Модификация каналов цилиндра головки блока для оптимизации воздушного потока.

Введение

Модификация впускных и выпускных каналов двигателя внутреннего сгорания для оптимизации воздушного потока.

Расточка каналов головки блока цилиндров – это процесс изменения формы впускных и выпускных каналов двигателя внутреннего сгорания для улучшения пропускной способности. Головки блоков цилиндров, в их заводской конфигурации, как правило, не оптимальны для использования в гонках, поскольку разрабатываются с акцентом на максимальную надежность. Каналы можно модифицировать для достижения максимальной мощности, минимального расхода топлива или их комбинации, а также изменить характеристики подачи мощности в соответствии с конкретными требованиями.

Работа с воздухом

Ежедневный опыт человека с воздухом создает впечатление, что воздух легок и почти невесом, когда мы медленно движемся сквозь него. Однако двигатель, работающий на высокой скорости, сталкивается с совершенно иным веществом. В этом контексте воздух можно представить как густой, вязкий, упругий, тягучий и тяжелый (см. вязкость), и доработка головки блока цилиндров помогает смягчить это воздействие.

Изменения в порте

Когда решение о модификации принимается на основе испытаний на стенде для измерения расхода воздуха, исходный материал стенок каналов может быть обработан вручную с помощью борфрезов или фрезерных станков с числовым программным управлением. Для существенных модификаций каналы необходимо заварить или аналогичным образом нарастить, чтобы добавить материал там, где его изначально не было. Двухлитровый двигатель Ford F2000 в заводской комплектации, оснащенный головкой блока, показанной выше, развивал мощность 115 лошадиных сил при 5500 об/мин, что соответствовало эффективной средней давлении (BMEP) в 136 psi. Эта головка блока для гонок Pro Stock использовалась в двигателе, способном развивать мощность 1300 лошадиных сил при 9500 об/мин с BMEP 238 psi. BMEP в 238 psi приближает двигатель к пределу для атмосферного бензинового двигателя. Атмосферные двигатели Формулы-1 обычно достигали значений BMEP в 220 psi. Профили распределительного вала, обороты двигателя, конструктивные ограничения по высоте и другие факторы также влияют на разницу в мощности двигателя Ford, однако разница в конструкции каналов является ключевым фактором.

Динамика волн

Когда клапан открывается, воздух не поступает внутрь, а расширяется в область низкого давления под ним. Весь воздух на впускной стороне движущейся границы возмущения полностью изолирован и не подвержен влиянию происходящего на выпускной стороне. Воздух на входе в канал не движется, пока волна не достигнет его конца. Только тогда весь канал может начать заполняться. До этого момента происходит лишь расширение газа высокого давления, заполняющего объем канала, в область низкого давления, распространяющуюся по каналу. (Когда волна низкого давления достигает открытого конца канала, она меняет знак, и набегающий поток воздуха создает волну высокого давления, движущуюся вниз по каналу. Это не показано на анимации.) И наоборот, закрытие клапана не останавливает поток на входе в канал немедленно, он продолжает течь без изменений до тех пор, пока сигнал о закрытии клапана не достигнет этого места. Закрывающийся клапан вызывает повышение давления, которое распространяется вверх по каналу в виде положительной волны. Вход в канал продолжает течь на полной скорости, заставляя давление расти до тех пор, пока сигнал не достигнет входа. Это значительное повышение давления можно увидеть на графике ниже, оно значительно превышает атмосферное давление. Именно это явление позволяет осуществлять так называемую "настройку резонанса", и именно оно настраивается в системах впуска и выпуска. Принцип тот же, что и в эффекте гидравлического удара, хорошо известном сантехникам. Скорость распространения сигнала равна скорости звука внутри канала. Поэтому объемы каналов и впускных коллекторов так важны: объемы последовательных участков канала контролируют поток во время всех переходных процессов. То есть, при любом изменении в цилиндре – положительном или отрицательном – например, когда поршень достигает максимальной скорости. Эта точка зависит от длины шатуна и хода коленчатого вала и изменяется в зависимости от соотношения длины шатуна к ходу. Для обычных автомобильных конструкций эта точка почти всегда находится между 69 и 79 градусами ATDC, при этом более длинные шатуны благоприятствуют более позднему положению. Она достигается только при 1/2 ходе (90 градусов) при бесконечной длине шатуна. Волновой поток в реальном двигателе гораздо сложнее, но принцип остается тем же. На первый взгляд, распространение волн может показаться очень быстрым и незначительным, но несколько расчетов показывают обратное. В впускном канале при комнатной температуре скорость звука составляет около и проходит через канал за 0,9 миллисекунды. Двигатель, использующий эту систему и работающий на 8500 об/мин, требует значительных 46 градусов поворота коленчатого вала, прежде чем какой-либо сигнал от цилиндра достигнет конца канала (при условии отсутствия движения воздуха в канале). 46 градусов, в течение которых только объем канала удовлетворяет потребности цилиндра. Это относится не только к начальному сигналу, но и к любому изменению давления или разрежения в цилиндре. Использование более короткого канала для уменьшения задержки нецелесообразно, поскольку в конце цикла длинный канал продолжает течь на полной скорости, игнорируя растущее давление в цилиндре и обеспечивая давление в цилиндр, когда оно наиболее необходимо. Длина канала также контролирует время возврата волн и не может быть изменена. Более короткий канал будет заполняться раньше, но также и прекратит заполняться раньше, возвращая положительные волны слишком быстро (настроенные на более высокие обороты), и эти волны будут слабее. Ключ в том, чтобы найти оптимальный баланс всех факторов для требований двигателя. Дополнительную сложность вносит тот факт, что купол поршня, источник сигнала, постоянно движется. Сначала он движется вниз по цилиндру, увеличивая тем самым расстояние, которое должен пройти сигнал. Затем он движется обратно вверх в конце цикла всасывания, когда клапан все еще открыт после нижней мертвой точки. Сигналы, исходящие от купола поршня, после установления начального потока в канале, должны преодолевать встречный поток, созданный текущей скоростью воздуха, что еще больше задерживает их. Сигналы, генерируемые поршнем, также не имеют прямого пути вверх по каналу. Большая их часть отражается от стенок камеры сгорания и резонирует внутри цилиндра до достижения среднего давления. Кроме того, изменения температуры, вызванные изменением давления и поглощением тепла от горячих частей двигателя, приводят к изменениям локальной скорости звука. Когда клапан закрывается, это вызывает скопление газа, создавая сильную положительную волну, которая должна распространиться вверх по каналу. Волновой поток в канале не прекращается, а продолжает колебаться некоторое время. Когда клапан снова открывается, оставшиеся волны влияют на следующий цикл. График выше показывает давление во впускном канале в течение 720 градусов поворота коленчатого вала двигателя с впускным каналом длиной , работающего на 4500 об/мин, что является пиком крутящего момента (близко к максимальной степени наполнения цилиндра и BMEP для этого двигателя). Два графика давления сняты с торца клапана (синий) и со входа в канал (красный). Синяя линия резко возрастает при закрытии впускного клапана. Это вызывает скопление воздуха, которое становится положительной волной, отраженной обратно по каналу, и красная линия показывает, как эта волна достигает входа в канал позже. Обратите внимание, как всасывающая волна во время наполнения цилиндра еще больше задерживается из-за необходимости преодолевать встречный поток воздуха и того факта, что поршень находится дальше вниз по цилиндру, увеличивая расстояние. Цель настройки состоит в том, чтобы расположить каналы и фазы газораспределения таким образом, чтобы во время открытия впускного клапана была высокая волна давления в канале для быстрого начала потока, а затем, чтобы вторая волна высокого давления прибыла незадолго до закрытия клапана, чтобы цилиндр заполнился максимально. Первая волна – это остаток в канале от предыдущего цикла, а вторая создается в основном во время текущего цикла изменением знака всасывающей волны на входе в канал и прибытием к клапану к моменту его закрытия. Факторы, участвующие в этом процессе, часто противоречивы и требуют тщательного баланса для достижения успеха. Когда это удается, можно достичь объемных коэффициентов эффективности 140%, что сравнимо с эффективностью хорошего нагнетателя, но это происходит только в ограниченном диапазоне оборотов.

When the valve opens, the air doesn’t flow in, it decompresses into the low pressure region below it. All the air on the upstream side of the moving disturbance boundary is completely isolated and unaffected by what happens on the downstream side. The air at the runner entrance does not move until the wave reaches all the way to the end. It is only then that the entire runner can begin to flow. Up until that point all that can happen is the higher pressure gas filling the volume of the runner decompresses or expands into the low pressure region advancing up the runner. (Once the low pressure wave reaches the open end of the runner it reverses sign, the onrushing air forces a high pressure wave down the runner. Not shown in this animation.) Conversely, the closing of the valve does not immediately stop flow at the runner entrance, which continues completely unaffected until the signal that the valve closed reaches it. The closing valve causes a buildup of pressure that travels up the runner as a positive wave. The runner entrance continues to flow at full speed, forcing the pressure to rise until the signal reaches the entrance. This very considerable pressure rise can be seen on the graph below, it rises far above atmospheric pressure. It is this phenomenon that enables the so called “ram tuning” to occur, and it is what is being “tuned” by tuned intake and exhaust systems. The principle is the same as in the water hammer effect so well known to plumbers. The speed that the signal can travel is the speed of sound within the runner. This is why port/runner volumes are so important; the volumes of successive parts of the port/runner control the flow during all transition periods. That is, any time a change occurs in the cylinder – whether positive or negative – such as when the piston reaches maximum speed. This point occurs at different points depending on the length of the connecting rod and the throw of the crank, and varies with the connecting rod ratio (rod/stroke). For normal automotive design this point is almost always between 69 and 79 degrees ATDC, with higher rod ratios favoring the later position. It only occurs at 1/2 stroke (90 degrees) with a connecting rod of infinite length. The wave/flow activity in a real engine is vastly more complex than this but the principle is the same. At first glance this wave travel might seem to be blindingly fast and not very significant but a few calculations show the opposite is true. In an intake runner at room temperature the sonic speed is about and traverses a port/runner in 0.9 milliseconds. The engine using this system, running at 8500 rpm, takes a very considerable 46 crank degrees before any signal from the cylinder can reach the runner end (assuming no movement of the air in the runner). 46 degrees, during which nothing but the volume of the port/runner supplies the demands of the cylinder. This not only applies to the initial signal but to any and every change in the pressure or vacuum developed in the cylinder. Using a shorter runner to reduce the delay is not feasible because, at the end of the cycle, the long runner now continues to flow at full speed disregarding the rising pressure in the cylinder and providing pressure to the cylinder when it is needed most. The runner length also controls the timing of the returning waves and cannot be altered. A shorter runner would flow earlier but also would die earlier while returning the positive waves much too quickly (tuned to a higher RPM) and those waves would be weaker. The key is to find the optimum balance of all the factors for the engine requirements. Further complicating the system is the fact that the piston dome, the signal source, continually moves. First moving down the cylinder, thus increasing the distance the signal must travel. Then moving back up at the end of the intake cycle when the valve is still open past BDC. The signals coming from the piston dome, after the initial runner flow has been established, must fight upstream against whatever velocity has been developed at that instant, delaying it further. The signals developed by the piston do not have a clean path up the runner either. Large portions of it bounce off the rest of the combustion chamber and resonate inside the cylinder until an average pressure is reached. Also, temperature variations due to the changing pressures and absorption from hot engine parts cause changes in the local sonic velocity. When the valve closes, it causes a pile up of gas giving rise to a strong positive wave that must travel up the runner. The wave activity in the port/runner does not stop but continues to reverberate for some time. When the valve next opens, the remaining waves influence the next cycle. The graph above shows the intake runner pressure over 720 crank degrees of an engine with a intake port/runner running at 4500 rpm, which is its torque peak (close to maximum cylinder filling and BMEP for this engine). The two pressure traces are taken from the valve end (blue) and the runner entrance (red). The blue line rises sharply as the intake valve closes. This causes a pile up of air, which becomes a positive wave reflected back up the runner and the red line shows that wave arriving at the runner entrance later. Note how the suction wave during cylinder filling is delayed even more by having to fight upstream against the inrushing air and the fact that the piston is further down the bore, increasing the distance. The goal of tuning is to arrange the runners and valve timing so that there is a high pressure wave in the port during the opening of the intake valve to get flow going quickly and then to have a second high pressure wave arrive just before valve closing so the cylinder fills as much as possible. The first wave is what is left in the runner from the previous cycle, while the second is primarily created during the current cycle by the suction wave changing sign at the runner entrance and arriving back at the valve in time for valve closing. The factors involved are often contradictory and requires a careful balancing act to work. When it does work, it is possible to see volumetric efficiencies of 140%, similar to that of a decent supercharger, but it only occurs over a limited RPM range.

Портирование и полировка

Популярно считать, что портирование заключается в увеличении портов до максимально возможного размера и полировке до зеркального блеска. Однако это не так. Некоторые порты могут быть увеличены до максимально возможного размера (в соответствии с наивысшим уровнем аэродинамической эффективности), но это характерно для высокоразвитых, очень высокооборотистых двигателей, где размер портов стал ограничивающим фактором. Увеличенные порты обеспечивают больший поток топливно-воздушной смеси на высоких оборотах, но снижают крутящий момент на низких оборотах из-за уменьшения скорости топливно-воздушной смеси. Зеркальная полировка портов не дает того прироста, на который можно было бы рассчитывать. Фактически, в системах впуска поверхность обычно намеренно текстурируется до определенной степени равномерной шероховатости, чтобы способствовать быстрому испарению топлива, осевшего на стенках портов. Шероховатая поверхность на определенных участках порта также может изменять поток, возбуждая пограничный слой, что может заметно изменить траекторию потока и даже увеличить его. Это аналогично эффекту от ямочек на мяче для гольфа. Испытания на динамометрическом стенде показывают, что разница между зеркально отполированным впускным портом и портом с шероховатой поверхностью обычно составляет менее 1%. Разница между гладкой на ощупь поверхностью и оптически зеркальной поверхностью не поддается измерению обычными средствами. Выхлопные порты могут быть отполированы из-за потока сухих газов и для минимизации отложений продуктов сгорания. Отделка зернистостью 300-400 с последующей легкой полировкой обычно считается близкой к оптимальной для выхлопных портов. Причина, по которой полированные порты не дают преимуществ с точки зрения пропускной способности, заключается в том, что на границе между металлической стенкой и воздухом скорость воздуха равна нулю (см. пограничный слой и ламинарный поток). Это связано со смачивающим действием воздуха и всех жидкостей. Первый слой молекул прилипает к стенке и практически не двигается. Остальной поток должен обтекать его, формируя профиль скорости (или градиент) в канале. Чтобы шероховатость поверхности существенно влияла на поток, неровности должны быть достаточно высокими, чтобы выступать в более быстрый поток воздуха к центру. Этого может добиться только очень грубая поверхность.

It is popularly held that enlarging the ports to the maximum possible size and applying a mirror finish is what porting entails. However, that is not so. Some ports may be enlarged to their maximum possible size (in keeping with the highest level of aerodynamic efficiency), but those engines are highly developed, very high speed units where the actual size of the ports has become a restriction. Larger ports flow more fuel/air at higher RPMs but sacrifice torque at lower RPMs due to lower fuel/air velocity. A mirror finish of the port does not provide the increase that intuition suggests. In fact, within intake systems, the surface is usually deliberately textured to a degree of uniform roughness to encourage fuel deposited on the port walls to evaporate quickly. A rough surface on selected areas of the port may also alter flow by energizing the boundary layer, which can alter the flow path noticeably, possibly increasing flow. This is similar to what the dimples on a golf ball do. Flow bench testing shows that the difference between a mirror finished intake port and a rough textured port is typically less than 1%. The difference between a smooth to the touch port and an optically mirrored surface is not measurable by ordinary means. Exhaust ports may be smooth finished because of the dry gas flow and in the interest of minimizing exhaust by product build up. A 300 to 400 grit finish followed by a light buff is generally accepted to be representative of a near optimal finish for exhaust gas ports. The reason that polished ports are not advantageous from a flow standpoint is that at the interface between the metal wall and the air, the air speed is zero (see boundary layer and laminar flow). This is due to the wetting action of the air and indeed all fluids. The first layer of molecules adheres to the wall and does not move significantly. The rest of the flow field must shear past, which develops a velocity profile (or gradient) across the duct. For surface roughness to impact flow appreciably, the high spots must be high enough to protrude into the faster moving air toward the center. Only a very rough surface does this.

Методы

Шлифовальная машинка – основной инструмент мастера по доводке каналов, и используется с различными карбидными резцами, шлифовальными кругами и абразивными картриджами. Сложная и деликатная форма, необходимая при доводке каналов, требует высокого уровня художественного мастерства при работе с ручным инструментом. До недавнего времени, обработка на станках с ЧПУ использовалась только для создания базовой формы канала, но ручная доработка обычно все еще требовалась, поскольку некоторые участки канала были недоступны для инструмента ЧПУ. Новейшие разработки в области обработки на станках с ЧПУ теперь позволяют полностью автоматизировать этот процесс с помощью программного обеспечения CAD/CAM. Управление станками с ЧПУ по пяти осям, с использованием специализированных приспособлений, таких как наклонно-поворотные столы, обеспечивает полный доступ режущего инструмента ко всему каналу. Сочетание программного обеспечения ЧПУ и CAD/CAM дает мастеру полный контроль над формой и качеством поверхности канала. Измерение внутренней геометрии каналов – сложная задача, но требующая высокой точности. Для поперечного и продольного сечения изготавливаются шаблоны из листового металла, повторяющие форму экспериментального канала. Вставляемые в канал, эти шаблоны служат ориентиром для придания окончательной формы. Даже незначительная ошибка может привести к потере пропускной способности, поэтому измерения должны быть максимально точными. Подтверждение окончательной формы канала и его автоматическое воспроизведение теперь осуществляется с помощью цифрового сканирования. Цифровое сканирование – это процесс, при котором зонд сканирует всю форму канала, собирая данные, которые затем могут быть использованы станками с ЧПУ и программами CAD/CAM для моделирования и вырезания необходимой формы канала. Этот процесс воспроизведения обычно позволяет получать каналы с пропускной способностью, отличающуюся не более чем на 1%. Такой уровень точности, повторяемости и экономии времени ранее был недостижим. Операция, которая раньше занимала восемнадцать часов и более, теперь выполняется менее чем за три.

Резюме

Внутренняя аэродинамика, связанная с доработкой каналов, нелогична и сложна. Успешная оптимизация каналов требует аэродинамической скамьи, глубокого понимания лежащих в основе принципов и программного обеспечения для моделирования работы двигателя. Несмотря на то, что значительная часть знаний о доработке каналов была накоплена отдельными специалистами методом проб и ошибок, сейчас существуют инструменты и знания, позволяющие разрабатывать конструкцию каналов с определенной степенью уверенности.