Портирование головки блока цилиндров

В этой статье есть несколько проблем. Помогите улучшить ее или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалять эти сообщения ) Данная статья , возможно, содержит оригинальное исследование .Пожалуйста, улучшите его, проверив сделанные заявления и добавив встроенные цитаты . Заявления, состоящие только из оригинальных исследований, должны быть удалены. ( Май 2024 )( Узнайте, как и когда удалить это сообщение ) В статье не указаны какие-либо источники .Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив ссылки на надежные источники . Материалы без ссылок могут быть оспорены и удалены . Найти источники:  "Cylinder head porting" – новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( Февраль 2019 )( Узнайте, как и когда удалить это сообщение ) Эта статья может оказаться слишком сложной для понимания большинством читателей .Пожалуйста, помогите улучшить его, чтобы сделать его понятным для неспециалистов , не удаляя технические детали. ( Январь 2018 )( Узнайте, как и когда удалить это сообщение ) В этой статье содержатся инструкции, советы или практические советы .Пожалуйста, помогите переписать контент, сделав его более энциклопедическим, или перенесите его в Викиверситет, Викиучебники или Викигид. ( Январь 2018 ) ( Узнайте, как и когда удалить это сообщение )

Портирование головки цилиндра относится к процессу модификации впускных и выпускных отверстий двигателя внутреннего сгорания для улучшения их воздушного потока. Головки цилиндров , в том виде, в котором они производятся, обычно не являются оптимальными для гоночных приложений, поскольку они разработаны для максимальной прочности. Порты могут быть модифицированы для максимальной мощности, минимального расхода топлива или комбинации этих двух, а характеристики подачи мощности могут быть изменены в соответствии с конкретным применением.

Когда модификация принимается в результате испытаний на стенде воздушного потока , исходный материал стенки порта может быть изменен вручную с помощью шлифовальных машин или фрезерных станков с числовым программным управлением . Для серьезных модификаций порты должны быть заварены или аналогичным образом наращены, чтобы добавить материал там, где его не было.

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

Эта головка блока цилиндров Pro Stock для гонок на вторичном рынке использовалась в двигателе мощностью 1300 лошадиных сил при 9500 об/мин с BMEP 238 фунтов на квадратный дюйм. BMEP 238 фунтов на квадратный дюйм приближает его к пределу для безнаддувного двигателя, работающего на газе. Безнаддувные двигатели Formula One обычно достигают значений BMEP 220 фунтов на квадратный дюйм. Профили кулачков, обороты двигателя , ограничения по высоте двигателя и другие ограничения также вносят свой вклад в разницу в мощности двигателя с блоком Ford, но разница в конструкции порта является основным фактором.

Когда клапан открывается, воздух не поступает внутрь, он декомпрессируется в область низкого давления под ним. Весь воздух на стороне вверх по потоку от движущейся границы возмущения полностью изолирован и не подвержен влиянию того, что происходит на стороне вниз по потоку. Воздух на входе в рабочее колесо не движется, пока волна не достигнет конца. Только тогда весь рабочий двигатель может начать течь. До этого момента все, что может произойти, это то, что газ с 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 рабочего колеса, она меняет знак, набегающий воздух заставляет волну высокого давления опускаться по рабочему колесу. Не показано в этой анимации.)

Наоборот, закрытие клапана не останавливает поток на входе в рабочее колесо немедленно, который продолжается совершенно без изменений, пока сигнал о закрытии клапана не достигнет его. Закрытие клапана вызывает нарастание давления, которое движется вверх по рабочему колесу в виде положительной волны. Вход рабочего колеса продолжает течь на полной скорости, заставляя давление расти, пока сигнал не достигнет входа. Это весьма значительное повышение давления можно увидеть на графике ниже, оно поднимается намного выше атмосферного давления.

Именно это явление позволяет происходить так называемой «настройке таранной трубы», и именно она «настраивается» настроенными системами впуска и выпуска. Принцип тот же, что и в эффекте гидравлического удара, так хорошо известном сантехникам. Скорость, с которой может распространяться сигнал, — это скорость звука внутри бегуна.

Вот почему объемы порта/бегунка так важны; объемы последовательных частей порта/бегунка контролируют поток во время всех переходных периодов. То есть, всякий 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 меняется в зависимости от передаточного отношения шатуна (шток/ход). Для обычной автомобильной конструкции эта точка почти всегда находится между 69 и 79 градусами ATDC, причем более высокие передаточные отношения шатуна благоприятствуют более позднему положению. Это происходит только на 1/2 хода (90 градусов) с шатуном бесконечной длины.

Волновая/потоковая активность в реальном двигателе гораздо сложнее, но принцип тот же.

На первый взгляд это перемещение волны может показаться ослепительно быстрым и не очень значительным, но несколько расчетов показывают, что верно обратное. В впускном канале при комнатной температуре скорость звука составляет около 1100 футов в секунду (340 м/с) и проходит 12-дюймовый (300 мм) порт/поток за 0,9 миллисекунды. Двигатель, использующий эту систему, работающий со скоростью 8500 об/мин, требует весьма значительных 46 градусов поворота коленчатого вала , прежде чем какой-либо сигнал от цилиндра сможет достичь конца рабочего колеса (предполагая отсутствие движения воздуха в рабочем колесе). 46 градусов, в течение которых только объем порта/поток обеспечивает потребности цилиндра. Это относится не только к начальному сигналу, но и к любому изменению давления или вакуума, создаваемого в цилиндре.

Использование более короткого рабочего колеса для уменьшения задержки нецелесообразно, поскольку в конце цикла длинный рабочий колесо теперь продолжает течь на полной скорости, игнорируя растущее давление в цилиндре и обеспечивая давление в цилиндре, когда это больше всего необходимо. Длина рабочего колеса также контролирует время возвратных волн и не может быть изменена. Более короткий рабочий колесо будет течь раньше, но и умрет раньше, возвращая положительные волны слишком быстро (настроенный на более высокие обороты), 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 он движется вниз по цилиндру, тем самым увеличивая расстояние, которое должен пройти сигнал. Затем он движется 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 был установлен, должны бороться против любой скорости, которая была развита в этот момент, задерживая ее еще больше. Сигналы, развиваемые поршнем, также не имеют чистого пути вверх по рабочему колесу. Большие его части отражаются от остальной части камеры сгорания и резонируют внутри цилиндра, пока не будет достигнуто среднее давление. Кроме того, изменения температуры из-за изменяющегося давления и поглощения от горячих деталей двигателя вызывают изменения локальной скорости звука.

Когда клапан закрывается, он вызывает накопление газа, что приводит к возникновению сильной положительной волны, которая должна пройти вверх по бегунку. Волновая активность в порту/бегуне не прекращается, а продолжает отражаться в течение некоторого времени. Когда клапан снова открывается, оставшиеся волны влияют на следующий цикл.

График выше показывает давление впускного желоба на 720 градусах поворота коленчатого вала двигателя с 7-дюймовым (180 мм) впускным отверстием/желобом, работающим на 4500 об/мин, что является его пиковым крутящим моментом (близким к максимальному заполнению цилиндра и BMEP для этого двигателя). Два графика давления взяты с конца клапана (синий) и входа в желоб (красный). Синяя линия резко поднимается, когда впускной клапан закрывается. Это вызывает накопление воздуха, которое становится положительной волной, отраженной обратно вверх по желобу, а красная линия показывает, что волна прибывает на вход в желоб позже. Обратите внимание, как волна всасывания во время заполнения цилиндра задерживается еще больше из-за необходимости бороться против втекающего воздуха и того факта, что поршень находится дальше в отверстии, увеличивая расстояние.

Цель настройки — расположить бегунки и фазы газораспределения так, чтобы во время открытия впускного клапана была волна высокого давления в порту, чтобы поток шел быстро, а затем вторая волна высокого давления прибывала непосредственно перед закрытием клапана, чтобы цилиндр заполнялся как можно больше. Первая волна — это то, что осталось в бегуне от предыдущего цикла, в то время как вторая в основном создается во время текущего цикла волной всасывания, меняющей знак на входе в бегунок и возвращающейся обратно к клапану вовремя для закрытия клапана. Факторы, задействованные в этом, часто противоречивы и требуют тщательного балансирования для работы. Когда это работает, можно увидеть объемную эффективность в 140%, аналогичную эффективности приличного нагнетателя , но это происходит только в ограниченном диапазоне оборотов.

Распространено мнение, что увеличение портов до максимально возможного размера и применение зеркальной отделки — это то, что подразумевает портирование. Однако это не так. Некоторые порты могут быть увеличены до максимально возможного размера (в соответствии с наивысшим уровнем аэродинамической эффективности), но эти двигатели являются высокоразвитыми, очень высокоскоростными агрегатами, где 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. Зеркальная отделка порта не обеспечивает увеличения, которое подсказывает интуиция. Фактически, в системах впуска поверхность обычно намеренно текстурируется до степени равномерной шероховатости, чтобы способствовать быстрому испарению топлива, отложившегося на стенках порта. Шероховатая поверхность на выбранных участках порта также может изменять поток, активизируя пограничный слой , что может заметно изменить путь потока, возможно, увеличивая поток. Это похоже на то, что делают ямочки на мяче для гольфа . Испытания на стенде потока показывают, что разница между зеркально отполированным впускным портом и шероховатым портом обычно составляет менее 1%. Разницу между гладким на ощупь портом и оптически зеркальной поверхностью невозможно измерить обычными средствами. Выпускные порты могут быть гладко отполированы из-за сухого потока газа и в целях минимизации накопления побочных продуктов выхлопа. Обычно считается, что обработка абразивом зернистостью от 300 до 400 с последующей легкой полировкой является почти оптимальной для выхлопных портов.

Причина, по которой полированные порты невыгодны с точки зрения потока, заключается в том, что на границе раздела между металлической стенкой и воздухом скорость воздуха равна нулю (см. пограничный слой и ламинарный поток ). Это происходит из-за смачивающего действия воздуха и, по сути, всех жидкостей. Первый слой молекул прилипает к стенке и не перемещается значительно. Остальная часть поля потока должна сдвигаться, что создает профиль скорости (или градиент) поперек канала. Чтобы шероховатость поверхности существенно влияла на поток, высокие точки должны быть достаточно высокими, чтобы выступать в более быстро движущийся воздух по направлению к центру. Это делает только очень шероховатая поверхность.

В дополнение ко всем соображениям, касающимся портов четырехтактных двигателей, порты двухтактных двигателей имеют дополнительные особенности:

• Качество/чистота очистки: каналы отвечают за выметание как можно большего количества выхлопных газов из цилиндра и заполнение его как можно большим количеством свежей смеси без выхода большого количества свежей смеси через выхлоп. Это требует тщательного и тонкого расчета времени и нацеливания всех каналов передачи.
• Ширина полосы мощности: Поскольку двухтактные двигатели очень зависят от динамики волн, их полосы мощности , как правило, узкие. Борясь за максимальную мощность, всегда следует следить за тем, чтобы профиль мощности не стал слишком острым и неуправляемым.
• Площадь времени: 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.
• Моменты зажигания: Помимо временной области, соотношение между моментами зажигания всех портов в значительной степени определяет мощностные характеристики двигателя.
• Волновые динамические соображения: Хотя четырехтактные двигатели имеют эту проблему, двухтактные двигатели в гораздо большей степени полагаются на волновое воздействие в системах впуска и выпуска. Конструкция порта двухтактного двигателя оказывает сильное влияние на синхронизацию и силу волны.
• Тепловой поток: Поток тепла в двигателе в значительной степени зависит от расположения портов. Охлаждающие каналы должны быть проложены вокруг портов. Необходимо приложить все усилия, чтобы входящий заряд не нагревался, но в то же время многие детали охлаждаются в первую очередь этой входящей топливно-воздушной смесью. Когда порты занимают слишком много места на стенке цилиндра, способность поршня передавать свое тепло через стенки охлаждающей жидкости затрудняется. По мере того, как порты становятся более радикальными, некоторые области цилиндра становятся тоньше, что может привести к перегреву.
• Прочность поршневого кольца: поршневое кольцо должно плавно перемещаться по стенке цилиндра с хорошим контактом, чтобы избежать механического напряжения и способствовать охлаждению поршня. В конструкциях с радикальным портом кольцо имеет минимальный контакт в нижней части хода, что может подвергаться 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, усугубляя проблему.
• Прочность юбки поршня: поршень также должен контактировать со стенкой для охлаждения, но также должен передавать боковую тягу рабочего хода. Порты должны быть спроектированы так, чтобы поршень мог передавать эти силы и тепло стенке цилиндра, одновременно минимизируя изгиб и удары поршня.
• Конфигурация двигателя: Конфигурация двигателя может зависеть от конструкции порта. Это в первую очередь фактор в многоцилиндровых двигателях. Ширина двигателя может быть чрезмерной даже для двухцилиндровых двигателей определенных конструкций. Двигатели с вращающимися дисковыми клапанами и широкими перепускными клапанами могут быть настолько широкими, что их использование в качестве параллельного двойника может оказаться непрактичным. Конструкции V-образного двойника и двигателя с продольным расположением цилиндров используются для управления общей шириной.
• Деформация цилиндра: Герметичность двигателя, срок службы цилиндра, поршня и поршневого кольца 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 отверстия, имеющие длинные проходы в отливке цилиндра, проводят большое количество тепла к одной стороне цилиндра, в то время как с другой стороны холодный впуск может охлаждать противоположную сторону. Тепловая деформация, возникающая из-за неравномерного расширения, снижает как мощность, так и долговечность, хотя тщательное проектирование может свести проблему к минимуму.
• Турбулентность сгорания: Турбулентность, остающаяся в цилиндре после передачи, сохраняется в фазе сгорания, помогая скорости горения. К сожалению, хороший продувочный поток медленнее и менее турбулентный.

Шлифовальный станок является товаром в торговле портера и используется с различными твердосплавными резцами, шлифовальными кругами и абразивными картриджами. Сложные и чувствительные формы, требуемые при портировании, требуют хорошего уровня художественного мастерства с ручным инструментом.

До недавнего времени обработка на станках с ЧПУ использовалась только для придания базовой формы порту, но ручная отделка обычно все еще требовалась, поскольку некоторые области порта были недоступны для инструмента с ЧПУ. Новые разработки в обработке на станках с ЧПУ теперь позволяют полностью автоматизировать этот процесс с помощью программного обеспечения CAD/CAM. 5-осевые системы управления ЧПУ, использующие специализированные приспособления, такие как наклонные поворотные столы, обеспечивают режущему инструменту полный доступ ко всему порту. Сочетание программного обеспечения ЧПУ и CAM дает портеру полный контроль над формой порта и отделкой поверхности.

Измерение внутренней части портов является сложным, но должно быть выполнено точно. Шаблоны из листового металла изготавливаются по форме экспериментального порта как для поперечного сечения, так и для продольной формы. Вставленные в порт, эти шаблоны затем используются в качестве руководства для формирования окончательного порта. Даже небольшая ошибка может привести к потере потока, поэтому измерение должно быть максимально точным. Подтверждение окончательной формы порта и автоматическое воспроизведение порта теперь выполняется с помощью оцифровки. Оцифровка заключается в том, что зонд сканирует всю форму порта, собирая данные, которые затем могут использоваться станками с ЧПУ и программным обеспечением CAD/CAM для моделирования и резки желаемой формы порта. Этот процесс воспроизведения обычно создает порты, которые текут в пределах 1% друг от друга. Такая точность, повторяемость, время никогда ранее не были возможны. То, что раньше занимало восемнадцать часов или больше, теперь занимает менее трех.

Внутренняя аэродинамика, связанная с портированием, является контринтуитивной и сложной. Успешная оптимизация портов требует стенда для измерения воздушного потока , глубокого знания задействованных принципов и программного обеспечения для моделирования двигателя.

Хотя большая часть знаний о портировании была накоплена отдельными людьми, применявшими методы «проб и ошибок» с течением времени, в настоящее время существуют инструменты и знания, позволяющие разработать проект портирования с определенной долей уверенности.

• Бесплатный демонстрационный симулятор движка, используемый для создания графика выше
• Методы портирования головки блока цилиндров
• Технология портирования головки блока цилиндров из чугуна «UnderCover» по Бжезинскому
• Пятикоординатный станок с ЧПУ для обработки отверстий в головке блока цилиндров в действии.
• Ряд статей о портировании.
• Кинематические модели для проектирования Цифровая библиотека (KMODDL) - Видео и фотографии сотен рабочих моделей механических систем в Корнеллском университете. Также включает электронную библиотеку классических текстов по механическому проектированию и инжинирингу.