Jūs plānojat palielināt dzinēja tilpumu no 2,0 l līdz 2,3 l. Jūs esat aprēķinājis cilindra diametru un virzuļa gājienu, taču ir kaut kas tāds, ko vairums būvētāju nepamana: vārstiem ir jāspēj tikt līdzi papildu tilpumam. Lielākam cilindram ir nepieciešams vairāk gaisa, un, ja ieplūdes vārsti nevar pietiekami plūst, jūs atstājat jaudu bez ievērības.
Šajā rokasgrāmatā ir paskaidrots, kā aprēķināt motora darba tilpumu, kāda ir atšķirība starp cilindra diametra un gājiena palielināšanu un kāpēc vārstu mehānisma komponentiem ir nozīme, mainot darba tilpumu.
Kā aprēķināt motora tilpumu
Dzinēja darba tilpums ir kopējais tilpums, ko visi virzuļi izskalo vienā pilnā ciklā. Formula ir vienkārša:
Viena cilindra darba tilpums = π × urbuma diametrs² × gājiens / 4
Kopējais darba tilpums = viens cilindrs × cilindru skaits
Kur:
Urbums (D) = cilindra diametrs mm vai collās
Gājiens (S) = virzuļa gājiens mm vai collās
π = 3,14159
Aprēķina piemērs
Aprēķināsim Honda K20A dzinēju:
Urbums: 86,0 mm
Gājiens: 86,0 mm
Cilindri: 4
Viens cilindrs = 3,14159 × (86,0)² × 86,0 / 4 = 499,5 cm³
Kopējais tilpums = 499,5 cm³ × 4 = 1998 cm³ = 2,0 l
Urbums pret gājienu: divi veidi, kā palielināt darba tilpumu
Ja vēlaties lielāku dzinēja tilpumu, ir divas iespējas: palielināt cilindra urbuma diametru vai palielināt virzuļa gājienu. Katra pieeja atšķirīgi ietekmē dzinēja raksturlielumus.
Palielināms cilindra diametrs (pārāk kvadrātveida dzinējs)
Cilindru izurbšana nodrošina platāku sadegšanas kameru. Izmantojot mūsu K20A piemēru, palielinot cilindra diametru no 86 mm līdz 90 mm, saglabājot 86 mm gājienu, iegūst jaunu darba tilpumu 2190 cm3 (2,2 l). Platāks cilindra diametrs ļauj izmantot lielākus vārstus labākai gaisa plūsmai pie augstiem apgriezieniem, un īsāks liesmas gājiena attālums nodrošina pilnīgāku sadegšanu.
Tomēr lielāki virzuļi palielina virzuļkustības svaru, kas ierobežo maksimālos apgriezienus minūtē. Urbšana arī padara cilindru sienas plānākas, kas var mazināt konstrukcijas izturību. Platāka sadegšanas kamera palielina detonācijas risku, un, pats galvenais, palielinātais cilindra diametrs prasa lielākus vārstus, lai tie atbilstu gaisa plūsmas pieprasījumam — standarta izmēra vārstu izmantošana izšķiež darba tilpuma palielinājumu.
Palielināts gājiens (dzinējs ar samazinātu kvadrātveida leņķi)
Pagarinot gājienu, virzulis katrā ciklā pārvietojas tālāk. Palielinot gājienu no 86 mm līdz 94 mm, saglabājot 86 mm urbumu, iegūst 2185 cm3 (2,2 l) tilpumu — gandrīz tādu pašu darba tilpumu kā urbjot, bet ar atšķirīgām īpašībām. Garāks gājiens rada labāku griezes momentu pie zemiem apgriezieniem un efektīvāku sadegšanu, vienlaikus ļaujot izmantot standarta urbuma izmēru.
Negatīvie aspekti ir saistīti ar mehānisko spriegumu un iepakošanas mehānismu. Lielāks virzuļa ātrums ierobežo maksimālo drošo apgriezienu skaitu minūtē, un būs nepieciešams vai nu augstāks dzinēja bloks, vai modificēta kloķvārpsta. Pat ar garāku gājienu pareizs vārstu laiks un kvalitatīvas vārstu mehānisma detaļas joprojām ir būtiskas, lai panāktu darba tilpuma palielinājumu.
Urbuma/gājiena attiecība
Cilindra cilindra gājiena attiecība norāda, kāda veida dzinējs jums ir:
Attiecība = Urbums / Gājiens
Virs 1.0 (Oversquare): Augstas apgriezienu veiktspējas dzinēji
Vienāds ar 1,0 (kvadrāts): līdzsvarots dizains
Zem 1,0 (Undersquare): uz griezes momentu orientēti dzinēji
Kāpēc vārsta izmērs ir svarīgs, palielinot darba tilpumu
Lūk, ko daudzi būvētāji nepamana: palielinot dzinēja darba tilpumu par 15%, katram cilindram vienā ciklā ir jāieelpo par 15% vairāk gaisa. Ja vārstu izmērs paliek nemainīgs, tie kļūst par sašaurinājumu.
Gaisa plūsmas problēma
Pie 6000 apgr./min četrtaktu dzinējs veic 3000 ieplūdes ciklus minūtē — tas ir 50 ieplūdes notikumi sekundē uz katru cilindru. Palielinot darba tilpumu, neuzlabojot vārstus, gaisa ātrums caur vārsta atveri ievērojami palielinās, radot turbulenci ap vārsta galvu, kas samazina efektīvo plūsmas laukumu.
Palielināta berze no ātrāk kustīga gaisa paaugstina ieplūdes gaisa temperatūru, samazinot lādiņa blīvumu. Pie augstiem apgriezieniem minūtē tilpuma efektivitāte samazinās, jo vārsti nevar plūst pietiekami daudz gaisa, lai piepildītu lielākos cilindrus. Rezultāts: jaudas zudums, neskatoties uz lielāku darba tilpumu, kas tika iestrādāts dzinējā.
Vārstu izmēru vadlīnijas
Vispārīgs noteikums: ieplūdes vārsta diametram jābūt aptuveni 38–42% no cilindra diametra, bet izplūdes vārsta diametram — 32–36% no cilindra diametra.
86 mm urbumam:
Ieplūdes vārsts: 33-36 mm
Izplūdes vārsts: 28-31 mm
90 mm urbumam (pēc urbšanas):
Ieplūdes vārsts: 34-38 mm
Izplūdes vārsts: 29-32 mm
Siltuma pārvaldība lielāka tilpuma dzinējos
Lielāks darba tilpums nozīmē vairāk degvielas, kas sadedzina vienā ciklā, kas savukārt nozīmē vairāk siltuma. Izplūdes vārsti cieš visvairāk, to temperatūrai normālas darbības laikā sasniedzot 800–900 °C. Palielinot darba tilpumu, izplūdes gāzu temperatūra var paaugstināties vēl par 50–80 °C.
Standarta nerūsējošā tērauda vārsti sāk zaudēt izturību virs 850 °C. Vārsta galva var deformēties, kāts var izstiepties un blīvējuma virsma pasliktināties. Šeit materiāla kvalitāte kļūst kritiski svarīga.
TOPU vārstu risinājumi tilpuma palielināšanai
Ieguldot līdzekļus mašīnbūvē, lai palielinātu darba tilpumu, kvalitatīvu vārstu mehānisma komponentu izmantošana nav izvēles iespēja — ir svarīgi apzināties veiktspējas pieaugumu, par kuru maksājat.
Augstas veiktspējas dzinēja vārsti
TOPU ražo vārstus, kas īpaši izstrādāti palielinātam darba tilpumam un augstākām veiktspējas prasībām. Ieplūdes vārstiem tiek izmantots 21-4N vai 21-2N augstas stiprības nerūsējošais tērauds ar temperatūras izturību līdz 850°C. Šiem vārstiem ir optimizēts galvas profils uzlabotai plūsmai, un tie ir pieejami palielinātos diametros, lai tie atbilstu urbtajiem dzinējiem.
Izplūdes vārstiem TOPU izmanto Inconel 751 vai Nimonic 80A niķeļa sakausējumu, kas var izturēt temperatūru līdz 1000 °C. Šie materiāli nodrošina izcilu siltumvadītspēju un ir izturīgi pret deformāciju pat ilgstošas augstas temperatūras ietekmē. Jau vien materiāla uzlabošana nodrošina par 30–50 °C zemāku darba temperatūru salīdzinājumā ar standarta vārstiem, kas nozīmē ilgāku kalpošanas laiku un saglabātu veiktspēju visā dzinēja darbības diapazonā.
Precīzijas vārstu spiedņi
Palielinot darba tilpumu, bieži vien ir nepieciešamas stingrākas vārstu atsperes, lai kontrolētu vārstus pie lielākiem apgriezieniem. Tas rada lielāku slodzi vārstu bīdītājiem (pacēlājiem). Nodiluši vai nepietiekami bīdītāji rada vārstu laika kļūdas, kas izšķiež jūsu darba tilpuma palielinājumu.
TOPU vārstu spiedņi ir izgatavoti no 20CrMo leģētā tērauda ar cementētu un nitridētu virsmu, kuras cietība sasniedz HRC 58-62. Kontakta virsmas ir precīzi noslīpētas līdz Ra 0,1 μm, lai nodrošinātu vienmērīgu veiktspēju. DLC pārklājuma opcija vēl vairāk samazina berzi augstas veiktspējas lietojumos. Populāri pielietojumi ietver TP31 sēriju Toyota un Lexus dzinējiem, piemēram, 2GR-FE 3,5L V6, TP24 sēriju Mercedes-Benz M112 un M113 V6/V8 dzinējiem, kā arī TP18 sēriju Volkswagen un Audi EA888 2.0T dzinējiem.
Kad uzlabot vārstu vilciena komponentus
Palielinot darba tilpumu par 10% vai vairāk, jāapsver vārstu mehānisma modernizācija, jo proporcionāli palielinās vajadzība pēc gaisa plūsmas. Apgriezienu skaita ierobežojuma paaugstināšana prasa labāku vārstu kontroli, lai novērstu peldošu kustību, un piespiedu indukcijas pievienošana palielina gan spiedienu cilindrā, gan siltumu.
Ja būvējat sacīkstēm, uzticamība slodzes apstākļos prasa kvalitatīvas detaļas, kas nepieļaus bojājumus līdz robežai. Vārstu peldēšana — kad vārsti pie augstiem apgriezieniem neatbilst sadales vārpstas profilam — ir skaidra zīme, ka esošie komponenti nespēj tikt galā ar jūsu dzinēja prasībām.
Pareizo komponentu izvēle
TOPU sniedz tehnisko atbalstu, lai palīdzētu jums izvēlēties atbilstošas sastāvdaļas jūsu konstrukcijai. Lai saņemtu precīzus ieteikumus, jums būs jāsniedz informācija par dzinēja modeli un kodu, pašreizējo un mērķa tilpumu, paredzēto maksimālo apgriezienu skaitu minūtē, to, vai dzinējs ir ar atmosfērisko vai piespiedu indukcijas dzinēju, un jūsu pielietojumu — braukšanu pa ielu, trasi vai sacensībām.
Izmantojot šo informāciju, TOPU inženieri var ieteikt pareizos vārstu izmērus un materiālus atbilstoši jūsu īpašajām vajadzībām, atbilstošas vārstu stūmēju specifikācijas, kas atbilst jūsu atsperu spiedienam un sadales vārpstas profilam, vārstu atsperu prasības vārstu vadībai visā apgriezienu diapazonā, kā arī visas papildu sastāvdaļas, kas nepieciešamas, lai pareizi pabeigtu vārstu mehānisma sistēmu.
Secinājums
Dzinēja tilpuma aprēķināšana ir vienkārša, taču, lai izveidotu uzticamu, augstas veiktspējas dzinēju, ir jāsaprot, kā visas sastāvdaļas darbojas kopā. Palielinot tilpumu, vārstu mehānismam ir jāspēj tikt galā ar palielinātajām gaisa plūsmas prasībām un termiskajām slodzēm.
Izmantojot kvalitatīvas komponentes jau no paša sākuma — atbilstoša izmēra vārstus no atbilstošiem materiāliem, precīzus vārstu stūmējus un saskaņotas vārstu mehānisma detaļas —, tiek nodrošināts, ka jūsu darba tilpuma pieaugums atspoguļojas faktiskā veiktspējas pieaugumā, nevis tikai lielākos skaitļos uz papīra.
Izmantojiet kalkulatoru, lai noteiktu dzinēja tilpumu, un pēc tam sazinieties ar TOPU, lai saņemtu jūsu konstrukcijai atbilstošus komponentu ieteikumus.