シリンダーヘッドポート

シリンダー ヘッドのポート加工とは、内燃機関の吸気ポートと排気ポートを改造して空気の流れを改善するプロセスを指します。シリンダー ヘッドは、製造された状態では、最大限の耐久性を実現するように設計されているため、通常はレース用途には最適ではありません。ポートは、最大出力、最小燃料消費、またはその両方を実現するために改造することができ、特定の用途に合わせて出力特性を変更できます。

エアフローベンチによるテストで変更が決定された場合、元のポート壁の材料は、手作業でダイグラインダーまたは数値制御 フライス盤を使用して再形成できます。 大規模な変更の場合は、ポートを溶接するか、同様の方法で構築して、存在しない場所に材料を追加する必要があります。

上記のヘッドを装備した標準仕様のフォード 2 リッターF2000エンジンは、5500 rpm で 115 馬力、 BMEP 136 psiを供給できました。

このアフターマーケットの Pro Stockレーシング ヘッドは、9500 rpm で 1300 馬力、 BMEP 238 psi のエンジンに使用されました。BMEP 238 は、自然吸気ガス燃焼エンジンの限界に近い値です。自然吸気のフォーミュラ 1 エンジンは、通常 220 psi の BMEP 値を達成しました。カム プロファイル、エンジンRPM、エンジンの高さの制約、その他の制限も、Ford ユニットのエンジン出力の違いに影響しますが、ポート設計の違いが大きな要因です。

バルブが開くと、空気は流入せず、その下の低圧領域に減圧されます。移動する擾乱境界の上流側にある空気はすべて完全に隔離されており、下流側で何が起こっても影響を受けません。ランナー入口の空気は、波が最後まで到達するまで動きません。ランナー全体が流れ始めるのは、そのときだけです。その時点まで、ランナーの容積を満たしている高圧ガスが減圧または膨張して低圧領域に入り、ランナーを上っていくことしか起こりません。(低圧波がランナーの開放端に到達すると、符号が反転し、押し寄せる空気によって高圧波がランナーを下ります。このアニメーションには表示されていません。)

逆に、バルブが閉じてもランナー入口での流れはすぐには止まりません。バルブが閉じたという信号がランナー入口に届くまで、流れはまったく影響を受けません。バルブが閉じると圧力が高まり、それが正の波としてランナーを伝わります。ランナー入口はフルスピードで流れ続け、信号が入口に届くまで圧力が上昇します。この非常に大きな圧力上昇は下のグラフで確認できますが、大気圧をはるかに超える値まで上昇しています。

この現象により、いわゆる「ラム チューニング」が可能になり、チューニングされた吸排気システムによって「チューニング」されます。原理は、配管工によく知られているウォーター ハンマー効果と同じです。信号が伝わる速度は、ランナー内の 音速です。

これがポート/ランナーの容積が非常に重要である理由です。ポート/ランナーの連続した部分の容積が、すべての遷移期間中の流量を制御します。つまり、ピストンが最大速度に達したときなど、シリンダー内で変化（正または負の変化を問わない）が発生するたびに、このポイントが発生します。この点は、コネクティングロッドの長さとクランクのストロークに応じて異なるポイントで発生し、コネクティングロッド比（ロッド/ストローク）によって異なります。通常の自動車設計では、この点はほぼ常に 69 ～ 79 度 ATDC の間で、ロッド比が高いほど後者の位置が有利になります。これは、無限長のコネクティングロッドで 1/2 ストローク（90 度）でのみ発生します。

実際のエンジンの波/流れの活動はこれよりもはるかに複雑ですが、原理は同じです。

一見すると、この波の伝わり方は驚くほど速く、大したことではないと思われるかもしれませんが、いくつかの計算を行うと、その逆であることが分かります。室温の吸気ランナーでは、音速は約 1,100 フィート/秒 (340 m/s) で、12 インチ (300 mm) のポート/ランナーを 0.9 ミリ秒で横断します。このシステムを使用するエンジンは、8500 rpm で動作し、シリンダーからの信号がランナー端に到達するまでに、かなり長い46 クランク角度を要します(ランナー内の空気の動きがないと仮定)。46 度の間、ポート/ランナーの容積以外はシリンダーの要求を満たしません。これは、最初の信号だけでなく、シリンダー内で発生する圧力や真空のあらゆる変化にも当てはまります。

遅延を減らすために短いランナーを使用するのは現実的ではありません。なぜなら、サイクルの終わりに、長いランナーはシリンダー内の圧力上昇を無視して全速力で流れ続け、最も必要なときにシリンダーに圧力をかけるからです。ランナーの長さは、戻り波のタイミングも制御しますが、変更できません。短いランナーは早く流れますが、早く止まり、正の波があまりにも早く戻り (より高い RPM に調整)、それらの波は弱くなります。重要なのは、エンジン要件のすべての要素の最適なバランスを見つけることです。

システムをさらに複雑にしているのは、信号源であるピストンドームが継続的に移動しているという事実です。最初はシリンダーを下方に移動し、信号が移動する距離を増やします。次に、吸気サイクルの終わりにバルブがBDC を超えてまだ開いているときに、上方に戻ります。最初のランナーフローが確立された後、ピストンドームから来る信号は、その瞬間に発生した速度に逆らって上流に向かわなければならず、さらに遅延します。ピストンによって発生した信号も、ランナーを上方にきれいに進むことはありません。信号の大部分は燃焼室の残りの部分で跳ね返り、平均圧力に達するまでシリンダー内で共鳴します。また、圧力の変化による温度変化と高温のエンジン部品からの吸収により、局所的な音速が変化します。

バルブが閉じると、ガスが蓄積して強い正の波が発生し、ランナーを伝わって行きます。ポート/ランナー内の波の活動は止まらず、しばらく反響し続けます。次にバルブが開くと、残っている波が次のサイクルに影響を与えます。

上のグラフは、7 インチ (180 mm) の吸気ポート/ランナーを備えたエンジンが 4500 rpm で稼働し、トルクがピークになる (このエンジンの最大シリンダー充填および BMEP に近い) ときの、720 クランク度にわたる吸気ランナー圧力を示しています。2 つの圧力トレースは、バルブ端 (青) とランナー入口 (赤) から取得されています。青い線は、吸気バルブが閉じるにつれて急激に上昇します。これにより空気が蓄積され、ランナーを上方に反射して戻る正の波となり、赤い線はその波が後でランナー入口に到達することを示しています。シリンダー充填中の吸引波が、上流で流入する空気と戦わなければならないことと、ピストンがボアより下にあり距離が長くなることによってさらに遅れることに注目してください。

チューニングの目的は、ランナーとバルブ タイミングを調整して、吸気バルブが開いている間にポートに高圧波が発生して流れが速くなり、次に 2 番目の高圧波がバルブが閉じる直前に到達してシリンダーが最大限に満たされるようにすることです。最初の波は前のサイクルからランナーに残っているもので、2 番目の波は主に現在のサイクル中にランナーの入口で吸気波の符号が変わり、バルブが閉じるタイミングでバルブに戻ることによって生成されます。関連する要素はしばしば矛盾しており、機能させるには慎重なバランス調整が必要です。うまく機能すると、適切なスーパーチャージャーに匹敵する 140% の容積効率が実現できますが、限られた RPM 範囲でのみ発生します。

ポートを可能な限り大きくし、鏡面仕上げを施すことがポート加工であると一般に考えられています。しかし、そうではありません。一部のポートは（最高レベルの空力効率に合わせて）可能な限り大きくすることができますが、それらのエンジンは高度に開発された超高速ユニットであり、ポートの実際のサイズが制限になっています。ポートが大きいほど、高回転数では燃料/空気の流れが多くなりますが、低回転数では燃料/空気の速度が低下するためトルクが犠牲になります。ポートを鏡面仕上げにしても、直感で想像されるほどの増加は得られません。実際、吸気システム内では、ポート壁に付着した燃料が急速に蒸発するように、通常、表面に意図的に均一な粗さのテクスチャが施されています。ポートの選択された領域の粗い表面は、境界層にエネルギーを与えて流れを変え、流路を著しく変えて流れ​​を増やす可能性もあります。これは、ゴルフボールのディンプルが行うことに似ています。フローベンチテストでは、鏡面仕上げの吸気ポートとざらざらした質感のポートの差は、通常 1% 未満であることが示されています。滑らかな触感のポートと光学的に鏡面仕上げされた表面の差は、通常の方法では測定できません。排気ポートは、乾燥ガスの流れのため、また排気副産物の蓄積を最小限に抑えるために、滑らかに仕上げられることがあります。排気ポートの仕上げとしては、300 ～ 400 グリット仕上げの後に軽くバフをかけるのが、一般的にほぼ最適な仕上げとされています。

研磨されたポートが流れの観点から有利でない理由は、金属壁と空気の境界面では、空気の速度がゼロであるためです(境界層と層流を参照)。これは、空気、そして実際すべての流体の濡れ作用によるものです。分子の最初の層は壁に付着し、大きく動きません。流れ場の残りの部分は、それを通り抜ける必要があり、ダクト全体に速度プロファイル (または勾配) が形成されます。表面の粗さが流れに顕著な影響を与えるには、高い部分が、中心に向かってより速く移動する空気に突き出るほど高くなければなりません。これは、非常に粗い表面でのみ実現します。

4 ストローク エンジン ポートに関するすべての考慮事項に加えて、2 ストローク エンジンポートには追加の考慮事項があります。

• 掃気品質/純度: ポートの役割は、シリンダーからできるだけ多くの排気ガスを掃き出し、新鮮な混合気をできるだけ多くシリンダーに補充することです。ただし、大量の新鮮な混合気が排気口から出ないようにする必要があります。これには、すべてのトランスファー ポートのタイミングと狙いを慎重に、かつ繊細に調整する必要があります。
• パワーバンド幅: 2 ストロークは波のダイナミクスに大きく依存するため、パワーバンドは狭くなる傾向があります。最大パワーを得ようと努力する一方で、パワー プロファイルが急激になりすぎて制御が困難にならないように常に注意する必要があります。
• 時間面積: 2 ストローク ポートの持続時間は、多くの場合、時間/面積の関数として表されます。これは、継続的に変化するポートの開口面積と持続時間を統合します。ポートの幅が広いと、持続時間は増えずに時間/面積は増えますが、ポートの高さが高ければ、時間/面積と持続時間の両方が増えます。
• タイミング: 時間領域に加えて、すべてのポートタイミング間の関係がエンジンのパワー特性を大きく左右します。
• 波の動的考慮事項: 4 ストロークにもこの問題はありますが、2 ストロークは吸気および排気システムにおける波の作用に大きく依存しています。2 ストロークのポート設計は、波のタイミングと強度に大きな影響を与えます。
• 熱の流れ: エンジン内の熱の流れはポートのレイアウトに大きく依存します。冷却通路はポートの周囲に通す必要があります。流入する燃料が熱くならないようにあらゆる努力をする必要がありますが、同時に多くの部品は流入する燃料/空気の混合気によって主に冷却されます。ポートがシリンダー壁のスペースをあまりに多く占めると、ピストンが壁を通して熱を冷却剤に伝達する能力が妨げられます。ポートが急激に大きくなると、シリンダーの一部の領域が薄くなり、過熱する可能性があります。
• ピストン リングの耐久性:ピストン リングは、機械的ストレスを回避し、ピストンの冷却を助けるために、シリンダー壁に滑らかに接触して乗る必要があります。急進的なポート設計では、リングは下側のストローク領域で最小限の接触しか持たないため、余分な摩耗が発生する可能性があります。部分的なシリンダー接触から完全なシリンダー接触への移行中に発生する機械的衝撃により、リングの寿命が大幅に短くなる可能性があります。ポートが非常に広いと、リングがポート内に膨らみ、問題が悪化します。
• ピストン スカートの耐久性: ピストンは冷却のために壁に接触する必要がありますが、パワー ストロークの横方向の推力も伝達する必要があります。ポートは、ピストンがこれらの力と熱をシリンダー壁に伝達しながら、ピストンへのたわみと衝撃を最小限に抑えられるように設計する必要があります。
• エンジン構成: エンジン構成はポート設計によって左右されます。これは主に多気筒エンジンの要因です。特定の設計では、2 気筒エンジンでもエンジン幅が大きすぎる場合があります。ワイドスイープトランスファーを備えたロータリーディスクバルブエンジンは、並列ツインとしては実用的ではないほど幅が広い場合があります。V ツインおよび前後エンジン設計は、全体の幅を制御するために使用されます。
• シリンダーの歪み: エンジンの密閉性、シリンダー、ピストン、ピストン リングの寿命はすべて、シリンダーとピストン/ピストン リング間の確実な接触に左右されるため、シリンダーの歪みがあると出力とエンジン寿命が低下します。この歪みは、不均一な加熱、シリンダーの局所的な弱さ、または機械的ストレスによって発生することがあります。シリンダー鋳造物に長い通路がある排気ポートは、シリンダーの片側に大量の熱を伝導し、もう一方の側では冷たい吸気口が反対側を冷却している可能性があります。不均一な膨張によって生じる熱歪みは、出力と耐久性の両方を低下させますが、慎重に設計すれば問題を最小限に抑えることができます。
• 燃焼乱流: 移行後にシリンダー内に残る乱流は燃焼段階まで持続し、燃焼速度を速めます。残念ながら、良好な掃気流は遅く、乱流が少なくなります。

ダイグラインダーはヘッドポーターの必需品であり、さまざまなカーバイドカッター、グラインディングホイール、研磨カートリッジとともに使用されます。ポート加工に必要な複雑で繊細な形状には、手工具を扱う高度な芸術的スキルが必要です。

最近まで、CNC 加工はポートの基本形状を提供するためだけに使用されていましたが、ポートの一部の領域は CNC ツールでアクセスできないため、通常は手作業による仕上げが必要でした。CNC 加工の新しい開発により、このプロセスは CAD/CAM ソフトウェアの支援により完全に自動化できるようになりました。傾斜回転テーブルなどの特殊な固定具を使用した 5 軸 CNC 制御により、切断ツールがポート全体に完全にアクセスできるようになります。CNC と CAM ソフトウェアを組み合わせることで、ポートの形状と表面仕上げを完全に制御できます。

ポート内部の測定は困難ですが、正確に行う必要があります。実験ポートの形状をとって、断面と長さ方向の両方の形状の金属板テンプレートが作成されます。ポートに挿入されたこれらのテンプレートは、最終的なポートを形成するためのガイドとして使用されます。わずかな誤差でも流量が失われる可能性があるため、測定は可能な限り正確に行う必要があります。最終的なポート形状の確認とポートの自動複製は、現在、デジタイジングを使用して行われます。デジタイジングでは、プローブがポートの形状全体をスキャンしてデータを収集し、その後、CNC 工作機械と CAD/CAM ソフトウェア プログラムでそのデータを使用して、目的のポート形状をモデル化してカットします。この複製プロセスでは通常、流量が互いに 1% 以内のポートが作成されます。このような精度、再現性、時間は、これまで不可能でした。以前は 18 時間以上かかっていたものが、今では 3 時間未満で済みます。

ポートに関連する内部の空気力学は直感に反し複雑です。ポートを最適化するには、空気流ベンチ、関連する原理に関する十分な知識、およびエンジン シミュレーション ソフトウェアが必要です。

移植に関する知識の大部分は、時間をかけて「試行錯誤」の手法を用いて個人によって蓄積されてきましたが、今では、ある程度の確実性を持って移植設計を開発するためのツールと知識が存在します。

• 上記のグラフを生成するために使用された無料のデモエンジンシミュレータ
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