WikiDer > Портирование ГБЦ - Википедия

Эта статья поднимает множество проблем. Пожалуйста помоги Улучши это или обсудите эти вопросы на страница обсуждения. (Узнайте, как и когда удалить эти сообщения-шаблоны) Эта статья включает Список ссылок, связанное чтение или внешняя ссылка, но его источники остаются неясными, потому что в нем отсутствует встроенные цитаты. Пожалуйста, помогите улучшать эта статья введение более точные цитаты. (Февраль 2019 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения) Эта статья может быть слишком техническим для большинства читателей, чтобы понять. Пожалуйста помогите улучшить это к сделать понятным для неспециалистов, не снимая технических деталей. (Январь 2018) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения) Эта статья содержит инструкции, советы или практические советы. Цель Википедии - представить факты, а не тренировать. Пожалуйста помоги улучшить эту статью либо путем переписывания содержания с практическими рекомендациями, либо путем движущийся это к Викиверситет, Викиучебники или же Wikivoyage. (Январь 2018) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Подключение головки цилиндров относится к процессу изменения впускных и выпускных отверстий двигатель внутреннего сгорания чтобы улучшить их воздушный поток. Головки цилиндровв том виде, в каком они произведены, обычно не оптимальны для гоночных применений, поскольку рассчитаны на максимальную долговечность. Порты могут быть изменены для максимальной мощности, минимального расхода топлива или их комбинации, а характеристики передачи мощности могут быть изменены в соответствии с конкретным применением.

Работа с воздухом

Ежедневный человеческий опыт взаимодействия с воздухом создает впечатление, что воздух легкий и почти не существует, поскольку мы медленно движемся через него. Однако двигатель, работающий на высоких оборотах, испытывает совершенно другое вещество. В этом контексте воздух можно рассматривать как густой, липкий, эластичный, липкий и тяжелый (см. вязкость), и перенос головы помогает облегчить это.

Модификации порта

Когда решение о модификации принимается путем тестирования с скамья с потоком воздуха, оригинальный материал стенки порта можно изменить вручную с помощью шлифовальные машины или по с числовым программным управлением фрезерные станки. Для основных модификаций порты должны быть приварены или подобным образом созданы для добавления материала там, где его не было.

Порт до и после модификаций, увеличенный в иллюстративных целях. Общая идея улучшения потока через порт состоит в том, что более прямая труба и более пологие изгибы обеспечивают большую пиковую мощность. Этот тип модификации обычно называется «увеличением угла нисходящего потока» и ограничивается механическими ограничениями, такими как высота моторного отсека, количество материала в основной отливке или перемещение клапанного механизма для размещения более длинного штока клапана.

Форма неоптимально спроектированных портов двухлитровой головки Ford для использования в Формула 2000 гонки. Он показан в заводском состоянии с впускным отверстием справа.

Форд двухлитровый F2000 двигатель в стандартной комплектации, оснащенный головкой, показанной выше, был способен выдавать 115 лошадиных сил при 5500 об / мин для BMEP из 136 psi.

Формы портов развитого вторичного рынка объемом 500 кубических дюймов Pro Stock гоночная голова. Обратите внимание на высоту и прямолинейность портов, особенно на выхлопное отверстие слева. Эта конструкция основана на отливке головки блока цилиндров, специально созданной для гоночных модификаций. Головка снабжена небольшими портами с большим количеством материала повсюду, чтобы специалисты по переноске могли формировать ее в соответствии со своими требованиями без необходимости приваривать дополнительный металл.

Этот вторичный рынок Pro Stock гоночная головка использовалась в двигателе мощностью 1300 лошадиных сил при 9500 оборотах в минуту с BMEP 238 фунтов на квадратный дюйм. BMEP, равный 238, приближает его к пределу для без наддува газовый двигатель. Безнаддувный Двигатели Формулы-1 обычно достигаются значения BMEP 220 фунтов на квадратный дюйм. Кулачковые профили, двигатель Об / мин, ограничения по высоте двигателя и другие ограничения также влияют на разницу в мощности двигателя с блоком Ford, но разница в конструкции портов является основным фактором.

Компоненты порта

Части порта и их терминология

Волновая динамика

Эта очень упрощенная анимация показывает, как воздух течет волнами в системе впуска. Обратите внимание на открытие и закрытие зеленого «клапана».

Когда клапан открывается, воздух не поступает внутрь, он разжимается в область низкого давления под ним. Весь воздух на стороне входа движущейся границы возмущения полностью изолирован и не зависит от того, что происходит на стороне выхода. Воздух на входе в бегун не двигается, пока волна не достигнет конца. Только тогда весь бегун может начать течь. До этого момента все, что может произойти, это то, что газ под более высоким давлением, заполняющий объем рабочего колеса, декомпрессируется или расширяется в область низкого давления, продвигаясь вверх по рабочему колесу. (Как только волна низкого давления достигает открытого конца бегунка, она меняет знак, набегающий воздух заставляет волну высокого давления спускаться вниз по бегунку. На этой анимации не показано.)

И наоборот, закрытие клапана не приводит к немедленной остановке потока на входе в желоб, который остается неизменным до тех пор, пока сигнал о закрытии клапана не достигнет его. Запорный клапан вызывает повышение давления, которое движется вверх по бегунку в виде положительной волны. Вход бегунка продолжает движение на полной скорости, заставляя давление повышаться, пока сигнал не достигнет входа. Этот очень значительный рост давления можно увидеть на графике ниже, он поднимается намного выше атмосферного давления.

Именно это явление позволяет осуществить так называемую «настройку поршня», и именно это «настраивается» настроенными впускными и выпускными системами. Принцип такой же, как и в гидроудар эффект так хорошо известен сантехникам. Скорость, с которой может двигаться сигнал, - это скорость звука внутри бегуна.

Вот почему так важны объемы портов / бегунов; объемы следующих друг за другом 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. Этот момент происходит в разных точках в зависимости от длины шатун и бросок заводить, и зависит от соотношения шатуна (шток / ход). Для обычного автомобильного дизайна эта точка почти всегда находится между 69 и 79 градусами ВМТ, при этом более высокое передаточное число стержней благоприятствует более позднему положению. Это происходит только при 1/2 хода (90 градусов) с шатуном бесконечной длины.

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

На первый взгляд это волновое распространение может показаться ослепительно быстрым и не очень значительным, но некоторые расчеты показывают обратное: во всасывающем желобе при комнатной температуре скорость звука составляет около 1100 футов в секунду (340 м / с) и проходит через 12-дюймовый (300 мм) порт / бегунок за 0,9 миллисекунды. Двигатель, использующий эту систему, работающий со скоростью 8500 об / мин, требует очень значительного 46 градусов кривошипа до того, как какой-либо сигнал от цилиндра достигнет конца рабочего колеса (при условии отсутствия движения воздуха в рабочем колесе). 46 градусов, в течение которых только объем порта / бегунка удовлетворяет потребности цилиндра. Это относится не только к начальному сигналу, но и к любому изменению давления или вакуума, создаваемого в цилиндре.

Использование более короткого бегунка, поэтому задержка невозможна, потому что в конце цикла длинный бегун теперь продолжает течь на полной скорости, не обращая внимания на возрастающее давление в цилиндре и обеспечивая давление в цилиндр, когда это больше всего необходимо. Длина бегуна также контролирует синхронизацию возвращающихся волн и не может быть изменена. Более короткий бегун потечет раньше, но также умрет раньше, в то время как положительные волны будут возвращаться слишком быстро, и эти волны будут слабее. Главное - найти оптимальный баланс всех факторов для требований двигателя.

Еще больше усложняет систему тот факт, что купол поршня, источник сигнала, постоянно перемещается. Сначала движение вниз по цилиндру, тем самым увеличивая расстояние, которое должен пройти сигнал. Затем возвращение вверх в конце цикла впуска, когда клапан еще открыт после BDC. Сигналы, поступающие от купола поршня, после того, как начальный поток рабочего колеса был установлен, должны бороться вверх по потоку против любой скорости, развившейся в этот момент, задерживая его дальше. Сигналы, создаваемые поршнем, также не имеют чистого пути вверх по бегунку. Большие его части отскакивают от остальной части камера сгорания и резонируют внутри цилиндра, пока не будет достигнуто среднее давление. Кроме того, колебания температуры из-за изменения давления и поглощения горячими частями 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 / канале не прекращается, но некоторое время продолжает отражаться. Когда клапан открывается в следующий раз, оставшиеся волны влияют на следующий цикл.

На этом графике показано давление, снятое со стороны клапана (синяя линия) и входа рабочего колеса (красная линия) двигателя с портом / рабочим колесом 7 дюймов (180 мм), работающего при 4500 об / мин. Выделены две волны, волна всасывания и волна закрытия клапана, а также конец клапана и вход бегунка, показывающие задержку сигнала. Задержка около 85 градусов для волны пикового всасывания по сравнению с примерно 32 градусами для волны пикового давления. Разница примерно в 53 градуса из-за движения газа и положения поршня.

На приведенном выше графике показано давление впускного рабочего колеса на 720 градусов поворота коленчатого вала двигателя с впускным каналом / рабочим колесом 7 дюймов (180 мм), работающим при 4500 об / мин, что является его показателем. крутящий момент пик (близкий к максимальному наполнению цилиндра и БМЭП для этого двигателя). Два следа давления сняты со стороны клапана (синий) и входа рабочего колеса (красный). Синяя линия резко поднимается вверх при закрытии впускного клапана. Это вызывает скопление воздуха, которое становится положительной волной, отражающейся обратно вверх по бегуну, а красная линия показывает, что волна позже достигает входа бегуна. Обратите внимание на то, как волна всасывания во время наполнения цилиндра задерживается еще больше из-за того, что приходится бороться с входящим потоком воздуха и тем фактом, что поршень находится дальше по каналу, увеличивая расстояние.

Цель настройки состоит в том, чтобы расположить бегуны и фазы газораспределения так, чтобы во время открытия впускного клапана в канале возникала волна высокого давления, чтобы поток шел быстро, а затем чтобы вторая волна высокого давления приходила непосредственно перед закрытием клапана. чтобы цилиндр заполнился как можно больше. Первая волна - это то, что осталось в бегунке от предыдущего цикла, в то время как вторая в основном создается во время текущего цикла, когда волна всасывания меняет знак на входе в бегунок и возвращается к клапану вовремя для закрытия клапана. Вовлеченные факторы часто противоречивы и требуют тщательного балансирования для работы. Когда это действительно работает, можно увидеть объемный КПД 140%, аналогичный КПД приличного нагнетатель, но это происходит только в ограниченном диапазоне оборотов.

Портирование и полировка

Принято считать, что портирование влечет за собой увеличение портов до максимально возможного размера и нанесение зеркального блеска. Однако это не так. Некоторые порты могут быть увеличены до максимально возможного размера (в соответствии с наивысшим уровнем аэродинамической эффективности), но эти двигатели представляют собой высокоразвитые высокоскоростные агрегаты, для которых фактический размер портов стал ограничением. Более крупные порты пропускают больше топлива / воздуха на более высоких оборотах, но жертвуют крутящим моментом на более низких оборотах из-за более низкой скорости топлива / воздуха. Зеркальное покрытие порта не дает того увеличения, которое подсказывает интуиция. Фактически, во впускных системах поверхность обычно намеренно текстурирована до степени однородной шероховатости, чтобы способствовать быстрому испарению топлива, отложившегося на стенках портов. Шероховатая поверхность на выбранных участках порта также может изменить поток из-за подачи питания на пограничный слой, что может заметно изменить путь потока, возможно, увеличивая поток. Это похоже на ямочки на мяч для гольфа делать. Стенд потока Тестирование показывает, что разница между впускным портом с зеркальной отделкой и портом с грубой текстурой обычно составляет менее 1%. Разницу между портом, гладким на ощупь, и оптически зеркальной поверхностью невозможно измерить обычными средствами. Выхлопные отверстия могут быть гладкими из-за потока сухого газа и в интересах минимизации накопления побочных продуктов выхлопных газов. Обработка зернистостью от 300 до 400 с последующей легкой полировкой обычно считается представителем почти оптимальной отделки отверстий для выхлопных газов.

Причина того, что полированные порты не имеют преимуществ с точки зрения потока, заключается в том, что на границе раздела между металлической стенкой и воздухом скорость воздуха равна нуль (видеть пограничный слой и ламинарный поток). Это связано с смачивание действие воздуха и вообще всех жидкостей. Первый слой молекул прилипает к стене и существенно не перемещается. Остальная часть поля потока должна пройти мимо, что создаст профиль скорости (или градиент) поперек канала. Чтобы шероховатость поверхности заметно влияла на поток, выступы должны быть достаточно высокими, чтобы выступать в быстро движущийся воздух к центру. Только очень шероховатая поверхность делает это.

Развитый профиль скорости в воздуховоде, который показывает, почему полированные поверхности мало влияют на поток. Скорость воздуха на границе раздела стен равна нулю, независимо от того, насколько она ровная.

Двухтактное соединение

В дополнение ко всем соображениям относительно порта четырехтактного двигателя, двухтактный двигатель у портов есть дополнительные:

• Качество / чистота продувки: порты отвечают за выметание как можно большего количества выхлопных газов из цилиндра и заправку его как можно большим количеством свежей смеси без большого количества свежей смеси, также выходящей из выхлопных газов. Это требует осторожного и тонкого выбора времени и наведения всех портов передачи.
• Ширина диапазона мощности: поскольку двухтактный режим очень сильно зависит от динамики волн, их диапазоны мощности имеют тенденцию быть узкими. Пытаясь получить максимальную мощность, всегда нужно следить за тем, чтобы профиль мощности не стал слишком резким и трудно управляемым.
• 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, в то время как более высокие порты увеличивают и то, и другое.
• Время: В дополнение к временной области, взаимосвязь между всеми временными параметрами портов во многом определяет характеристики мощности двигателя.
• Соображения по волновой динамике: хотя у четырехтактных двигателей есть эта проблема, двухтактные в гораздо большей степени зависят от волнового воздействия во впускной и выпускной системах. Конструкция двухтактного порта сильно влияет на синхронизацию и силу волны.
• Тепловой поток: Тепловой поток в двигателе сильно зависит от компоновки портов. Охлаждающие каналы должны быть проложены вокруг портов. Необходимо приложить все усилия, чтобы поступающий заряд не нагревался, но в то же время многие детали охлаждаются в основном 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 участки цилиндра становятся тоньше, что может привести к перегреву.
• Долговечность поршневого кольца: A поршневое кольцо должен плавно перемещаться по стенке цилиндра с хорошим контактом, чтобы избежать механических нагрузок и способствовать охлаждению поршня. В конструкциях с радикальным портом кольцо имеет минимальный контакт в нижней части хода, что может привести к дополнительному износу. Механические удары, возникающие при переходе от частичного контакта цилиндра к полному, могут значительно сократить срок службы кольца. Очень широкие порты позволяют кольцу выступать в порт, что усугубляет проблему.
• Долговечность юбки поршня: поршень должен также касаться стенки в целях охлаждения, но также должен передавать боковое усилие рабочего хода. Порты должны быть спроектированы так, чтобы поршень мог передавать эти силы и тепло стенке цилиндра, сводя к минимуму изгиб и удары поршня.
• Конфигурация двигателя: конфигурация двигателя может зависеть от конструкции порта. Это прежде всего фактор в многоцилиндровых двигателях. Ширина двигателя может быть чрезмерной даже для двухцилиндровых двигателей определенных конструкций. Роторно-дисковые клапанные двигатели с широкими качающимися передачами могут быть настолько широкими, что их невозможно использовать в качестве параллельных сдвоенных. Конструкция V-образного двухцилиндрового двигателя и продольного двигателя используется для регулирования габаритной ширины.
• Деформация цилиндра: герметизирующая способность двигателя, срок службы цилиндра, поршня и поршневого кольца - все зависит 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. Выхлопные отверстия, которые имеют длинные проходы в отливке цилиндра, отводят большое количество тепла к одной стороне цилиндра, в то время как с другой стороны охлаждающий воздухозаборник может охлаждать противоположную сторону. Тепловая деформация, возникающая в результате неравномерного расширения, снижает как мощность, так и долговечность, хотя тщательный дизайн может минимизировать проблему.
• Турбулентность горения: турбулентность, остающаяся в цилиндре после переноса, сохраняется в фазе горения, чтобы повысить скорость горения. К сожалению, хороший продувочный поток более медленный и менее турбулентный.

Методы

В умирают шлифовальный станок является товаром для головного портера и используется с различными твердосплавными фрезами, шлифовальные круги и абразивные патроны. Сложные и чувствительные формы, необходимые для переноски, требуют высокого художественного мастерства с ручным инструментом.

До не давнего времени, ЧПУ механическая обработка использовался только для создания базовой формы порта, но ручная обработка обычно все еще требовалась, потому что некоторые области порта были недоступны для инструмента с ЧПУ. Новые разработки в области обработки с ЧПУ позволяют полностью автоматизировать этот процесс с помощью программного обеспечения CAD / CAM. 5-осевое управление с ЧПУ с использованием специализированных приспособлений, таких как наклоняемые поворотные столы, обеспечивает полный доступ режущего инструмента ко всему порту. Комбинация программного обеспечения с ЧПУ и CAM дает портье полный контроль над формой порта и обработкой поверхности.

Измерение внутренней части портов затруднено, но должно быть выполнено точно. Изготовлены шаблоны из листового металла, имеющие форму из экспериментального порта, как для поперечного, так и для продольного профиля. Эти шаблоны, вставленные в порт, затем используются в качестве руководства для формирования окончательного порта. Даже небольшая ошибка может вызвать потерю потока, поэтому измерения должны быть максимально точными. Подтверждение окончательной формы порта и автоматическая репликация порта теперь выполняется с помощью оцифровки. Оцифровка - это когда зонд сканирует всю форму порта, собирая данные, которые затем могут использоваться станками с ЧПУ и программами CAD / CAM для моделирования и вырезания желаемой формы порта. Этот процесс репликации обычно создает порты, которые перемещаются в пределах 1% друг от друга. Такая точность, повторяемость и время были невозможны раньше. То, что раньше занимало восемнадцать часов или больше, теперь занимает меньше трех.

Резюме

внутренний аэродинамика участие в портировании нелогично и сложно. Для успешной оптимизации портов требуется скамья с потоком воздуха, глубокое знание задействованных принципов и программное обеспечение для моделирования двигателя.

Хотя значительная часть знаний о переносе была накоплена людьми, использующими методы «пробуй и пробуй», в настоящее время существуют инструменты и знания для разработки дизайна переноса с определенной степенью уверенности.

Рекомендации

внешняя ссылка

• Бесплатный демонстрационный симулятор движка, используемый для создания графика выше
• Методы перфорации головки цилиндров
• Техника подключения головки блока цилиндров из чугуна Бжезинского "UnderCover"
• 5-осевой станок для переноски головки блока цилиндров с ЧПУ в действии.
• Ряд статей о портировании.
• Кинематические модели для цифровой библиотеки дизайна (KMODDL) - Фильмы и фотографии сотен работающих моделей механических систем в Корнельском университете. Также включает библиотека электронных книг классических текстов по машиностроению и машиностроению.