekend dat een supercharger de motor belast op de krukas wat ten kostte gaat van het motorvermogen. Bij een turbo is er geen sprake van vermogensverlies op de motor.

Echter is het nadeel van een turbo dat deze pas goed gaat werken bij een hoog toerental. Een supercharger werkt bij lage toerentallen daarintegen wel goed!

Kortom, een ideale oplossing zou een supercharger zijn waarbij de aandrijving hiervan niet ten kostte gaat van het motorvermogen. Nu las ik op internet iets over elektrische superchargers. Dit zijn superchargers waarvan de aandrijving door een externe electromotor wordt geregeld. Uiteraard heb je voor het aandrijven van de electromotor ook energie nodig. Nu gaan we er even vanuit dat we gebruik maken van een externe accu, zodat de brandstofmotor niet alsnog een dynamo moet aandrijven om de energie op te wekken.

Echter wordt door velen beweerd dat een elektrische supercharger vaak niet in staat is om even hard te pompen als een echte supercharger of turbo.

Nu zat ik eens te berekenen. En ik heb echt geen idee of het allemaal klopt wat ik denk...
Ik heb dus een motor van 1000cc (1 liter). Het maximale toerental van de motor ligt zo rond de 8000rpm. Zou dit dan betekenen dat de motor 8000rpm x 1liter = 8000 liter mengsel lucht/benzine aanzuigt bij een toerental van 8000rpm?

Aangezien een brandstofmotor goed functioneert bij een verhouding van 1:14 (brandstof/lucht) heb ik volgens mijn berekening 571 liter brandstof(damp) en 7429 liter lucht nodig voor een goede verbranding bij 8000rpm.

Even terug naar de elektrische supercharger...
Ik laat de druk even achterwegen.. Dat is een probleem voor later...

Stel ik zou een elektrische supercharger voor mijn motor willen. Dan moet die in staat zijn om minimaal 7429 liter lucht per minuut te pompen (omgerekend +/- 124 liter per seconde).

Als die minder dan 7429 liter lucht per minuuut zou pompen, zou hij namelijk averechts werken. Dan gaat de motor de supercharger aanzuigen in plaats van dat de supercharger blaast.

Nu heb ik dus een electromotor en een propeller waarvan ik weet dat de voortstuwingskracht/thrust ruim 1000 gram (9.8 Newton) is.
Is het mogelijk om met enkel dit gegeven te berekenen hoeveel liter lucht ik daarmee per minuut verplaats?

Even voor de duidelijkheid..
Ben geen expert op dit gebied, dus wellicht zie ik een hele boel dingen over het hoofd of heb ik dingen verkeerd berekend. Ik heb er ook geen verwachtingen bij. Heb zo'n supercharger helemaal niet nodig, en heb waarschijnlijk niet eens genoeg tijd om er eentje te bouwen omdat ik het al druk genoeg heb met andere projecten. Vond het gewoon reuze interessant en ben alleen benieuwd 'of het kan'! Hoop dat jullie het net zo interessant vinden als ik!
 
Laatst bewerkt:
Nu zat ik eens te berekenen. En ik heb echt geen idee of het allemaal klopt wat ik denk...
Ik heb dus een motor van 1000cc (1 liter). Het maximale toerental van de motor ligt zo rond de 8000rpm. Zou dit dan betekenen dat de motor 8000rpm x 1liter = 8000 liter mengsel lucht/benzine aanzuigt bij een toerental van 8000rpm?

2 of 4-takt ? puur theoretisch gezien zal een 4-takt maar de helft aanzuigen.
maar je wil het eigenlijk over drukvoeding hebben ? want dan kan je meer dan 1 liter per inlaatslag in de motor drukken.
 
Interessante materie! Het is niet helemaal mijn straatje (ik weet wel hoe drukvulling werkt en wat er daarbij anders is dan een atmosferische motor) maar ik val wel over een dingetje en dat is dit:

Echter wordt door velen beweerd dat een elektrische supercharger vaak niet in staat is om even hard te pompen als een echte supercharger of turbo.

Dat is niet waar. Een elektrische compressor zoals die bijvoorbeeld op de nieuwe 4L V8 diesels van Audi wordt toegepast spoelt in een kwart seconde op, werkt ook op een apart dedicated 48V systeem met een losse accu. Andere veel elektrisch vermogen vragende systemen zoals de actieve rolstabilisatie bij een Q7 (indien aanwezig) draaien ook op dit systeem. Die 48V accu wordt pas bijgeladen bij deellast, dus je merkt er niets van.

Het hele idee van de elektrische 'charger' is dan ook dat ie veel sneller druk levert.
 
Laatst bewerkt:
thrust1.gif


T= thrust [N]
D= propeller diameter [m]
v= velocity of incoming flow [m/s]
frm_delv.gif
= additional velocity, acceleration by propeller [m/s]
rho.gif
= density of fluid [kg/m³]
(air: = 1.225 kg/m³, water: = 1000 kg/m³)

V=0 want de motor is stationair

Als je dus de snelheid van de luchtroom na je propeller kan meten kan je de formule oplossen voor T.
Wat mij makkelijk lijkt is met een nauwkeurige weegschaal of wat dan ook de trekkracht van de motor meten, dat omrekenen naar newton en vervolgens de formule ombouwen voor V

Let op, bovenstaande is geen accurate berekening maar een benadering, ik zou 10% aftrekken te wijten aan propeller slip en parasitaire weerstand.

persoonlijk denk ik dat zoveel elektrische energie opwekken voor dit doeleind buitenproportioneel veel gewicht aan de motorfiets toevoegt, een uitlaatgas aangedreven turbo kan daarentegen wel de efficiency verhogen.
 
Laatst bewerkt:
2 of 4-takt ? puur theoretisch gezien zal een 4-takt maar de helft aanzuigen.
maar je wil het eigenlijk over drukvoeding hebben ? want dan kan je meer dan 1 liter per inlaatslag in de motor drukken.

Erg dom om dit over het hoofd gezien te hebben!
Had daar helemaal geen rekening mee gehouden.
Het is een 4 takt. Maar hoezo dan maar de helft aanzuigen? Hij zou dan toch maar 1 van de 4 slagen aanzuigen, waardoor het me logisch lijkt alles door 4 te moeten delen... Dus bij 8000 toeren dan 2000 keer 1 liter aanzuigen = 1860 liter per minuut / 31 liter per seconde

Dat is niet waar. Een elektrische compressor zoals die bijvoorbeeld op de nieuwe 4L V8 diesels van Audi wordt toegepast spoelt in een kwart seconde op, werkt ook op een apart dedicated 48V systeem met een losse accu. Andere veel elektrisch vermogen vragende systemen zoals de actieve rolstabilisatie bij een Q7 (indien aanwezig) draaien ook op dit systeem. Die 48V accu wordt pas bijgeladen bij deellast, dus je merkt er niets van.

Het hele idee van de elektrische 'charger' is dan ook dat ie veel sneller druk levert.

Dat wist ik nog niet!

[afbeelding]

T= thrust [N]
D= propeller diameter [m]
v= velocity of incoming flow [m/s]
[afbeelding]= additional velocity, acceleration by propeller [m/s]
[afbeelding]= density of fluid [kg/m³]
(air: = 1.225 kg/m³, water: = 1000 kg/m³)

V=0 want de motor is stationair

Als je dus de snelheid van de luchtroom na je propeller kan meten kan je de formule oplossen voor T.
Wat mij makkelijk lijkt is met een nauwkeurige weegschaal of wat dan ook de trekkracht van de motor meten, dat omrekenen naar newton en vervolgens de formule ombouwen voor V

Let op, bovenstaande is geen accurate berekening maar een benadering, ik zou 10% aftrekken te wijten aan propeller slip en parasitaire weerstand.

persoonlijk denk ik dat zoveel elektrische energie opwekken voor dit doeleind buitenproportioneel veel gewicht aan de motorfiets toevoegt, een uitlaatgas aangedreven turbo kan daarentegen wel de efficiency verhogen.

Heb de formule even ingevuld (v van 28 m/s). Ik kwam op +/- 8.5 Newton uit, en dat komt wel aardig overeen met de thrust die ik heb met mijn electromotor & propeller, namelijk 1000gram = 9.8 Newton. Alleen hiermee kan ik nog niet berekenen hoeveel lucht ik daarmee verplaats toch?
 
Laatst bewerkt:
Jawel, Met de dichtheid en de snelheid van de lucht en de diameter kan je berekenen hoeveel lucht je verplaatst ;)

Hoe kom je aan die 28m/s ?

Als je de T al weet kan je met de formule uitrekenen wat je Delta V is, oftewel wat de snelheid van de lucht achter de prop is.

Edit:

Luchtverplaatsing = 1/4*Pie*(diameter)^*V

^ betekent kwadraat

Denk ik :z
 
Laatst bewerkt:
28m/s komt overeen met ca. 100kmh.
De motor met propeller komen van een race quadcopter welke ruim 100kmh haalt.
Het is dus een gokje. Weet niet zeker of je dit ongeveer zo kunt stellen, maar op een ander forum (gericht op o.a. quadcopters) werd er ook als voorbeeld 30m/s genomen.
 
28m/s komt overeen met ca. 100kmh.
De motor met propeller komen van een race quadcopter welke ruim 100kmh haalt.
Het is dus een gokje. Weet niet zeker of je dit ongeveer zo kunt stellen, maar op een ander forum (gericht op o.a. quadcopters) werd er ook als voorbeeld 30m/s genomen.

Op het moment dat de quadcopter 100km/u vliegt zijn er een hoop verliezen in het spel, de prop verplaatst in dit voorbeeld dus meer lucht, vandaar dat ik zeg dat je beter de luchtsnelheid kan bepalen aan de hand van de formule als je de trust toch al weet ;)

wat is de diameter?
 
Laatst bewerkt:
Erg dom om dit over het hoofd gezien te hebben!
Had daar helemaal geen rekening mee gehouden.
Het is een 4 takt. Maar hoezo dan maar de helft aanzuigen? Hij zou dan toch maar 1 van de 4 slagen aanzuigen, waardoor het me logisch lijkt alles door 4 te moeten delen... Dus bij 8000 toeren dan 2000 keer 1 liter aanzuigen = 1860 liter per minuut / 31 liter per seconde

wat je nu schrijft is nog dommer :o

een 4-takt heeft 2 volledige toeren nodig voor 1 cyclus. en 1 cyclus bestaat uit 4 slagen of takten (ahaa, vandaar komt die naam dus :+ ). dus 8000 toeren = 16.000 takten/slagen = 4000 inlaatslagen
 
dat is allemaal heel leuk als je alles wat belangrijk is uit de berekening laat. dit gaat om luchtverplaatsing zonder drukopbouw en daar heb je niet veel aan als je vermogen wilt winnen. je wil je juist wel drukopbouw hebben. en dan gaat de hoeveelheid lucht door de ventilator plotseling drastisch om laag.
maar even om je te helpen normaal neem en supercharger ongeveer 1/3 van het vermogen die de motor extra kan produceren met die supercharger. en of je dat vermogen er nu in pompt met een elektromotor of via poelies en een belt maakt niet echt veel uit. dus met een elektrische supercharger van 1 KW zou je motor dus 3KW extra kunnen leveren maar daar gaat via de dynamo weer 1 KW van weg of uit je aanhanger met accu's natuurlijk want een 1KW/h verbruik gaat het accu die mee kan op de motor natuurlijk zo leeg.
 
Laatst bewerkt:
dat is allemaal heel leuk als je alles wat belangrijk is uit de berekening laat. dit gaat om luchtverplaatsing zonder drukopbouw en daar heb je niet veel aan als je vermogen wilt winnen. je wil je juist wel drukopbouw hebben. en dan gaat de hoeveelheid lucht door de ventilator plotseling drastisch om laag.
maar even om je te helpen normaal neem en supercharger ongeveer 1/3 van het vermogen die de motor extra kan produceren met die supercharger. en of je dat vermogen er nu in pompt met een elektromotor of via poelies en een belt maakt niet echt veel uit. dus met een elektrische supercharger van 1 KW zou je motor dus 3KW extra kunnen leveren maar daar gaat via de dynamo weer 1 KW van weg of uit je aanhanger met accu's natuurlijk want een 1KW/h verbruik gaat het accu die mee kan op de motor natuurlijk zo leeg.

Allemaal heel leuk wat je nu allemaal zegt, en dat klopt ook wel, maar ik beantwoorde zijn vraag: "Is het mogelijk om met enkel dit gegeven te berekenen hoeveel liter lucht ik daarmee per minuut verplaats?"
 
en dan hebben we het over zee niveau denk ik...
wat als je een kilometer de lucht in gaat??
dan zal je ook meer lucht moeten inpompen..
IMHO denk ik dat je iddd een zeer sterke elektromotor nodig heeft die lastafhankelijk van de motor het toerental aanpast, met een druk sensor voor ambient pressure..
die sterke elektro motor vraagt dan ook weer erg veel vermogen van de motor (de energie moet ergens vandaan komen)
leuk en interessant, maar ik denk dat het moeilijk is om de exacte hoeveelheid te meten met verschillende parameters.
sturing zal aan een ecu moeten om eea juist aan te sturen.
ben benieuwd waar dit heen gaat!

succes!
:t
 
ik denk dat stuwkracht in dit verhaal niet de beste manier is om de prestaties mee weer te geven. Voor dukvulling heb je druk nodig, en een bepaalde flow. Flow is te bepalen door motorinhoud en maximaal toerental, waarbij je niet moet vergeten dat je comprimeert, dus flow na compressie is lager (afhankelijk van wat een fabrikant opgeeft)

een nauwkeurige toerenregeling zal erg moeilijk zijn, een bleed valve is een veel makkelijkere oplossing om de airboxdruk op peil te houden.
 
Dit lijkt wel een Sammie topic _O-
Met een vinnetje van een quadcopter kan je helemaal geen druk opbouwen. Dan moet je om te beginnen al een fancase maken om je tipverliezen in de perken te houden. Bovendien gaat een enkel vinnetje alleen maar lucht circuleren als hij weerstand krijgt, druk krijg je nooit.
Simpele vraag, hoe hard moet je op de quadcopter duwen als je hem volgas tegen de grond wil houden?
 
Echter is het nadeel van een turbo dat deze pas goed gaat werken bij een hoog toerental. Een supercharger werkt bij lage toerentallen daarintegen wel goed!

Dat is wel érg kort door de bocht en in zo weinig woorden eigenlijk onzin. Een turbo kan prima bij laag toerental al opspoelen, alleen heb je dan een kleine turbo die geen winst meer biedt bovenin het toerenbereik (wat evt. wel kan met een tweede turbolader).
Ook heb je turbo's met variabele schoepen waardoor de turbo over een breder toerenbereik functioneert.
En je kan ook zorgen dat een (te) grote turbo eerder spoelt door een bypass of ontstekingsvertragend Anti Lag Systeem (ALS) toe te passen.

Aangezien een brandstofmotor goed functioneert bij een verhouding van 1:14 (brandstof/lucht) heb ik volgens mijn berekening 571 liter brandstof(damp) en 7429 liter lucht nodig voor een goede verbranding bij 8000rpm.

Je zit er compleet naast, met 571 liter per minuut zou de gemiddelde motorfiets brandstoftank met 2 seconden leeg zijn...

De brandstofverhouding van 1:14 is op basis van gewicht, niet volume (!), dus 1kg brandstof op 14kg lucht. En zeer zeker niet 1 liter brandstof op 14 liter lucht aangezien het soortelijke gewicht van benzine ruim 500 keer groter is dan het soortelijk gewicht van lucht...

Even terug naar de elektrische supercharger...
Ik laat de druk even achterwegen.. Dat is een probleem voor later...

Stel ik zou een elektrische supercharger voor mijn motor willen. Dan moet die in staat zijn om minimaal 7429 liter lucht per minuut te pompen (omgerekend +/- 124 liter per seconde).

Druk is niet iets wat je kan verwaarlozen, het heet niet voor niets "drukvulling" en de Mercedessen hebben niet voor niets groot achterop "Kompressor" staan ;)

Het comprimeren van de lucht kost véél meer arbeid dan het verplaatsen ervan.

Drukvulling is in essentie een thermodynamisch vraagstuk waarbij je uit mag gaan van de adiabatische compressie van een ideaal gas. In werkelijkheid is het proces niet adiabatisch (d.w.z. er is geen warmteuitwisseling van/naar de omgeving) en is lucht ook geen ideaal gas, echter de verschillen zijn te verwaarlozen.

Als je er meer over wilt weten en/of een juiste berekening uit wilt voeren zou ik zeggen zoek eens een avondje op Youtube naar de termen "compression", "adiabatic" en "work".
 
Laatst bewerkt:
[

Drukvulling is in essentie een thermodynamisch vraagstuk waarbij je uit mag gaan van de adiabatische compressie van een ideaal gas. In werkelijkheid is het proces niet adiabatisch (d.w.z. er is geen warmteuitwisseling van/naar de omgeving) en is lucht ook geen ideaal gas, echter de verschillen zijn te verwaarlozen.

Als je er meer over wilt weten en/of een juiste berekening uit wilt voeren zou ik zeggen zoek eens een avondje op Youtube naar de termen "compression", "adiabatic" en "work".

Ik zou ook zeggen, reken eerst eens uit hoeveel vermogen je nodig hebt om X liter/minuut van 1 bar naar 1.5 bar te krijgen. Je komt er dan (Denk ik) al snel achter dat een electro motortje met een accu niet echt gaat werken, en al helemaal niet met een propeller.
 
Laatst bewerkt:
Dit betekend dat een supercharger de motor belast op de krukas wat ten kostte gaat van het motorvermogen. Bij een turbo is er geen sprake van vermogensverlies op de motor.

Een supercharger / compressor levert altijd meer koppel/vermogen op dan dat ie kost. Anders werden ze niet toegepast.

Een rotrex compressor heeft een mooi principe met het beste van beide werelden imho.
 
Er komt een hoop bij kijken!
Zoals ik al had verwacht heb ik een hoop dingen over het hoofd gezien _O- .
Heb er in ieder geval wel weer aardig wat van op kunnen steken..

Wat betreft deze vraag:vier maal 1000 gram = 4000 gram

Ik denk dat je voor jezelf even een referentie kader moet maken. Omdat te krijgen moet je simpelweg uit kunnen rekenen hoeveel vermogen je nodig hebt (je moet weten wat enthalpy verandering is, en dat is thermodynamica). Of kijk eens naar een ram-air box. Probeer eens te bepalen hoeveel druk je kan halen uit een luchtstroming van 100 km/u.

Als andere referentie, turbo's draaien hard....heel erg hard (denk aan meer dan 100.000 rpm).
 
wat je nu schrijft is nog dommer :o

een 4-takt heeft 2 volledige toeren nodig voor 1 cyclus. en 1 cyclus bestaat uit 4 slagen of takten (ahaa, vandaar komt die naam dus :+ ). dus 8000 toeren = 16.000 takten/slagen = 4000 inlaatslagen

Heel flauw om iemand zo de grond in te stampen.
Hier had je ook gewoon een uitleg neer kunnen zetten zonder de woorden "dommer" en clowns gezichten.




Maar voor zover ik kan beredeneren klopt het.
Verder gaand op de 1:14. Dat heeft iemand al aangegevn dat het om massa gaat.
Dus 1kg brandstof tegenover 14kg lucht.
Dichtheid lucht is ~1.29kg/m3 bij 0C op zeeniveau.
Dan kom ik uit dat je voor elke kg brandstof 10,85m3 lucht moet verplaatsen.
Let wel! Dit zou normaal gesproken al gebeuren tijdens de inlaatslag.
Wil je dus drukvulling toepassen dan wordt dat meer.

(P1*V1)/T1 = (P2*V2)/T2

Effe gauw gauw, zou je T gelijk kunnen nemen. (In werkelijkheid helemaal niet zo. Lucht word warm/heet tijdens compressie. Dus moet je ook nog moeten koelen.

Maar stel dat je 1.2 bar wilt hebben dan moet het volume dus al met factor 1.2 meer worden. Dus 13M3
Dat is 2.17m3 meer dan normaal aangezogen zou worden.
Met die extra lucht zou je dan 0.155kg extra brandstof kunnen omzetten.

2.17/14=0.155kg


Dan heb je de volgende punten die her en der al genoemd zijn. (Die mannen weten er duidelijk meer van)

Luchtweerstand
Temperatuur stijging bij compressie. En dus ook volume vergroting. Dus rendement verlies van je compressor.
Koeling van je blok, klopvastheid brandstof, mechanische belasting van drijfwerk.

Mai 5cent.

Verder lijkt het me een leuk project, als je het eerst allemaal wilt uitrekenen nog wel een avondje of zo op zolder. ;)
Misschien iets om eerst op een wegwerpfiets uit te proberen?
Zou zonde zijn als je goede fiets het begeeft.

Mijn beperkte ervaring met turbo is een toerental tussen de 17.000 en 21.000 RPM.
Maar die past niet eens op deze vrachtwagen.
http://4.bp.blogspot.com/-usdOwNjAKjM/T65mkYDKSHI/AAAAAAAABwY/dxJav6OWipQ/s1600/DSCF3754.jpg
 
Laatst bewerkt:
(P1*V1)/T1 = (P2*V2)/T2

Hiervoor nemen "we" vaak adiabatisch compressie aan. ---> P1*v1^1.4 = Const.

Je kan dan de dichtheid bepalen en daarmee uit jou vergelijking de temperatuur. Als je de temperatuur weet dan bepaal je de enthalpy verandering (tabellenboek). Je weet dan hoeveel joule je per kg aangezogen lucht moet toevoegen om van 1 naar 1.2 bar te gaan......en nu moet ik even nadenken of ik iets gemist heb.
 
Terug
Bovenaan Onderaan