Port głowicy cylindra - Cylinder head porting

Porting głowicy cylindra odnosi się do procesu modyfikacji otworów wlotowych i wylotowych silnika spalinowego w celu poprawy przepływu powietrza. Głowice cylindrów w stanie , w jakim zostały wyprodukowane, są zwykle nieoptymalne do zastosowań wyścigowych, ponieważ zostały zaprojektowane z myślą o maksymalnej trwałości. Porty można modyfikować pod kątem maksymalnej mocy, minimalnego zużycia paliwa lub kombinacji tych dwóch elementów, a charakterystykę dostarczania mocy można zmienić w celu dostosowania do konkretnego zastosowania.

Radzenie sobie z powietrzem

Codzienne doświadczenie człowieka z powietrzem sprawia wrażenie, że powietrze jest lekkie i prawie nie istnieje, gdy powoli się przez nie poruszamy. Jednak silnik pracujący z dużą prędkością doświadcza zupełnie innej substancji. W tym kontekście powietrze można uznać za gęste, lepkie, elastyczne, lepkie i ciężkie (patrz lepkość ), a portowanie głowy pomaga to złagodzić.

Modyfikacje portu

Kiedy decyzja o modyfikacji zostanie podjęta w wyniku testów na stanowisku z przepływem powietrza , oryginalny materiał ścianki portu można zmienić ręcznie za pomocą szlifierek matrycowych lub frezarek sterowanych numerycznie . W przypadku większych modyfikacji porty muszą być spawane lub podobnie zabudowane, aby dodać materiał tam, gdzie go nie było.

Port przed i po modyfikacjach, przerysowany w celach ilustracyjnych. Ogólna idea poprawy przepływu w porcie polega na tym, że prostsza rura i łagodniejsze krzywe zapewniają większą moc szczytową. Ten rodzaj modyfikacji jest powszechnie określany jako „zwiększenie kąta znoszenia” i jest ograniczony ograniczeniami mechanicznymi, takimi jak wysokość komory silnika, ilość materiału w odlewie macierzystym lub zmiana położenia przekładni zaworowej w celu dostosowania do dłuższego trzpienia zaworu.
Forma nieoptymalnie zaprojektowanych otworów dwulitrowej głowicy Forda do użytku w wyścigach Formuły 2000 . Jest pokazany jako wyprodukowany z otworem wlotowym po prawej stronie.

Dwulitrowy silnik Forda F2000 w stanie fabrycznym wyposażony w głowicę pokazaną powyżej był w stanie dostarczyć 115 koni mechanicznych przy 5500 obr./min przy BMEP 136 psi .

Formy portowe wysoce rozwiniętej głowicy wyścigowej Pro Stock o pojemności 500 cali sześciennych . Zwróć uwagę na wysokość i prostoliniowość portów, w szczególności portu wylotowego po lewej stronie. Ta konstrukcja jest oparta na odlewie głowicy cylindra, który został specjalnie zaprojektowany do modyfikacji wyścigowych. Głowica jest dostarczana z małymi portami z dużą ilością materiału wszędzie, aby specjaliści od portowania mogli kształtować zgodnie z ich wymaganiami bez konieczności spawania dodatkowego metalu.

Ta głowica wyścigowa Pro Stock z rynku wtórnego została użyta w silniku o mocy 1300 koni mechanicznych przy 9500 obr./min z BMEP 238 psi. BMEP 238 zbliża go do limitu dla silnika wolnossącego na gaz. Silniki Formuły 1 wolnossące zazwyczaj osiągały wartości BMEP na poziomie 220 psi. Profile krzywek , obroty silnika, ograniczenia wysokości silnika i inne ograniczenia również przyczyniają się do różnicy w mocy silnika z jednostką Forda, ale różnica w konstrukcji portu jest głównym czynnikiem.

Komponenty portowe

Części portu i ich terminologia

Dynamika fali

Ta wysoce uproszczona animacja pokazuje, jak powietrze przepływa w postaci fal w układzie dolotowym. Zwróć uwagę na otwieranie i zamykanie zielonego „zaworu”.

Kiedy zawór się otwiera, powietrze nie wpływa, ulega dekompresacji do obszaru niskiego ciśnienia poniżej. Całe powietrze po górnej stronie granicy ruchomych zakłóceń jest całkowicie odizolowane i nie ma na nie wpływu to, co dzieje się po stronie dolnej. Powietrze przy wejściu do biegacza nie porusza się, dopóki fala nie dotrze do samego końca. Dopiero wtedy cały biegacz może zacząć płynąć. Do tego momentu wszystko, co może się zdarzyć, to gaz o wyższym ciśnieniu wypełniający objętość biegacza, który ulega dekompresji lub rozszerza do regionu niskiego ciśnienia, posuwając się w górę biegacza. (Gdy fala niskiego ciśnienia dotrze do otwartego końca prowadnicy, odwraca znak, napierające powietrze wymusza falę wysokiego ciśnienia w dół prowadnicy. Nie pokazano na tej animacji.)

Odwrotnie, zamknięcie zaworu nie zatrzymuje natychmiast przepływu na wejściu do rynny, która pozostaje całkowicie nienaruszona, dopóki nie dotrze do niego sygnał, że zawór jest zamknięty. Zawór zamykający powoduje wzrost ciśnienia, które przemieszcza się w górę kanału jako fala dodatnia. Wejście wlewu nadal płynie z pełną prędkością, zmuszając ciśnienie do wzrostu, aż sygnał dotrze do wejścia. Ten bardzo znaczny wzrost ciśnienia można zobaczyć na poniższym wykresie, znacznie powyżej ciśnienia atmosferycznego.

To właśnie to zjawisko umożliwia tak zwane „tuning barana” i to właśnie jest „strojone” przez tuningowany układ dolotowy i wydechowy. Zasada działania jest taka sama jak w przypadku uderzenia hydraulicznego, tak dobrze znanego hydraulikom. Prędkość, z jaką sygnał może się przemieszczać, to prędkość dźwięku w biegaczu.

Dlatego tak ważne są wolumeny portów/runnerów; objętości kolejnych części portu/rynny kontrolują przepływ we wszystkich okresach przejściowych. Oznacza to, że za każdym razem, gdy w cylindrze następuje zmiana – dodatnia lub ujemna – na przykład, gdy tłok osiąga maksymalną prędkość. Ten punkt występuje w różnych punktach w zależności od długości korbowodu i skoku korby i zmienia się wraz ze stosunkiem korbowodu (pręt/skok). W normalnych projektach samochodowych ten punkt prawie zawsze wynosi od 69 do 79 stopni ATDC, przy czym wyższe współczynniki prętów sprzyjają późniejszej pozycji. Występuje tylko przy 1/2 skoku (90 stopni) z korbowodem o nieskończonej długości.

Aktywność fal/przepływów w prawdziwym silniku jest znacznie bardziej złożona, ale zasada jest taka sama.

Na pierwszy rzut oka ta podróż fal może wydawać się oślepiająco szybka i niezbyt znacząca, ale kilka obliczeń pokazuje, że jest odwrotnie. W kanale wlotowym w temperaturze pokojowej prędkość dźwięku wynosi około 1100 stóp na sekundę (340 m/s) i przechodzi przez 12-calowy (300 mm) port/kanał w 0,9 milisekundy. Silnik wykorzystujący ten system, pracujący z prędkością 8500 obr/min, potrzebuje bardzo znacznych 46 stopni obrotu, zanim jakikolwiek sygnał z cylindra dotrze do końca prowadnicy (zakładając brak ruchu powietrza w prowadnicy). 46 stopni, podczas których tylko objętość portu/rynny zaspokaja zapotrzebowanie cylindra. Dotyczy to nie tylko sygnału początkowego, ale każdej zmiany ciśnienia lub podciśnienia powstającej w cylindrze.

Użycie krótszego kanału w celu zmniejszenia opóźnienia nie jest wykonalne, ponieważ pod koniec cyklu długi kanał nadal płynie z pełną prędkością, nie zważając na rosnące ciśnienie w cylindrze i dostarczając ciśnienie do cylindra, gdy jest to najbardziej potrzebne. Długość biegacza również kontroluje czas powracających fal i nie można jej zmienić. Niższy biegacz płynąłby wcześniej, ale również wcześniej umierał, a fale dodatnie byłyby zwracane zbyt szybko (dostrojone do wyższych obrotów), a te fale byłyby słabsze. Kluczem jest znalezienie optymalnej równowagi wszystkich czynników dla wymagań silnika.

Kolejną komplikacją systemu jest fakt, że kopuła tłoka, źródło sygnału, nieustannie się porusza. Najpierw przesuwa się w dół cylindra, zwiększając w ten sposób odległość, jaką musi pokonać sygnał. Następnie cofanie się pod koniec cyklu wlotowego, gdy zawór jest nadal otwarty za BDC . Sygnały pochodzące z kopuły tłoka, po ustaleniu początkowego przepływu w nurnikach, muszą walczyć w górę z jakąkolwiek prędkością, która się w tej chwili rozwinęła, co jeszcze bardziej ją opóźnia. Sygnały generowane przez tłok również nie mają czystej ścieżki w górę prowadnicy. Duże jego części odbijają się od reszty komory spalania i rezonują wewnątrz cylindra, aż do osiągnięcia średniego ciśnienia. Również zmiany temperatury spowodowane zmianami ciśnień i absorpcji z gorących części silnika powodują zmiany lokalnej prędkości dźwięku.

Kiedy zawór się zamyka, powoduje nagromadzenie się gazu, co powoduje powstanie silnej fali dodatniej, która musi przemieszczać się w górę kanału. Aktywność fal w porcie/biegaczu nie zatrzymuje się, ale przez pewien czas nadal odbija się echem. Po kolejnym otwarciu zaworu pozostałe fale wpływają na następny cykl.

Ten wykres przedstawia ciśnienie pobierane z końca zaworu (linia niebieska) i wejścia rynny (linia czerwona) w silniku z 7-calowym (180 mm) przyłączem/rurzelec i pracującym z prędkością 4500 obr./min. Wyróżnione są dwie fale, fala ssąca i fala zamykająca zawór, widoczne oraz końcówka zaworu i wejście rynny pokazujące opóźnienie sygnału. Opóźnienie około 85 stopni dla szczytowej fali ssania w porównaniu do około 32 stopni dla szczytowej fali ciśnienia. Różnica około 53 stopni spowodowana ruchem gazu i położeniem tłoka.

Powyższy wykres pokazuje ciśnienie w kanale dolotowym przy 720 stopniach korby silnika z 7-calowym (180 mm) otworem dolotowym / kanałem dolotowym pracującym przy 4500 obr./min, co jest szczytowym momentem obrotowym (bliskim maksymalnego napełnienia cylindra i BMEP dla tego silnika) . Dwa ślady ciśnienia są pobierane z końca zaworu (niebieski) i wejścia rynny (czerwony). Niebieska linia gwałtownie wznosi się, gdy zawór wlotowy się zamyka. Powoduje to nagromadzenie się powietrza, które staje się pozytywną falą odbitą z powrotem w górę biegacza, a czerwona linia pokazuje tę falę, która później dociera do wejścia biegacza. Zauważ, że fala ssania podczas napełniania cylindra jest jeszcze bardziej opóźniona przez konieczność walki z wlatującym powietrzem oraz fakt, że tłok znajduje się dalej w otworze, zwiększając odległość.

Celem strojenia jest takie ustawienie prowadnic i rozrządu zaworowego, aby podczas otwierania zaworu wlotowego w porcie pojawiła się fala wysokiego ciśnienia, aby uzyskać szybki przepływ, a następnie aby druga fala wysokiego ciśnienia dotarła tuż przed zamknięciem zaworu aby butla napełniła się tak bardzo, jak to możliwe. Pierwsza fala jest tym, co pozostało w rynnie z poprzedniego cyklu, podczas gdy druga jest tworzona głównie podczas bieżącego cyklu przez zmianę znaku fali ssącej na wejściu rynny i powracającą do zaworu w czasie do zamknięcia zaworu. Zaangażowane czynniki są często sprzeczne i wymagają starannego zachowania równowagi. Kiedy to działa, można zaobserwować sprawność wolumetryczną na poziomie 140%, podobnie jak w przyzwoitej sprężarce , ale występuje tylko w ograniczonym zakresie obrotów.

Portowanie i polerowanie

Powszechnie uważa się, że powiększenie portów do maksymalnego możliwego rozmiaru i zastosowanie lustrzanego wykończenia jest tym, co pociąga za sobą portowanie. Tak jednak nie jest. Niektóre porty mogą zostać powiększone do maksymalnych możliwych rozmiarów (zgodnie z najwyższym poziomem wydajności aerodynamicznej), ale te silniki są wysoko rozwiniętymi, bardzo szybkimi jednostkami, w których rzeczywista wielkość portów stała się ograniczeniem. Większe porty przepuszczają więcej paliwa/powietrza przy wyższych obrotach, ale poświęcają moment obrotowy przy niższych obrotach ze względu na niższą prędkość paliwa/powietrza. Lustrzane wykończenie portu nie zapewnia podwyżek, które sugeruje intuicja. W rzeczywistości, w układach dolotowych, powierzchnia jest zwykle celowo teksturowana w celu uzyskania jednolitej chropowatości, aby zachęcić paliwo osadzające się na ścianach portu do szybkiego odparowania. Chropowata powierzchnia na wybranych obszarach portu może również zmieniać przepływ poprzez pobudzanie warstwy granicznej , co może zauważalnie zmienić ścieżkę przepływu, prawdopodobnie zwiększając przepływ. Jest to podobne do tego, co robią dołeczki na piłce golfowej . Testy na stanowisku przepływowym pokazują, że różnica między portem wlotowym wykończonym lustrzanym wykończeniem a portem o szorstkiej fakturze wynosi zwykle mniej niż 1%. Różnica między gładką w dotyku portem a optycznie lustrzaną powierzchnią nie jest mierzalna zwykłymi środkami. Otwory wylotowe mogą być wykończone gładko ze względu na przepływ suchego gazu oraz w celu zminimalizowania nawarstwiania się produktów ubocznych spalin. Wykończenie o ziarnistości od 300 do 400, po którym następuje lekkie wypolerowanie, jest ogólnie akceptowane jako reprezentatywne dla prawie optymalnego wykończenia otworów wylotowych gazów spalinowych.

Powodem, dla którego polerowane porty nie są korzystne z punktu widzenia przepływu, jest to, że na granicy metalowej ściany i powietrza prędkość powietrza wynosi zero (patrz warstwa graniczna i przepływ laminarny ). Wynika to z nawilżającego działania powietrza, a nawet wszystkich płynów. Pierwsza warstwa molekuł przylega do ściany i nie przemieszcza się znacząco. Reszta pola przepływu musi ścinać się, co powoduje powstanie profilu prędkości (lub gradientu) w poprzek kanału. Aby chropowatość powierzchni wpływała znacząco na przepływ, wysokie punkty muszą być wystarczająco wysokie, aby wystawały w szybciej poruszające się powietrze w kierunku środka. Robi to tylko bardzo chropowata powierzchnia.

Rozwinięty profil prędkości w kanale, który pokazuje, dlaczego polerowane powierzchnie mają niewielki wpływ na przepływ. Prędkość powietrza na styku ściany wynosi zero, niezależnie od tego, jak jest gładka.

Portowanie dwusuwowe

Oprócz wszystkich rozważań dotyczących portu silnika czterosuwowego, porty silnika dwusuwowego mają dodatkowe:

  • Jakość/czystość oczyszczania: Porty są odpowiedzialne za wymiatanie jak największej ilości spalin z cylindra i ponowne napełnienie go możliwie jak największą ilością świeżej mieszanki bez wychodzenia dużej ilości świeżej mieszanki z układu wydechowego. Wymaga to starannego i subtelnego wyczucia czasu i celowania wszystkich portów transferowych.
  • Szerokość pasma mocy: Ponieważ dwusuwy są bardzo zależne od dynamiki fali, ich pasma mocy są zwykle wąskie. Walcząc o uzyskanie maksymalnej mocy, należy zawsze uważać, aby profil mocy nie stał się zbyt ostry i trudny do kontrolowania.
  • Obszar czasu: czas trwania portu dwusuwowego jest często wyrażany jako funkcja czasu/obszaru. To integruje stale zmieniającą się powierzchnię otwartego portu z czasem trwania. Szersze porty zwiększają czas/obszar bez zwiększania czasu trwania, podczas gdy wyższe porty zwiększają oba.
  • Taktowanie: Oprócz obszaru czasowego, zależność między wszystkimi czasami portów silnie determinuje charakterystykę mocy silnika.
  • Rozważania na temat dynamiki fali: Chociaż czterosuwy mają ten problem, dwusuwy w znacznie większym stopniu opierają się na działaniu fal w układzie dolotowym i wydechowym. Dwusuwowa konstrukcja portu ma silny wpływ na synchronizację i siłę fali.
  • Przepływ ciepła: Przepływ ciepła w silniku jest silnie uzależniony od układu portów. Kanały chłodzące muszą być poprowadzone wokół portów. Należy dołożyć wszelkich starań, aby dopływający ładunek nie nagrzewał się, ale jednocześnie wiele części jest chłodzonych głównie przez dopływającą mieszankę paliwowo-powietrzną. Gdy porty zajmują zbyt dużo miejsca na ściance cylindra, zdolność tłoka do przenoszenia ciepła przez ścianki do chłodziwa jest utrudniona. Ponieważ porty stają się bardziej radykalne, niektóre obszary cylindra stają się cieńsze, co może się następnie przegrzać.
  • Trwałość pierścienia tłokowego: Pierścień tłokowy musi gładko przesuwać się po ściance cylindra z dobrym stykiem, aby uniknąć naprężeń mechanicznych i wspomóc chłodzenie tłoka. W radykalnych projektach portów, pierścień ma minimalny kontakt w dolnym obszarze skoku, co może powodować dodatkowe zużycie. Wstrząsy mechaniczne wywołane podczas przejścia z częściowego do pełnego styku cylindra mogą znacznie skrócić żywotność pierścienia. Bardzo szerokie porty pozwalają pierścieniowi wybrzuszyć się do portu, pogłębiając problem.
  • Trwałość płaszcza tłoka: Tłok musi również stykać się ze ścianą w celu chłodzenia, ale musi również przenosić nacisk boczny suwu pracy. Porty muszą być zaprojektowane tak, aby tłok mógł przenosić te siły i ciepło na ściankę cylindra, jednocześnie minimalizując ugięcie i wstrząsy tłoka.
  • Konfiguracja silnika: na konfigurację silnika może mieć wpływ konstrukcja portu. Jest to przede wszystkim czynnik w silnikach wielocylindrowych. Szerokość silnika może być nadmierna nawet w przypadku silników dwucylindrowych niektórych konstrukcji. Silniki z obrotowym zaworem tarczowym z szerokimi transferami zamiatania mogą być tak szerokie, że mogą być niepraktyczne jako równoległe bliźniacze. Silniki V-twin i przód-tył służą do kontroli całkowitej szerokości.
  • Odkształcenie cylindra: Zdolność uszczelniania silnika, żywotność cylindra, tłoka i pierścienia tłokowego zależą od niezawodnego kontaktu między cylindrem a tłokiem/pierścieniem tłokowym, więc każde odkształcenie cylindra zmniejsza moc i żywotność silnika. To zniekształcenie może być spowodowane nierównomiernym ogrzewaniem, lokalnym osłabieniem cylindra lub naprężeniami mechanicznymi. Otwory wydechowe, które mają długie kanały w odlewie cylindra, przewodzą duże ilości ciepła z jednej strony cylindra, podczas gdy z drugiej strony wlot chłodu może chłodzić stronę przeciwną. Zniekształcenia termiczne wynikające z nierównomiernej ekspansji zmniejszają zarówno moc, jak i trwałość, chociaż staranny projekt może zminimalizować problem.
  • Turbulencja spalania: turbulencja pozostająca w cylindrze po przeniesieniu utrzymuje się w fazie spalania, aby przyspieszyć spalanie. Niestety dobry przepływ oczyszczający jest wolniejszy i mniej turbulentny.

Metody

Die szlifierka jest zapas w handlu porter głowy i są stosowane z różnych frezów z węglików spiekanych, ściernic i wkładów ściernych. Złożone i wrażliwe kształty wymagane przy portowaniu wymagają dużego stopnia umiejętności artystycznych w posługiwaniu się narzędziem ręcznym.

Do niedawna obróbka CNC była używana tylko w celu zapewnienia podstawowego kształtu portu, ale ręczne wykończenie było zwykle nadal wymagane, ponieważ niektóre obszary portu nie były dostępne dla narzędzia CNC. Nowe osiągnięcia w obróbce CNC pozwalają teraz na pełną automatyzację tego procesu przy pomocy oprogramowania CAD/CAM. 5-osiowe sterowanie CNC przy użyciu specjalistycznych urządzeń, takich jak przechylne stoły obrotowe, umożliwia narzędziu tnącemu pełny dostęp do całego portu. Połączenie oprogramowania CNC i CAM daje portierowi pełną kontrolę nad kształtem portu i wykończeniem powierzchni.

Pomiar wnętrza portów jest trudny, ale musi być wykonany dokładnie. Tworzone są szablony blaszane, przyjmujące kształt z eksperymentalnego portu, zarówno dla kształtu przekrojowego, jak i podłużnego. Umieszczone w porcie szablony te są następnie wykorzystywane jako prowadnica do kształtowania końcowego portu. Nawet niewielki błąd może spowodować utratę przepływu, dlatego pomiar musi być jak najdokładniejszy. Potwierdzenie ostatecznego kształtu portu i automatyczna replikacja portu odbywa się teraz za pomocą digitalizacji. Digitalizacja polega na tym, że sonda skanuje cały kształt portu, zbierając dane, które mogą być następnie wykorzystane przez obrabiarki CNC i oprogramowanie CAD/CAM do modelowania i wycinania pożądanego kształtu portu. Ten proces replikacji zwykle tworzy porty, które przepływają w odległości 1% od siebie. Taka dokładność, powtarzalność, czas nigdy wcześniej nie były możliwe. To, co kiedyś zajmowało osiemnaście godzin lub więcej, teraz zajmuje mniej niż trzy.

Streszczenie

Aerodynamika wewnętrzna związana z portowaniem jest sprzeczna z intuicją i złożona. Pomyślna optymalizacja portów wymaga stanowiska przepływu powietrza , gruntownej znajomości zasad i oprogramowania do symulacji silnika.

Chociaż duża część wiedzy o przenoszeniu została zgromadzona przez osoby stosujące metody „wytnij i wypróbuj”, obecnie istnieją narzędzia i wiedza do opracowania projektu przenoszenia z pewną dozą pewności.

Bibliografia

Linki zewnętrzne