Porting da cabeça do cilindro - Cylinder head porting

Porting da cabeça do cilindro refere-se ao processo de modificar as portas de admissão e escape de um motor de combustão interna para melhorar o fluxo de ar. As cabeças dos cilindros , conforme fabricadas, são geralmente abaixo do ideal para aplicações de corrida devido a serem projetadas para durabilidade máxima. As portas podem ser modificadas para potência máxima, consumo mínimo de combustível ou uma combinação dos dois, e as características de entrega de potência podem ser alteradas para se adequar a uma aplicação específica.

Lidando com o ar

A experiência humana diária com o ar dá a impressão de que o ar é leve e quase inexistente à medida que nos movemos lentamente por ele. No entanto, um motor funcionando em alta velocidade experimenta uma substância totalmente diferente. Nesse contexto, o ar pode ser considerado espesso, pegajoso, elástico, pegajoso e pesado (veja a viscosidade ), e a abertura da cabeça ajuda a aliviar isso.

Modificações de porta

Quando uma modificação é decidida por meio de testes com uma bancada de fluxo de ar , o material da parede da porta original pode ser remodelado manualmente com esmerilhadeiras ou por fresadoras controladas numericamente . Para modificações maiores, as portas devem ser soldadas ou construídas de forma semelhante para adicionar material onde não existia.

Uma porta antes e depois das modificações, exagerada para fins ilustrativos. A ideia geral de melhorar o fluxo de porta é que um tubo mais reto e curvas mais suaves fornecem mais potência de pico. Este tipo de modificação é comumente referido como "aumento do ângulo de corrente descendente" e é limitado por restrições mecânicas, como a altura do compartimento do motor, a quantidade de material na peça fundida ou a realocação da engrenagem da válvula para acomodar a haste da válvula mais longa.
Um molde das portas subótimamente projetadas de um cabeçote Ford de dois litros para uso em corridas de Fórmula 2000 . É mostrado como fabricado com a porta de admissão à direita.

O motor F2000 de dois litros da Ford em versão original equipado com o cabeçote mostrado acima era capaz de entregar 115 cavalos a 5500 rpm para um BMEP de 136 psi .

Moldes de porta de um cabeçote de corrida Pro Stock de reposição altamente desenvolvido de 500 polegadas cúbicas . Observe a altura e retidão das portas, especialmente a porta de escape à esquerda. Este projeto é baseado em uma carcaça de cilindro construída especificamente para modificações em corridas. O cabeçote é fornecido com pequenas portas com amplo material em todos os lugares para que os especialistas em portas possam moldar de acordo com suas necessidades, sem a necessidade de soldar em metal adicional.

Este cabeçote de corrida Pro Stock aftermarket foi usado em um motor capaz de 1300 cavalos de potência a 9500 rpm com um BMEP de 238 psi. Um BMEP de 238 o coloca perto do limite para um motor a gás de aspiração natural. Os motores de Fórmula 1 com aspiração natural normalmente atingiam valores de BMEP de 220 psi. Perfis de came, rotação do motor , restrições de altura do motor e outras limitações também contribuem para a diferença na potência do motor com a unidade Ford, mas a diferença no design da porta é um fator importante.

Componentes da porta

Partes do porto e sua terminologia

Dinâmica da onda

Esta animação altamente simplificada mostra como o ar flui como ondas em um sistema de admissão. Observe a "válvula" verde abrindo e fechando.

Quando a válvula se abre, o ar não entra, ele se descomprime na região de baixa pressão abaixo dela. Todo o ar no lado a montante da fronteira de perturbação em movimento está completamente isolado e não é afetado pelo que acontece no lado a jusante. O ar na entrada do corredor não se move até que a onda chegue ao fim. Só então o corredor inteiro pode começar a fluir. Até aquele ponto, tudo o que pode acontecer é o gás de pressão mais alta enchendo o volume do corredor se descomprime ou se expande para a região de baixa pressão avançando pelo corredor. (Uma vez que a onda de baixa pressão atinge a extremidade aberta do corredor, ela inverte o sinal, o ar impetuoso força uma onda de alta pressão pelo corredor. Não mostrado nesta animação.)

Por outro lado, o fechamento da válvula não interrompe imediatamente o fluxo na entrada do canal, que continua completamente inalterado até que o sinal de que a válvula fechou o alcance. A válvula de fechamento causa um aumento de pressão que sobe pelo canal como uma onda positiva. A entrada do corredor continua a fluir a toda velocidade, forçando a pressão a aumentar até que o sinal atinja a entrada. Este aumento de pressão muito considerável pode ser visto no gráfico abaixo, ele se eleva muito acima da pressão atmosférica.

É esse fenômeno que permite que ocorra a chamada “sintonia ram”, e é o que está sendo “sintonizado” pelos sistemas de admissão e exaustão sintonizados. O princípio é o mesmo do efeito martelo de água tão conhecido pelos encanadores. A velocidade que o sinal pode viajar é a velocidade do som dentro do corredor.

É por isso que os volumes de porta / runner são tão importantes; os volumes de partes sucessivas do porto / corredor controlam o fluxo durante todos os períodos de transição. Ou seja, sempre que ocorre uma mudança no cilindro - seja positiva ou negativa - como quando o pistão atinge a velocidade máxima. Este ponto ocorre em pontos diferentes dependendo do comprimento da biela e do lance da manivela , e varia com a relação da biela (biela / curso). Para design automotivo normal, este ponto está quase sempre entre 69 e 79 graus ATDC, com relações de haste mais altas favorecendo a posição posterior. Só ocorre a 1/2 curso (90 graus) com uma biela de comprimento infinito.

A atividade de onda / fluxo em um motor real é muito mais complexa do que isso, mas o princípio é o mesmo.

À primeira vista, a viagem dessa onda pode parecer incrivelmente rápida e não muito significativa, mas alguns cálculos mostram que o oposto é verdadeiro. Em um duto de admissão em temperatura ambiente, a velocidade sônica é de cerca de 1.100 pés por segundo (340 m / s) e atravessa uma porta / corredor de 12 polegadas (300 mm) em 0,9 milissegundos. O motor que usa esse sistema, funcionando a 8.500 rpm, leva consideráveis 46 graus de manivela antes que qualquer sinal do cilindro possa chegar à extremidade do rotor (assumindo que não haja movimento do ar no rotor). 46 graus, durante os quais nada além do volume da porta / corrediça supre as demandas do cilindro. Isso não se aplica apenas ao sinal inicial, mas a toda e qualquer mudança na pressão ou vácuo desenvolvido no cilindro.

Usar um corredor mais curto para reduzir o atraso não é viável porque, no final do ciclo, o corredor longo agora continua a fluir em velocidade total, desconsiderando a pressão crescente no cilindro e fornecendo pressão ao cilindro quando ela é mais necessária. O comprimento do corredor também controla o tempo das ondas de retorno e não pode ser alterado. Um corredor mais curto fluiria mais cedo, mas também morreria mais cedo, enquanto retornava as ondas positivas muito rapidamente (sintonizado em um RPM mais alto) e essas ondas seriam mais fracas. A chave é encontrar o equilíbrio ideal de todos os fatores para os requisitos do motor.

Para complicar ainda mais o sistema, está o fato de que a cúpula do pistão, a fonte do sinal, se move continuamente. Primeiro movendo-se para baixo no cilindro, aumentando assim a distância que o sinal deve percorrer. Em seguida, movendo-se de volta no final do ciclo de admissão, quando a válvula ainda está aberta após o BDC . Os sinais vindos da cúpula do pistão, depois que o fluxo inicial do rotor foi estabelecido, devem lutar contra a corrente contra qualquer velocidade desenvolvida naquele instante, atrasando-a ainda mais. Os sinais desenvolvidos pelo pistão também não têm um caminho limpo até o rotor. Grandes porções dele ricocheteiam no resto da câmara de combustão e ressoam dentro do cilindro até que uma pressão média seja atingida. Além disso, as variações de temperatura devido às mudanças nas pressões e na absorção das peças quentes do motor causam mudanças na velocidade sônica local.

Quando a válvula se fecha, causa um acúmulo de gás, dando origem a uma forte onda positiva que deve viajar pelo canal. A atividade das ondas no porto / corredor não para, mas continua a reverberar por algum tempo. Quando a válvula abre em seguida, as ondas restantes influenciam o próximo ciclo.

Este gráfico mostra a pressão tomada da extremidade da válvula (linha azul) e da entrada do rotor (linha vermelha) de um motor com uma porta / rotor de 7 polegadas (180 mm) e funcionando a 4500 rpm. Destacadas estão duas ondas, uma onda de sucção e uma onda de fechamento da válvula, vistas e a extremidade da válvula e a entrada do corredor mostrando o atraso do sinal. Um atraso de cerca de 85 graus para a onda de sucção de pico versus cerca de 32 graus para a onda de pressão de pico. Uma diferença de cerca de 53 graus devido ao movimento da posição do gás e do pistão.

O gráfico acima mostra a pressão do duto de admissão acima de 720 graus de manivela de um motor com uma porta de admissão / corredor de 7 polegadas (180 mm) funcionando a 4500 rpm, que é seu pico de torque (próximo ao enchimento máximo do cilindro e BMEP para este motor) . Os dois traços de pressão são tirados da extremidade da válvula (azul) e da entrada do rotor (vermelho). A linha azul sobe acentuadamente quando a válvula de admissão fecha. Isso causa um acúmulo de ar, que se torna uma onda positiva refletida de volta pelo corredor e a linha vermelha mostra aquela onda chegando na entrada do corredor mais tarde. Observe como a onda de sucção durante o enchimento do cilindro é atrasada ainda mais por ter que lutar a montante contra o ar de entrada e o fato de que o pistão está mais abaixo no orifício, aumentando a distância.

O objetivo do ajuste é organizar os canais e o tempo da válvula de modo que haja uma onda de alta pressão na porta durante a abertura da válvula de admissão para fazer o fluxo fluir rapidamente e, em seguida, ter uma segunda onda de alta pressão chegar pouco antes do fechamento da válvula então o cilindro enche o máximo possível. A primeira onda é o que sobrou no corredor do ciclo anterior, enquanto a segunda é criada principalmente durante o ciclo atual pela onda de sucção mudando o sinal na entrada do corredor e chegando de volta na válvula a tempo para o fechamento da válvula. Os fatores envolvidos são freqüentemente contraditórios e requerem um ato de equilíbrio cuidadoso para funcionar. Quando funciona, é possível ver eficiências volumétricas de 140%, semelhantes às de um compressor decente , mas só ocorre em uma faixa de RPM limitada.

Portas e polimento

É popularmente considerado que o aumento das portas para o tamanho máximo possível e a aplicação de um acabamento espelhado é o que acarreta a porta. No entanto, não é assim. Algumas portas podem ser aumentadas para o tamanho máximo possível (de acordo com o mais alto nível de eficiência aerodinâmica), mas esses motores são unidades de alta velocidade altamente desenvolvidas, onde o tamanho real das portas se tornou uma restrição. Portas maiores fluem mais combustível / ar em RPMs mais altos, mas sacrificam o torque em RPMs mais baixos devido à velocidade mais baixa de combustível / ar. Um acabamento espelhado da porta não fornece o aumento que a intuição sugere. Na verdade, dentro dos sistemas de admissão, a superfície é normalmente texturizada deliberadamente com um grau de aspereza uniforme para encorajar o combustível depositado nas paredes da porta a evaporar rapidamente. Uma superfície áspera em áreas selecionadas da porta também pode alterar o fluxo ao energizar a camada limite , o que pode alterar o caminho do fluxo visivelmente, possivelmente aumentando o fluxo. Isso é semelhante ao que as covinhas de uma bola de golfe fazem. O teste de bancada de fluxo mostra que a diferença entre uma porta de entrada com acabamento espelhado e uma porta de textura áspera é normalmente inferior a 1%. A diferença entre uma porta suave ao toque e uma superfície espelhada opticamente não é mensurável por meios comuns. As portas de exaustão podem ter acabamento liso devido ao fluxo de gás seco e no interesse de minimizar o acúmulo de subprodutos da exaustão. Um acabamento de 300 a 400 grit seguido por um polimento leve é ​​geralmente aceito como representante de um acabamento quase ideal para portas de gases de escape.

A razão pela qual as portas polidas não são vantajosas do ponto de vista do fluxo é que na interface entre a parede metálica e o ar, a velocidade do ar é zero (ver camada limite e fluxo laminar ). Isso se deve à ação umectante do ar e, na verdade, de todos os fluidos. A primeira camada de moléculas adere à parede e não se move significativamente. O resto do campo de fluxo deve passar por cisalhamento, o que desenvolve um perfil de velocidade (ou gradiente) através do duto. Para que a rugosidade da superfície tenha um impacto significativo no fluxo, os pontos altos devem ser altos o suficiente para se projetar no ar que se move mais rápido em direção ao centro. Apenas uma superfície muito rugosa faz isso.

Um perfil de velocidade desenvolvido em um duto que mostra por que as superfícies polidas têm pouco efeito no fluxo. A velocidade do ar na interface da parede é zero, independentemente de quão suave seja.

Porting de dois tempos

Além de todas as considerações dadas a uma porta do motor de quatro tempos, as portas do motor de dois tempos têm outras adicionais:

  • Qualidade / pureza de eliminação: As portas são responsáveis ​​por varrer o máximo possível de exaustão do cilindro e recarregá-lo com o máximo de mistura fresca possível, sem que uma grande quantidade da mistura fresca também saia pela exaustão. Isso exige uma sincronização cuidadosa e sutil e direcionamento de todas as portas de transferência.
  • Largura da banda de potência: Como os dois tempos são muito dependentes da dinâmica da onda, suas bandas de potência tendem a ser estreitas. Enquanto luta para obter a potência máxima, deve-se sempre tomar cuidado para garantir que o perfil de potência não fique muito nítido e difícil de controlar.
  • Área de tempo: a duração da porta de dois tempos geralmente é expressa como uma função de tempo / área. Isso integra a área de porta aberta em constante mudança com a duração. Portas mais largas aumentam o tempo / área sem aumentar a duração, enquanto as portas mais altas aumentam ambos.
  • Sincronização: Além da área de tempo, a relação entre todas as temporizações do porto determina fortemente as características de potência do motor.
  • Considerações sobre a dinâmica da onda: embora os quatro tempos tenham esse problema, os dois tempos dependem muito mais da ação das ondas nos sistemas de admissão e escapamento. O design da porta de dois tempos tem fortes efeitos no tempo e na força da onda.
  • Fluxo de calor: O fluxo de calor no motor depende muito do layout de portas. As passagens de resfriamento devem ser roteadas em torno das portas. Todo esforço deve ser feito para evitar que a carga de entrada aqueça, mas, ao mesmo tempo, muitas peças são resfriadas principalmente pela mistura de ar / combustível que entra. Quando as portas ocupam muito espaço na parede do cilindro, a capacidade do pistão de transferir seu calor através das paredes para o refrigerante é prejudicada. À medida que as portas se tornam mais radicais, algumas áreas do cilindro ficam mais finas, o que pode superaquecer.
  • Durabilidade do anel do pistão: Um anel do pistão deve deslizar na parede do cilindro suavemente com bom contato para evitar estresse mecânico e auxiliar no resfriamento do pistão. Em projetos de portas radicais, o anel tem contato mínimo na área do curso inferior, que pode sofrer desgaste extra. Os choques mecânicos induzidos durante a transição do contato parcial para o cilindro cheio podem encurtar consideravelmente a vida útil do anel. Portas muito largas permitem que o anel salte para fora da porta, agravando o problema.
  • Durabilidade da saia do pistão: O pistão também deve entrar em contato com a parede para fins de resfriamento, mas também deve transferir o impulso lateral do curso de potência. As portas devem ser projetadas de forma que o pistão possa transferir essas forças e calor para a parede do cilindro, minimizando a flexão e o choque no pistão.
  • Configuração do motor: a configuração do motor pode ser influenciada pelo design da porta. Este é principalmente um fator em motores multicilindros. A largura do motor pode ser excessiva até mesmo para motores de dois cilindros de determinados projetos. Motores de válvula de disco giratório com amplas transferências de varredura podem ser tão largos a ponto de serem impraticáveis ​​como um gêmeo paralelo. Os projetos de motor V-twin e anterior e posterior são usados ​​para controlar a largura total.
  • Distorção do cilindro: a capacidade de vedação do motor, a vida útil do cilindro, do pistão e do anel do pistão dependem do contato confiável entre o cilindro e o pistão / anel do pistão, portanto, qualquer distorção do cilindro reduz a potência e a vida útil do motor. Essa distorção pode ser causada por aquecimento desigual, fraqueza local do cilindro ou tensões mecânicas. As portas de exaustão que têm passagens longas na fundição do cilindro conduzem grandes quantidades de calor para um lado do cilindro, enquanto do outro lado a entrada de refrigeração pode estar resfriando o lado oposto. A distorção térmica resultante da expansão desigual reduz tanto a potência quanto a durabilidade, embora um projeto cuidadoso possa minimizar o problema.
  • Turbulência de combustão: A turbulência que permanece no cilindro após a transferência persiste na fase de combustão para ajudar na velocidade de queima. Infelizmente, um bom fluxo de eliminação é mais lento e menos turbulento.

Métodos

O moinho de matriz é o estoque no comércio do carregador cabeça e são usados com uma variedade de fresas de metal duro, mós e cartuchos de abrasivos. As formas complexas e sensíveis exigidas no porte requerem um bom grau de habilidade artística com uma ferramenta manual.

Até recentemente, a usinagem CNC era usada apenas para fornecer a forma básica da porta, mas o acabamento manual ainda era necessário porque algumas áreas da porta não eram acessíveis a uma ferramenta CNC. Novos desenvolvimentos em usinagem CNC agora permitem que este processo seja totalmente automatizado com a ajuda de software CAD / CAM. Os controles CNC de 5 eixos usando acessórios especializados, como mesas rotativas inclináveis, permitem que a ferramenta de corte tenha acesso total a toda a porta. A combinação do software CNC e CAM oferece ao porteiro controle total sobre a forma da porta e o acabamento da superfície.

A medição do interior das portas é difícil, mas deve ser feita com precisão. Os gabaritos de chapa metálica são feitos, tomando a forma de uma porta experimental, tanto para a forma transversal como longitudinal. Inseridos na porta, esses modelos são usados ​​como um guia para moldar a porta final. Mesmo um pequeno erro pode causar uma perda de fluxo, portanto, a medição deve ser o mais precisa possível. A confirmação da forma final da porta e a replicação automatizada da porta agora são feitas por digitalização. A digitalização é quando uma sonda varre toda a forma da porta, coletando dados que podem ser usados ​​por máquinas-ferramentas CNC e programas de software CAD / CAM para modelar e cortar a forma de porta desejada. Esse processo de replicação geralmente produz portas que fluem dentro de 1% uma da outra. Esse tipo de precisão, repetibilidade e tempo nunca antes foi possível. O que costumava levar dezoito horas ou mais agora leva menos de três.

Resumo

A aerodinâmica interna envolvida na portabilidade é contra-intuitiva e complexa. A otimização bem-sucedida das portas requer uma bancada de fluxo de ar , um conhecimento profundo dos princípios envolvidos e um software de simulação de motor.

Embora uma grande parte do conhecimento de portabilidade tenha sido acumulada por indivíduos usando métodos de "cortar e tentar" ao longo do tempo, as ferramentas e o conhecimento agora existem para desenvolver um projeto de portabilidade com certa certeza.

Referências

links externos