Zylinderkopfanschluss - Cylinder head porting

Die Zylinderkopföffnung bezieht sich auf den Prozess des Modifizierens der Einlass- und Auslassöffnungen eines Verbrennungsmotors , um ihren Luftstrom zu verbessern. Zylinderköpfe , wie sie hergestellt werden, sind für Rennanwendungen in der Regel suboptimal, da sie auf maximale Haltbarkeit ausgelegt sind. Anschlüsse können für maximale Leistung, minimalen Kraftstoffverbrauch oder eine Kombination aus beidem modifiziert werden, und die Leistungsabgabeeigenschaften können an eine bestimmte Anwendung angepasst werden.

Umgang mit Luft

Die tägliche menschliche Erfahrung mit Luft vermittelt den Eindruck, dass Luft leicht und fast nicht vorhanden ist, wenn wir uns langsam durch sie bewegen. Ein mit hoher Drehzahl laufender Motor erfährt jedoch eine ganz andere Substanz. In diesem Zusammenhang kann man sich Luft als dick, klebrig, elastisch, klebrig und schwer vorstellen (siehe Viskosität ), und die Kopföffnung hilft, dies zu lindern.

Port-Änderungen

Wenn eine Änderung durch Tests mit einem Luftstromprüfstand beschlossen wird , kann das ursprüngliche Material der Öffnungswand von Hand mit Gesenkschleifern oder mit numerisch gesteuerten Fräsmaschinen umgeformt werden . Bei größeren Änderungen müssen die Anschlüsse verschweißt oder ähnlich aufgebaut werden, um Material hinzuzufügen, wo keines vorhanden war.

Ein Port vor und nach Modifikationen, zu Veranschaulichungszwecken übertrieben. Die allgemeine Idee zur Verbesserung des Portflusses besteht darin, dass ein geraderes Rohr und sanftere Kurven mehr Spitzenleistung liefern. Diese Art der Modifikation wird allgemein als "Vergrößerung des Abwindwinkels" bezeichnet und ist durch mechanische Beschränkungen wie die Höhe des Motorraums, die Materialmenge im Stammgussteil oder die Verlegung des Ventiltriebs zur Aufnahme des längeren Ventilschafts begrenzt.
Eine Form der suboptimal gestalteten Ports eines Ford-Zweiliter-Kopfes für den Einsatz im Formel-2000- Rennsport. Es ist wie hergestellt mit dem Ansaugstutzen rechts abgebildet.

Der Ford-Zweiliter- F2000- Motor in serienmäßiger Ausstattung mit dem oben gezeigten Kopf war in der Lage, 115 PS bei 5500 U / min für einen BMEP von 136 psi zu liefern .

Portformen eines hochentwickelten 500 Kubikzoll Aftermarket Pro Stock Racing Heads. Beachten Sie die Höhe und Geradheit der Anschlüsse, insbesondere des Auslassanschlusses auf der linken Seite. Dieses Design basiert auf einem Zylinderkopfguss, der speziell für Rennsportmodifikationen entwickelt wurde. Der Kopf wird mit kleinen Ports mit reichlich Material überall geliefert, damit Porting-Spezialisten nach ihren Anforderungen formen können, ohne zusätzliches Metall anschweißen zu müssen.

Dieser Aftermarket- Pro-Stock - Rennkopf wurde in einem Motor mit einer Leistung von 1300 PS bei 9500 U/min und einem BMEP von 238 psi verwendet. Ein BMEP von 238 liegt nahe an der Grenze für einen Saugmotor mit Gasverbrennung. Saugmotor Formel Eins - Motoren typischerweise BMEP Werte von 220 psi erreicht. Nockenprofile, die Motordrehzahl , Motorhöhe Einschränkungen und andere Einschränkungen tragen zu der Differenz in der Motorleistung mit der Ford - Einheit als gut, aber der Unterschied in der Port - Design ist ein wichtiger Faktor.

Port-Komponenten

Teile des Hafens und ihre Terminologie

Wellendynamik

Diese stark vereinfachte Animation zeigt, wie Luft als Wellen in einem Ansaugsystem strömt. Beachten Sie das grüne "Ventil", das sich öffnet und schließt.

Beim Öffnen des Ventils strömt die Luft nicht ein, sie dekomprimiert in den darunter liegenden Niederdruckbereich. Die gesamte Luft auf der stromaufwärtigen Seite der sich bewegenden Störungsgrenze ist vollständig isoliert und unbeeinflusst von dem, was auf der stromabwärtigen Seite passiert. Die Luft am Läufereingang bewegt sich erst, wenn die Welle das Ende erreicht hat. Erst dann kann der gesamte Läufer anfangen zu fließen. Bis zu diesem Punkt kann nur das Gas mit höherem Druck, das das Volumen des Kanals füllt, dekomprimiert oder sich in den Niederdruckbereich ausdehnt, indem es den Kanal nach oben vorrückt. (Sobald die Niederdruckwelle das offene Ende des Läufers erreicht, kehrt sich das Vorzeichen um, die einströmende Luft zwingt eine Hochdruckwelle den Läufer hinunter. In dieser Animation nicht gezeigt.)

Umgekehrt stoppt das Schließen des Ventils nicht sofort den Durchfluss am Kanaleingang, der völlig unbeeinflusst fortgesetzt wird, bis das Signal, dass das Ventil geschlossen ist, ihn erreicht. Das Schließventil bewirkt einen Druckaufbau, der als positive Welle am Läufer nach oben wandert. Der Läufereingang fließt weiter mit voller Geschwindigkeit, wodurch der Druck erhöht wird, bis das Signal den Eingang erreicht. Dieser sehr starke Druckanstieg ist in der folgenden Grafik zu sehen, er steigt weit über den atmosphärischen Druck hinaus.

Es ist dieses Phänomen, das das sogenannte „Ram-Tuning“ ermöglicht und das durch abgestimmte Ansaug- und Abgassysteme „abgestimmt“ wird. Das Prinzip ist das gleiche wie beim Klempner bekannten Wasserschlageffekt . Die Geschwindigkeit, die das Signal übertragen kann, ist die Schallgeschwindigkeit innerhalb des Läufers.

Aus diesem Grund sind Port-/Runner-Volumen so wichtig; die Volumina aufeinanderfolgender Teile des Kanals/Rohrs steuern den Durchfluss während aller Übergangszeiten. Das heißt, jedes Mal, wenn eine Änderung im Zylinder auftritt – egal ob positiv oder negativ – beispielsweise wenn der Kolben die maximale Geschwindigkeit erreicht. Dieser Punkt tritt an verschiedenen Punkten auf der Länge der in Abhängigkeit Pleuelstange und den Wurf von der Kurbel , und variiert mit dem Pleuel Verhältnis (rod / Hub). Für normales Automobildesign liegt dieser Punkt fast immer zwischen 69 und 79 Grad ATDC, wobei höhere Stangenverhältnisse die spätere Position begünstigen. Es tritt nur bei 1/2 Hub (90 Grad) bei einer unendlich langen Pleuelstange auf.

Die Wellen-/Strömungsaktivität in einem realen Motor ist viel komplexer als diese, aber das Prinzip ist das gleiche.

Auf den ersten Blick mag diese Wellenbewegung unglaublich schnell und nicht sehr signifikant erscheinen, aber einige Berechnungen zeigen, dass das Gegenteil der Fall ist. In einem Einlasskanal bei Raumtemperatur beträgt die Schallgeschwindigkeit etwa 340 m/s (1100 Fuß pro Sekunde) und durchquert einen 12 Zoll (300 mm) Kanal/Kanal in 0,9 Millisekunden. Der Motor, der dieses System verwendet und mit 8500 U/min läuft, benötigt sehr beachtliche 46 Kurbelwinkel, bevor ein Signal vom Zylinder das Läuferende erreichen kann (vorausgesetzt, dass sich die Luft im Läufer nicht bewegt). 46 Grad, bei denen nichts als das Volumen des Ports/Runners die Anforderungen des Zylinders erfüllt. Dies gilt nicht nur für das Anfangssignal, sondern für jede Änderung des im Zylinder aufgebauten Drucks oder Vakuums.

Die Verwendung eines kürzeren Kanals zur Reduzierung der Verzögerung ist nicht möglich, da der lange Kanal am Ende des Zyklus jetzt ohne Berücksichtigung des steigenden Drucks im Zylinder mit voller Geschwindigkeit weiterfließt und den Zylinder dann mit Druck versorgt, wenn er am meisten benötigt wird. Die Läuferlänge steuert auch das Timing der zurückkehrenden Wellen und kann nicht verändert werden. Ein kürzerer Läufer würde früher fließen, aber auch früher sterben, während er die positiven Wellen viel zu schnell zurückkehrt (auf eine höhere Drehzahl eingestellt) und diese Wellen wären schwächer. Entscheidend ist, die optimale Balance aller Faktoren für die Motoranforderungen zu finden.

Erschwerend kommt hinzu, dass sich der Kolbendom, die Signalquelle, ständig bewegt. Zuerst den Zylinder nach unten bewegen, wodurch die Strecke vergrößert wird, die das Signal zurücklegen muss. Dann bewegt am Ende des Ansaugtaktes wieder nach oben , wenn das Ventil noch offen Vergangenheit ist BDC . Die Signale, die vom Kolbendom kommen, müssen, nachdem die anfängliche Laufradströmung hergestellt wurde, stromaufwärts gegen die Geschwindigkeit ankämpfen, die sich in diesem Moment entwickelt hat, und sie weiter verzögern. Auch die vom Kolben erzeugten Signale haben keinen sauberen Weg den Läufer hinauf. Große Teile davon prallen vom restlichen Brennraum ab und schwingen im Zylinder mit, bis ein mittlerer Druck erreicht ist. Auch Temperaturschwankungen aufgrund sich ändernder Drücke und Absorption von heißen Motorteilen verursachen Änderungen der lokalen Schallgeschwindigkeit.

Wenn sich das Ventil schließt, verursacht dies eine Gasansammlung, die eine starke positive Welle verursacht, die den Läufer hinauf wandern muss. Die Wellenaktivität im Hafen/Läufer hört nicht auf, sondern hallt noch einige Zeit nach. Beim nächsten Öffnen des Ventils beeinflussen die verbleibenden Wellen den nächsten Zyklus.

Dieses Diagramm zeigt den Druck vom Ventilende (blaue Linie) und dem Laufradeingang (rote Linie) eines Motors mit einem 7-Zoll (180 mm) Anschluss/Laufrad und läuft bei 4500 U/min. Hervorgehoben sind zwei Wellen, eine Saugwelle und eine Ventilschließwelle, zu sehen und das Ventilende und der Läufereingang zeigen die Signalverzögerung. Eine Verzögerung von ungefähr 85 Grad für die Spitzensaugwelle gegenüber ungefähr 32 Grad für die Spitzendruckwelle. Ein Unterschied von etwa 53 Grad aufgrund der Bewegung des Gases und der Kolbenposition.

Das obige Diagramm zeigt den Ansaugrohrdruck über 720 Kurbelgrad eines Motors mit einem 7-Zoll (180 mm) Ansaugkanal/Ansaugkanal, der bei 4500 U/min läuft, was seine Drehmomentspitze ist (nahe der maximalen Zylinderfüllung und BMEP für diesen Motor). . Die beiden Druckspuren werden am Ventilende (blau) und am Läufereingang (rot) entnommen. Die blaue Linie steigt beim Schließen des Einlassventils stark an. Dies führt zu einem Luftstau, der zu einer positiven Welle wird, die vom Läufer zurück reflektiert wird und die rote Linie zeigt, dass diese Welle später am Läufereingang ankommt. Beachten Sie, wie die Saugwelle beim Befüllen des Zylinders noch mehr verzögert wird, indem Sie stromaufwärts gegen die einströmende Luft kämpfen müssen und der Kolben sich weiter unten in der Bohrung befindet, wodurch der Abstand vergrößert wird.

Das Ziel der Abstimmung besteht darin, die Läufer und die Ventilsteuerung so anzuordnen, dass während des Öffnens des Einlassventils eine Hochdruckwelle in der Öffnung entsteht, um den Durchfluss schnell in Gang zu bringen, und dann eine zweite Hochdruckwelle kurz vor dem Schließen des Ventils eintreffen so füllt sich der zylinder so weit wie möglich. Die erste Welle ist das, was vom vorherigen Zyklus im Kanal übrigbleibt, während die zweite hauptsächlich während des aktuellen Zyklus dadurch erzeugt wird, dass die Saugwelle das Vorzeichen am Kanaleingang ändert und rechtzeitig zum Schließen des Ventils am Ventil ankommt. Die beteiligten Faktoren sind oft widersprüchlich und erfordern einen sorgfältigen Balanceakt, um zu funktionieren. Wenn es funktioniert, ist es möglich, einen volumetrischen Wirkungsgrad von 140% zu sehen, ähnlich dem eines anständigen Kompressors , aber er tritt nur in einem begrenzten Drehzahlbereich auf.

Portieren und Polieren

Es wird allgemein angenommen, dass die Portierung das Vergrößern der Ports auf die maximal mögliche Größe und das Aufbringen einer Hochglanzoberfläche mit sich bringt. Das ist jedoch nicht der Fall. Einige Ports können auf ihre maximal mögliche Größe vergrößert werden (in Übereinstimmung mit der höchsten aerodynamischen Effizienz), aber diese Motoren sind hochentwickelte, sehr schnell laufende Einheiten, bei denen die tatsächliche Größe der Ports zu einer Einschränkung geworden ist. Größere Öffnungen strömen mehr Kraftstoff/Luft bei höheren Drehzahlen, opfern jedoch Drehmoment bei niedrigeren Drehzahlen aufgrund der geringeren Kraftstoff/Luft-Geschwindigkeit. Ein Spiegelglanz des Ports bietet nicht die Steigerung, die die Intuition vermuten lässt. Tatsächlich wird die Oberfläche innerhalb von Ansaugsystemen normalerweise absichtlich mit einer gleichmäßigen Rauhigkeit strukturiert, um ein schnelles Verdampfen des an den Kanalwänden abgelagerten Kraftstoffs zu fördern. Eine raue Oberfläche an ausgewählten Bereichen der Öffnung kann auch die Strömung ändern, indem sie die Grenzschicht 10 mit Energie versorgt , was den Strömungsweg merklich verändern und möglicherweise die Strömung erhöhen kann. Dies ist ähnlich wie bei den Grübchen auf einem Golfball . Fließprüfstandstests zeigen, dass der Unterschied zwischen einem hochglanzpolierten Einlasskanal und einem rauen Einlasskanal typischerweise weniger als 1% beträgt. Der Unterschied zwischen einem glatten Port und einer optisch verspiegelten Oberfläche ist mit normalen Mitteln nicht messbar. Auspufföffnungen können wegen des Trockengasstroms und im Interesse der Minimierung der Ansammlung von Abgasnebenprodukten glatt ausgeführt werden. Ein Finish mit 300 bis 400 Körnung, gefolgt von einem leichten Polieren, wird im Allgemeinen als repräsentativ für ein nahezu optimales Finish für Abgasöffnungen angesehen.

Der Grund dafür, dass polierte Öffnungen strömungstechnisch nicht vorteilhaft sind, liegt darin, dass an der Grenzfläche zwischen Metallwand und Luft die Luftgeschwindigkeit Null ist (siehe Grenzschicht und laminare Strömung ). Dies ist auf die Benetzungswirkung der Luft und aller Flüssigkeiten zurückzuführen. Die erste Molekülschicht haftet an der Wand und bewegt sich nicht wesentlich. Der Rest des Strömungsfeldes muss vorbei scheren, wodurch ein Geschwindigkeitsprofil (oder Gradient) über den Kanal entwickelt wird. Damit die Oberflächenrauhigkeit die Strömung merklich beeinflusst, müssen die hohen Stellen hoch genug sein, um in die sich schneller bewegende Luft zur Mitte hin vorzustehen. Nur eine sehr raue Oberfläche tut dies.

Ein entwickeltes Geschwindigkeitsprofil in einem Kanal, das zeigt, warum polierte Oberflächen wenig Einfluss auf die Strömung haben. Die Luftgeschwindigkeit an der Wandschnittstelle ist null, egal wie glatt sie ist.

Zweitakt-Portierung

Zusätzlich zu allen Überlegungen, die für einen Viertaktmotoranschluss gelten, gibt es für Zweitaktmotoranschlüsse noch weitere:

  • Spülqualität/Reinheit: Die Öffnungen sind dafür verantwortlich, möglichst viel Abgas aus dem Zylinder zu spülen und mit möglichst viel frischem Gemisch nachzufüllen, ohne dass eine große Menge des frischen Gemisches auch aus dem Auspuff austritt. Dies erfordert ein sorgfältiges und subtiles Timing und Zielen aller Transferports.
  • Leistungsbandbreite: Da Zweitakter stark von der Wellendynamik abhängig sind, sind ihre Leistungsbänder tendenziell schmal. Beim Bemühen um maximale Leistung muss immer darauf geachtet werden, dass das Leistungsprofil nicht zu scharf und schwer zu kontrollieren wird.
  • Zeitbereich: Die Zweitakt-Portdauer wird oft als Funktion von Zeit/Bereich ausgedrückt. Dies integriert den sich ständig ändernden offenen Hafenbereich mit der Dauer. Breitere Ports erhöhen die Zeit/Fläche, ohne die Dauer zu erhöhen, während höhere Ports beide erhöhen.
  • Timing: Neben dem Zeitbereich bestimmt die Beziehung zwischen allen Port-Timings stark die Leistungscharakteristik des Motors.
  • Überlegungen zur Wellendynamik: Obwohl Viertakter dieses Problem haben, sind Zweitakter viel stärker auf die Wellenbewegung in den Einlass- und Auslasssystemen angewiesen. Das Zweitakt-Port-Design hat starke Auswirkungen auf das Timing und die Stärke der Welle.
  • Wärmefluss: Der Wärmefluss im Motor hängt stark von der Anordnung der Anschlüsse ab. Kühlkanäle müssen um Anschlüsse herumgeführt werden. Es müssen alle Anstrengungen unternommen werden, um eine Erwärmung der ankommenden Ladung zu verhindern, aber gleichzeitig werden viele Teile hauptsächlich durch das ankommende Kraftstoff-Luft-Gemisch gekühlt. Wenn die Anschlüsse an der Zylinderwand zu viel Platz beanspruchen, wird die Fähigkeit des Kolbens, seine Wärme durch die Wände auf das Kühlmittel zu übertragen, behindert. Wenn die Anschlüsse radikaler werden, werden einige Bereiche des Zylinders dünner, was dann überhitzen kann.
  • Haltbarkeit des Kolbenrings : Ein Kolbenring muss reibungslos und mit gutem Kontakt auf der Zylinderwand laufen, um mechanische Belastungen zu vermeiden und die Kolbenkühlung zu unterstützen. Bei radikalen Port-Designs hat der Ring minimalen Kontakt im unteren Hubbereich, der zusätzlichen Verschleiß erleiden kann. Die beim Übergang vom teilweisen zum vollen Zylinderkontakt induzierten mechanischen Stöße können die Lebensdauer des Rings erheblich verkürzen. Bei sehr breiten Ports kann sich der Ring in den Port ausbeulen, was das Problem verschlimmert.
  • Haltbarkeit des Kolbenschafts: Der Kolben muss auch zu Kühlzwecken an der Wand anliegen, aber auch den Seitenschub des Arbeitshubs übertragen. Die Anschlüsse müssen so gestaltet sein, dass der Kolben diese Kräfte und Wärme auf die Zylinderwand übertragen kann, während gleichzeitig Biegung und Stöße auf den Kolben minimiert werden.
  • Triebwerkskonfiguration: Die Triebwerkskonfiguration kann durch das Portdesign beeinflusst werden. Dies ist vor allem bei Mehrzylindermotoren ein Faktor. Die Motorbreite kann sogar für Zweizylindermotoren bestimmter Bauarten zu groß sein. Drehscheibenventilmotoren mit weitreichenden Übergängen können so breit sein, dass sie als Parallel-Twin unpraktisch sind. Die V-Twin- und Längsmotor-Designs werden verwendet, um die Gesamtbreite zu steuern.
  • Zylinderverzug: Die Dichtigkeit des Motors, die Lebensdauer von Zylinder, Kolben und Kolbenring hängen von einem zuverlässigen Kontakt zwischen Zylinder und Kolben/Kolbenring ab, sodass jeder Zylinderverzug die Leistung und Lebensdauer des Motors verringert. Diese Verformung kann durch ungleichmäßige Erwärmung, lokale Zylinderschwäche oder mechanische Spannungen verursacht werden. Auspufföffnungen mit langen Durchgängen im Zylindergussteil leiten große Wärmemengen zu einer Seite des Zylinders, während auf der anderen Seite der kühle Einlass die gegenüberliegende Seite kühlt. Die aus der ungleichmäßigen Ausdehnung resultierende thermische Verformung verringert sowohl die Leistung als auch die Haltbarkeit, obwohl ein sorgfältiges Design das Problem minimieren kann.
  • Verbrennungsturbulenzen: Die nach dem Übergang im Zylinder verbleibenden Turbulenzen bleiben in der Verbrennungsphase bestehen, um die Verbrennungsgeschwindigkeit zu unterstützen. Leider ist eine gute Spülströmung langsamer und weniger turbulent.

Methoden

Der Geradschleifer ist das Lager des Kopfträgers und wird mit einer Vielzahl von Hartmetallfräsern, Schleifscheiben und Schleifpatronen verwendet. Die komplexen und sensiblen Formen, die beim Portieren erforderlich sind, erfordern ein hohes Maß an künstlerischem Geschick mit einem Handwerkzeug.

Bis vor kurzem wurde die CNC- Bearbeitung nur verwendet, um die Grundform des Ports bereitzustellen, aber in der Regel war noch Handarbeit erforderlich, da einige Bereiche des Ports für ein CNC-Werkzeug nicht zugänglich waren. Neue Entwicklungen in der CNC-Bearbeitung ermöglichen es nun, diesen Prozess mit Hilfe von CAD/CAM-Software vollständig zu automatisieren. 5-Achsen-CNC-Steuerungen mit speziellen Vorrichtungen wie schwenkbaren Drehtischen ermöglichen dem Schneidwerkzeug vollen Zugriff auf den gesamten Port. Die Kombination aus CNC- und CAM-Software gibt dem Portier die volle Kontrolle über die Portform und das Oberflächenfinish.

Die Messung des Inneren der Ports ist schwierig, muss jedoch genau durchgeführt werden. Blechschablonen werden hergestellt, die die Form eines experimentellen Ports nehmen, sowohl für die Querschnitts- als auch für die Längsform. Eingesetzt in den Port dienen diese Schablonen dann als Leitfaden für die Gestaltung des endgültigen Ports. Selbst ein kleiner Fehler kann einen Durchflussverlust verursachen, daher muss die Messung so genau wie möglich sein. Die Bestätigung der endgültigen Portform und die automatisierte Replikation des Ports erfolgt nun durch Digitalisierung. Beim Digitalisieren scannt eine Sonde die gesamte Form des Ports und sammelt Daten, die dann von CNC-Werkzeugmaschinen und CAD/CAM-Softwareprogrammen verwendet werden können, um die gewünschte Portform zu modellieren und zu schneiden. Dieser Replikationsprozess erzeugt normalerweise Ports, die innerhalb von 1 % voneinander fließen. Diese Art von Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Zeit war noch nie zuvor möglich. Was früher achtzehn Stunden oder mehr dauerte, dauert jetzt weniger als drei.

Zusammenfassung

Die interne Aerodynamik beim Portieren ist kontraintuitiv und komplex. Die erfolgreiche Optimierung von Anschlüssen erfordert eine Luftströmungsbank , gründliche Kenntnisse der beteiligten Prinzipien und eine Motorsimulationssoftware.

Obwohl im Laufe der Zeit ein großer Teil des Portierungswissens von Einzelpersonen mit "cut and try"-Methoden angesammelt wurde, gibt es jetzt die Werkzeuge und das Wissen, um ein Portierungsdesign mit einem gewissen Maß an Sicherheit zu entwickeln.

Verweise

Externe Links