Plánujete zvýšit zdvihový objem motoru z 2,0 l na 2,3 l. Vypočítali jste si vrtání a zdvih, ale je tu něco, co většina konstruktérů přehlíží: vaše ventily musí držet krok s větším zdvihovým objemem. Větší válec potřebuje více vzduchu a pokud vaše sací ventily nemohou dostatečně proudit, přicházíte o výkon.
Tato příručka vysvětluje, jak vypočítat zdvihový objem motoru, rozdíl mezi zvětšením vrtání a zdvihu a proč jsou komponenty ventilového rozvodu důležité při změně zdvihového objemu.
Jak vypočítat objem motoru
Zdvihový objem motoru je celkový objem, který všechny písty přenesou během jednoho kompletního cyklu. Vzorec je jednoduchý:
Zdvihový objem jednoho válce = π × Vrtání² × Zdvih / 4
Celkový zdvihový objem = jeden válec × počet válců
Kde:
Vrtání (D) = průměr válce v mm nebo palcích
Zdvih (S) = dráha pístu v mm nebo palcích
π = 3,14159
Příklad výpočtu
Vypočítáme motor Honda K20A:
Vrtání: 86,0 mm
Zdvih: 86,0 mm
Válce: 4
Jednoválec = 3,14159 × (86,0)² × 86,0 / 4 = 499,5 cm3
Celkový objem = 499,5 cm3 × 4 = 1 998 cm3 = 2,0 l
Vrtání vs. zdvih: Dva způsoby, jak zvýšit objem
Pokud chcete větší zdvihový objem, máte dvě možnosti: zvětšit vrtání (průměr válce) nebo zvětšit zdvih (dráhu pístu). Každý přístup ovlivňuje vlastnosti motoru jinak.
Zvětšení vrtání (motor s nadčtvercovým průměrem)
Vyvrtání válců vám poskytne širší spalovací komoru. Na příkladu K20A vám zvětšením vrtání z 86 mm na 90 mm při zachování zdvihu 86 mm dá nový zdvihový objem 2 190 cm3 (2,2 l). Širší vrtání umožňuje použití větších ventilů pro lepší proudění vzduchu při vysokých otáčkách a kratší dráha plamene vede k úplnějšímu spalování.
Větší písty však přidávají vratnou hmotnost, která omezuje maximální otáčky. Vrtání také ztenčuje stěny válců, což může ohrozit konstrukční pevnost. Širší spalovací komora zvyšuje riziko detonace a co je nejdůležitější, zvětšený vrt vyžaduje větší ventily, aby odpovídaly potřebě průtoku vzduchu – použití ventilů standardní velikosti ztrácí zvýšení zdvihového objemu.
Zvětšující se zdvih (motor s podsklepeným kloubem)
Prodloužení zdvihu znamená, že píst se v každém cyklu posune dále. Zvětšením zdvihu z 86 mm na 94 mm při zachování vrtání 86 mm se získá 2 185 cm3 (2,2 l) – téměř stejný zdvihový objem jako při vrtání, ale s odlišnými charakteristikami. Delší zdvih vytváří lepší točivý moment v nízkých otáčkách a efektivnější spalování a zároveň umožňuje využít standardní vrtání.
Nevýhody se týkají mechanického namáhání a uspořádání. Vyšší rychlosti pístů omezují maximální bezpečné otáčky a budete potřebovat buď vyšší blok motoru, nebo upravený klikový hřídel. I při delším zdvihu je pro dosažení zvýšení zdvihového objemu nezbytné správné časování ventilů a kvalitní komponenty ventilového rozvodu.
Poměr vrtání/zdvihu
Poměr vrtání a zdvihu vám říká, jaký typ motoru máte:
Poměr = Vrtání / Zdvih
Nad 1,0 (Oversquare): Vysokootáčkové výkonné motory
Rovné 1,0 (čtverec): Vyvážený design
Pod 1,0 (Undersquare): Motory zaměřené na točivý moment
Proč je velikost ventilu důležitá při zvyšování objemu
Toto mnoho konstruktérů přehlíží: když zvětšíte zdvihový objem o 15 %, každý válec musí nasát o 15 % více vzduchu za cyklus. Pokud ventily zůstanou stejné velikosti, stanou se úzkým hrdlem.
Problém s prouděním vzduchu
Při 6 000 otáčkách za minutu provede čtyřtaktní motor 3 000 sacích cyklů za minutu – to je 50 sacích cyklů za sekundu na válec. Když zvýšíte zdvihový objem bez modernizace ventilů, rychlost vzduchu proudícího otvorem ventilu se výrazně zvýší, což vytváří turbulenci kolem hlavy ventilu, která snižuje efektivní průtokovou plochu.
Zvýšené tření způsobené rychleji proudícím vzduchem zvyšuje teplotu nasávaného vzduchu a snižuje hustotu plnicího tlaku. Při vysokých otáčkách klesá objemová účinnost, protože ventily nemohou proudit dostatečným množstvím vzduchu k naplnění větších válců. Důsledek: ztráta výkonu i přes větší zdvihový objem, který jste zaplatili za vstřikování do motoru.
Pokyny pro dimenzování ventilů
Obecné pravidlo: průměr sacího ventilu by měl být přibližně 38-42 % průměru vrtání a průměr výfukového ventilu by měl být 32-36 % průměru vrtání.
Pro vrtání 86 mm:
Sací ventil: 33-36 mm
Výfukový ventil: 28-31 mm
Pro otvor 90 mm (po vyvrtání):
Sací ventil: 34-38 mm
Výfukový ventil: 29-32 mm
Řízení tepla u motorů s větším objemem
Větší zdvihový objem znamená více spáleného paliva na cyklus, což znamená více tepla. Nejhůře to snášejí výfukové ventily, jejichž teploty za normálního provozu dosahují 800–900 °C. Při zvýšení zdvihového objemu se teploty výfukových plynů mohou vyšplhat o dalších 50–80 °C.
Standardní ventily z nerezové oceli začínají ztrácet pevnost nad 850 °C. Hlava ventilu se může deformovat, vřeteno se může natáhnout a těsnicí plocha se zhoršuje. Zde se kvalita materiálu stává kritickou.
Řešení ventilů TOPU pro vylepšení objemového objemu
Pokud investujete do strojních úprav za účelem zvýšení zdvihového objemu, není použití kvalitních komponentů ventilového rozvodu volitelné – je nezbytné pro dosažení zvýšení výkonu, za které platíte.
Vysoce výkonné ventily motoru
Společnost TOPU vyrábí ventily speciálně navržené pro zvýšený objem a vyšší požadavky na výkon. Sací ventily používají vysokopevnostní nerezovou ocel 21-4N nebo 21-2N s teplotní odolností až 850 °C. Tyto ventily se vyznačují optimalizovaným profilem hlavy pro lepší průtok a jsou k dispozici s nadměrnými průměry, aby odpovídaly motorům s vrtaným válcem.
Pro výfukové ventily používá TOPU niklovou slitinu Inconel 751 nebo Nimonic 80A, která zvládne teploty až 1 000 °C. Tyto materiály nabízejí vynikající tepelnou vodivost a odolávají deformaci i při trvalém vysokém zahřívání. Samotná modernizace materiálu zajišťuje o 30–50 °C nižší provozní teploty ve srovnání se standardními ventily, což se promítá do delší životnosti a zachování výkonu v celém provozním rozsahu motoru.
Přesné zdvihátka ventilů
Zvýšení zdvihového objemu často vyžaduje tužší ventilové pružiny pro ovládání ventilů při vyšších otáčkách. To více zatěžuje zdvihátka ventilů. Opotřebovaná nebo nedostatečná zdvihátka způsobují chyby časování ventilů, které zmaří zvýšení zdvihového objemu.
Zdvihátka TOPU jsou vyrobena z legované oceli 20CrMo s cementovaným a nitridovaným povrchem dosahujícím tvrdosti HRC 58-62. Kontaktní plochy jsou přesně broušeny na Ra 0,1 μm pro konzistentní výkon. Možnost povlaku DLC dále snižuje tření pro vysoce výkonné aplikace. Mezi oblíbené aplikace patří řada TP31 pro motory Toyota a Lexus, jako je 2GR-FE 3,5L V6, řada TP24 pro motory Mercedes-Benz M112 a M113 V6/V8 a řada TP18 pro motory Volkswagen a Audi EA888 2.0T.
Kdy modernizovat komponenty ventilového rozvodu
Při zvyšování zdvihového objemu o 10 % nebo více byste měli zvážit vylepšení ventilového rozvodu, protože s tím úměrně roste i potřeba proudění vzduchu. Zvýšení limitu otáček vyžaduje lepší ovládání ventilů, aby se zabránilo jejich uvolňování, a přidání nuceného sání zvyšuje jak tlak ve válcích, tak i zahřívání.
Pokud stavíte motor pro závody, spolehlivost v zátěži vyžaduje kvalitní díly, které neselžou na hranici možností. Vlnění ventilů – kdy ventily při vysokých otáčkách správně nekopírují profil vačky – je jasným znamením, že současné komponenty nedokážou držet krok s požadavky vašeho motoru.
Výběr správných komponent
Společnost TOPU poskytuje technickou podporu, která vám pomůže s výběrem vhodných komponentů pro vaši stavbu. Abyste získali přesná doporučení, budete muset poskytnout informace o modelu a kódu motoru, aktuálním a cílovém zdvihovém objemu, zamýšlených maximálních otáčkách, zda je motor atmosférický nebo s přeplňováním, a o vašem použití – ať už se jedná o jízdu na silnici, použití na trati nebo závodění.
Na základě těchto informací mohou inženýři společnosti TOPU doporučit správné velikosti a materiály ventilů pro vaše specifické potřeby, vhodné specifikace zdvihátek ventilů, které odpovídají vašim tlakům pružin a profilu vačky, požadavky na ventilové pružiny pro řízení ventilů v celém rozsahu otáček a jakékoli další komponenty potřebné pro správné dokončení systému ventilového rozvodu.
Závěr
Výpočet zdvihového objemu motoru je jednoduchý, ale konstrukce spolehlivého a vysoce výkonného motoru vyžaduje pochopení toho, jak všechny komponenty spolupracují. Když zvětšíte zdvihový objem, váš rozvodový systém musí držet krok se zvýšenými požadavky na průtok vzduchu a tepelným zatížením.
Použití kvalitních komponentů od samého začátku – správně dimenzované ventily z vhodných materiálů, přesná zdvihátka ventilů a sladěné díly ventilového rozvodu – zajišťuje, že se zvýšení zdvihového objemu projeví skutečným zvýšením výkonu, nikoli jen většími čísly na papíře.
Pomocí kalkulačky určete objem motoru a poté se obraťte na TOPU s žádostí o doporučení komponentů specifických pro vaši konstrukci.