Портирование головки блока цилиндров

Портирование головки блока цилиндров — это процесс модификации впускных и выпускных отверстий двигателя внутреннего сгорания для улучшения потока воздуха в них. Головки цилиндров в заводском состоянии обычно неоптимальны для гоночных автомобилей, поскольку рассчитаны на максимальную долговечность. Порты можно модифицировать для достижения максимальной мощности, минимального расхода топлива или их комбинации, а характеристики подачи мощности можно изменить в соответствии с конкретным применением.

Модификации порта

Когда модификация принимается путем испытаний на стенде с воздушным потоком , исходный материал стенки порта может быть изменен вручную с помощью шлифовальных станков или с числовым программным управлением фрезерных станков . Для серьезных модификаций порты необходимо заварить или создать аналогичным образом, чтобы добавить материал там, где его не было.

Порт до и после модификаций, преувеличенный для наглядности. Общая идея улучшения потока через порт заключается в том, что более прямая труба и более плавные изгибы обеспечивают большую пиковую мощность. Этот тип модификации обычно называют «увеличением угла нисходящей тяги» и ограничивается механическими ограничениями, такими как высота моторного отсека, количество материала в основной отливке или перемещение клапанного механизма для размещения более длинного штока клапана.

Модель неоптимально спроектированных портов двухлитровой головки Ford для использования в гонках Формулы 2000 . Он показан в заводском состоянии, впускное отверстие расположено справа.

Двухлитровый двигатель Ford F2000 в стандартной комплектации, оснащенный показанной выше головкой, был способен развивать мощность 115 лошадиных сил при 5500 об/мин при BMEP 136 фунтов на квадратный дюйм .

Портовые формы высокоразвитой гоночной головки Pro Stock объемом 500 кубических дюймов послепродажного обслуживания . Обратите внимание на высоту и прямолинейность портов, особенно выпускного порта слева. В основе этой конструкции лежит отливка ГБЦ, специально созданная для гоночных модификаций. Головка снабжена небольшими портами с достаточным количеством материала повсюду, чтобы специалисты по портированию могли придать форму в соответствии со своими требованиями без необходимости приваривать дополнительный металл.

Эта выпущенная на вторичном рынке, гоночная головка Pro Stock, использовалась в двигателе мощностью 1300 лошадиных сил при 9500 об / мин и BMEP 238 фунтов на квадратный дюйм. BMEP, равный 238, приближает его к пределу для безнаддувного двигателя, работающего на газе. Безнаддувные двигатели Формулы-1 обычно достигают значений BMEP 220 фунтов на квадратный дюйм. Профили кулачков, обороты двигателя , ограничения по высоте двигателя и другие ограничения также влияют на разницу в мощности двигателя с агрегатом Ford, но разница в конструкции портов является основным фактором.

Компоненты порта

Части порта и их терминология

Волновая динамика

Эта сильно упрощенная анимация показывает, как воздух течет волнами во впускной системе. Обратите внимание на открытие и закрытие зеленого «клапана».

Когда клапан открывается, воздух не поступает внутрь, а сжимается в область низкого давления под ним. Весь воздух на стороне входа от движущейся границы возмущения полностью изолирован и не подвержен влиянию того, что происходит на стороне выхода. Воздух у входа в желоб не движется, пока волна не дойдет до конца. Только тогда весь бегун может начать течь. До этого момента все, что может произойти, это то, что газ с более высоким давлением, заполняющий объем бегуна, сжимается или расширяется в область низкого давления, продвигаясь вверх по бегунку. (Как только волна низкого давления достигает открытого конца полозья, она меняет знак: набегающий воздух заставляет волну высокого давления спускаться по полознику. На этой анимации не показано.)

И наоборот, закрытие клапана не приводит к немедленной остановке потока на входе в бегунок, который продолжается совершенно без изменений до тех пор, пока сигнал о закрытии клапана не достигнет его. Закрывающийся клапан вызывает повышение давления, которое распространяется вверх по бегунку в виде положительной волны. Входное отверстие продолжает течь на полной скорости, заставляя давление расти до тех пор, пока сигнал не достигнет входа. Это очень значительное повышение давления можно увидеть на графике ниже: оно значительно превышает атмосферное давление.

Именно это явление позволяет происходить так называемой «настройке рампы», и именно ее «настраивают» настроенные системы впуска и выпуска. Принцип тот же, что и в эффекте гидроудара, так хорошо известном сантехникам. Скорость, с которой может распространяться сигнал, равна скорости звука внутри бегуна.

Вот почему объемы портов и направляющих так важны; объемы последовательных частей порта/канала контролируют поток во все переходные периоды. То есть каждый раз, когда в цилиндре происходит изменение – положительное или отрицательное – например, когда поршень достигает максимальной скорости. Эта точка возникает в разных точках в зависимости от длины шатуна и хода кривошипа и зависит от соотношения шатуна (шток/ход поршня). Для нормальной автомобильной конструкции эта точка почти всегда находится между 69 и 79 градусами ВМТ, при этом более высокие передаточные числа шатунов благоприятствуют более позднему положению. Это происходит только при 1/2 хода (90 градусов) с шатуном бесконечной длины.

Действие волны/потока в реальном двигателе намного сложнее, но принцип тот же.

На первый взгляд это перемещение волны может показаться ослепительно быстрым и не очень значительным, но несколько расчетов показывают обратное. Во впускном канале при комнатной температуре скорость звука составляет около 1100 футов в секунду (340 м/с) и проходит через 12-дюймовый (300 мм) канал/канал за 0,9 миллисекунды. Двигатель, использующий эту систему, работающий со скоростью 8500 об/мин, проворачивается на очень значительные 46 градусов , прежде чем какой-либо сигнал от цилиндра сможет достичь конца рабочего колеса (при условии отсутствия движения воздуха в рабочем колесе). 46 градусов, в течение которого только объем порта/литника удовлетворяет требованиям цилиндра. Это относится не только к исходному сигналу, но и к любому изменению давления или вакуума, возникающего в цилиндре.

Использование более короткого желоба для уменьшения задержки невозможно, поскольку в конце цикла длинный желоб продолжает течь на полной скорости, не обращая внимания на повышение давления в цилиндре и обеспечивая давление в цилиндре, когда это необходимо больше всего. Длина бегуна также контролирует время возврата волн и не может быть изменена. Более короткий бегун будет течь раньше, но также умрет раньше, возвращая положительные волны слишком быстро (настроенный на более высокую скорость вращения), и эти волны будут слабее. Ключевым моментом является нахождение оптимального баланса всех факторов для требований двигателя.

Еще больше усложняет систему тот факт, что купол поршня, источник сигнала, постоянно движется. Сначала перемещаемся вниз по цилиндру, тем самым увеличивая расстояние, которое должен пройти сигнал. Затем двигаемся обратно вверх в конце цикла впуска, когда клапан все еще открыт после НМТ . Сигналы, поступающие от купола поршня, после того, как начальный поток рабочего колеса установлен, должны бороться против любой скорости, развивающейся в этот момент, вверх по потоку, задерживая ее еще больше. Сигналы, вырабатываемые поршнем, также не имеют чистого пути вверх по бегунку. Большие его части отскакивают от остальной части камеры сгорания и резонируют внутри цилиндра, пока не будет достигнуто среднее давление. Кроме того, изменения температуры из-за изменения давления и поглощения горячими деталями двигателя вызывают изменения локальной скорости звука.

Когда клапан закрывается, это вызывает скопление газа, вызывающее сильную положительную волну, которая должна пройти вверх по бегунку. Волновая активность в порту/бегунке не прекращается, а продолжает отражаться еще некоторое время. Когда клапан откроется в следующий раз, оставшиеся волны повлияют на следующий цикл.

На этом графике показано давление, измеренное на конце клапана (синяя линия) и на входе в рабочее колесо (красная линия) двигателя с 7-дюймовым (180 мм) каналом/рабочим каналом и работающего при 4500 об/мин. Выделены две волны: волна всасывания и волна закрытия клапана, а также конец клапана и вход в рабочее колесо, показывающие задержку сигнала. Задержка около 85 градусов для пиковой волны всасывания по сравнению с примерно 32 градусами для пиковой волны давления. Разница где-то в 53 градуса обусловлена ​​перемещением газа и положением поршня.

На графике выше показано давление во впускном канале при повороте коленчатого вала более 720 градусов двигателя с 7-дюймовым (180 мм) впускным каналом/каналом, работающим при 4500 об/мин, что является его пиковым крутящим моментом (близко к максимальному наполнению цилиндра и BMEP для этого двигателя). . Два графика давления сняты со стороны клапана (синий) и входа бегунка (красный). Синяя линия резко поднимается вверх при закрытии впускного клапана. Это вызывает скопление воздуха, которое становится положительной волной, отражающейся обратно вверх по бегунку, и красная линия показывает, что волна позже достигает входа в бегун. Обратите внимание, что волна всасывания во время наполнения цилиндра задерживается еще больше из-за необходимости бороться с набегающим воздухом вверх по потоку и тем фактом, что поршень находится дальше по отверстию, увеличивая расстояние.

Цель настройки состоит в том, чтобы расположить бегунки и фазы газораспределения так, чтобы во время открытия впускного клапана в порту возникла волна высокого давления, чтобы обеспечить быстрое течение потока, а затем обеспечить появление второй волны высокого давления непосредственно перед закрытием клапана. чтобы цилиндр наполнился как можно больше. Первая волна - это то, что осталось в бегунке от предыдущего цикла, тогда как вторая в основном создается в течение текущего цикла за счет того, что волна всасывания меняет знак на входе в бегунок и возвращается обратно к клапану вовремя для закрытия клапана. Сопутствующие факторы часто противоречивы, и для их работы требуется тщательное балансирование. Когда он работает, можно увидеть объемный КПД в 140 %, как у приличного нагнетателя , но это происходит только в ограниченном диапазоне оборотов.

Портирование и полировка

Принято считать, что портирование подразумевает увеличение портов до максимально возможного размера и нанесение зеркальной отделки. Однако это не так. Некоторые порты могут быть увеличены до максимально возможных размеров (в соответствии с высочайшим уровнем аэродинамической эффективности), но эти двигатели представляют собой высокоразвитые, очень высокоскоростные агрегаты, для которых реальный размер портов стал ограничением. Порты большего размера пропускают больше топлива/воздуха на более высоких оборотах, но жертвуют крутящим моментом на более низких оборотах из-за более низкой скорости подачи топлива/воздуха. Зеркальная отделка порта не дает того увеличения, которое подсказывает интуиция. Фактически, в системах впуска поверхность обычно намеренно текстурируется до определенной степени шероховатости, чтобы способствовать быстрому испарению топлива, осаждающегося на стенках иллюминаторов. Шероховатая поверхность на выбранных участках порта также может изменить поток, возбуждая пограничный слой , что может заметно изменить путь потока, возможно, увеличивая поток. Это похоже на то, что делают ямочки на мяче для гольфа . Стенд потока Тестирование показывает, что разница между впускным отверстием с зеркальной полировкой и отверстием с грубой текстурой обычно составляет менее 1%. Разницу между гладким на ощупь портом и оптически зеркальной поверхностью невозможно измерить обычными средствами. Выпускные отверстия могут быть гладкими из-за потока сухого газа и в целях минимизации накопления побочных продуктов выхлопных газов. Обычно считается, что обработка зернистостью от 300 до 400 с последующей легкой полировкой является практически оптимальной отделкой отверстий для выхлопных газов.

Причина, по которой полированные порты не выгодны с точки зрения потока, заключается в том, что на границе между металлической стенкой и воздухом скорость воздуха равна нулю (см. Пограничный слой и ламинарный поток ). Это происходит из-за смачивающего действия воздуха, да и всех жидкостей. Первый слой молекул прилипает к стенке и существенно не перемещается. Остальная часть поля потока должна пройти мимо, что создаст профиль скорости (или градиент) поперек воздуховода. Чтобы шероховатость поверхности существенно влияла на поток, выступы должны быть достаточно высокими, чтобы выступать в более быстро движущийся воздух по направлению к центру. Только очень шероховатая поверхность делает это.

Развитый профиль скорости в воздуховоде, показывающий, почему полированные поверхности мало влияют на поток. Скорость воздуха на границе со стеной равна нулю независимо от того, насколько она гладкая.

Двухтактное портирование

Помимо всех соображений, касающихся порта четырехтактного двигателя, порты двухтактного двигателя имеют дополнительные:

• Качество/чистота продувки: порты отвечают за удаление как можно большего количества выхлопных газов из цилиндра и заполнение его как можно большим количеством свежей смеси без выхода большого количества свежей смеси в выхлоп. Это требует тщательного и тонкого расчета времени и нацеливания всех портов передачи.
• Ширина диапазона мощности: поскольку двухтактные двигатели очень зависят от динамики волн, их диапазон мощности обычно узкий. Пытаясь получить максимальную мощность, всегда необходимо следить за тем, чтобы профиль мощности не становился слишком резким и трудным для контроля.
• Временная зона: продолжительность двухтактного порта часто выражается как функция времени/площади. Это объединяет постоянно меняющуюся площадь открытого порта с продолжительностью. Более широкие порты увеличивают время/площадь без увеличения продолжительности, тогда как более высокие порты увеличивают и то, и другое.
• Синхронизация: помимо временной области, соотношение между таймингами всех портов сильно определяет мощностные характеристики двигателя.
• Соображения о волновой динамике. Хотя у четырехтактных двигателей есть эта проблема, двухтактные двигатели в гораздо большей степени полагаются на волновое воздействие во впускной и выпускной системах. Конструкция двухтактного порта оказывает сильное влияние на время и силу волны.
• Тепловой поток. Тепловой поток в двигателе во многом зависит от расположения портов. Охлаждающие каналы должны быть проложены вокруг портов. Необходимо приложить все усилия, чтобы не допустить нагревания поступающего заряда, но в то же время многие детали охлаждаются в первую очередь этой поступающей топливно-воздушной смесью. Когда порты занимают слишком много места на стенке цилиндра, способность поршня передавать тепло через стенки охлаждающей жидкости затрудняется. По мере того, как порты становятся более радикальными, некоторые области цилиндра становятся тоньше, что может привести к перегреву.
• Долговечность поршневого кольца: Поршневое кольцо должно плавно и с хорошим контактом перемещаться по стенке цилиндра, чтобы избежать механических напряжений и способствовать охлаждению поршня. В радикальных конструкциях портов кольцо имеет минимальный контакт в нижней части хода, что может привести к дополнительному износу. Механические удары, возникающие при переходе от частичного к полному контакту цилиндра, могут значительно сократить срок службы кольца. Очень широкие порты позволяют кольцу выпирать в порт, что усугубляет проблему.
• Прочность юбки поршня: поршень должен также контактировать со стенкой для охлаждения, а также передавать боковое усилие рабочего хода. Порты должны быть спроектированы так, чтобы поршень мог передавать эти силы и тепло стенке цилиндра, сводя при этом к минимуму изгиб и удары поршня.
• Конфигурация двигателя: На конфигурацию двигателя может влиять конструкция порта. В первую очередь это касается многоцилиндровых двигателей. Ширина двигателя может быть чрезмерной даже для двухцилиндровых двигателей определенных конструкций. Двигатели с поворотными тарельчатыми клапанами и широкими передаточными числами могут быть настолько широкими, что их использование в качестве параллельного сдвоенного двигателя будет непрактично. Конструкция V-образного двухцилиндрового двигателя и продольно-поступательного двигателя используются для контроля общей ширины.
• Деформация цилиндра: Герметизирующая способность двигателя, срок службы цилиндра, поршня и поршневых колец зависят от надежного контакта между цилиндром и поршнем/поршневым кольцом, поэтому любая деформация цилиндра снижает мощность и срок службы двигателя. Эта деформация может быть вызвана неравномерным нагревом, локальной слабостью цилиндра или механическими напряжениями. Выпускные каналы, имеющие длинные проходы в отливке цилиндра, передают большое количество тепла к одной стороне цилиндра, в то время как с другой стороны холодный воздухозаборник может охлаждать противоположную сторону. Тепловые искажения, возникающие в результате неравномерного расширения, снижают как мощность, так и долговечность, хотя тщательная конструкция может свести проблему к минимуму.
• Турбулентность сгорания: турбулентность, остающаяся в цилиндре после передачи, сохраняется и в фазе сгорания, чтобы повысить скорость горения. К сожалению, хороший продувочный поток медленнее и менее турбулентный.

Методы

Пластинчатая шлифовальная машина входит в комплект поставки головки и используется с различными твердосплавными фрезами, шлифовальными кругами и абразивными картриджами. Сложные и чувствительные формы, необходимые для портирования, требуют хорошего художественного мастерства с ручным инструментом.

До недавнего времени на станке с ЧПУ обработка использовалась только для придания базовой формы порта, но обычно по-прежнему требовалась ручная обработка, поскольку некоторые области порта были недоступны для инструмента с ЧПУ. Новые разработки в области обработки с ЧПУ теперь позволяют полностью автоматизировать этот процесс с помощью программного обеспечения CAD/CAM. 5-осевое управление ЧПУ с использованием специальных приспособлений, таких как наклонно-поворотные столы, обеспечивает полный доступ режущего инструмента ко всему порту. Сочетание программного обеспечения ЧПУ и CAM дает грузчику полный контроль над формой порта и качеством поверхности.

Измерение внутренней части портов затруднено, но должно выполняться точно. Изготавливают шаблоны из листового металла, принимая форму экспериментального порта как в поперечном, так и в продольном разрезе. Эти шаблоны, вставленные в порт, затем используются в качестве руководства для формирования окончательного порта. Даже небольшая ошибка может привести к потере расхода, поэтому измерения должны быть максимально точными. Подтверждение окончательной формы порта и автоматическое копирование порта теперь выполняются с помощью оцифровки. Оцифровка — это когда датчик сканирует всю форму порта, собирая данные, которые затем могут быть использованы станками с ЧПУ и программами CAD/CAM для моделирования и вырезания порта желаемой формы. Этот процесс репликации обычно создает порты, которые текут в пределах 1% друг от друга. Такая точность, повторяемость и время никогда прежде не были возможны. То, что раньше занимало восемнадцать часов или больше, теперь занимает меньше трех.

Краткое содержание

Внутренняя аэродинамика, задействованная в портировании, противоречива и сложна. Для успешной оптимизации портов требуется стенд для управления воздушным потоком , глубокие знания задействованных принципов и программное обеспечение для моделирования двигателя.

Хотя большая часть знаний о переносе была накоплена отдельными людьми с использованием методов «пробы и пробы», в настоящее время существуют инструменты и знания для разработки дизайна переноса с определенной степенью уверенности.

Внешние ссылки

• Бесплатный симулятор демо-движка, использованный для создания графика выше
• Методы портирования головки блока цилиндров
• Техника переноски чугунной головки блока цилиндров «UnderCover» Бжезинского
• 5-осевой станок с ЧПУ для портирования головки блока цилиндров в действии.
• Ряд статей о портировании.
• Цифровая библиотека кинематических моделей для проектирования (KMODDL) — фильмы и фотографии сотен работающих моделей механических систем в Корнельском университете. Также включает в себя электронную библиотеку классических текстов по машиностроению и проектированию.