Кіріспе
Жанар-жағар майдың ағынын оңтайландыру үшін іштен жанатын қозғалтқыштың сору және шығару порттарын өңдеу. Цилиндр бас портын өңдеу – іштен жанатын қозғалтқыштың сору және шығару порттарын ауа ағынын жақсарту мақсатында өзгерту процесін білдіреді. Зауыттан шыққан цилиндр бас порттары көбінесе жарысқа қажетті ең оңтайлы емес, себебі олар максималды беріктік үшін жасалған. Порттарды максималды қуат, минималды жанар май шығыны немесе олардың комбинациясы үшін өңдеуге болады, сондай-ақ қуат беру ерекшеліктерін нақты қолдануға бейімдеуге болады.
Cylinder head porting refers to the process of modifying the intake and exhaust ports of an internal combustion engine to improve their air flow. Cylinder heads, as manufactured, are usually suboptimal for racing applications due to being designed for maximum durability. Ports can be modified for maximum power, minimum fuel consumption, or a combination of the two, and the power delivery characteristics can be changed to suit a particular application.
Ауамен жұмыс істеу
Адамның ауамен күнделікті тәжірибесі ауаның жеңіл және біз баяу қозғалғанда оның дерлік жоқ сияқты сезілуіне себеп болады. Дегенмен, жоғары жылдамдықпен жұмыс істейтін қозғалтқыш мүлдем басқаша затты сезінеді. Осы жағдайда ауа тығыз, жабысқақ, серпімді, қойылтылған және ауыр болып есептеледі (вискоздыққа қараңыз), ал цилиндр басының өңделуі осы қиындықты жеңілдетуге көмектеседі.
Порт өзгерістері
Егер ауа ағыны стендімен сынау арқылы өзгертуге шешім қабылданса, бастапқы порт қабырғасының материалы қолмен абразивті тасқыштармен немесе сандық басқарумен жұмыс істейтін фрезерлеу станоктарымен қайта пішімделуі мүмкін. Масштабты өзгертулер үшін порттарды дәнекерлеу немесе материалды қайта құру қажет болуы мүмкін, онда бұрын материал болмаған. Ford екі литрлік F2000 қозғалтқышы, жоғарыда көрсетілген цилиндр басымен жабдықталғанда, 136 psi BMEP көрсеткішімен 5500 айналымда 115 ат күшіне жете алатын. Бұл Pro Stock жарысқа арналған цилиндр басы 9500 айналымда 1300 ат күшіне және 238 psi BMEP көрсеткішіне қол жеткізетін қозғалтқышта қолданылды. 238 psi BMEP көрсеткіші табиғи түрде сорумен жұмыс істейтін газ қозғалтқышының мүмкіндігінің шегіне жақын. Табиғи түрде сорумен жұмыс істейтін Формула 1 қозғалтқыштары әдетте 220 psi BMEP мәніне жететін. Кәм профильдері, қозғалтқыштың айналымдары, қозғалтқыштың биіктігі және басқа да шектеулер Ford қозғалтқышының қуатындағы айырмашылыққа да әсер етеді, бірақ порт дизайнындағы айырмашылық маңызды фактор болып табылады.
Толқын динамикасы
Клапан ашылғанда ауа ішке кірмейді, төменгі қысым аймағында декомпрессияланады. Қозғалмалы бөгет шекарасының үстіндегі барлық ауа толығымен оқшауланып, ағынның төменгі жағында болатын өзгерістерге ұшырамайды. Жүргіш кіретін ауа толқын соңына жеткенше қозгалмайды. Тек содан кейін ғана жүргіш ағын бастайды. Осыған дейін жоғары қысымды газ жүргіш көлемін толтырып, төменгі қысым аймағына дейін кеңейеді. (Төменгі қысым толқыны жүргіштің ашық ұшына жеткенде, бағытын өзгертіп, қарсы ағын ауасы жүргіш бойымен жоғары қысым толқынын түсіреді. Бұл анимацияда көрсетілмеген.) Керісінше, клапанның жабылуы жүргіш кіретін жердегі ағынды бірден тоқтатпайды, ол клапанның жабылу сигналы жеткенше толығымен әсер етпей жалғасады. Жабылатын клапан жүргіш бойымен оң толқын ретінде қысымның өсуіне себеп болады. Жүргіш кіретін жердегі ағын толық жылдамдықпен жалғасады, сигнал кіреберіске жеткенше қысымды көтеруге мәжбүр етеді. Бұл айқын қысымның өсуі төмендегі графикте көрінеді, ол атмосфералық қысымнан әлдеқайда жоғары. Осы құбылыс "рамды реттеуге" мүмкіндік береді және реттелген сіңіру және шығару жүйелерімен реттеледі. Принцип сантехниктерге жақсы таныс су соққысының әсерімен бірдей. Сигналдың жылдамдығы жүргіш ішіндегі дыбыс жылдамдығына тең. Сондықтан порт/жүргіш көлемдері маңызды; порт/жүргіштің тікелей бөліктерінің көлемі барлық өту кезеңдерінде ағынды басқарады. Яғни, цилиндрде кез келген өзгеріс болғанда, мысалы, поршень максималды жылдамдыққа жеткенде. Бұл нүкте жалғау таяғының ұзындығына және кривошиптің иіміне байланысты әртүрлі болады және жалғау таяғының қатынасына (таяқ/соққы) байланысты өзгереді. Қалыпты автомобиль дизайны үшін бұл нүкте көбінесе 69 және 79 градус ATDC аралығында болады, жоғары таяқша қатынастары кейінгі жағдайға қолайлы. Бұл тек 1/2 соққысында (90 градус) шексіз ұзындықтағы жалғау таяғымен ғана болады. Нақты қозғалтқыштағы толқын/ағын белсенділігі бұдан әлдеқайда күрделі, бірақ принцип бірдей. Бірінші көріністе бұл толқынның жылдамдығы тым жоғары және маңызды емес сияқты көрінеді, бірақ бірнеше есептеулер керісінше екенін көрсетеді. Бөлме температурасындағы сіңіру жүргішіндегі дыбыс жылдамдығы шамамен 0,9 миллисекундта портты/жүргішті кесіп өтеді. Бұл жүйені пайдаланатын қозғалтқыш 8500 айналымда жұмыс істейді, цилиндрден сигнал жүргіш соңына жетуі үшін 46 градусқа дейін бұрылуы керек (жүргіште ауа қозғалысы жоқ деп есептесек). 46 градус, осы уақытта цилиндрдің қажеттіліктерін тек порт/жүргіш көлемі ғана қамтамасыз етеді. Бұл бастапқы сигналға ғана емес, цилиндрде пайда болған қысымның немесе вакуумның кез келген өзгеруіне қатысты. Ұзындығын қысқартса, цикл соңында ұзақ жүргіш толық жылдамдықпен ағып, цилиндрдегі қысымның өсуін ескермей, цилиндрге ең қажетті кезде қысымды қамтамасыз етеді. Жүргіштің ұзындығы қайтып келетін толқындардың уақытын да басқарады және оны өзгертуге болмайды. Ұзақ жүргіш ертерек ағып, сонымен қатар оң толқындарды тым тез қайтарып (жоғары айналымға бейімделген) ертерек өледі және бұл толқындар әлсірейді. Ең бастысы - қозғалтқыштың қажеттіліктеріне сай барлық факторлардың оңтайлы тепе-теңдігін табу. Жүйені одан әрі қиындататын жайт - поршень күмбезі, сигнал көзі, үнемі қозғалады. Алдымен цилиндрден төмен қарай жылжып, сигналдың жүруі керек қашықтықты ұлғайтады. Сосын, сорғы циклының соңында, клапан әлі де ашық болған кезде, BDC-ден кейін қайта жоғары көтеріледі. Бастапқы ағым орнатылғаннан кейін поршеньдік күмбезден келетін сигналдар сол сәтте дамыған жылдамдыққа қарсы ағымнан жоғары соғыс жүргізуі керек, оны одан әрі кешіктіреді. Пистонның сигналдары да жолақты таза жолмен өтуге мүмкіндік бермейді. Оның үлкен бөліктері жану камерасының қалған бөлігіне қайтып келіп, цилиндрдің ішінде орташа қысымға жеткенше резонанс жасайды. Сонымен қатар, қысымның өзгеруіне және ыстық қозғалтқыш бөлшектерінен сіңіруге байланысты температураның өзгеруі жергілікті дыбыстық жылдамдықтың өзгеруіне әкеледі. Клапан жабылып, газдың жинақталуына себеп болады, бұл жүргіш бойымен жоғары көтерілуі керек күшті оң толқынға әкеледі. Порт/жүргіштің толқын белсенділігі тоқтамайды, бірақ біраз уақыт бойы жаңғырылады. Клапан келесі рет ашылғанда, қалған толқындар келесі циклге әсер етеді. Жоғарыдағы графикте 4500 айналымда жұмыс істейтін 4500 айналымдық сіңіру порты/жүргішінің 720 градусына дейін қозғалтқыш қысымы көрсетілген, бұл оның крутящий моментінің ең жоғарғы нүктесі (осы қозғалтқыш үшін цилиндрді толық толтыруға және BMEP-ке жақын). Екі қысым сызығы клапан ұшынан (көк) және жүргіш кіретін жерден (қызыл) алынған. Көк сызық сіңіру клапаны жабылғанда күрт өседі. Бұл ауаның жинақталуына себеп болады, ол жүргіш бойымен кері қайтарылатын оң толқынға айналады және қызыл сызық бұл толқын жүргіш кіретін жерге кейінірек жететінін көрсетеді. Цилиндрді толтыру кезіндегі сору толқыны ауаның қарсы ағынымен күресуге мәжбүр болғандықтан және поршень тесік бойымен төмен түскендіктен, қашықтық ұлғайғандықтан одан да кешіктіріледі. Реттеудің мақсаты - жүргіштер мен клапан уақытын сіңіру клапаны ашылғанда портта жоғары қысым толқыны болуы үшін, ағын тез басталуы үшін және содан кейін клапан жабылу алдында екінші жоғары қысым толқыны келуі үшін, цилиндр мүмкіндігінше толуы үшін. Бірінші толқын бұл циклдың жүргіште қалған бөлігі, ал екіншісі негізінен цилиндрдегі сору толқыны бағытын өзгерту арқылы жасалады және клапан жабылу уақытына дейін клапанға жетеді. Араласатын факторлар көбінесе қарама-қайшы және жұмыс істеу үшін сақтықпен тепе-теңдікті сақтау қажет. Жұмыс істеген кезде, 140% көлемдік тиімділікке қол жеткізуге болады, бұл жақсы суперчарджерге ұқсас, бірақ ол тек шектеулі айналым диапазонында ғана болады.
Портлау және жылтырату
Көпшілік пікірде порты мүмкіндігінше үлкен етіп кеңейту және оны айнадай жылтырату – осы процестің бар екендігі айтылады. Бірақ, бұл солай емес. Кейбір порттар жоғары аэродинамикалық тиімділікке қол жеткізу үшін ең үлкен мүмкін көлемге дейін кеңейтілуі мүмкін, алайда мұндай қозғалтқыштар жоғары дамыған, өте жоғары жылдамдықты агрегаттар болып табылады, онда порттардың өзі шектеуші факторға айналады. Үлкен порттар жоғары айналымдарда отын-ауа қоспасының ағынын арттырады, бірақ отын-ауа жылдамдығының төмендеуіне байланысты төмен айналымдарда крутящий моменттің жоғалуына себеп болады. Порттың айнадай жылтырауы күтілгендей нәтиже бермейді. Шындығында, сору жүйелерінде беткі қабат әдетте біртекті дөңестікке ие болу үшін өңделеді, бұл порт қабырғаларына жабысқан отынның жылдам булануына көмектеседі. Порттың белгілі бір бөліктеріндегі дөңес бет шекаралық қабатты белсендіріп, ағысты өзгерте алады, ағын жолын айтарлықтай өзгертіп, мүмкін ағынды арттырады. Бұл гольф добындағы ойықтардың әсеріне ұқсас. Ағын сынақтары көрсеткендей, айнадай жылтыратылған сору порты мен дөңес текстуралы сору порты арасындағы айырмашылық көбінесе 1%-дан кем болады. Қолмен тегіс сезілетін және оптикалық түрде жылтыратылған бет арасындағы айырмашылықты қарапайым құралдармен анықтау мүмкін емес. Газдар құрғақ күйде ағып өтетіндіктен және түзілетін қосалқы өнімдердің жиналуын азайту үшін шығару порттары тегіс болуы мүмкін. Әдетте, 300-400 номерлі абразивті қағазбен өңдеу және одан кейін жеңіл полировка шығару газ порттары үшін жақынға оптимальді нәтиже береді. Портты жылтырату ағын жағынан тиімді болмауының себебі – металл қабырға мен ауа арасындағы интерфейсте ауа жылдамдығы нөлге тең (шекаралық қабат пен ламинарлық ағынға қараңыз). Бұл ауаның және барлық сұйықтықтардың жабысу қасиетіне байланысты. Молекулалардың бірінші қабаты қабырғаға жабысып, айтарлықтай қозғалмайды. Ағынның қалған бөлігі осы қабаттан өтуі керек, бұл арна бойымен жылдамдық профилін (немесе градиентін) қалыптастырады. Беткі қабаттың дөңестігі ағынға әсер етуі үшін дөңес нүктелер ортаға қарай жылдам қозғалатын ауаға енуі керек. Мұны тек өте дөңес бет ғана істей алады.
Әдістер
Дәнекерлеу машинасы – бас портёрдың негізгі құралы, және ол әртүрлі карбидті кескіштермен, ұнтақтау дөңгелектерімен және абразивті картридждермен қолданылады. Портты өңдеуде қажетті күрделі және нәзік пішіндер қол құралын қолдануда жақсы көркемдік дағдыны талап етеді. Бұрын CNC өңдеуі тек порттың бастапқы пішінін жасау үшін ғана қолданылып келді, бірақ порттың кейбір бөліктеріне CNC құралы жетпегендіктен, көбінесе қолмен өңдеу қажет болатын. CNC өңдеудегі жаңа жетістіктер бұл процесті CAD/CAM бағдарламалық қамтамасыз етудің көмегімен толық автоматтандыруға мүмкіндік береді. 5 осьті CNC басқару жүйелері, еңкейтілген айналма үстелдер сияқты арнайы құрылғыларды қолдана отырып, кескіш құралға порттың барлық бөлігіне толық қол жеткізуге мүмкіндік береді. CNC және CAM бағдарламалық жасақтамаларының үйлесімі порттың пішіні мен бетін толық бақылауға мүмкіндік береді. Порттың ішкі бөлігін өлшеу қиын, бірақ оны дәл өлшеу қажет. Эксперименттік порттан пішін алған, көлденең қимасы мен ұзындығын ескеретін металл қалыптар жасалады. Бұл қалыптар порттың ішіне салынып, соңғы портты қалыптастыру үшін нұсқау ретінде қолданылады. Тіпті ең кішкентай қателік ағынның жоғалуына себеп болуы мүмкін, сондықтан өлшеу мүмкіндігінше дәл болуы керек. Соңғы порт пішінін растау және портты автоматты түрде көшіру енді цифрландыру арқылы жүзеге асырылады. Цифрландыру – бұл порттың бүкіл пішінін сканерлеп, CNC станоктары мен CAD/CAM бағдарламалық қамтамасыз етуіне қажетті порт пішінін модельдеу және кесу үшін қолданылатын деректерді жинау процесі. Бұл көшіру процесі әдетте бір-біріне 1% дейін ұқсас ағынмен порттарды шығарады. Мұндай дәлдік, қайталанатындық және уақытты үнемдеу бұрын мүмкін болмаған. Бұрын он сегіз сағаттан астам уақыт алған жұмыс енді үш сағаттан да аз уақытқа созылады.
Қорытынды
Порттарды өңдеумен байланысты ішкі аэродинамика түсініксіз және күрделі. Порттарды сәтті оңтайландыру үшін ауа ағыны стенді, қатысты принциптерді толық білу және қозғалтқышты модельдеу бағдарламалық жасақтамасы қажет. Порттарды өңдеу туралы білімнің көп бөлігі уақыт өте келе "пысықтау" әдісін қолданған адамдар жинақтағанмен, қазір нақтылықпен порттарды өңдеу дизайнын жасау үшін құралдар мен білім бар.