Silindir kafası taşıma - Cylinder head porting

Silindir kapağı taşıma , hava akışını iyileştirmek için içten yanmalı bir motorun emme ve egzoz portlarını değiştirme sürecini ifade eder . Silindir kafaları , üretildiği gibi, maksimum dayanıklılık için tasarlandıkları için genellikle yarış uygulamaları için uygun değildir. Bağlantı noktaları maksimum güç, minimum yakıt tüketimi veya ikisinin birleşimi için değiştirilebilir ve güç dağıtım özellikleri belirli bir uygulamaya uyacak şekilde değiştirilebilir.

hava ile uğraşmak

Hava ile günlük insan deneyimi, havanın hafif olduğu ve içinde yavaşça hareket ettiğimizde neredeyse yok olduğu izlenimini verir. Ancak, yüksek hızda çalışan bir motor tamamen farklı bir maddeye maruz kalır. Bu bağlamda hava, kalın, yapışkan, elastik, yapışkan ve ağır olarak düşünülebilir (bkz. viskozite ) ve kafa taşıma bunu hafifletmeye yardımcı olur.

Bağlantı noktası değişiklikleri

Bir hava akış tezgahı ile test edilerek bir modifikasyona karar verildiğinde , orijinal port duvar malzemesi, kalıp öğütücüler veya sayısal kontrollü freze makineleri ile elle yeniden şekillendirilebilir . Büyük değişiklikler için, portlar kaynaklanmalı veya mevcut olmayan malzeme eklemek için benzer şekilde oluşturulmalıdır.

Değişikliklerden önce ve sonra, açıklama amacıyla abartılı bir bağlantı noktası. Bağlantı noktası akışını iyileştirmenin genel fikri, daha düz bir boru ve daha yumuşak eğrilerin daha fazla tepe gücü sağlamasıdır. Bu tip modifikasyona genel olarak "aşağı çekiş açısının arttırılması" denir ve motor bölmesi yüksekliği, ana dökümdeki malzeme miktarı veya daha uzun valf gövdesine uyum sağlamak için valf dişlisinin yeniden konumlandırılması gibi mekanik kısıtlamalarla sınırlıdır.
Formula 2000 yarışlarında kullanılmak üzere iki litrelik bir Ford kafasının optimal olmayan şekilde tasarlanmış portlarının bir kalıbı . Sağdaki giriş portu ile imal edilmiş olarak gösterilmektedir.

Yukarıda gösterilen kafa ile donatılmış stok trimindeki Ford iki litrelik F2000 motoru , 136 psi'lik bir BMEP için 5500 rpm'de 115 beygir gücü sunabiliyordu .

Son derece gelişmiş 500 kübik inç satış sonrası Pro Stock yarış başlığının liman kalıpları . Portların, özellikle soldaki egzoz portunun yüksekliğine ve düzlüğüne dikkat edin. Bu tasarım, yarış modifikasyonları için özel olarak yapılmış bir silindir kafası dökümüne dayanmaktadır. Kafa, taşıma uzmanlarının ek metal üzerine kaynak yapmak zorunda kalmadan gereksinimlerine göre şekillendirmeleri için her yerde bol malzemeli küçük bağlantı noktalarıyla birlikte verilir.

Bu satış sonrası Pro Stock yarış kafası, 238 psi'lik bir BMEP ile 9500 rpm'de 1300 beygir gücüne sahip bir motorda kullanıldı . 238'lik bir BMEP, onu doğal emişli gaz yakan bir motor için sınıra yaklaştırıyor . Doğal emişli Formula 1 motorları tipik olarak 220 psi'lik BMEP değerlerine ulaştı. Kam profilleri, motor devri , motor yüksekliği kısıtlamaları ve diğer sınırlamalar, Ford ünitesi ile motor gücündeki farklılığa da katkıda bulunur, ancak liman tasarımındaki fark önemli bir faktördür.

Bağlantı noktası bileşenleri

Limanın bölümleri ve terminolojisi

Dalga dinamiği

Bu son derece basitleştirilmiş animasyon, havanın bir emme sisteminde dalgalar halinde nasıl aktığını gösterir. Yeşil "valfin" açılıp kapandığına dikkat edin.

Valf açıldığında hava içeri akmaz, altındaki alçak basınç bölgesine açılır. Hareketli rahatsızlık sınırının yukarı akış tarafındaki tüm hava tamamen yalıtılmıştır ve akış aşağı tarafta olanlardan etkilenmez. Koşucu girişindeki hava, dalga sonuna kadar ulaşana kadar hareket etmez. Ancak o zaman tüm koşucu akmaya başlayabilir. O noktaya kadar olabilecek tek şey, koşucunun hacmini dolduran yüksek basınçlı gazın, koşucu yukarı doğru ilerleyen düşük basınçlı bölgeye doğru genişlemesi veya genişlemesidir. (Düşük basınç dalgası, koşucunun açık ucuna ulaştığında, işareti tersine çevirir, akan hava, koşucu aşağı doğru yüksek basınç dalgasını zorlar. Bu animasyonda gösterilmemiştir.)

Tersine, vananın kapanması, vananın kapandığına dair sinyal ulaşana kadar tamamen etkilenmeden devam eden yolluk girişindeki akışı hemen durdurmaz. Kapatma valfi, koşucuyu pozitif bir dalga olarak hareket ettiren bir basınç birikmesine neden olur. Koşucu girişi tam hızda akmaya devam eder ve sinyal girişe ulaşana kadar basıncın yükselmesini sağlar. Bu çok önemli basınç artışı aşağıdaki grafikte görülebilir, atmosfer basıncının çok üzerine çıkar.

"Ram ayarı" denilen şeyin gerçekleşmesini sağlayan bu olgudur ve ayarlanmış emme ve egzoz sistemleri tarafından "ayarlanan" da budur. İlke, tesisatçıların çok iyi bildiği su darbesi etkisindekiyle aynıdır . Sinyalin gidebileceği hız , koşucu içindeki ses hızıdır .

Bu nedenle bağlantı noktası/yolcu hacimleri çok önemlidir; limanın/yol yolunun ardışık bölümlerinin hacimleri, tüm geçiş periyotları boyunca akışı kontrol eder. Yani, silindirde herhangi bir değişiklik meydana geldiğinde – pozitif veya negatif – örneğin piston maksimum hıza ulaştığında olduğu gibi. Bu nokta, biyel boyuna ve krank atımına bağlı olarak farklı noktalarda oluşur ve biyel oranına (rot/strok) göre değişir. Normal otomotiv tasarımı için bu nokta neredeyse her zaman 69 ve 79 derece ATDC arasındadır ve daha yüksek çubuk oranları sonraki konumu tercih eder. Sonsuz uzunlukta bir biyel ile sadece 1/2 strokta (90 derece) gerçekleşir.

Gerçek bir motordaki dalga/akış etkinliği bundan çok daha karmaşıktır ancak prensip aynıdır.

İlk bakışta bu dalga hareketi göz kamaştırıcı derecede hızlı ve çok önemli değilmiş gibi görünebilir, ancak birkaç hesaplama bunun tersinin doğru olduğunu gösteriyor. Oda sıcaklığındaki bir giriş rayında sonik hız saniyede yaklaşık 1.100 fit (340 m/s)'dir ve 12 inçlik (300 mm) bir bağlantı noktası/yolcuyu 0,9 milisaniyede kat eder. 8500 rpm'de çalışan bu sistemi kullanan motor , silindirden gelen herhangi bir sinyal kızak ucuna ulaşmadan önce çok önemli bir 46 krank derecesi alır (yolcuda hava hareketi olmadığı varsayılarak). 46 derece, bu sırada port/yolcu hacminden başka hiçbir şey silindirin taleplerini karşılamıyor. Bu sadece ilk sinyal için değil, aynı zamanda silindirde gelişen basınç veya vakumdaki her türlü değişiklik için de geçerlidir.

Gecikmeyi azaltmak için daha kısa bir yolluk kullanmak mümkün değildir, çünkü çevrim sonunda uzun yolluk artık silindirdeki artan basıncı dikkate almadan tam hızda akmaya devam eder ve en çok ihtiyaç duyulduğu anda silindire basınç sağlar. Koşucu uzunluğu aynı zamanda geri dönen dalgaların zamanlamasını da kontrol eder ve değiştirilemez. Daha kısa bir koşucu daha erken akar, ancak pozitif dalgaları çok hızlı bir şekilde geri döndürürken (daha yüksek bir RPM'ye ayarlanmış) daha erken ölür ve bu dalgalar daha zayıf olur. Anahtar, motor gereksinimleri için tüm faktörlerin optimum dengesini bulmaktır.

Sistemi daha da karmaşık hale getiren şey, sinyal kaynağı olan piston kubbesinin sürekli hareket etmesidir. Önce silindiri aşağı doğru hareket ettirin, böylece sinyalin kat etmesi gereken mesafeyi artırın. Ardından, valf hala açıkken BDC'yi geçtiğinde emme döngüsünün sonunda yukarı doğru hareket edin . İlk koşucu akışı oluşturulduktan sonra piston kubbesinden gelen sinyaller, o anda geliştirilen hıza karşı yukarı akışla savaşmalı ve onu daha da geciktirmelidir. Piston tarafından geliştirilen sinyallerin de koşucu yukarı doğru temiz bir yolu yoktur. Büyük kısımları yanma odasının geri kalanından seker ve ortalama bir basınca ulaşılana kadar silindirin içinde rezonansa girer. Ayrıca değişen basınçlardan kaynaklanan sıcaklık değişimleri ve sıcak motor parçalarından absorpsiyon, yerel ses hızında değişikliklere neden olur.

Valf kapandığında, kızak üzerinde hareket etmesi gereken güçlü bir pozitif dalgaya yol açan bir gaz yığınına neden olur. Limandaki/yolcudaki dalga etkinliği durmuyor ama bir süre yankılanmaya devam ediyor. Valf bir daha açıldığında, kalan dalgalar bir sonraki çevrimi etkiler.

Bu grafik, 7 inç (180 mm) port/yolluklu ve 4500 rpm'de çalışan bir motorun valf ucundan (mavi çizgi) ve yolluk girişinden (kırmızı çizgi) alınan basıncı gösterir. Vurgulanan iki dalga, bir emme dalgası ve bir valf kapanma dalgasıdır, görülen ve valf ucu ve sinyal gecikmesini gösteren yolluk girişi. Pik emme dalgası için yaklaşık 85 derecelik bir gecikmeye karşılık tepe basınç dalgası için yaklaşık 32 derecelik bir gecikme. Gaz ve piston pozisyonunun hareketinden dolayı yaklaşık 53 derecelik bir fark.

Yukarıdaki grafik, 4500 rpm'de çalışan 7 inç (180 mm) emme portu/ yolcuya sahip bir motorun 720 krank derecesi üzerindeki emme yolluk basıncını gösterir; bu, tork tepe noktasıdır (bu motor için maksimum silindir dolumu ve BMEP'ye yakın) . Valf ucundan (mavi) ve yolluk girişinden (kırmızı) iki basınç izi alınır. Giriş valfi kapanırken mavi çizgi keskin bir şekilde yükselir. Bu, koşucuya geri yansıyan pozitif bir dalga haline gelen bir hava birikmesine neden olur ve kırmızı çizgi, dalganın koşucu girişine daha sonra geldiğini gösterir. Silindir doldurma sırasındaki emme dalgasının, içeri giren havaya karşı yukarı akışla savaşmak zorunda kalınması ve pistonun deliğin daha aşağısında olması ve mesafenin artması nedeniyle nasıl daha da geciktirildiğine dikkat edin.

Ayarlamanın amacı, akışın hızlı bir şekilde devam etmesini sağlamak ve ardından valf kapanmadan hemen önce ikinci bir yüksek basınç dalgasının gelmesini sağlamak için giriş valfinin açılması sırasında portta yüksek basınç dalgası olacak şekilde yollukları ve valf zamanlamasını düzenlemektir. Böylece silindir mümkün olduğunca doldurur. İlk dalga, bir önceki döngüden kanalda kalan şeydir, ikincisi ise öncelikle mevcut döngü sırasında, yolluk girişindeki emme dalgası değişim işareti ve valfin kapanması için valfe zamanında geri gelmesiyle oluşturulur. İlgili faktörler genellikle çelişkilidir ve işe yaraması için dikkatli bir dengeleme eylemi gerektirir. Çalıştığında, iyi bir süper şarj cihazına benzer şekilde %140'lık hacimsel verimlilik görmek mümkündür , ancak bu yalnızca sınırlı bir RPM aralığında gerçekleşir.

Taşıma ve parlatma

Portların mümkün olan maksimum boyuta büyütülmesinin ve ayna kaplamasının uygulanmasının, portlamanın gerektirdiği şey olduğu yaygın olarak kabul edilir. Ancak, öyle değil. Bazı limanlar mümkün olan maksimum boyutlarına genişletilebilir (en yüksek aerodinamik verimlilik düzeyine uygun olarak), ancak bu motorlar son derece gelişmiş, çok yüksek hızlı ünitelerdir ve burada limanların gerçek boyutu bir kısıtlama haline gelmiştir. Daha büyük portlar, daha yüksek RPM'lerde daha fazla yakıt/hava akar, ancak daha düşük yakıt/hava hızı nedeniyle daha düşük RPM'lerde torku feda eder. Bağlantı noktasının ayna kaplaması, sezginin önerdiği artışı sağlamaz. Aslında, giriş sistemlerinde, yüzey genellikle, liman duvarlarında biriken yakıtın hızla buharlaşmasını teşvik etmek için bir dereceye kadar düzgün pürüzlülükte dokuludur. Portun seçilen alanlarındaki pürüzlü bir yüzey , akış yolunu gözle görülür şekilde değiştirebilen ve muhtemelen akışı artırabilen sınır tabakasına enerji vererek akışı değiştirebilir. Bu, bir golf topunun üzerindeki çukurların yaptığına benzer . Akış tezgahı testi, ayna kaplamalı bir giriş portu ile kaba dokulu bir port arasındaki farkın tipik olarak %1'den az olduğunu gösterir. Pürüzsüz bir dokunmatik bağlantı noktası ile optik olarak aynalanmış bir yüzey arasındaki fark, sıradan yöntemlerle ölçülemez. Egzoz portları, kuru gaz akışı nedeniyle ve egzoz yan ürün oluşumunun en aza indirilmesi açısından pürüzsüz bir şekilde tamamlanabilir. 300 ila 400 grit arası bir cila ve ardından hafif bir cila genellikle egzoz gazı portları için optimale yakın bir cilanın temsilcisi olarak kabul edilir.

Cilalı portların akış açısından avantajlı olmamasının nedeni, metal duvar ve hava arasındaki arayüzde hava hızının sıfır olmasıdır ( sınır tabaka ve laminer akışa bakınız ). Bunun nedeni havanın ve aslında tüm sıvıların ıslatma etkisidir. İlk molekül tabakası duvara yapışır ve önemli ölçüde hareket etmez. Akış alanının geri kalanı, kanal boyunca bir hız profili (veya gradyan) geliştiren kesme geçmelidir. Yüzey pürüzlülüğünün akışı önemli ölçüde etkilemesi için, yüksek noktalar merkeze doğru daha hızlı hareket eden havaya doğru çıkıntı yapacak kadar yüksek olmalıdır. Bunu sadece çok pürüzlü bir yüzey yapar.

Cilalı yüzeylerin akış üzerinde neden çok az etkisi olduğunu gösteren bir kanalda geliştirilmiş hız profili. Duvar arayüzündeki hava hızı, ne kadar düzgün olursa olsun sıfırdır.

İki zamanlı taşıma

Dört zamanlı bir motor portuna verilen tüm hususlara ek olarak, iki zamanlı motor portlarında ek olanlar vardır:

  • Temizleme kalitesi/saflığı: Limanlar, silindirden mümkün olduğunca fazla egzozu süpürmekten ve büyük miktarda taze karışımın egzozdan dışarı çıkmadan mümkün olduğu kadar taze karışımla yeniden doldurulmasından sorumludur. Bu, dikkatli ve ince bir zamanlama ve tüm transfer portlarının hedeflenmesini gerektirir.
  • Güç bandı genişliği: İki vuruş, dalga dinamiğine çok bağlı olduğundan, güç bantları dar olma eğilimindedir. Maksimum gücü elde etmek için mücadele ederken, güç profilinin çok keskin ve kontrol edilmesi zor bir hale gelmemesine her zaman özen gösterilmelidir.
  • Zaman alanı: İki zamanlı bağlantı noktası süresi genellikle zamanın/alanın bir fonksiyonu olarak ifade edilir. Bu, sürekli değişen açık liman alanını süre ile bütünleştirir. Daha geniş bağlantı noktaları, süreyi/alanı artırmadan süreyi artırırken, daha yüksek bağlantı noktaları her ikisini de artırır.
  • Zamanlama: Zaman alanına ek olarak, tüm liman zamanlamaları arasındaki ilişki, motorun güç özelliklerini güçlü bir şekilde belirler.
  • Dalga Dinamiği hususları: Dört zamanlının bu sorunu olmasına rağmen, iki zamanlı, emme ve egzoz sistemlerindeki dalga hareketine çok daha fazla güvenir. İki zamanlı bağlantı noktası tasarımı, dalga zamanlaması ve gücü üzerinde güçlü etkilere sahiptir.
  • Isı akışı: Motordaki ısı akışı, büyük ölçüde bağlantı düzenine bağlıdır. Soğutma geçitleri limanların çevresinden yönlendirilmelidir. Gelen şarjın ısınmasını önlemek için her türlü çaba gösterilmelidir, ancak aynı zamanda birçok parça öncelikle gelen yakıt/hava karışımı tarafından soğutulur. Bağlantı noktaları silindir duvarında çok fazla yer kapladığında, pistonun ısısını duvarlardan soğutucuya aktarma yeteneği engellenir. Bağlantı noktaları daha radikal hale geldikçe, silindirin bazı alanları incelir ve bu da aşırı ısınabilir.
  • Piston segmanı dayanıklılığı: Bir piston segmanı , mekanik stresi önlemek ve pistonun soğumasına yardımcı olmak için iyi bir temasla silindir duvarında düzgün bir şekilde hareket etmelidir. Radikal port tasarımlarında, halkanın alt strok alanında minimum teması vardır, bu da ekstra aşınmaya neden olabilir. Kısmi silindir temasından tam silindir temasına geçiş sırasında indüklenen mekanik şoklar, segmanın ömrünü önemli ölçüde kısaltabilir. Çok geniş bağlantı noktaları, halkanın bağlantı noktasına doğru dışarı çıkmasına izin vererek sorunu daha da kötüleştirir.
  • Piston eteğinin dayanıklılığı: Piston soğutma amacıyla duvarla da temas etmeli, aynı zamanda güç strokunun yan itişini de aktarmalıdır. Portlar, pistonun bu kuvvetleri ve ısıyı silindir duvarına iletebileceği ve pistona gelen esneme ve şoku en aza indirecek şekilde tasarlanmalıdır.
  • Motor konfigürasyonu: Motor konfigürasyonu, port tasarımından etkilenebilir. Bu öncelikle çok silindirli motorlarda bir faktördür. Bazı tasarımlardaki iki silindirli motorlar için bile motor genişliği aşırı olabilir. Geniş süpürme transferlerine sahip döner disk valf motorları, paralel ikiz olarak pratik olamayacak kadar geniş olabilir. V-twin ve baş-kıç motor tasarımları, genel genişliği kontrol etmek için kullanılır.
  • Silindir distorsiyonu: Motor sızdırmazlık kabiliyeti, silindir, piston ve segman ömrü, tümü silindir ve piston/piston segmanı arasındaki güvenilir temasa bağlıdır, bu nedenle herhangi bir silindir distorsiyonu gücü ve motor ömrünü azaltır. Bu bozulma, eşit olmayan ısıtma, yerel silindir zayıflığı veya mekanik streslerden kaynaklanabilir. Silindir dökümünde uzun geçişlere sahip egzoz portları, silindirin bir tarafına büyük miktarda ısı iletirken, diğer taraftaki soğuk giriş, karşı tarafı soğutabilir. Düzgün olmayan genişlemeden kaynaklanan termal bozulma, dikkatli tasarım sorunu en aza indirebilse de hem gücü hem de dayanıklılığı azaltır.
  • Yanma türbülansı: Aktarımdan sonra silindirde kalan türbülans, yanma hızına yardımcı olmak için yanma aşamasına devam eder. Ne yazık ki, iyi süpürme akışı daha yavaş ve daha az türbülanslıdır.

yöntemler

Kalıp taşlama kafası porter ticarette stok ve karbür kesici, çeşitli kullanılır taşlama taşları ve aşındırıcı kartuşlar. Taşımada gereken karmaşık ve hassas şekiller, bir el aleti ile iyi derecede sanatsal beceri gerektirir.

Yakın zamana kadar, CNC işleme , yalnızca bağlantı noktasının temel şeklini sağlamak için kullanılıyordu, ancak bağlantı noktasının bazı bölgelerine bir CNC takımı tarafından erişilemediğinden, genellikle elle son işlem gerekliydi. CNC işlemedeki yeni gelişmeler artık bu işlemin CAD/CAM yazılımının yardımıyla tamamen otomatikleştirilmesine izin veriyor. Eğilebilir döner tablalar gibi özel fikstürler kullanan 5 Eksenli CNC kontrolleri, kesme takımının tüm bağlantı noktasına tam erişimini sağlar. CNC ve CAM yazılımının kombinasyonu, kapıcıya port şekli ve yüzey kalitesi üzerinde tam kontrol sağlar.

Portların iç kısmının ölçümü zordur ancak doğru bir şekilde yapılmalıdır. Sac metal şablonlar, hem enine kesit hem de uzunlamasına şekil için deneysel bir bağlantı noktasından şekil alarak yapılır. Bağlantı noktasına eklenen bu şablonlar daha sonra son bağlantı noktasını şekillendirmek için bir kılavuz olarak kullanılır. Küçük bir hata bile akışta bir kayba neden olabilir, bu nedenle ölçümün mümkün olduğu kadar doğru olması gerekir. Son bağlantı noktası şeklinin teyidi ve bağlantı noktasının otomatik olarak çoğaltılması artık sayısallaştırma kullanılarak yapılıyor. Sayısallaştırma, bir probun bağlantı noktasının tüm şeklini taradığı ve ardından istenen bağlantı noktası şeklini modellemek ve kesmek için CNC takım tezgahları ve CAD/CAM yazılım programları tarafından kullanılabilen verileri topladığı yerdir. Bu çoğaltma işlemi genellikle birbirinin %1'i içinde akan bağlantı noktaları üretir. Bu tür bir doğruluk, tekrarlanabilirlik, zaman daha önce hiç mümkün olmamıştı. Eskiden on sekiz saat veya daha fazla süren şey şimdi üç saatten az sürüyor.

Özet

Taşımayla ilgili dahili aerodinamik , sezgisel ve karmaşıktır. Portları başarılı bir şekilde optimize etmek için bir hava akışı tezgahı , ilgili ilkeler hakkında kapsamlı bilgi ve motor simülasyon yazılımı gerekir.

Taşıma bilgisinin büyük bir kısmı zaman içinde "kes ve dene" yöntemlerini kullanan kişiler tarafından biriktirilmiş olsa da, artık belirli bir ölçüde bir taşıma tasarımı geliştirmek için araçlar ve bilgi mevcuttur.

Referanslar

Dış bağlantılar