2019
26/06
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# Tech Topic:進階引擎工程學 – 活塞速度、連桿角度、各項增加的位移解釋

Category:Tips Info / by TAG Engineering

編修、相關技術資料原文翻譯 TAG Engineering. 圖 Wiseco, K1 未經同意請勿轉載。

前言.-

過去,我們一直強調衝程與連桿長度搭配的重要性。任何引擎改裝技師必須要清楚了解並且注意以下幾點,切勿單純為了拉長衝程後屈就活塞位置而捨棄連桿或是其他相關組件的合理配置。

這些進階的引擎工程技術資料來自於正規的引擎工程學校以及車隊講師、內文由我們直接將講義文件中文翻譯並且修飾、希望有興趣的讀者對於引擎工程能有簡易且有效的基礎了解。如有任何疑問歡迎透過留言或是我們官方社團提出討論。


第一章:(平均活塞速度)

深入了解曲軸行程及其對平均活塞速度,慣性的影響,以及控制引擎內部工作時的巨大破壞力。

各家車廠的引擎建造技師長期透過計算其引擎的平均活塞速度,以幫助確定可能的動力損失和轉速風險限制。當使用長行程曲軸衝程增加總排量時,這種數據計算尤其重要,因為與在相同轉速下運行的標準行程相比,平均活塞速度將會大幅度增加。大部分情況下、對於引擎改裝並不能一昧單純增加衝程這麼簡單。

但是如何讓引擎建造者更好地了解往復式組件的耐用性呢?

首先,我們先來看一段影片。

上面的影片顯示了兩個不同衝程的引擎,一個具有標準衝程的曲軸,另一個具有相當長衝程的曲軸。請注意,兩個活塞同時到達上死點和下死點,但較長衝程的引擎 (左) 活塞必須移動得更快。


關注平均活塞速度,看看慣性力對活塞的影響 – K1 Technologies 的研發主管 Dave Fussner 表示到。

讓我們首先回顧一下平均活塞速度的定義。它是活塞在給定時間內行進的有效距離,通常以英尺/分鐘 (fpm) 表示,以便進行比較。標準的數學公式是相當基礎的

平均活塞速度換算

  • 英制公式:( Stroke(inch.) * 2 * rpm ) / 12 = 單位為 fpm
  • 公制公式:2 * Stroke(mm) / 1000 * rpm / 60 = 單位為 m/s

備註:

  • stroke = 衝程
  • rpm = 引擎轉速/每分鐘

活塞的速度隨著從上死點 (TDC) 移動到下死點 (BDC) 並且在曲軸的一次旋轉週期返回到 TDC 而不斷變化。在 TDC 和 BDC,速度為 0 fpm,並且在下行程和上行程期間的某個時刻,它將在減速並返回到 0 fpm 之前加速到最大速度。

當活塞從 BDC 上升到 TDC 時,短暫停止,它完全停止。這給活塞梢帶來了巨大的壓力。如圖所示,這些常用的活塞梢提供了各種壁厚,以滿足所需的負載。


有一些特殊的公式來計算每個曲軸旋轉度數的活塞運行速度,但通常這些公式需要向原廠取得非常多相關數據以及零件信息。傳統上,它們會查看曲柄旋轉期間的平均或平均活塞速度,並且會計算出最大活塞運行速度。

平均活塞速度取自活塞在一次完整曲軸旋轉期間行進的總距離,並乘以發動機轉速。隨著轉速的增加,活塞速度也會明顯增加,並且隨著行程增加,活塞速度也會劇烈增加。讓我們看一個簡單的例子。

搭載 4 英寸 (101.6mm) 衝程的曲軸,當轉速為每分鐘 6,500 轉的大型雪佛蘭 BBC 平均活塞速度為 4,333 fpm。讓我們回顧一下用於計算此結果的公式。將衝程乘以 2,然後將該數字乘以轉速。這將為您提供活塞在一分鐘內行進的總英寸數。在這種情況下,公式為 4 (衝程)*2*6,500(RPM),等於 52,000 英寸。以 fpm (英尺/分鐘) 為單位讀取此值,並且除以 12.

套用完整的英制公式:(4*2*6,500)/12= 4,333 fpm

當衝程增加到 4.5 英寸(114.3mm )時,我們通過這個簡單的公式,計算結果如下。

(4.5*2*6,500)/12= 4,875 fpm

如您所見,即使目標運行轉速沒有任何變化,但是平均活塞速度也增加了近 13%,這意味著活塞相關組件的負擔也增加了 13%

減小活塞重量對於建構可以承受高轉速的組件起著巨大的作用。活塞看似微不足道的幾克重量差異隨著轉速呈指數放大。


第二章:(最大活塞速度)

同樣,這是活塞在整個行程中的平均速度。為了計算活塞在行程期間達到的最大速度,需要更多的微積分以及連桿長度和相對於曲軸位置的桿角度。目前有很多付費的教程提供商有線上換算工具可以直接計算任何搭配下曲軸旋轉時的精確活塞速度,但我們現在提供一個引擎製造商經常使用的基本公式,不需要連桿長度:

最大活塞速度換算

  • 英制公式:(fpm) = ( ( Stroke(inch.) * π ) / 12) * rpm
  • 公制公式:(m/s) = Stroke(mm) * π * rpm

備註:

  • stroke = 衝程長度
  • rpm = 引擎轉速/每分鐘

讓我們計算一下上訴例子中的最大活塞速度:

((4.5 *3.1416)/12)*6,500 = 7,658 fpm

通過將每分鍾英尺轉換為每小時英里數 (1英尺/分鐘 = 0.011364 英里/小時),該活塞在大約 2 英寸的範圍內從 0 加速到時速 87 英里,然後在 4.5 英寸深的圓柱體的剩餘空間內回到 0。現在考慮範例中雪佛蘭 BBC 活塞的重量約為 1.3 磅,你可以了解曲軸,連桿和活塞梢承受的巨大力量 – 這就是為什麼 Fussner 建議要注意慣性力的影響

“慣性是物質的特性,導致它抵抗其運動的任何變化,” Fussner 解釋說。 “這種物理原理在高性能應用的活塞設計中非常重要。”

當連桿加長時,隨著活塞改變方向,它提供更柔和的過渡偏擺。同時較長的連桿也降低了活塞的壓縮高度,並且可以幫助降低這些旋轉組件中承受的慣性力重量。


慣性力是質量乘以加速度的函數,並且這些力的大小隨著引擎速度的平方而增加。換句話說,如果你將引擎轉速從 3,000 轉增加到 6,000 轉,那麼作用在活塞上的慣性力不是加倍 – 而是會翻兩倍。

“一旦氣缸被啟動了,活塞及其相關部件就會持續運轉,” Fussner 提醒道。 “只有通過連桿的動作和曲軸的動量,活塞的運動才會被阻止並立即反轉 (往復)。”

連桿的角度 – 受連桿長度和引擎衝程所影響 – 活塞直到 TDC 前後約 76 度才達到其最大向上或向下速度,其精確位置取決於連桿長度到衝程比例 (Stoke rod ratio)。

像 K1 Technologies 這樣鍛造的 LS7  Stroker 曲軸是增加活塞衝程的好方法。然而,當衝程延長時,活塞必須在每次旋轉時加速更快以覆蓋汽缸壁的更大的掃掠區域。


第三章:(慣性力)

這意味著活塞有大約 152 度的曲軸旋轉,從最大速度下降到零,並在行程的上半部分回到最大速度。然後大約 208 度在下半部分經歷相同的順序。因此,向上的慣性力將會大於向下的慣性力。

如果你不考慮連桿,有一個計算主慣性力的公式:

0.0000142 x 活塞重量(lb)*轉速*轉速*衝程(in) = 主慣性力

公式中的活塞重量必須包括活塞環,活塞銷和活塞梢固定 C 扣。

讓我們看一個簡單的例子,一個行程為 3 英寸的單缸引擎 (與 283 ci 和 302 ci 雪佛蘭相同) 和一個以每分鐘 6,000 轉運行的 1 磅 (453.5g) 活塞組件:

0.0000142*1*6,000 *6,000*3 = 1,534 lbs

通過使用連桿長度和衝程的一些額外的公式計算,可以獲得其校正因子以提高慣性力結果的準確性。

曲軸半徑/連桿長度 = R/L 因子係數

“由於連桿的作用,停止和重新啟動活塞所需的力在 TDC 處達到最大值,” Fussner 說。 “連桿的作用是增加 TDC 的主力,並通過該 R/L 因子降低 BDC 的主力。”

對於這個例子,半徑是曲軸行程的一半 (1.5 英寸) 除以 6 英寸的連桿長度,得到的因子係數以及因子為 0.25 以及 383磅 (1,534*0.25 = 383)。該因子被添加到用於向上行程的原始慣性力並且在向下運動時被減去。

左右兩側的曲軸在它們各自的旋轉中處於同一點。但是,左側的活塞必須更快地行進,以便與右側的活塞同時到達上死點。


因此,TDC 的實際向上力量變為 1,917 磅,而 BDC 的實際向下力量變為 1,151 磅。“這些力與活塞組件的重量和行程與桿長度成正比地變化,並且它們也與引擎速度的平方成比例地變化。因此,這些數字可以作為基本數據,以便輕鬆估算任何其他尺寸引擎產生的慣性力。

順便說一下,範例中這款單缸發動機在每分鐘 6,000 轉時的平均活塞速度為每分鐘 3,000 英尺,最大活塞速度 (使用我們之前的公式) 為每分鐘 4,712 英尺。 

當你將衝程從 3 英寸增加到 3.25 英寸時會發生什麼?

首先,平均活塞速度增加到每分鐘 3,250英尺,最大活塞速度躍升至每分鐘 5,105英尺。然後主要慣性力量從 1,534 磅增加到 1,661 磅。在添加 0.27 (1.625÷6.000) 的新 R/L 因子時也會發生變化。 TDC 的實際向上力變為 2,109 磅,BDC 的實際向下力變為 1,213 磅。

這時,如果我們將 3.25 英寸行程的發動機轉速提高到每分鐘 7,000轉,所有其他細節保持不變,則主慣性力將會增加到 2,261 磅。然後應用 0.27 的 R/L 因子,實際向下的主慣性力量變為 1,651 磅。 TDC 的實際上升主慣性力為 2,871 磅。這時承受的主慣性力差不多一噸半!!

現在試著將範例更輕的活塞的影響。保持 3.25 英寸的衝程和 7,000 rpm,但減少重量的活塞重量為 340g (0.750 磅),那麼最大主慣性力將從 2,871 磅減少到 2,154 磅,這是一個 717 磅的減少差異。同樣的更輕的活塞配置,在 BDC 停止和重啟活塞需要 1,238 磅的力,減少了 413 磅。

因此,隨著每次完整的曲軸行程,引擎活塞組件的慣性力將減少 1,130 磅。 當然,這種慣性力的減小將應用於多缸引擎中的每個氣缸。運行每分鐘 7,000 轉的引擎每個活塞將從停止到重新運作 14,000 次

當活塞在排氣衝程中達到上死點時,它們沒有壓縮產生的緩衝力以幫助減慢它的速度。相反,連桿完全承受拉動其活塞梢的主慣性力並試圖破壞其結構。優異的高品質連桿對於高壓縮、高馬力、高轉速的引擎至關重要。


平均和最大活塞速度仍然是任何引擎製造商進入成熟開發階段的有效計算公式。你應該注意平均活塞速度超過 5,000 fpm 的配置,並迅速重新考慮零件規格的搭配以及選擇。過高的活塞速度會導致氣缸壁的潤滑不一致,並且在某些情況下,活塞在燃燒過程中實際上會比尖端火焰加速得更快。前者可能會導致或是加速零件損壞,而後者卻會失去實際的有效動力。

總結

我們知道多年來各大車廠皆使用平均活塞速度這種常見的度量基準來驗證引擎運作時活塞的結構完整性以及危險區。就像跳傘教練告訴他的學生:造成傷害的不是墜落的速度,而是突然停止。活塞也是如此,因此、除了關注平均活塞速度,還必須考慮主慣性力對活塞的影響,以及我們可以做些什麼來降低這種主慣性力。如果這是無法改變的配置,那麼請確保使用的零件必須足夠強大,以承受建構時的目標需求。

雖然增加連桿長會通過改變上述 R/L 因子比率來緩和主慣性力載荷,但也不會降低平均活塞速度。因為只要衝程不改變,無論連桿長度如何搭配,活塞仍必須在曲軸旋轉一圈中行駛相同的距離。速度是單位時間行駛的距離。

關於活塞速度的最終說明 – 不久前 2,500 fpm 被認為是活塞速度的保守上限。其中重要的是平均活塞速度也需要考慮其他引擎零件的品質以及強度,例如連桿和曲軸的製造方式以及材料。在早期,大多數原廠配置給引擎的是鑄鐵的曲軸、鑄造連桿以及鑄造活塞,這些零件與並不像新世代車款或是熱門的改裝鍛造零件強大。

因此,正確且安全的引擎配置規劃必須符合合理的衝程、連桿長度以及衝程連桿比、並且增加這些零件的強度,使的平均活塞速度可以提昇到安全規範的一倍以上,達到 5,000 fpm 或更多。另一個可變因素是使用方式以及目的,例如引擎是在活塞高速下長時間運轉,還是快速向下阻力的高負載區間運行?在高活塞速度下縮短曝光時間可提高整體引擎運作的可靠性。另外,高強度與低強度零件相比,堅固且重量較輕的零件能夠承受更高的活塞速度。

編修、相關技術資料原文翻譯 TAG Engineering. 圖 Wiseco, K1 未經同意請勿轉載。

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