Planuojate padidinti variklio darbinį tūrį nuo 2,0 l iki 2,3 l. Jau apskaičiavote cilindro skersmenį ir eigą, bet dauguma gamintojų pamiršta vieną dalyką: vožtuvai turi neatsilikti nuo papildomo darbinio tūrio. Didesniam cilindrui reikia daugiau oro, o jei įsiurbimo vožtuvai negali pakankamai srauto, prarandate galią.
Šiame vadove paaiškinama, kaip apskaičiuoti variklio darbinį tūrį, kuo skiriasi cilindro skersmens ir eigos didinimas ir kodėl vožtuvų mechanizmo komponentai yra svarbūs keičiant darbinį tūrį.
Kaip apskaičiuoti variklio darbinį tūrį
Variklio darbinis tūris yra bendras visų stūmoklių per vieną pilną ciklą išstūmiamas tūris. Formulė paprasta:
Vieno cilindro darbinis tūris = π × Cilindro skersmuo² × Stūmoklio eiga / 4
Bendras darbinis tūris = vienas cilindras × cilindrų skaičius
Kur:
Cilindro skersmuo (D) = cilindro skersmuo mm arba coliais
Stūmoklio eiga (S) = stūmoklio eigos ilgis mm arba coliais
π = 3,14159
Skaičiavimo pavyzdys
Apskaičiuokime „Honda K20A“ variklį:
Cilindro skersmuo: 86,0 mm
Stūmoklio eiga: 86,0 mm
Cilindrai: 4
Vieno cilindro = 3,14159 × (86,0)² × 86,0 / 4 = 499,5 cm³
Bendras darbinis tūris = 499,5 cm³ × 4 = 1 998 cm³ = 2,0 l
Cilindro skersmuo ir eiga: du būdai padidinti darbinį tūrį
Kai norite didesnio darbinio tūrio, turite dvi galimybes: padidinti cilindro skersmenį arba padidinti stūmoklio eigą. Kiekvienas metodas skirtingai veikia variklio charakteristikas.
Didėjantis cilindro skersmuo (per didelis kvadratinis variklis)
Išgręžus cilindrų skersmenį, gaunama platesnė degimo kamera. Naudojant mūsų K20A pavyzdį, padidinus skersmenį nuo 86 mm iki 90 mm, išlaikant 86 mm eigą, gaunamas naujas 2190 cm³ (2,2 l) darbinis tūris. Platesnė skersmens skersmens dalis leidžia naudoti didesnius vožtuvus, kad būtų geresnis oro srautas esant dideliems apsisukimams, o trumpesnis liepsnos judėjimo atstumas lemia visiškesnį degimą.
Tačiau didesni stūmokliai prideda slankiojančio svorio, kuris riboja maksimalų apsukų skaičių. Dėl išgręžto cilindro sienelės tampa plonesnės, o tai gali sumažinti konstrukcijos stiprumą. Platesnė degimo kamera padidina detonacijos riziką, o svarbiausia, kad padidintas skersmuo reikalauja didesnių vožtuvų, kad būtų patenkintas oro srauto poreikis – naudojant standartinio dydžio vožtuvus, padidėjęs darbinis tūris prarandamas.
Didėjanti eiga (apvalaus kampo variklis)
Pailginus eigą, stūmoklis kiekvieno ciklo metu nueina toliau. Padidinus eigą nuo 86 mm iki 94 mm, išlaikant 86 mm skersmenį, gaunamas 2185 cm³ (2,2 l) darbinis tūris – beveik toks pat kaip ir gręžiant, tačiau su kitomis charakteristikomis. Ilgesnė eiga sukuria geresnį sukimo momentą esant mažiems sūkiams ir efektyvesnį degimą, tuo pačiu leidžiant naudoti standartinį skersmenį.
Trūkumai susiję su mechaniniu įtempimu ir sandarikliu. Didesnis stūmoklių greitis riboja maksimalų saugų apsukų skaičių, todėl reikės arba aukštesnio variklio bloko, arba modifikuoto alkūninio veleno. Net ir esant ilgesnei eigai, tinkamas vožtuvų paskirstymas ir kokybiškos vožtuvų mechanizmo dalys išlieka būtinos norint padidinti darbinį tūrį.
Cilindro ir eigos santykis
Cilindro skersmens ir eigos santykis nurodo, kokio tipo variklį turite:
Santykis = Cilindro skersmuo / Stūmoklio eiga
Virš 1.0 (Oversquare): Didelio apsukų skaičiaus varikliai
Lygus 1,0 (kvadratas): subalansuotas dizainas
Mažiau nei 1,0 (Undersquare): Į sukimo momentą orientuoti varikliai
Kodėl vožtuvo dydis svarbus didinant darbinį tūrį
Štai ko daugelis statybininkų nepastebi: padidinus darbinį tūrį 15 %, kiekvienas cilindras per ciklą turi įkvėpti 15 % daugiau oro. Jei vožtuvų dydis išlieka toks pat, jie tampa kliūtimi.
Oro srauto problema
Esant 6000 aps./min., keturtaktis variklis atlieka 3000 įsiurbimo ciklų per minutę – tai yra 50 įsiurbimo įvykių per sekundę kiekvienam cilindrui. Padidinus darbinį tūrį neatnaujinant vožtuvų, oro greitis per vožtuvo angą žymiai padidėja, todėl aplink vožtuvo galvutę susidaro turbulencija, kuri sumažina efektyvų srauto plotą.
Padidėjusi greičiau judančio oro trintis pakelia įsiurbiamo oro temperatūrą, sumažindama įkrovos tankį. Esant dideliems apsukų skaičiams, tūrinis efektyvumas sumažėja, nes vožtuvai negali tiekti pakankamai oro, kad užpildytų didesnius cilindrus. Rezultatas: galios nuostoliai, nepaisant didesnio darbinio tūrio, kurį sumokėjote, kad į variklį įmontuotumėte.
Vožtuvų dydžio nustatymo gairės
Bendroji taisyklė: įsiurbimo vožtuvo skersmuo turėtų būti maždaug 38–42 % kiaurymių skersmens, o išmetimo vožtuvo skersmuo – 32–36 % kiaurymių skersmens.
86 mm skersmens vamzdžiui:
Įsiurbimo vožtuvas: 33–36 mm
Išmetimo vožtuvas: 28–31 mm
90 mm kiaurymei (po gręžimo):
Įsiurbimo vožtuvas: 34–38 mm
Išmetimo vožtuvas: 29–32 mm
Šilumos valdymas didesnio darbinio tūrio varikliuose
Didesnis darbinis tūris reiškia daugiau degalų sudeginama per ciklą, o tai reiškia daugiau šilumos. Išmetimo vožtuvai patiria didžiausią įtampą – normaliomis eksploatavimo sąlygomis jų temperatūra siekia 800–900 °C. Padidinus darbinį tūrį, išmetamųjų dujų temperatūra gali pakilti dar 50–80 °C.
Standartiniai nerūdijančio plieno vožtuvai pradeda prarasti stiprumą aukštesnėje nei 850 °C temperatūroje. Vožtuvo galvutė gali deformuotis, kotas gali išsitempti, o sandarinimo paviršius suprastėti. Čia medžiagos kokybė tampa labai svarbi.
TOPU vožtuvų sprendimai darbinio tūrio didinimui
Kai investuojate į mechaninį apdirbimą, kad padidintumėte darbinį tūrį, kokybiškų vožtuvų mechanizmo komponentų naudojimas nėra pasirinkimas – svarbu suvokti našumo padidėjimą, už kurį mokate.
Didelio našumo variklio vožtuvai
„TOPU“ gamina vožtuvus, specialiai sukurtus didesniam darbiniam tūriui ir didesniems našumo reikalavimams. Įsiurbimo vožtuvuose naudojamas didelio stiprumo 21-4N arba 21-2N nerūdijantis plienas, kurio darbinė temperatūra yra iki 850 °C. Šie vožtuvai pasižymi optimizuotu galvutės profiliu, kad būtų pagerintas srautas, ir yra didelių skersmenų, kad atitiktų variklius su gręžtiniais vamzdžiais.
Išmetimo vožtuvams TOPU naudoja „Inconel 751“ arba „Nimonic 80A“ nikelio lydinį, kuris gali atlaikyti iki 1000 °C temperatūrą. Šios medžiagos pasižymi puikiu šilumos laidumu ir yra atsparios deformacijai net esant ilgalaikiam aukštai temperatūrai. Vien dėl medžiagos atnaujinimo darbinė temperatūra yra 30–50 °C žemesnė, palyginti su standartiniais vožtuvais, o tai reiškia ilgesnį tarnavimo laiką ir išlaikomą našumą visame variklio darbo diapazone.
Tikslūs vožtuvų stūmokliai
Didėjant darbiniam tūriui, dažnai reikia standesnių vožtuvų spyruoklių, kad būtų galima valdyti vožtuvus esant didesniems sūkiams. Tai labiau apkrauna stūmiklius (keltuvus). Susidėvėję arba netinkami stūmikliai sukelia vožtuvų paskirstymo klaidas, kurios praranda darbinio tūrio padidėjimą.
TOPU stūmikliai pagaminti iš 20CrMo legiruoto plieno, kurio kietumas yra įanglintas ir nitriduotas, o HRC kietumas siekia 58–62. Kontaktiniai paviršiai yra preciziškai šlifuoti iki Ra 0,1 μm, kad būtų užtikrintas pastovus veikimas. DLC danga dar labiau sumažina trintį, kad būtų užtikrintas didelis našumas. Populiarios taikymo sritys: TP31 serija, skirta „Toyota“ ir „Lexus“ varikliams, pvz., 2GR-FE 3,5 l V6, TP24 serija, skirta „Mercedes-Benz M112“ ir „M113 V6/V8“ varikliams, ir TP18 serija, skirta „Volkswagen“ ir „Audi EA888 2.0T“ varikliams.
Kada atnaujinti vožtuvų traukinio komponentus
Padidinus darbinį tūrį 10 % ar daugiau, reikėtų apsvarstyti vožtuvų mechanizmo atnaujinimą, nes oro srauto poreikis didėja proporcingai. Padidinus apsukų ribą, reikia geriau valdyti vožtuvus, kad būtų išvengta plūduriavimo, o priverstinio įsiurbimo pridėjimas padidina ir cilindro slėgį, ir temperatūrą.
Jei kuriate variklį varžyboms, patikimumas esant didelėms apkrovoms reikalauja kokybiškų dalių, kurios nesuges ties ribomis. Vožtuvo slankiojimas – kai vožtuvai tinkamai neatitinka skirstomojo veleno profilio esant dideliems apsisukimams – yra aiškus ženklas, kad dabartiniai komponentai negali patenkinti jūsų variklio reikalavimų.
Tinkamų komponentų pasirinkimas
„TOPU“ teikia techninę pagalbą, kuri padės jums pasirinkti tinkamus komponentus jūsų konstrukcijai. Norėdami gauti tikslias rekomendacijas, turėsite pateikti informaciją apie savo variklio modelį ir kodą, dabartinį ir tikslinį darbinį tūrį, numatytą maksimalų apsukų skaičių, ar variklis yra atmosferinis, ar priverstinio įsiurbimo, ir savo paskirtį – važiavimą gatvėje, lenktynių trasoje ar varžybose.
Turėdami šią informaciją, TOPU inžinieriai gali rekomenduoti tinkamus vožtuvų dydžius ir medžiagas pagal jūsų konkrečius poreikius, tinkamas stūmiklio specifikacijas, atitinkančias jūsų spyruoklių slėgį ir kumštelio profilį, vožtuvų spyruoklių reikalavimus vožtuvams valdyti visame apsukų diapazone ir visus papildomus komponentus, reikalingus tinkamam vožtuvų mechanizmo sistemos užbaigimui.
Išvada
Variklio darbinio tūrio apskaičiavimas yra paprastas, tačiau norint sukurti patikimą, didelio našumo variklį, reikia suprasti, kaip visi komponentai veikia kartu. Padidinus darbinį tūrį, jūsų vožtuvų mechanizmas turi neatsilikti nuo padidėjusio oro srauto poreikio ir šiluminių apkrovų.
Naudojant kokybiškus komponentus nuo pat pradžių – tinkamo dydžio vožtuvus iš atitinkamų medžiagų, tikslius stūmiklius ir suderintas vožtuvų mechanizmo dalis – užtikrinama, kad padidėjęs darbinis tūris iš tikrųjų padidės, o ne bus tik didesni skaičiai popieriuje.
Norėdami nustatyti variklio darbinį tūrį, naudokite skaičiuotuvą ir susisiekite su TOPU dėl jūsų konstrukcijai tinkamų komponentų rekomendacijų.