Планирате да увеличите обема на двигателя си от 2.0L на 2.3L. Направили сте изчисленията за диаметъра на цилиндъра и хода на цилиндъра, но има нещо, което повечето производители пренебрегват: вашите клапани трябва да се справят с допълнителния обем. По-големият цилиндър се нуждае от повече въздух и ако всмукателните ви клапани не могат да осигурят достатъчен поток, губите мощност.
Това ръководство обяснява как да се изчисли обемът на двигателя, разликата между увеличаване на диаметъра на цилиндра спрямо хода на цилиндра и защо компонентите на клапанния механизъм са важни, когато променяте обема.
Как да изчислим обема на двигателя
Работният обем на двигателя е общият обем, изместен от всички бутала за един пълен цикъл. Формулата е проста:
Работен обем на един цилиндър = π × Диаметър на цилиндра² × Ход / 4
Общ работен обем = Един цилиндър × Брой цилиндри
Къде:
Отвор (D) = диаметър на цилиндъра в мм или инчове
Ход (S) = разстояние на ход на буталото в мм или инчове
π = 3,14159
Примерно изчисление
Нека изчислим двигател Honda K20A:
Отвор: 86,0 мм
Ход: 86,0 мм
Цилиндри: 4
Едноцилиндров = 3.14159 × (86.0)² × 86.0 / 4 = 499.5 куб. см
Общ обем = 499,5 куб. см × 4 = 1998 куб. см = 2,0 л
Диаметър на цилиндра срещу ход: Два начина за увеличаване на изместването
Когато искате по-голям работен обем, имате две възможности: да увеличите отвора (диаметъра на цилиндъра) или да увеличите хода (хода на буталото). Всеки подход влияе по различен начин на характеристиките на двигателя.
Увеличаване на диаметъра на отвора (Oversquare двигател)
Разпробиването на цилиндрите ви осигурява по-широка горивна камера. Използвайки нашия пример с K20A, увеличаването на диаметъра на цилиндра от 86 мм на 90 мм, като същевременно се запазва ходът от 86 мм, ви дава нов работен обем от 2190 куб. см (2,2 л). По-широкият диаметър позволява по-големи клапани за по-добър въздушен поток при високи обороти, а по-късото разстояние на пламъка води до по-пълно горене.
По-големите бутала обаче добавят възвратно-постъпателно тегло, което ограничава максималните обороти. Разпробиването също така оставя по-тънки стени на цилиндрите, което може да компрометира структурната здравина. По-широката горивна камера увеличава риска от детонация и най-важното е, че увеличеният диаметър изисква по-големи клапани, за да се отговори на нуждите от въздушен поток – използването на клапани със стандартен размер води до загуба на увеличение на обема.
Увеличаване на хода (подквадратен двигател)
Удължаването на хода означава, че буталото се движи по-дълго във всеки цикъл. Увеличаването на хода от 86 мм на 94 мм, като същевременно се запазва диаметърът на цилиндра от 86 мм, води до 2185 куб. см (2,2 л) - почти същият работен обем като при разточване, но с различни характеристики. По-дългият ход създава по-добър въртящ момент в ниските обороти и по-ефективно горене, като същевременно ви позволява да използвате стандартния размер на цилиндра.
Недостатъците са свързани с механичното натоварване и конструкцията. По-високите скорости на буталата ограничават максималните безопасни обороти и ще ви е необходим или по-висок блок на двигателя, или модифициран колянов вал. Дори при по-дълъг ход, правилното газоразпределение и качествените компоненти на клапанния механизъм остават от съществено значение за реализиране на увеличението на работния обем.
Съотношение диаметър/ход
Съотношението диаметър/ход на цилиндра ви показва какъв тип двигател имате:
Съотношение = Диаметър на отвора / Ход
Над 1.0 (Oversquare): Високооборотни двигатели
Равно на 1.0 (Квадрат): Балансиран дизайн
Под 1.0 (Undersquare): Двигатели, фокусирани върху въртящия момент
Защо размерът на клапана е от значение при увеличаване на работния обем
Ето какво пропускат много конструктори: когато увеличите работния обем с 15%, всеки цилиндър трябва да вдишва с 15% повече въздух на цикъл. Ако клапаните ви останат със същия размер, те се превръщат в пречка.
Проблемът с въздушния поток
При 6000 оборота в минута, 4-тактов двигател извършва 3000 всмукателни цикъла в минута - това са 50 всмукателни събития в секунда на цилиндър. Когато увеличите обема без да надграждате клапаните, скоростта на въздуха през отвора на клапана се увеличава значително, създавайки турбуленция около главата на клапана, която намалява ефективната площ на потока.
Повишеното триене от по-бързо движещия се въздух повишава температурата на входящия въздух, намалявайки плътността на пълненето. При високи обороти обемната ефективност спада, тъй като клапаните не могат да подават достатъчно въздух, за да запълнят по-големите цилиндри. Резултатът: загуба на мощност, въпреки по-големия работен обем, който сте платили, за да вложите в двигателя.
Указания за оразмеряване на вентили
Общо правило: диаметърът на всмукателния клапан трябва да бъде приблизително 38-42% от диаметъра на отвора, а диаметърът на изпускателния клапан трябва да бъде 32-36% от диаметъра на отвора.
За отвор 86 мм:
Всмукателен клапан: 33-36 мм
Изпускателен клапан: 28-31 мм
За отвор 90 мм (след пробиване):
Всмукателен клапан: 34-38 мм
Изпускателен клапан: 29-32 мм
Управление на топлината в двигатели с по-голям работен обем
По-големият работен обем означава повече изгаряне на гориво на цикъл, което означава повече топлина. Изпускателните клапани понасят най-много, като температурите достигат 800-900°C при нормална работа. Когато увеличите работния обем, температурите на отработените газове могат да се повишат с още 50-80°C.
Стандартните клапани от неръждаема стомана започват да губят якост над 850°C. Главата на клапана може да се деформира, стеблото може да се разтегне и уплътнителната повърхност се влошава. Тук качеството на материала става критично важно.
Решения на TOPU клапани за подобрения в изместването
Когато инвестирате в машинни работи за увеличаване на обема, използването на качествени компоненти за газоразпределителния механизъм не е по избор – от съществено значение е, за да реализирате подобренията в производителността, за които плащате.
Високопроизводителни двигателни клапани
TOPU произвежда клапани, специално проектирани за увеличен работен обем и по-високи изисквания за производителност. Всмукателните клапани използват високоякостна неръждаема стомана 21-4N или 21-2N с температурен диапазон до 850°C. Тези клапани се отличават с оптимизиран профил на главата за подобрен поток и се предлагат с по-големи диаметри, за да отговарят на двигатели с разработен отвор.
За изпускателните клапани TOPU използва никелова сплав Inconel 751 или Nimonic 80A, която може да издържи на температури до 1000°C. Тези материали предлагат превъзходна топлопроводимост и са устойчиви на деформация дори при продължителна висока температура. Само подобрението на материала осигурява с 30-50°C по-ниски работни температури в сравнение със стандартните клапани, което се изразява в по-дълъг експлоатационен живот и поддържана производителност в целия работен диапазон на двигателя.
Прецизни повдигачи на клапани
Увеличаването на работния обем често изисква по-твърди пружини на клапаните, за да ги контролират при по-високи обороти. Това оказва по-голямо натоварване върху повдигачите на клапаните. Износените или неадекватни повдигачи причиняват грешки във времето на газоразпределението, които провалят увеличението на работния обем.
Повдигачите на TOPU са изработени от легирана стомана 20CrMo с карбуризирана и нитрирана повърхност, достигаща твърдост HRC 58-62. Контактните повърхности са прецизно шлифовани до Ra 0.1μm за постоянна производителност. Опцията за DLC покритие допълнително намалява триенето за високопроизводителни приложения. Популярните приложения включват серията TP31 за двигатели на Toyota и Lexus, като 2GR-FE 3.5L V6, серията TP24 за двигатели Mercedes-Benz M112 и M113 V6/V8 и серията TP18 за двигатели Volkswagen и Audi EA888 2.0T.
Кога да се надстроят компонентите на клапанния механизъм
Трябва да обмислите подобрения в газоразпределителния механизъм, когато увеличавате работния обем с 10% или повече, тъй като изискванията за въздушен поток се увеличават пропорционално. Повишаването на ограничението на оборотите изисква по-добър контрол на клапаните, за да се предотврати плаването, а добавянето на принудителна всмукване увеличава както налягането в цилиндрите, така и топлината.
Ако конструирате за състезания, надеждността под напрежение изисква качествени части, които няма да се повредят на границата на възможностите. Плаващите клапани – при които клапаните не следват правилно профила на разпределителния вал при високи обороти – са ясен знак, че настоящите компоненти не могат да се справят с изискванията на вашия двигател.
Избор на правилните компоненти
TOPU предоставя техническа поддръжка, за да ви помогне да изберете подходящи компоненти за вашата конструкция. За да получите точни препоръки, ще трябва да предоставите информация за модела и кода на вашия двигател, текущия и целевия работен обем, предвидените максимални обороти, дали двигателят е с атмосферно пълнене или с принудително всмукване, и вашето приложение - независимо дали става въпрос за шофиране по улицата, използване на писта или състезание.
С тази информация, инженерите на TOPU могат да препоръчат правилните размери и материали на клапаните за вашите специфични нужди, подходящи спецификации на повдигачите, които съответстват на налягането на пружините и профила на гърбицата, изискванията за пружините на клапаните за управление на клапаните в целия диапазон на оборотите, както и всички допълнителни компоненти, необходими за правилното завършване на системата за клапанен механизъм.
Заключение
Изчисляването на обема на двигателя е лесно, но изграждането на надежден високопроизводителен двигател изисква разбиране как всички компоненти работят заедно. Когато увеличите обема, вашият клапанен механизъм трябва да се справи с увеличените изисквания за въздушен поток и топлинни натоварвания.
Използването на качествени компоненти от самото начало – правилно оразмерени клапани от подходящи материали, прецизни повдигачи и съответстващи части за клапанния механизъм – гарантира, че увеличението на обема се превръща в реални подобрения в производителността, а не само в по-големи числа на хартия.
Използвайте калкулатора, за да определите обема на двигателя си, след което се свържете с TOPU за препоръки за компоненти, специфични за вашата конструкция.