실린더 헤드 이식

Cylinder head porting

실린더 헤드 포팅은 내연기관의 흡기 및 배기 포트를 변경하여 공기 흐름을 개선하는 과정을 말합니다.실린더 헤드는 제조 시 내구성을 최대화하도록 설계되었기 때문에 일반적으로 레이싱 용도에 적합하지 않습니다.포트는 최대 전력, 최소 연료 소비 또는 두 가지 조합을 위해 변경할 수 있으며, 특정 용도에 맞게 전력 공급 특성을 변경할 수 있습니다.

공기를 다루다

공기에 대한 인간의 일상적인 경험은 공기가 가볍고 우리가 공기를 천천히 통과할 때 거의 존재하지 않는다는 인상을 준다.하지만 고속으로 작동하는 엔진은 전혀 다른 물질을 경험합니다.이러한 맥락에서 공기는 두껍고 끈적끈적하고 탄력적이며 끈적하며 무겁다고 생각할 수 있으며(점성 참조), 헤드 포팅은 이를 완화하는데 도움이 됩니다.

포트 변경

공기 흐름 벤치를 사용한 테스트를 통해 개조가 결정되면 다이 그라인더 또는 수치 제어식 밀링 머신을 사용하여 원래 포트 월 재료를 재형성할 수 있습니다.주요 변경의 경우 포트를 용접하거나 이와 유사하게 구축하여 존재하지 않는 재료를 추가해야 합니다.

변경 전후의 포트.설명용으로 과장되어 있습니다.포트 플로우를 개선하기 위한 일반적인 생각은 직선 파이프와 완만한 곡선이 더 많은 피크 전력을 제공한다는 것입니다.이러한 유형의 수정은 일반적으로 "하강 흘수 각도 증가"라고 하며, 엔진 베이의 높이, 모주조의 재료 양 또는 더 긴 밸브 스템을 수용하기 위한 밸브 기어의 위치 조정과 같은 기계적 제약에 의해 제한됩니다.
Formula 2000 레이싱에 사용되는 Ford의 2리터 헤드 포트 금형입니다.오른쪽에 흡기 포트가 있는 상태로 제조된 상태로 표시되어 있습니다.

위에 표시된 헤드를 장착한 Ford의 2리터 F2000 엔진은 136psi의 BMP에 5500rpm으로 115마력의 출력을 낼 수 있었다.

고도로 개발된 500입방인치 애프터마켓 프로 스톡 레이싱 헤드의 포트 몰드.포트, 특히 왼쪽에 있는 배기 포트의 높이와 직선도에 유의하십시오.이 디자인은 경주용 개조용으로 제작된 실린더 헤드 캐스팅을 기반으로 합니다.헤드에는 운반 전문가가 추가 금속에 용접할 필요 없이 필요에 따라 모양을 만들 수 있는 충분한 재질의 작은 포트가 제공됩니다.

이 애프터마켓 프로스톡 레이싱 헤드는 BMEP 238psi의 9500rpm으로 1300마력을 발휘하는 엔진에 사용되었습니다.BMEP 238은 자연 흡기 가스 연소 엔진의 한계에 가깝습니다.자연 흡기 포뮬러 원 엔진은 일반적으로 220psi의 BMEP 값을 달성했습니다.캠 프로파일, 엔진 RPM, 엔진 높이 제약 및 기타 제한 사항도 포드 장치와의 엔진 출력 차이에 기여하지만 포트 설계의 차이가 주요 요인입니다.

포트 컴포넌트

포트의 일부와 그 용어

파동역학

이 매우 단순화된 애니메이션은 흡기 시스템에서 공기가 파도로 어떻게 흐르는지 보여줍니다.녹색 "밸브"가 열리고 닫힙니다.

밸브가 열리면 공기가 유입되지 않고 그 아래의 저압부로 감압됩니다.이동 장애 경계 상류의 모든 공기는 완전히 격리되어 하류 쪽에서 일어나는 일에 영향을 받지 않습니다.파도가 끝까지 올 때까지 주자 입구의 공기는 움직이지 않습니다.그래야 주자 전체가 흐르기 시작한다.이때까지 일어날 수 있는 것은 러너의 부피를 채운 높은 압력의 가스가 저압 영역으로 감압 또는 팽창하여 러너 위로 올라가는 것입니다(저압파가 러너의 개방단에 도달하면, 밀려오는 공기는 러너를 향해 고압파를 강제합니다). 이 애니메이션에는 표시되지 않습니다.)

반대로 밸브의 닫힘은 러너 입구에서 흐름을 즉시 중단하지 않으며, 밸브의 닫힘 신호가 도달할 때까지 전혀 영향을 받지 않고 계속됩니다.폐쇄 밸브는 정파로서 러너를 위로 이동하는 압력을 증가시킵니다.러너 입구는 최대 속도로 계속 흐르며 신호가 입구에 도달할 때까지 압력이 상승합니다.이 매우 큰 압력 상승은 아래 그래프에서 볼 수 있으며, 대기압보다 훨씬 높게 상승합니다.

이른바 '램 튜닝'을 가능하게 하는 것은 이 현상으로, 튜닝된 흡기 및 배기 시스템에 의해 '튜닝'되고 있습니다.배관공들에게 잘 알려진 물망치 효과와 같은 원리입니다.신호가 이동할 수 있는 속도는 러너 내의 음속입니다.

따라서 포트/러너 볼륨이 매우 중요합니다.포트/러너의 연속되는 부분의 볼륨은 모든 이행 기간의 흐름을 제어합니다.즉, 피스톤이 최대 속도에 도달했을 때와 같이 실린더에 양 또는 음의 변화가 발생할 때마다 발생합니다.이 지점은 커넥팅 로드의 길이와 크랭크 던짐에 따라 다른 지점에서 발생하며 커넥팅 로드 비율(로드/스트로크)에 따라 달라집니다.일반적인 자동차 설계의 경우 이 지점은 거의 항상 69도에서 79도 사이의 ATDC이며, 로드비가 높을수록 나중 위치가 선호됩니다.무한 길이의 커넥팅 로드와 함께 1/2 스트로크(90도)에서만 발생합니다.

실제 엔진의 파동/흐름 활동은 이보다 훨씬 복잡하지만 원리는 동일합니다.

얼핏 보면 이 파도의 이동은 눈부시게 빠르고 그다지 중요하지 않은 것처럼 보일 수 있지만, 몇몇 계산은 그 반대가 사실임을 보여준다.실온의 흡기 러너에서는 음속이 약 1,100피트/초(340m/s)이며 12인치(300mm) 포트/러너를 0.9밀리초 만에 통과합니다.이 시스템을 사용하는 엔진은 8500rpm으로 작동하며, 실린더의 신호가 러너 엔드에 도달하기 전에 상당한 46도의 크랭크를 필요로 합니다(러너 내 공기의 움직임이 없다고 가정).46도. 포트/러너의 부피만 실린더의 요구를 충족시킵니다.이는 초기 신호뿐만 아니라 실린더에서 발생하는 압력 또는 진공의 모든 변화에도 적용됩니다.

사이클이 끝나면 롱 러너는 실린더의 상승 압력을 무시하고 가장 필요할 때 실린더에 압력을 공급하므로 지연을 줄이기 위해 더 짧은 러너를 사용하는 것은 불가능합니다.러너 길이는 또한 돌아오는 파도의 타이밍을 제어하며 변경할 수 없습니다.키가 작은 주자는 더 빨리 흐르지만 양의 파동을 너무 빨리(더 높은 RPM으로 조정) 되돌리는 동안 더 일찍 죽습니다. 그리고 이러한 파동은 더 약해집니다.핵심은 엔진 요구 사항에 맞는 모든 요소의 최적의 균형을 찾는 것입니다.

이 시스템을 더욱 복잡하게 만드는 것은 신호원인 피스톤 돔이 지속적으로 움직인다는 사실이다.먼저 실린더 아래로 이동하여 신호가 전달되어야 하는 거리를 늘립니다.그런 다음 밸브가 BDC를 지나 여전히 열려 있을 때 흡기 사이클이 끝날 때 다시 위로 이동합니다.최초 러너 흐름이 확립된 후 피스톤 돔에서 오는 신호는 그 순간 생성된 속도에 대해 상류에서 싸워야 하며, 더 지연됩니다.피스톤에 의해 생성된 신호도 러너 위로 가는 깨끗한 경로를 가지고 있지 않습니다.그 중 많은 부분이 연소실의 나머지 부분에서 튕겨져 나와 평균 압력에 도달할 때까지 실린더 내부에서 공명합니다.또한 고온 엔진 부품으로부터의 흡수와 압력 변화에 따른 온도 변화는 국소 음속의 변화를 일으킵니다.

밸브가 닫히면 가스가 쌓여 강한 양의 파동이 발생하여 러너 위로 이동해야 합니다.포트/러너의 파형 액티비티는 정지하지 않고 한동안 반향이 계속됩니다.다음에 밸브가 열리면 남은 파동이 다음 사이클에 영향을 미칩니다.

이 그래프는 7인치(180mm) 포트/러너가 있고 4500rpm으로 작동하는 엔진의 밸브 엔드(파란색 라인)와 러너 입구(빨간색 라인)에서 측정된 압력을 보여줍니다.강조 표시된 것은 흡입파와 밸브 폐쇄파라는 두 가지 파형과 신호 지연을 나타내는 밸브 엔드 및 러너 입구입니다.피크 흡입파의 경우 약 85도의 지연과 피크 압력파의 경우 약 32도의 지연입니다.가스 및 피스톤 위치의 이동으로 인해 약 53도의 차이가 발생합니다.

위 그래프는 7인치(180mm) 흡기 포트/러너가 토크 피크인 4500rpm으로 작동하는 엔진의 720도 이상의 흡기 러너 압력을 보여 줍니다(이 엔진의 최대 실린더 주입 및 BMEP에 근접함).2개의 압력 트레이스는 밸브 엔드(파란색)와 러너 입구(빨간색)에서 가져옵니다.흡기 밸브가 닫히면서 파란색 선이 급격히 상승합니다.이로 인해 공기가 차오르게 되고, 이는 주자를 뒤로 반사하는 양의 파동이 되며, 빨간색 선은 주자의 입구에 나중에 도달하는 파동을 나타냅니다.실린더 충전 중 흡입파가 더 지연되는 이유는 유입 공기와 피스톤이 보어 아래쪽으로 더 내려가서 거리가 증가하기 때문입니다.

튜닝의 목적은 흡기 밸브 개방 시 포트에 고압파가 발생하도록 러너와 밸브 타이밍을 배치하여 흐름이 빠르게 진행되도록 한 다음 밸브 폐쇄 직전에 두 번째 고압파가 도달하여 실린더가 최대한 채워지도록 하는 것입니다.첫 번째 파형은 이전 사이클에서 러너에 남아 있는 파형이며, 두 번째 파형은 주로 러너 입구에 있는 흡인파 변경 표지에 의해 현재 사이클 중에 생성되며 밸브 닫힘 시간에 맞춰 밸브에 다시 도착합니다.관련된 요소들은 종종 모순되며, 작동하기 위해서는 신중한 균형 잡힌 행동이 필요합니다.작동하면 적당한 슈퍼차저와 유사한 140%의 체적 효율을 볼 수 있지만 제한된 RPM 범위에서만 발생합니다.

포팅 및 광내기

일반적으로 포트를 가능한 최대 크기로 확장하고 미러 피니시를 적용하는 것이 포팅의 목적이라고 알려져 있습니다.하지만 그렇지 않다.일부 포트는 가능한 최대 크기로 확장할 수 있지만(공기역학적 효율이 가장 높은 수준에 맞춰), 이러한 엔진은 고도로 개발된 초고속 장치로 포트의 실제 크기가 제한되었습니다.포트가 클수록 RPM이 높을수록 연료/공기가 더 많이 흐르지만 RPM이 낮을 때는 연료/공기 속도가 낮기 때문에 토크가 감소합니다.포트의 미러 피니시에서는 직관적으로 알 수 있듯이 증가하지 않습니다.실제로 흡기 시스템 내에서는 좌현 벽에 쌓인 연료가 빠르게 증발하도록 하기 위해 표면이 일반적으로 일정한 거칠기로 텍스처링됩니다.또한 포트의 일부 영역상의 거친 표면은 경계층에 통전함으로써 흐름을 변경할 수 있으며, 이로 인해 흐름 경로가 현저하게 변경되어 흐름이 증가할 수 있습니다.이것은 골프공의 보조개가 하는 것과 비슷하다.플로우 벤치 테스트에서는 미러 마감 흡기 포트와 거친 텍스처 포트의 차이가 일반적으로 1% 미만임을 알 수 있습니다.터치하기 쉬운 포트와 광학 미러 표면의 차이는 일반적인 방법으로는 측정할 수 없습니다.배기 포트는 건조한 가스 흐름과 배기 부산물 축적을 최소화하기 위해 매끄럽게 마무리될 수 있습니다.일반적으로 300~400그릿의 마감 후 가벼운 버프를 사용하는 것이 배기가스 포트의 거의 최적의 마감으로 받아들여집니다.

흐름의 관점에서 광택포트가 유리하지 않은 이유는 금속벽과 공기 사이의 인터페이스에서는 공기 속도가 0이기 때문입니다(경계층과 층류 참조).이는 공기와 실제로 모든 유체의 습윤 작용 때문입니다.분자의 첫 번째 층은 벽에 달라붙어 크게 움직이지 않는다.흐름장의 나머지 부분은 덕트를 가로지르는 속도 프로파일(또는 경사)이 형성되는 전단 통과해야 합니다.표면 거칠기가 흐름에 현저하게 영향을 미치려면 높은 부분이 중앙을 향해 빠르게 이동하는 공기로 돌출될 수 있을 정도로 높아야 합니다.아주 거친 표면만이 이것을 한다.

덕트에서 개발된 속도 프로파일. 연마된 표면이 흐름에 거의 영향을 미치지 않는 이유를 보여줍니다.얼마나 부드러운지에 관계없이 벽면에서의 공기 속도는 0입니다.

2 스트로크 포팅

2 스트로크 엔진포트에는 4 스트로크 엔진포트에 관한 모든 고려사항과 더불어 다음과 같은 추가 고려사항이 있습니다.

  • 청소 품질/순도:포트는 실린더에서 가능한 한 많은 배기가스를 쓸어내고 많은 양의 신선한 혼합물이 배기 밖으로 배출되지 않고 가능한 한 많은 신선한 혼합물로 보충하는 역할을 합니다.이 작업에는 모든 전송 포트의 타이밍과 조준이 신중하고 세심하게 필요합니다.
  • 파워밴드 폭: 2 스트로크는 파동역학에 매우 의존하기 때문에 파워밴드가 좁은 경향이 있습니다.전력을 최대한으로 소비하기 위해 노력하고 있을 때는, 전원 프로파일이 너무 날카로워져 제어하기 어려운 상태가 되지 않도록 항상 주의를 기울여야 합니다.
  • 시간 영역:2 스트로크 포트 지속 시간은 시간/면적 함수로 표현되는 경우가 많습니다.이것에 의해, 계속 변화하는 오픈 포토 에리어가 기간과 통합됩니다.포트가 넓을수록 지속시간이 늘어나지 않고 시간/영역이 증가하며 포트가 높을수록 둘 다 증가합니다.
  • 타이밍: 시간 영역 외에 모든 포트 타이밍 간의 관계에 따라 엔진의 전력 특성이 크게 결정됩니다.
  • Wave Dynamic 고려사항:4 스트로크에는 이러한 문제가 있지만, 2 스트로크는 흡기 및 배기 시스템의 파동 작용에 훨씬 더 많이 의존합니다.2 스트로크 포트의 디자인은 웨이브 타이밍과 강도에 강한 영향을 미칩니다.
  • 열 흐름:엔진의 열 흐름은 포팅 레이아웃에 따라 크게 달라집니다.냉각 통로는 포트 주위에 배치해야 합니다.유입되는 전하가 가열되지 않도록 모든 노력을 기울여야 하지만, 동시에 많은 부품은 주로 유입되는 연료/공기 혼합물에 의해 냉각됩니다.포트가 실린더 벽에서 너무 많은 공간을 차지하면 피스톤이 벽을 통해 냉각수로 열을 전달하는 기능이 저하됩니다.포트가 급진적으로 변하면 실린더의 일부 영역이 얇아져 과열될 수 있습니다.
  • 피스톤 링 내구성:피스톤 링은 기계적 응력을 피하고 피스톤 냉각에 도움이 되도록 실린더 벽면을 잘 접촉시켜 부드럽게 주행해야 합니다.래디컬 포트 설계에서는 링이 하부 스트로크 영역에서 접촉이 최소화되어 추가 마모가 발생할 수 있습니다.부분 실린더 접점에서 전체 실린더 접점으로 전환하는 동안 발생하는 기계적 충격으로 인해 링의 수명이 상당히 단축될 수 있습니다.포토가 매우 넓으면, 링이 포토에 돌출해, 문제가 악화합니다.
  • 피스톤 스커트 내구성:피스톤은 냉각을 위해 벽면에 접촉해야 하지만 파워 스트로크의 측면 추력을 전달해야 합니다.포트는 피스톤이 이러한 힘과 열을 실린더 벽으로 전달하면서 피스톤에 대한 굴곡과 충격을 최소화하도록 설계해야 합니다.
  • 엔진 구성:엔진 구성은 포트 설계에 따라 달라질 수 있습니다.이는 주로 다기통 엔진의 한 요인입니다.엔진 폭은 특정 설계의 두 기통 엔진이라도 과도할 수 있습니다.넓은 스위프 이송을 가진 회전식 디스크 밸브 엔진은 병렬 트윈처럼 실용적이지 않을 정도로 넓을 수 있습니다.V-트윈 및 전후 엔진 설계는 전폭을 제어하는 데 사용됩니다.
  • 실린더 변형:엔진 씰링 능력, 실린더, 피스톤 및 피스톤 링 수명은 모두 실린더와 피스톤/피스톤 링 사이의 신뢰할 수 있는 접촉에 따라 달라지므로 실린더 왜곡으로 인해 출력 및 엔진 수명이 줄어듭니다.이 왜곡은 고르지 않은 가열, 국소 실린더 약점 또는 기계적 응력에 의해 발생할 수 있습니다.실린더 주조물에 긴 통로가 있는 배기 포트는 실린더의 한쪽에 많은 양의 열을 전달하는 반면, 다른 쪽에는 차가운 흡입구가 반대쪽을 냉각시킬 수 있습니다.고르지 않은 팽창으로 인한 열 왜곡으로 인해 전력과 내구성이 모두 저하되지만 신중한 설계로 문제를 최소화할 수 있습니다.
  • 연소 난류:이송 후 실린더에 남아 있는 난류는 연소 단계로 지속되어 연소 속도를 높입니다.유감스럽게도 양호한 청소 흐름은 느리고 난류가 적습니다.

방법들

다이 그라인더는 헤드 포터(head porter)의 재고로 다양한 카바이드 커터, 그라인딩 휠 및 연마 카트리지와 함께 사용됩니다.운반에 필요한 복잡하고 민감한 모양은 수공구에 대한 상당한 예술적 기술이 필요합니다.

최근까지 CNC 가공은 포트의 기본 형상을 제공하는 데만 사용되었지만, 포트의 일부 영역에는 CNC 툴이 접근할 수 없기 때문에 일반적으로 수작업이 필요했습니다.CNC 가공의 새로운 발전으로 CAD/CAM 소프트웨어의 도움으로 이 프로세스를 완전히 자동화할 수 있게 되었습니다. 5축 CNC 제어는 회전 테이블 기울기 등의 특수 고정 장치를 사용하여 절단 도구를 포트 전체에 완전히 액세스할 수 있게 되었습니다.CNC와 CAM 소프트웨어를 조합하여 포트의 모양과 표면 마무리를 완전히 제어할 수 있습니다.

포트 내부 측정은 어렵지만 정확하게 수행해야 합니다.판금 템플릿은 단면 형상과 세로 형상이 모두 실험 포트에서 형상을 취하여 구성됩니다.이러한 템플릿은 포트에 삽입되어 최종 포트를 쉐이핑하기 위한 가이드로 사용됩니다.약간의 오차가 있어도 흐름 손실이 발생할 수 있으므로 측정이 가능한 한 정확해야 합니다.이것으로 포토의 최종 쉐이핑과 자동 리플리케이션의 확인은 디지타이징을 사용해 행해집니다.디지타이징은 프로브가 포트의 전체 형상을 스캔하여 데이터를 수집함으로써 CNC 공작기계 및 CAD/CAM 소프트웨어 프로그램에서 원하는 포트 모양을 모델링 및 절단할 수 있습니다.이 레플리케이션프로세스에서는, 통상, 포토가 서로 1%내로 흐릅니다.이런 종류의 정확성, 반복성, 시간은 전에 없이 가능했습니다.18시간 이상 걸리던 것이 이제는 3시간도 안 걸린다.

요약

휴대와 관련된 내부 공기역학은 직관에 반하고 복잡합니다.포트를 성공적으로 최적화하려면 공기 흐름 벤치, 관련된 원리에 대한 자세한 지식 및 엔진 시뮬레이션 소프트웨어가 필요합니다.

장기간에 걸쳐 개인이 「컷 앤 트라이」를 사용해 축적한 지식은 상당 부분이지만, 툴과 지식은 어느 정도의 확실성을 가지는 이식 설계를 개발하기 위해서 존재하고 있습니다.

레퍼런스

외부 링크