Planirate povećati obujam motora s 2,0 l na 2,3 l. Izračunali ste provrt i hod cilindra, ali postoji nešto što većina konstruktora previđa: vaši ventili moraju pratiti dodatni obujam. Većem cilindru treba više zraka, a ako vaši usisni ventili ne mogu dovoljno protokati, gubite snagu.
Ovaj vodič objašnjava kako izračunati obujam motora, razliku između povećanja provrta u odnosu na hod cilindra i zašto su komponente mehanizma ventila važne pri promjeni obujma.
Kako izračunati zapremninu motora
Zapremnina motora je ukupni volumen koji pokreću svi klipovi u jednom potpunom ciklusu. Formula je jednostavna:
Zapremnina jednog cilindra = π × Provrt² × Hod / 4
Ukupna zapremnina = Jedan cilindar × Broj cilindara
Gdje:
Provrt (D) = promjer cilindra u mm ili inčima
Hod (S) = put klipa u mm ili inčima
π = 3,14159
Primjer izračuna
Izračunajmo Honda K20A motor:
Provrt: 86,0 mm
Hod: 86,0 mm
Cilindri: 4
Jedan cilindar = 3,14159 × (86,0)² × 86,0 / 4 = 499,5 ccm
Ukupna zapremnina = 499,5 cm3 × 4 = 1998 cm3 = 2,0 l
Provrt vs. hod: Dva načina za povećanje istisnine
Kada želite veći obujam, imate dvije mogućnosti: povećati promjer cilindra ili povećati hod klipa. Svaki pristup drugačije utječe na karakteristike motora.
Povećanje provrta (Oversquare motor)
Provrtanje cilindara daje vam širu komoru za izgaranje. Koristeći naš primjer K20A, povećanje provrta s 86 mm na 90 mm uz zadržavanje hoda od 86 mm daje vam novi obujam od 2190 ccm (2,2 l). Širi provrt omogućuje veće ventile za bolji protok zraka pri visokim okretajima, a kraći put plamena rezultira potpunijim izgaranjem.
Međutim, veći klipovi dodaju recipročnu težinu koja ograničava maksimalni broj okretaja. Bušenje također ostavlja tanje stijenke cilindra, što može ugroziti strukturnu čvrstoću. Šira komora za izgaranje povećava rizik od detonacije, a najvažnije je da povećani provrt zahtijeva veće ventile kako bi se prilagodio protoku zraka - korištenje ventila standardne veličine gubi povećanje obujma.
Povećanje hoda (podkvadratni motor)
Produljenje hoda znači da klip prelazi veći put u svakom ciklusu. Povećanje hoda s 86 mm na 94 mm uz zadržavanje provrta od 86 mm proizvodi 2185 ccm (2,2 l) - gotovo isti obujam kao i bušenje, ali s drugačijim karakteristikama. Dulji hod stvara bolji okretni moment pri niskim okretajima i učinkovitije izgaranje, a istovremeno vam omogućuje korištenje standardne veličine provrta.
Nedostaci se odnose na mehaničko naprezanje i pakiranje. Veće brzine klipa ograničavaju maksimalni sigurni broj okretaja u minuti, a trebat će vam ili viši blok motora ili modificirana radilica. Čak i s duljim hodom, pravilno upravljanje ventilima i kvalitetne komponente mehanizma ventila ostaju ključne za ostvarivanje povećanja obujma.
Omjer provrta i hoda
Omjer provrta i hoda govori vam koji tip motora imate:
Omjer = Provrt / Hod
Preko 1.0 (Oversquare): Visokoučinkoviti motori s visokim okretajima
Jednako 1,0 (kvadrat): Uravnotežen dizajn
Ispod 1.0 (Undersquare): Motori s fokusom na okretni moment
Zašto je veličina ventila važna pri povećanju radnog volumena
Evo što mnogi konstruktori propuštaju: kada povećate obujam za 15%, svaki cilindar treba udahnuti 15% više zraka po ciklusu. Ako ventili ostanu iste veličine, postaju usko grlo.
Problem protoka zraka
Pri 6000 okretaja u minuti, četverotaktni motor izvrši 3000 ciklusa usisa u minuti - to je 50 usisa u sekundi po cilindru. Kada povećate obujam bez nadogradnje ventila, brzina zraka kroz otvor ventila značajno se povećava, stvarajući turbulenciju oko glave ventila koja smanjuje efektivnu površinu protoka.
Povećano trenje zbog bržeg kretanja zraka povećava temperaturu usisnog zraka, smanjujući gustoću punjenja. Pri visokim okretajima, volumetrijska učinkovitost pada jer ventili ne mogu protokom zraka ispuniti veće cilindre. Rezultat: gubitak snage unatoč većem obujmu koji ste platili za strojno ubacivanje u motor.
Smjernice za dimenzioniranje ventila
Opće pravilo: promjer usisnog ventila trebao bi biti približno 38-42% promjera provrta, a promjer ispušnog ventila trebao bi biti 32-36% promjera provrta.
Za promjer cijevi od 86 mm:
Usisni ventil: 33-36 mm
Ispušni ventil: 28-31 mm
Za otvor od 90 mm (nakon bušenja):
Usisni ventil: 34-38 mm
Ispušni ventil: 29-32 mm
Upravljanje toplinom u motorima većeg obujma
Veći obujam znači više sagorijevanog goriva po ciklusu, što znači više topline. Ispušni ventili trpe najgore, s temperaturama koje dosežu 800-900°C u normalnom radu. Kada povećate obujam, temperature ispušnih plinova mogu se popeti za dodatnih 50-80°C.
Standardni ventili od nehrđajućeg čelika počinju gubiti čvrstoću iznad 850 °C. Glava ventila može se iskriviti, stabljika se može rastegnuti, a brtvena površina se pogoršava. Ovdje kvaliteta materijala postaje kritična.
TOPU rješenja ventila za nadogradnju istisnine
Kada ulažete u strojni rad kako biste povećali obujam, korištenje kvalitetnih komponenti ventilskog mehanizma nije opcionalno - ključno je za ostvarivanje poboljšanja performansi za koje plaćate.
Visokoučinkoviti ventili motora
TOPU proizvodi ventile posebno dizajnirane za povećani protok i veće zahtjeve performansi. Usisni ventili koriste visokočvrsti nehrđajući čelik 21-4N ili 21-2N s temperaturnom otpornošću do 850°C. Ovi ventili imaju optimizirani profil glave za poboljšani protok i dostupni su u većim promjerima kako bi odgovarali motorima s bušenim cilindrom.
Za ispušne ventile, TOPU koristi Inconel 751 ili Nimonic 80A niklovu leguru, koja može podnijeti temperature do 1000 °C. Ovi materijali nude vrhunsku toplinsku vodljivost i otporni su na savijanje čak i pri dugotrajnoj visokoj temperaturi. Samo poboljšanje materijala osigurava 30-50 °C niže radne temperature u usporedbi sa standardnim ventilima, što se prevodi u dulji vijek trajanja i održavane performanse u cijelom radnom rasponu motora.
Precizni podizači ventila
Povećanje obujma često zahtijeva kruće opruge ventila za kontrolu ventila pri višim okretajima. To stavlja veći pritisak na podizače ventila. Istrošeni ili neadekvatni podizači ventila uzrokuju pogreške u vremenu rada ventila koje troše povećanje obujma.
TOPU podizači ventila izrađeni su od legiranog čelika 20CrMo s cementiranom i nitriranom površinom koja doseže tvrdoću HRC 58-62. Kontaktne površine precizno su brušene na Ra 0,1 μm za konzistentne performanse. Opcija DLC premaza dodatno smanjuje trenje za visokoučinkovite primjene. Popularne primjene uključuju seriju TP31 za Toyota i Lexus motore poput 2GR-FE 3.5L V6, seriju TP24 za Mercedes-Benz M112 i M113 V6/V8 motore te seriju TP18 za Volkswagen i Audi EA888 2.0T motore.
Kada nadograditi komponente ventilskog mehanizma
Trebali biste razmotriti nadogradnju ventilskog mehanizma prilikom povećanja obujma za 10% ili više, jer se potrebe za protokom zraka proporcionalno povećavaju. Povećanje ograničenja broja okretaja zahtijeva bolju kontrolu ventila kako bi se spriječilo plutanje, a dodavanje prisilne indukcije povećava i tlak u cilindru i toplinu.
Ako gradite za natjecanje, pouzdanost pod opterećenjem zahtijeva kvalitetne dijelove koji neće otkazati na granici. Pojava plutajućeg ventila - gdje ventili ne prate pravilno profil bregastog vratila pri visokim okretajima - jasan je znak da trenutne komponente ne mogu pratiti zahtjeve vašeg motora.
Odabir pravih komponenti
TOPU pruža tehničku podršku kako bi vam pomogao u odabiru odgovarajućih komponenti za vašu konstrukciju. Da biste dobili točne preporuke, morat ćete navesti podatke o modelu i kodu vašeg motora, trenutnoj i ciljanoj zapremnini, namjeravanom maksimalnom broju okretaja u minuti, je li motor atmosferski ili s prisilnom usitnjavanjem, te o vašoj primjeni - bilo da se radi o vožnji cestom, korištenju na stazi ili natjecanju.
S ovim informacijama, TOPU inženjeri mogu preporučiti ispravne veličine i materijale ventila za vaše specifične potrebe, odgovarajuće specifikacije podizača ventila koje odgovaraju vašim tlakovima opruga i profilu bregastog vratila, zahtjeve za opruge ventila za upravljanje ventilima u cijelom rasponu okretaja te sve dodatne komponente potrebne za pravilan dovršetak sustava ventila.
Zaključak
Izračun obujma motora je jednostavan, ali izgradnja pouzdanog visokoučinkovitog motora zahtijeva razumijevanje kako sve komponente rade zajedno. Kada povećate obujam, vaš mehanizam ventila mora pratiti povećane zahtjeve za protokom zraka i toplinska opterećenja.
Korištenje kvalitetnih komponenti od samog početka - ventila odgovarajuće veličine od odgovarajućih materijala, preciznih podizača ventila i usklađenih dijelova mehanizma ventila - osigurava da se povećanje obujma prevodi u stvarna poboljšanja performansi, a ne samo u veće brojke na papiru.
Pomoću kalkulatora odredite obujam vašeg motora, a zatim se obratite tvrtki TOPU za preporuke komponenti specifičnih za vašu konstrukciju.