Cylinderhuvudportning

Cylinderhuvudporting hänvisar till processen att modifiera insugs- och avgasportarna på en förbränningsmotor för att förbättra deras luftflöde. Cylinderhuvuden , som de tillverkas, är vanligtvis suboptimala för racingapplikationer eftersom de är designade för maximal hållbarhet. Portar kan modifieras för maximal effekt, minimal bränsleförbrukning eller en kombination av de två, och kraftleveransegenskaperna kan ändras för att passa en viss applikation.

Att hantera luft

Daglig mänsklig erfarenhet av luft ger intrycket att luft är lätt och nästan obefintlig när vi långsamt rör oss genom den. Men en motor som körs i hög hastighet upplever en helt annan substans. I det sammanhanget kan luft betraktas som tjock, klibbig, elastisk, sliskig och tung (se viskositet ), och huvudportar hjälper till att lindra detta.

Portändringar

När en modifiering beslutas genom testning med en luftflödesbänk , kan det ursprungliga portväggsmaterialet omformas för hand med formslipmaskiner eller med numeriskt styrda fräsmaskiner . För större modifieringar måste portarna svetsas upp eller på liknande sätt byggas upp för att lägga till material där inget funnits.

En port före och efter ändringar, överdriven i illustrativt syfte. Den allmänna idén med att förbättra portflödet är att ett rakare rör och mjukare kurvor ger mer toppeffekt. Denna typ av modifiering kallas vanligen för att "öka neddragsvinkeln" och begränsas av mekaniska begränsningar såsom motorrumshöjd, mängden material i huvudgjutgodset eller omplaceringen av ventilväxeln för att rymma den längre ventilskaftet.
En form av de suboptimalt utformade portarna på ett Ford tvålitershuvud för användning i Formel 2000- racing. Den visas som tillverkad med inloppsporten till höger.

Fords tvåliters F2000- motor i lagertrim utrustad med huvudet som visas ovan kunde leverera 115 hästkrafter vid 5500 rpm för en BMEP på 136 psi .

Portformar av ett högt utvecklat 500 kubiktum eftermarknads Pro Stock racinghuvud. Observera portarnas höjd och rakhet, särskilt avgasporten till vänster. Denna design är baserad på en cylinderhuvudsgjutning som är specialbyggd för racingmodifieringar. Huvudet är försett med små portar med gott om material överallt för porteringsspecialister att forma efter deras krav utan att behöva svetsa på ytterligare metall.

Detta eftermarknads Pro Stock racinghuvud användes i en motor som kunde 1300 hästkrafter vid 9500 rpm med ett BMEP på 238 psi. Ett BMEP på 238 sätter det nära gränsen för en naturligt aspirerad gasbrinnande motor. Naturligt aspirerade Formel 1-motorer uppnådde vanligtvis BMEP-värden på 220 psi. Kamprofiler, motorvarvtal , motorhöjdsbegränsningar och andra begränsningar bidrar till skillnaden i motoreffekt även med Ford-enheten, men skillnaden i portdesign är en viktig faktor.

Portkomponenter

Delar av hamnen och deras terminologi

Vågdynamik

Denna mycket förenklade animation visar hur luft strömmar som vågor i ett intagssystem. Observera att den gröna "ventilen" öppnar och stängs.

När ventilen öppnas strömmar inte luften in, den dekomprimeras till lågtrycksområdet under den. All luft på uppströmssidan av den rörliga störningsgränsen är helt isolerad och opåverkad av vad som händer på nedströmssidan. Luften vid löparingången rör sig inte förrän vågen når hela vägen till slutet. Det är först då hela löparen kan börja flyta. Fram till den tidpunkten är allt som kan hända att gasen med högre tryck som fyller löparens volym dekomprimeras eller expanderar in i lågtrycksområdet och avancerar uppför kanalen. (När lågtrycksvågen når den öppna änden av löparen vänder den om tecken, den anfallande luften tvingar en högtrycksvåg nedför löparen. Visas inte i den här animationen.)

Omvänt stoppar stängningen av ventilen inte omedelbart flödet vid löparingången, som fortsätter helt opåverkad tills signalen att ventilen stängd når den. Stängningsventilen orsakar en uppbyggnad av tryck som vandrar uppför löparen som en positiv våg. Löparens ingång fortsätter att flyta i full fart, vilket tvingar trycket att stiga tills signalen når ingången. Denna mycket betydande tryckökning kan ses på grafen nedan, den stiger långt över atmosfärstrycket.

Det är detta fenomen som gör att den så kallade "ram-trimningen" kan inträffa, och det är det som "trimmas" av avstämda insugs- och avgassystem. Principen är densamma som i vattenhammareffekten så välkänd för rörmokare. Hastigheten som signalen kan färdas är ljudets hastighet inom löparen.

Detta är anledningen till att port/runner-volymer är så viktiga; volymerna av på varandra följande delar av hamnen/löparen styr flödet under alla övergångsperioder. Det vill säga varje gång en förändring inträffar i cylindern – vare sig den är positiv eller negativ – som när kolven når maximal hastighet. vevstångens längd och vevens kast och varierar med vevstångsförhållandet (stav/slag). För normal bildesign är denna punkt nästan alltid mellan 69 och 79 grader ATDC, med högre stavförhållanden som gynnar den senare positionen. Det inträffar endast vid 1/2 slag (90 grader) med en vevstake av oändlig längd.

Våg/flödesaktiviteten i en riktig motor är mycket mer komplex än så här men principen är densamma.

Vid första anblicken kan denna vågrörelse tyckas vara bländande snabb och inte särskilt signifikant, men några beräkningar visar att motsatsen är sant. I en insugningskanal vid rumstemperatur är ljudhastigheten cirka 1 100 fot per sekund (340 m/s) och passerar en 12-tums (300 mm) port/löpare på 0,9 millisekunder. Motorn som använder detta system, som går med 8500 rpm, tar mycket avsevärda 46 vevgrader innan någon signal från cylindern kan nå löparänden (förutsatt att luften inte rör sig i löparen). 46 grader, under vilken inget annat än portens/löparens volym uppfyller cylinderns krav. Detta gäller inte bara för den initiala signalen utan för varje förändring av trycket eller vakuumet som utvecklas i cylindern.

Att använda en kortare löpare för att minska fördröjningen är inte genomförbart eftersom, i slutet av cykeln, den långa löparen nu fortsätter att flyta i full hastighet utan att ta hänsyn till det stigande trycket i cylindern och ge tryck till cylindern när det behövs som mest. Löparlängden styr också tidpunkten för de återkommande vågorna och kan inte ändras. En kortare löpare skulle flöda tidigare men skulle också dö tidigare samtidigt som de positiva vågorna returnerades alldeles för snabbt (inställd på ett högre varvtal) och dessa vågor skulle vara svagare. Nyckeln är att hitta den optimala balansen mellan alla faktorer för motorkraven.

Ytterligare komplicerar systemet är det faktum att kolvkupolen, signalkällan, kontinuerligt rör sig. Flytta först ner cylindern, vilket ökar avståndet som signalen måste färdas. Flytta sedan tillbaka upp i slutet av insugningscykeln när ventilen fortfarande är öppen förbi BDC . Signalerna som kommer från kolvkupolen, efter att det initiala löparflödet har etablerats, måste kämpa uppströms mot vilken hastighet som än har utvecklats vid det ögonblicket, vilket fördröjer den ytterligare. Signalerna som utvecklas av kolven har inte heller en ren väg uppför löparen. Stora delar av det studsar av resten av förbränningskammaren och ger resonans inuti cylindern tills ett medeltryck uppnås. Temperaturvariationer på grund av de ändrade trycken och absorptionen från heta motordelar orsakar också förändringar i den lokala ljudhastigheten.

När ventilen stänger orsakar det en gashög som ger upphov till en stark positiv våg som måste färdas uppför löparen. Vågaktiviteten i hamn/löpare stannar inte utan fortsätter att eka under en tid. När ventilen öppnar nästa gång påverkar de återstående vågorna nästa cykel.

Denna graf visar trycket taget från ventiländen (blå linje) och löparingången (röd linje) på en motor med en 7-tums (180 mm) port/löpare och som går med 4500 rpm. Markerade är två vågor, en sugvåg och en ventilstängningsvåg, och ventiländen och löparingången visar signalfördröjningen. En fördröjning på cirka 85 grader för toppsugvågen mot cirka 32 grader för topptryckvågen. En skillnad på cirka 53 grader på grund av gas- och kolvpositionens rörelse.

Diagrammet ovan visar insugningsrörets tryck över 720 vevgrader för en motor med en 7-tums (180 mm) insugsport/löpa som går med 4500 rpm, vilket är dess vridmomentstopp (nära maximal cylinderfyllning och BMEP för denna motor) . De två tryckspåren tas från ventiländen (blå) och löparingången (röd). Den blå linjen stiger kraftigt när insugningsventilen stänger. Detta orsakar en hög med luft, vilket blir en positiv våg som reflekteras tillbaka upp för löparen och den röda linjen visar att vågen anländer till löparens ingång senare. Notera hur sugvågen under cylinderfyllning fördröjs ännu mer genom att man måste slåss uppströms mot den inströmmande luften och att kolven är längre ner i hålet, vilket ökar avståndet.

Målet med trimningen är att ordna löparna och ventiltimingen så att det blir en högtrycksvåg i porten under öppningen av insugningsventilen för att få igång flödet snabbt och sedan få en andra högtrycksvåg att anlända precis innan ventilen stängs. så fylls cylindern så mycket som möjligt. Den första vågen är det som finns kvar i löparen från föregående cykel, medan den andra i första hand skapas under den aktuella cykeln genom att sugvågen byter tecken vid löparingången och kommer tillbaka till ventilen i tid för att ventilen ska stängas. Faktorerna som är inblandade är ofta motsägelsefulla och kräver en noggrann balansgång för att fungera. När det fungerar är det möjligt att se volymetriska verkningsgrader på 140 %, liknande den för en anständig kompressor , men det sker bara över ett begränsat varvtalsområde.

Portering och polering

Det är populärt att förstora portarna till största möjliga storlek och applicera en spegelfinish är vad porting innebär. Det är dock inte så. Vissa hamnar kan förstoras till sin maximala storlek (i linje med den högsta nivån av aerodynamisk effektivitet), men dessa motorer är högt utvecklade, mycket höghastighetsenheter där den faktiska storleken på portarna har blivit en begränsning. Större portar flödar mer bränsle/luft vid högre varvtal men offrar vridmoment vid lägre varvtal på grund av lägre bränsle/lufthastighet. En spegelfinish av porten ger inte den ökning som intuitionen antyder. Faktum är att inom inloppssystem är ytan vanligtvis avsiktligt strukturerad till en grad av enhetlig grovhet för att uppmuntra bränsle som avsatts på portens väggar att avdunsta snabbt. En grov yta på utvalda områden av porten kan också förändra flödet genom att aktivera gränsskiktet, vilket kan ändra flödesvägen märkbart, vilket eventuellt ökar flödet. Detta liknar vad fördjupningarna på en golfboll gör. Flödesbänktestning visar att skillnaden mellan en insugningsöppning med spegelfinish och en öppning med grov textur vanligtvis är mindre än 1 %. Skillnaden mellan en slät-att-to-to-to-touch-port och en optiskt spegelvänd yta är inte mätbar med vanliga medel. Avgasöppningar kan vara slätbehandlade på grund av det torra gasflödet och i syfte att minimera uppbyggnaden av avgasbiprodukter. En 300- till 400-kornfinish följt av en lätt buff är allmänt accepterad som representativ för en nästan optimal finish för avgasportar.

Anledningen till att polerade portar inte är fördelaktiga ur flödessynpunkt är att vid gränsytan mellan metallväggen och luften är lufthastigheten noll (se gränsskikt och laminärt flöde ). Detta beror på vätningen av luften och faktiskt alla vätskor. Det första lagret av molekyler fäster på väggen och rör sig inte nämnvärt. Resten av flödesfältet måste klippas förbi, vilket utvecklar en hastighetsprofil (eller gradient) över kanalen. För att ytråhet ska påverka flödet märkbart måste de höga punkterna vara tillräckligt höga för att sticka ut i den snabbare rörliga luften mot mitten. Endast en mycket grov yta gör detta.

En utvecklad hastighetsprofil i en kanal som visar varför polerade ytor har liten effekt på flödet. Lufthastigheten vid vägggränssnittet är noll oavsett hur smidig den är.

Tvåtaktsportning

Utöver alla överväganden som tas till en fyrtaktsmotorport, har tvåtaktsmotorportar ytterligare sådana:

  • Rensningskvalitet/renhet: Portarna ansvarar för att sopa så mycket avgaser ur cylindern som möjligt och fylla på den med så mycket färsk blandning som möjligt utan att en stor mängd av den färska blandningen också går ut ur avgaserna. Detta kräver noggrann och subtil timing och inriktning av alla överföringsportar.
  • Effektbandbredd: Eftersom tvåtaktare är mycket beroende av vågdynamik tenderar deras effektband att vara smala. Medan man kämpar för att få maximal effekt måste man alltid se till att kraftprofilen inte blir för skarp och svår att kontrollera.
  • Tidsområde: Tvåtaktsportens varaktighet uttrycks ofta som en funktion av tid/area. Detta integrerar det ständigt föränderliga öppna hamnområdet med varaktigheten. Bredare portar ökar tid/area utan att öka varaktigheten medan högre portar ökar båda.
  • Timing: Förutom tidsarean bestämmer förhållandet mellan alla porttider starkt motorns effektegenskaper.
  • Vågdynamiska överväganden: Även om fyrtaktare har detta problem, är tvåtaktare mycket mer beroende av vågverkan i insugnings- och avgassystem. Tvåtaktsportens design har starka effekter på vågens timing och styrka.
  • Värmeflöde: Värmeflödet i motorn är starkt beroende av portningslayouten. Kylkanaler måste dras runt hamnar. Alla ansträngningar måste göras för att hålla den inkommande laddningen från att värmas upp men samtidigt kyls många delar av i första hand av den inkommande bränsle/luftblandningen. När portar tar för mycket plats på cylinderväggen, hämmas kolvens förmåga att överföra sin värme genom väggarna till kylvätskan. När portarna blir mer radikala blir vissa delar av cylindern tunnare, vilket sedan kan överhettas.
  • Kolvringens hållbarhet: En kolvring måste glida på cylinderväggen smidigt med god kontakt för att undvika mekanisk påfrestning och hjälpa till med kolvkylning. I radikala portdesigner har ringen minimal kontakt i det nedre slagområdet, vilket kan utsättas för extra slitage. De mekaniska stötarna som induceras under övergången från partiell till full cylinderkontakt kan förkorta ringens livslängd avsevärt. Mycket breda portar gör att ringen kan bukta ut i porten, vilket förvärrar problemet.
  • Hållbarhet för kolvkjolen: Kolven måste också komma i kontakt med väggen i kylningssyfte men måste också överföra sidokraften av kraftslaget. Portar måste utformas så att kolven kan överföra dessa krafter och värme till cylinderväggen samtidigt som flex och stöt till kolven minimeras.
  • Motorkonfiguration: Motorkonfigurationen kan påverkas av portdesignen. Detta är främst en faktor i flercylindriga motorer. Motorbredden kan vara för stor även för tvåcylindriga motorer av vissa konstruktioner. Roterande skivventilmotorer med breda svepande överföringar kan vara så breda att de är opraktiska som en parallell tvilling. V-twin och fram- och bakmotorkonstruktionerna används för att kontrollera den totala bredden.
  • Cylinderförvrängning: Motorns tätningsförmåga, cylinder-, kolv- och kolvringslivslängd beror alla på tillförlitlig kontakt mellan cylinder och kolv/kolvring, så eventuell cylinderförvrängning minskar kraften och motorns livslängd. Denna förvrängning kan orsakas av ojämn uppvärmning, lokal cylindersvaghet eller mekaniska påfrestningar. Avgasportar som har långa passager i cylindergjutningen leder stora mängder värme till ena sidan av cylindern medan kylintaget på andra sidan kan kyla den motsatta sidan. Den termiska distorsionen till följd av den ojämna expansionen minskar både kraft och hållbarhet även om noggrann design kan minimera problemet.
  • Förbränningsturbulens: Turbulensen som finns kvar i cylindern efter överföringen kvarstår in i förbränningsfasen för att hjälpa förbränningshastigheten. Tyvärr är bra reningsflöde långsammare och mindre turbulent.

Metoder

Formslipen är huvudportörens lager i handeln och används med en mängd olika hårdmetallskärare, slipskivor och slippatroner. De komplexa och känsliga former som krävs vid portning kräver en god grad av konstnärlig skicklighet med ett handverktyg.

Tills nyligen användes CNC- bearbetning endast för att tillhandahålla portens grundläggande form, men handbearbetning krävdes vanligtvis fortfarande eftersom vissa delar av porten inte var tillgängliga för ett CNC-verktyg. Nya utvecklingar inom CNC-bearbetning gör att denna process nu kan automatiseras helt med hjälp av CAD/CAM-mjukvara. 5-axliga CNC-kontroller som använder specialiserade fixturer som lutande roterande bord ger skärverktyget full tillgång till hela porten. Kombinationen av CNC- och CAM-mjukvara ger portern full kontroll över portens form och ytfinish.

Mätning av det inre av portarna är svårt men måste göras exakt. Mallar av plåt tillverkas, med formen från en experimentport, för både tvärsnitts- och längdform. Insatta i porten används dessa mallar sedan som en guide för att forma den slutliga porten. Även ett litet fel kan orsaka ett flödesförlust så mätningen måste vara så exakt som möjligt. Bekräftelse av den slutliga portformen och automatiserad replikering av porten görs nu med digitalisering. Digitalisering är där en sond skannar hela formen på porten och samlar in data som sedan kan användas av CNC-verktygsmaskiner och CAD/CAM-program för att modellera och skära den önskade portformen. Denna replikeringsprocess producerar vanligtvis portar som flyter inom 1 % från varandra. Denna typ av noggrannhet, repeterbarhet, tid har aldrig tidigare varit möjlig. Det som förr tog arton timmar eller mer tar nu mindre än tre.

Sammanfattning

Den interna aerodynamiken som är involverad i portning är kontraintuitiv och komplex. För att lyckas med att optimera portar krävs en luftflödesbänk , en grundlig kunskap om de involverade principerna och programvara för motorsimulering.

Även om en stor del av porteringskunskapen har ackumulerats av individer som använder "klipp och prova"-metoder över tid, finns verktygen och kunskapen nu för att utveckla en porteringsdesign med ett visst mått av säkerhet.

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Cylinder_head_porting&oldid=1089123925 "