Aiot kasvattaa moottorisi iskutilavuutta 2,0 litrasta 2,3 litraan. Olet laskenut sylinterin halkaisijan ja iskunpituuden, mutta useimmat rakentajat unohtavat asian: venttiilien on pysyttävä lisäiskutilavuuden mukana. Suurempi sylinteri tarvitsee enemmän ilmaa, ja jos imuventtiilit eivät pysty virtaamaan tarpeeksi, tehoa jää käyttämättä.
Tässä oppaassa selitetään, miten moottorin iskutilavuus lasketaan, mitä eroa on sylinterin halkaisijan ja iskunpituuden kasvun välillä ja miksi venttiilikoneiston osilla on merkitystä iskutilavuuden muuttuessa.
Moottorin iskutilavuuden laskeminen
Moottorin iskutilavuus on kaikkien mäntien yhden täyden syklin aikana työntämä kokonaistilavuus. Kaava on yksinkertainen:
Yksisylinterinen iskutilavuus = π × Sylinterin halkaisija² × Isku / 4
Kokonaistilavuus = Yksittäinen sylinteri × Sylinterien lukumäärä
Jossa:
Poraus (D) = sylinterin halkaisija millimetreinä tai tuumina
Isku (S) = männän liikematka millimetreinä tai tuumina
π = 3,14159
Esimerkkilaskelma
Lasketaan Honda K20A -moottori:
Poraus: 86,0 mm
Isku: 86,0 mm
Sylinterit: 4
Yksisylinterinen = 3,14159 × (86,0)² × 86,0 / 4 = 499,5 cm³
Kokonaistilavuus = 499,5 cm³ × 4 = 1 998 cm³ = 2,0 l
Sylinterin halkaisija vs. iskunpituus: Kaksi tapaa lisätä iskutilavuutta
Kun haluat lisää iskutilavuutta, sinulla on kaksi vaihtoehtoa: suurentaa sylinterin halkaisijaa tai suurentaa iskunpituutta. Kumpikin lähestymistapa vaikuttaa moottorin ominaisuuksiin eri tavalla.
Sylinterin suurentaminen (yli neliömäinen moottori)
Sylinterien poraaminen leventää palotilaa. K20A-esimerkkiämme käyttäen, sylinterien halkaisijan kasvattaminen 86 mm:stä 90 mm:iin ja 86 mm:n iskun säilyttäminen antaa uuden iskutilavuuden, 2 190 cm³ (2,2 l). Leveämpi sylinterin halkaisija mahdollistaa suuremmat venttiilit paremman ilmavirran saavuttamiseksi korkeilla kierroksilla, ja lyhyempi liekin matka johtaa täydellisempään palamiseen.
Suuremmat männät lisäävät kuitenkin edestakaista painoa, mikä rajoittaa suurinta kierroslukua. Rei'itys johtaa myös ohuempiin sylinteriseinämiin, mikä voi heikentää rakenteellista lujuutta. Leveämpi palotila lisää räjähdysriskiä, ja mikä tärkeintä, suurempi sylinterin halkaisija vaatii suurempia venttiilejä ilmavirran tarpeen täyttämiseksi – vakiokokoisten venttiilien käyttö hukkaa iskutilavuuden kasvun.
Iskunvaimennin (alikulmiomoottori)
Iskun pidentäminen tarkoittaa, että mäntä liikkuu pidemmälle jokaisella syklillä. Iskunpituuden kasvattaminen 86 mm:stä 94 mm:iin säilyttäen 86 mm:n sylinterin halkaisijan, tuottaa 2 185 cm³ (2,2 l) sylinterin tilavuuden – lähes saman verran kuin avartamalla, mutta eri ominaisuuksilla. Pidempi isku luo paremman vääntömomentin alhaisilla kierroksilla ja tehokkaamman palamisen samalla, kun voit käyttää vakiosylinterin kokoa.
Haittapuolet liittyvät mekaaniseen rasitukseen ja kokoonpanoon. Suuremmat männännopeudet rajoittavat turvallista enimmäiskierroslukua, ja tarvitset joko korkeamman moottorilohkon tai muunnellun kampiakselin. Jopa pidemmällä iskunpituudella oikea venttiilien ajoitus ja laadukkaat venttiilikoneiston komponentit ovat välttämättömiä iskutilavuuden kasvun saavuttamiseksi.
Poraus/iskusuhde
Sylinterin sylinterin iskusuhde kertoo moottorityypin:
Suhde = Poraus / Isku
Yli 1.0 (Oversquare): Korkean kierrosluvun suorituskykyiset moottorit
Yhtä suuri kuin 1,0 (neliö): Tasapainoinen muotoilu
Alle 1.0 (Undersquare): Vääntömomenttiin keskittyvät moottorit
Miksi venttiilin koolla on merkitystä iskutilavuuden kasvattamisessa
Monet rakentajat unohtavat tämän: kun iskutilavuutta lisätään 15 %, jokaisen sylinterin on hengitettävä sisään 15 % enemmän ilmaa sykliä kohden. Jos venttiilit pysyvät saman kokoisina, niistä tulee pullonkaula.
Ilmavirtausongelma
6 000 kierroksen minuuttinopeudella nelitahtimoottori suorittaa 3 000 imusykliä minuutissa – eli 50 imutapahtumaa sekunnissa sylinteriä kohden. Kun iskutilavuutta lisätään venttiilejä päivittämättä, ilman nopeus venttiiliaukossa kasvaa merkittävästi, mikä aiheuttaa turbulenssia venttiilikannen ympärille ja pienentää tehokasta virtauspinta-alaa.
Nopeammin liikkuvan ilman lisääntynyt kitka nostaa imuilman lämpötilaa, mikä pienentää varaustiheyttä. Korkeilla kierroksilla tilavuushyötysuhde laskee, koska venttiilit eivät pysty virtaamaan tarpeeksi ilmaa täyttääkseen suurempia sylintereitä. Tuloksena on tehohäviö huolimatta suuremmasta iskutilavuudesta, jonka moottoriin on koneistettu.
Venttiilin mitoitusohjeet
Yleinen sääntö: imuventtiilin halkaisijan tulisi olla noin 38–42 % sylinterin reiän halkaisijasta ja pakoventtiilin halkaisijan 32–36 % sylinterin reiän halkaisijasta.
86 mm:n reiälle:
Imuventtiili: 33-36 mm
Pakoventtiili: 28-31mm
90 mm:n reiälle (porauksen jälkeen):
Imuventtiili: 34-38 mm
Pakoventtiili: 29-32 mm
Lämmönhallinta suuremmissa iskutilavuusmoottoreissa
Suurempi iskutilavuus tarkoittaa enemmän polttoaineen kulutusta sykliä kohden, mikä tarkoittaa enemmän lämpöä. Pakoventtiilit kärsivät eniten, ja niiden lämpötilat nousevat normaalikäytössä 800–900 °C:een. Kun iskutilavuutta lisätään, pakokaasun lämpötila voi nousta vielä 50–80 °C:een.
Tavalliset ruostumattomasta teräksestä valmistetut venttiilit alkavat menettää lujuuttaan yli 850 °C:ssa. Venttiilin pää voi vääntyä, kara voi venyä ja tiivistyspinta heikkenee. Tässä kohtaa materiaalin laatu on ratkaisevan tärkeää.
TOPU-venttiiliratkaisut tilavuuden parantamiseen
Kun investoit konetyöhön sylinterin tilavuuden lisäämiseksi, laadukkaiden venttiilikoneiston komponenttien käyttö ei ole valinnaista – on tärkeää nähdä suorituskyvyn parannukset, joista maksat.
Korkean suorituskyvyn moottoriventtiilit
TOPU valmistaa venttiilejä, jotka on erityisesti suunniteltu suuremmille iskutilavuuksille ja suorituskykyvaatimuksille. Imuventtiileissä käytetään 21-4N tai 21-2N erittäin lujaa ruostumatonta terästä, jonka lämpötilaluokitus on jopa 850 °C. Näissä venttiileissä on optimoitu kannen profiili paremman virtauksen takaamiseksi, ja niitä on saatavana ylisuurina halkaisijoina, jotka sopivat porattuihin moottoreihin.
Pakoventtiileissä TOPU käyttää Inconel 751- tai Nimonic 80A -nikkeliseosta, joka kestää jopa 1 000 °C:n lämpötiloja. Nämä materiaalit tarjoavat erinomaisen lämmönjohtavuuden ja kestävät vääntymistä jopa jatkuvassa korkeassa kuumuudessa. Pelkästään materiaalin päivitys alentaa käyttölämpötiloja 30–50 °C tavallisiin venttiileihin verrattuna, mikä pidentää käyttöikää ja säilyttää suorituskyvyn moottorin koko käyttöalueella.
Tarkkuusventtiilin nostimet
Iskutilavuuden kasvattaminen vaatii usein jäykempiä venttiilijousia venttiilien ohjaamiseksi suuremmilla kierroksilla. Tämä rasittaa nostimia enemmän. Kuluneet tai riittämättömät nostimet aiheuttavat venttiilien ajoitusvirheitä, jotka haaskaavat iskuntilavuuden kasvun.
TOPU-venttiilinnostimet on valmistettu 20CrMo-seosteräksestä, jonka hiiletetty ja nitrattu pinta saavuttaa kovuuden HRC 58-62. Kosketuspinnat on tarkkuushiottu Ra 0,1 μm:iin tasaisen suorituskyvyn takaamiseksi. DLC-pinnoitevaihtoehto vähentää kitkaa entisestään korkean suorituskyvyn sovelluksissa. Suosittuja sovelluksia ovat TP31-sarja Toyota- ja Lexus-moottoreille, kuten 2GR-FE 3.5L V6, TP24-sarja Mercedes-Benz M112- ja M113 V6/V8 -moottoreille sekä TP18-sarja Volkswagenin ja Audin EA888 2.0T -moottoreille.
Milloin venttiilikoneiston komponentteja päivitetään
Venttiilikoneiston päivityksiä kannattaa harkita, kun iskutilavuutta lisätään 10 % tai enemmän, koska ilmavirran tarve kasvaa suhteessa. Kierroslukurajoituksen nostaminen vaatii parempaa venttiilien ohjausta kellunnan estämiseksi, ja pakotetun imun lisääminen lisää sekä sylinterin painetta että lämpötilaa.
Jos rakennat kilpailua varten, luotettavuus rasituksessa vaatii laadukkaita osia, jotka eivät petä äärirajoilla. Venttiilin liikkuminen – jossa venttiilit eivät seuraa nokka-akselin profiilia kunnolla korkeilla kierroksilla – on selvä merkki siitä, että nykyiset komponentit eivät pysy moottorisi vaatimusten perässä.
Oikeiden komponenttien valitseminen
TOPU tarjoaa teknistä tukea auttaakseen sinua valitsemaan sopivat komponentit rakentamaasi. Saadaksesi tarkkoja suosituksia, sinun on annettava tietoja moottorisi mallista ja koodista, nykyisestä ja tavoitetilavuudesta, aiotusta maksimikierrosluvusta, siitä, onko moottori vapaasti hengittävä vai pakotettu imumoottori, sekä käyttötarkoituksestasi – olipa kyseessä sitten katuajo, ratakäyttö vai kilpailukäyttö.
Näiden tietojen avulla TOPUn insinöörit voivat suositella oikeita venttiilikokoja ja materiaaleja juuri sinun tarpeisiisi, sopivia nostimen spesifikaatioita, jotka vastaavat jousipaineitasi ja nokka-akseliprofiiliasi, venttiilijousien vaatimuksia venttiilien ohjaamiseksi koko kierroslukualueella sekä kaikkia muita komponentteja, joita tarvitaan venttiilikoneiston asianmukaiseen täydentämiseen.
Johtopäätös
Moottorin iskutilavuuden laskeminen on yksinkertaista, mutta luotettavan ja tehokkaan moottorin rakentaminen edellyttää kaikkien komponenttien yhteistoiminnan ymmärtämistä. Kun iskutilavuutta lisätään, venttiilikoneiston on pysyttävä kasvaneiden ilmavirtausvaatimusten ja lämpökuormien tasalla.
Laadukkaiden komponenttien käyttö alusta alkaen – oikean kokoiset venttiilit sopivista materiaaleista, tarkat nostimet ja yhteensopivat venttiilikoneiston osat – varmistaa, että iskutilavuuden kasvu näkyy todellisena suorituskyvyn parannuksena eikä vain paperilla näkyvinä suurempina lukuina.
Käytä laskuria moottorisi iskutilavuuden määrittämiseen ja ota sitten yhteyttä TOPUun saadaksesi kokoonpanoosi sopivia komponentteja.