Från vätska till ånga – förgasning

För att motorn ska fungera så måste drivmedlet bensin omvandlas till en brännbar blandning. Förvandlingen, från vätska till ånga (gas), sker i förgasaren och insuget och även till viss del i förbränningsrummet.

Droppar och värme?

Luftströmmen genom förgasarhalsen har en hastighet på över 100 m/s. Bränslet som sugs in i förgasarhalsen från munstyckena har formen av droppar. En blandning av luft och bränsledroppar, mindre än 10 µm, bildas först i förbränningsrummet. Även där kan bränslet finnas kvar som droppar. Droppar är inte bra då de löser upp oljefilmen på cylinderväggarna och ger sot i avgaserna. Det är då bensinen är förångad, som bränsleluftblandningen ger bäst effekt.
Vid låga varvtal finns bränslet som en vätskefilm på insugets väggar. En del av bensinen – och bensinångorna – rinner även ner i botten på insuget och bildar pölar. Vid varvtal över ca 1500 rpm är luftströmmarna genom insuget så högt att bensinfilmen på väggarna och bensinångorna i botten slits loss och följer med in i cylindrarna.

OBS: Bensin som förångats är tyngre än luft och uppför sig som bensin i vätskeform. Den går att hälla mellan kärl och den kan exempelvis rinna ut på golvet!

Bränsleluftblandningen lämnar förgasaren i form av droppar. Med förgasaren stående vertikalt så är vinkeln 90 grader mellan förgasaren och insuget. Det gör att bränsledroppar större än 25-50 µm, av rörelseenergin, går rakt fram och skapar en bensinfilm eller pöl på botten av insuget. Därför finns det i vissa insug räfflor, skenor eller kilar i botten på insuget. Syftet är att förbättra strömningen i insuget och undvika pölar på botten av insuget. Men, också för att leda upp en del av värmen från motorn till insuget! Värmeenergin som går åt för att finfördela och förånga bränslet tas från väggarna i insuget. På högresta insug, där det är långa rör mellan förgasarna och motorn, så är det inte ovanligt att det även sommartid kan bildas frost på utsidan av rören. En vanlig lösning är då att använda kylvattnet för att värma insuget. För att bränslet helt ska förångas bör insuget vara över ca +90°C.

Värmen i motorn överförs efterhand till insuget. Det är bra att insuget snabbt blir varmt för att underlätta för bränslet att förångas. Men det är inte lämpligt att förgasaren blir varm. Är förgasaren varm uppvärms bränslet i förgasaren och även luften som strömmar in i förgasaren. Kallt bränsle har större energiinnehåll per volymenhet än varmt bränsle på grund av den volymutvidgning som sker vid temperaturökning. Även luften som sugs in i förgasaren uppvisar samma egenskaper för syremolekylerna. Av dessa anledningar isoleras eller avskärmas förgasaren från insuget med packningar av vävbakelit och liknande värmeisolerande material.

Insugets konstruktion

En konstruktion med kanaler som fördelar luftbränsleblandningen från förgasaren till motorns förbränningsrum. Kallas på engelska för manifold eller intake och även manifold intake. Även intake manifold förekommer.

Manifold = förgreningsrör eller då funktionen finns vid avgasportarna, samlingsrör.
Intake = inlopp, insug, insugningsrör.

Anmärkning: Gradtalen i den följande texten avser under hur många vevaxelgrader som insugningsförloppet sker till en (1) cylinder. Gradtalet 90° är ett kvarts vevaxelvarv, 180° är ett halvt och 360° är ett helt motorvarv.

Ford 1932 – 1933

Ett 90° insug

De första Ford-bilarna med V8 hade en enkel och ”primitiv” anordning för att fördela luftbränsleblandningen till de åtta förbränningsrummen.

Motorn hade en, en-ports förgasare centralt placerad och två H-formade grupper med korta kanaler till förbränningsrummen. En grupp framför och en grupp bakom förgasaren. Under förgasaren finns ett hålrum (plenum) med flat botten för att med hjälp av värmen från motorn förånga det bränsle som bildat droppar eller pölar i botten på insuget.

Ford V8 flathead har tändningsföljden: 1 – 5 – 4 – 8 – 6 – 3 – 7 – 2 och sedan upprepas mönstret.
I bilens färdriktning är cylinder nr 1 längst fram till höger och numreringen av cylindrarna är följande.

5               1
6               2
7               3
8               4

Grupperingen av kanalerna och matningen till förbränningsrummen med cylindrarna 5 – 1 – 6 – 2 i den främre gruppen och 7 – 3 – 8 – 4 i den bakre gruppen gjorde att insugningssekvenserna kraftigt störde varandra. Motorn startade ”tuffade och gick”. Med olika långa insugningssekvenser och överlappande insugningssekvenser för cylindrarna 2 – 1 och 4 – 8 var den här konstruktionen av insuget inte särskilt bra.

V8 motorn 1932 utvecklade 65 hp@3400 rpm med kompressionen 5,5:1 och 1933 utvecklade motorn 75 hp@3400 rpm med kompressionen 6,33:1.

Den här lösningen med insugningsförlopp under 90 vevaxelgrader fungerar med långa separerade insugningskanaler (högrest insug) och höga varvtal men inte som Ford konstruerade insuget.

Ford 1934

Ett 180° insug

Fords konstruktörer var medvetna om att insuget var olyckligt konstruerat och gjorde 1934 ett nytt insug. Nu för en två-ports förgasare, Stromberg Model 40, EE-1 (170 CFM),  och matningen till förbränningsrummen i två skilda plan (grupper).

Den högra porten i förgasaren matade förbränningsrummen 1 – 6 och 4 – 7 och den vänstra förgasarporten matade 5 – 3 och 8 – 2. Konstruktionen gjorde att varje grupp av cylindrar fungerade under 180° vevaxelgrader. Effektmässigt så fick de nu ut ytterligare 10 hästkrafter.

V8 motorn 1934 utvecklade 85 hp@3800 rpm med kompressionen 6,33:1.

Den här 180° konstruktionen av insuget använde Ford för alla V8 flathead. Undantaget de bilar de levererade till polisen i USA 1949-51 (Police Interceptor Package) som hade en Mercury V8, 8BA, 255,4 CID motor och en Holley fyra-ports förgasare, 885-FCC.

Kuriosa: Den 12 april 1938 startade ett civilmål i Kalifornien mellan Barkeij och Ford angående konstruktionen av Fords insug.  Jean A H Barkeij ansåg att Ford hade plagierat hans patenterade insug US No 2 012 902 inlämnad 18 juli 1934, godkänt 27 augusti 1935. Han ville nu ha ersättning för patentintrånget. Hans patent finns här: https://www.google.com/patents/US2012902.
Barkeij anspråk godkändes inte av domstolen!

Problemet

Insuget har till uppgift att fördela bränsleluftblandningen till motorns förbränningsrum och att hålla fast förgasarna. Det skulle ”enkelt” kunna lösas med fyra förgasare och ett insugningsrör till två cylindrar. Med det blir en skrymmande och dyr lösning. Därför väljer man ofta en (1) förgasare och låter insuget fördela bränsleluftblandningen. Men då uppstår nästa problem, som kommer av att V8 motorn har fyra insugningssekvenser under varje motorvarv. När en insugsventil stänger så ”klipps” insugsflödet till cylindern av och det uppstår en ljud- och tryckbakpuls som går tillbaka in i det gemensamma insuget. Det stör insugningsförloppet till nästa cylinder. Ford eliminerade problemet, till viss del, med en två-ports förgasare (Stromberg 48) och insuget fördelat i två grupper. Varje insugningssekvens kan då ske under 180 vevaxelgrader. Lösningen fungerade men var inte optimal. Ford kontaktade då, den av Ford ofta anlitade, David E Anderson som var en av de tekniska cheferna hos Bohn Aluminum & Brass Corp i Detroit. Han föreslog att de skulle använde två stycken två-ports eller en fyra-ports-förgasare?

Patent US2104178

Ett 360° insug

Den 25 februari 1935 lämnade David E Anderson in sin patentansökan för sitt insug. Konstruktionen innebär att varje insugningsförlopp kan ske under ett helt motorvarv och att det inte störs eller påverkas av insugningsförloppen till de andra cylindrarna. Hans patentansökan ser ut så här:

Det som är intressant med Andersons ritning är att designen kom att användas av alla konstruktörer och företag som tillverkade fungerande ”hop-up” insug till Ford V8 flathead. För att få en (1) kanal till vardera cylinderparen använde de två två-portsförgasare eller en fyra-portsförgasare. Matningen till de olika grupperna av cylindrar är:

1 och 6
5 och 3
4 och 7
8 och 2  

Jämför matningen till de olika cylindrarna med Ford V8 flathead tändningsföljd: 1-5-4-8-6-3-7-2. I bilens färdriktning är cylinder nr 1 längst fram till höger och numreringen av cylindrarna är följande.

5               1
6               2
7               3
8               4

De första fyra-portsförgasare som Ford använde kom först i Lincoln 317 Y-Blocks 1953 (Holley 2140) och Mercury 1954 (Holley Teapot) och senare i Ford 1955. Men då var sidventilmotorer historia.

Det har är ett insug från Offenhauser enligt den design som David E Anderson patenterade.

Anmärkning: Att Ford inte använde 360° insuget som David E Anderson konstruerade beror säkert på, att patentet ägdes av Bohn Aluminum & Brass Corp i Detroit. Att köpa licenser för att använda patentet – eller köpa hela patentet –  skulle kosta Ford en hel del pengar. 20 år senare d.v.s. den 25 februari 1955 upphörde patentet och det blev fritt att använda konstruktionen.

Trimgrejer

En av de första att tillverka och sälja trimgrejer till V8 flatheads var Otis Victor Edelbrock Sr (1913 – 1962). Han tillverkade själv sitt första insug ”The Slingshot Manifold” för två Stromberg 97 förgasare. Han satte också ett hastighetsrekord (195,45 km/h) med sin Ford -32:a med ett Slingshot-insug den 16 november 1941.

Den amerikanska tidningen Hot Rod Magazine testade i januari 2013, 12 olika insug till Ford V8 Flathead. En mycket seriös provning, som kan vara värd att läsa!

 Korta eller långa insugningskanaler

För att vid låga varvtal få en bra hastighet på luftbränsleblandningen in i förbränningsrummet och en bra gasväxling så bör man ha långa insugningsrör. Det är svårt att åstadkomma med en (1) förgasare och ett kompakt insug. Insugningskanalerna på motorn är för korta för bra funktion över motorns varvtalsområde. Därför försöker man på olika sätt skapa längre insugningsrör. Firmor som tillverkar delar till motorn har därför ”förlängningar” i olika utföranden att placeras mellan insuget och förgasaren eller förgasarna och även och en del ”högresta” insug. Allt med syfte att skapa längre och rakare inloppskanaler och få mer effekt ur motorn.

På en sidventils V8 är det, relativt en toppventil V8, trångt mellan cylinderraderna. Det gör att insuget blir smalt och med korta kanaler. Därför finns det säkert ett par hundra olika typer av insug och även förlängningar av olika slag från tillbehörsföretagen.

Ett bra exempel på insug med förlängda kanaler är Edelbrock Slingshot [slangbella] Manifold (PN 1103) eller nytillverkade ”äldre” insug som:

• Eddie Meyer 2×2 High Rise – Don Orosco
• Edmunds – Eddie Edmunds
• Tattersfield 4×2   Bob Tattersfield
•  Thickstun 2×2 PM-7 – Tommy Thickstun. Kopian kallas Tickson PM-7, Riley Automotive

Så här såg ett uppslag ut i Honest Charley katalog från 1961. Populära prylar till gamla Ford V8 motorer. Samma grejer används även i dag och har nu högsta hot rod status. Dock verkar priset vara cirka åtta till tio gånger högre idag?

Att det finns så många olika typer av insug att välja på beror på att insugets dels ska passa olika förgasare och ett visst antal förgasare och dels att utförandet påverkar motorns prestanda och utseende.

Här finns en artikel om insug till Ford flathed V8  i alla dess former: http://www.hotrod.com/articles/1048srp-ford-flathead-intake-manifold-collection/#1048srp-19-o-ford-flathead-intake-manifold-collection-high-rise-davies-2×2