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竞速发动机的深度改造——代老贾发

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发表于 2009-10-21 09:41 | 显示全部楼层 |阅读模式
航海模型的FSR-V(耐久)项目很像F1赛车,不仅需要选手过硬的操控技术和调整到良好状态的模型,还需要一颗强劲的心脏——发动机
FSR-V比赛航线为100m×50m的封闭M形,预赛比赛时间为20分钟,决赛为30分钟,在此时限内完成圈数最多者获胜。因为多只船模同时航行(3~12只),所以除了加速、减速和急转弯外,还需要超越对手和把持航线防止被对手超越,此时发动机往往达到或超过极限转速。为了充分挖掘发动机的潜能,获得比对手更快的速度,改造发动机成了参赛选手的必修课。本文以一台FSR-V3.5级比赛用发动机为实例介绍了发动机的深度改造,相信其中很多方法也适用于空模发动机,因为竞速类的模型发动机彼此很相似。需要声明的是:发动机是非常精密的机器,改造它有较大难度,一旦失手会导致报废,因此,如果没有充分的准备、精湛的手工和优质的工具,就请不要效仿。
改造发动机的第一步:准备工具。模型发动机零件硬度较高,其中曲轴甚至经过淬火处理,不可能用普通手工工具加工。工欲善其事必先利其器,我选用了两款德国产的打磨头(图1),它比一般的金刚磨头效率更高。
image001.jpg 1 “专啃硬骨头”的打磨头
第二步:测量发动机参数。要改造一台发动机,必须先精确、全面地了解这台发动机。测量发动机最直观准确的工具是全圆规
image002.jpg (图2),
使用时把全圆规中心固定在发动机的曲轴上,读数指针固定在发动机的安装孔上
image003.jpg (图3)。


   
图2全圆规                 图3 全圆规使用方法

需要测量的数据有:进气角、排气角、扫气角、晚开角、晚关角。前三个角度大家比较熟悉,不再赘述,下面介绍一下后两个角度:
晚开角:活塞运行到下死点,准备上行吸气时,进气口尚未打开;当活塞继续上行,曲轴转到一定角度后进气口才打开:这个从下死点转到进气口打开的角度称为晚开角,它的主要功能是让机匣内形成一定的负压,从而在进气口打开时让混合气更快地进入机匣。
晚关角:活塞运行到上死点,转向下行时,进气口并未关闭;活塞继续下行,曲轴旋转一定角度后进气口才关闭:这个从上死点到进气口关闭转过的角度称为晚关角,它的功能是让更多的混合气进入机匣。模型发动机的转速很高,进气口混合气的流速也很高,而活塞刚开始下行压缩时机匣里的压力并不是很大,所以在惯性的作用下还有一些混合气可以冲进机匣。
本文发动机参数测量值为:排气角:167°;扫气角:130;进气角:213°;晚关角:36°;晚开角:69°。
下面来分篇介绍发动机各部分的改造方法。
发动机改造——曲轴篇
曲轴是发动机改造的“重头戏”。
1.进气口
动手之前先分析曲轴进气口的切面形状(图4),设计出改造后的理想轮廓。
image004.jpg
图4 进气口(蓝线为改造前,红线为改造后)
分析图4可以看出:改造前混合气流动过程中会碰到台阶。根据计算,发动机进气口流速可高达33m/s,所以流管中的台阶会导致紊流,增大阻力,从而减少进气量,使输出功率停留在出厂水平。进气口的改造目标是减小进气阻力,根据以上分析,设计改造方案(图4中的红线)。曲轴进气口改造前后对比参见图5、图6。
   
image005.jpg

图5 曲轴进气口的原貌      
image006.jpg
图6 进气口打磨完毕
打磨时要注意两点:第一,扶稳曲轴,一次不要啃太多,宁可慢一点,也不要失手。尤其是进气口和轴表面的边缘部分,一旦失手就会改变发动机的进气角、晚开角和晚关角,可能导致发动机报废。第二,防止被碎屑割伤。曲轴经过淬火后硬度非常高,打磨下来的碎屑细小而锋利,像小刀片一样,所以最好戴着手套操作(图7)。如果碎屑不慎落到皮肤上,千万不要用手拍掉,否则会把金属屑刺进皮肤。这种情况有两个办法:用水冲洗和用磁铁吸。


image007.jpg 图7打磨进气口
2.出气口
NOVAROSSI发动机曲轴转速在40000r/min左右,其引导槽像涡轮一样转动,使曲轴的出气口形成负压,从而能更好地吸气。出气口的改造就借鉴了这种设计。


出气口的改造方案 (图8):在曲轴(图9)上打磨出两个成90°的单引导槽,并在曲轴的旋转迎风台上开一个扰流斜口,这个斜口可以在活塞下行时扰动正在被压缩的混合气,使其在扫气时有更好的流动性。
image008.jpg                      
图8  曲轴原貌

首先打磨比较简单的扰流斜口(图10,图11),这个步骤相对比较简单。
image009.jpg          
图9 打磨扰流斜口            

image010.jpg
图10 打磨好的扰流斜口
然后打磨引导槽(图12)——两个成90°夹角的“逗号”,这是提升发动机功率最重要的地方。要注意:引导槽的外缘要和曲轴中心的圆相切;内缘打成一条从圆心延长出来的直线(图13)。


image011.jpg
图11打磨第一个“逗号”
image012.jpg
图12 第一个“逗号”完工
接着用相同的方法打磨第二个“逗号”
image014.jpg
(图14),
image015.jpg
图(15)
它的作用主要有两个:第一,增强吸气的力量;第二,平衡打磨扰流斜口和第一个“逗号”造成的曲轴不平衡。
image013.jpg
图13 改造完成的出气口
至此整个曲轴的改造就完成了。
发动机改造——气缸篇
气缸的改造主要有两种途径:第一,改变扫气口和扫气道的形状以减小混合气流动阻力;第二,改变扫气角。但第二种方法后果难料,除非是玩发动机的“超级老鸟”,或者有条件花很多钱做试验,否则最好别改动扫气角。所以,采用第一种方法更稳妥。
首先来看看扫气口和扫气道的形状示意图:
image016.jpg          
图16 扫气口和扫气道——俯视剖面  
image017.jpg
图17扫气口和扫气道——侧视剖面
气流通道中的台阶会增加阻力,因此要把台阶去掉(图18,图19)。
image018.jpg       
图18 改造示意图——俯视剖面   
image020.jpg
图19改造示意图——侧视剖面
红笔勾出的就是要磨掉的部分。操作时千万要注意别伤到气缸内壁和扫气口上缘,扫气口上缘是决定扫气角的关键,打到它就相当于改变了扫气角。
完成改造的汽缸见图20、图21。
   
图20 改造好的汽缸               
image021.jpg
图21 改造好的汽缸(背面)
汽缸的一般改造到这里就可以结束了,但我发现这个汽缸的三个扫气口之间还有两个比较大的空隙,完全可以在这个空隙处开两个辅助扫气口,以进一步提高扫气效率。
image022.jpg
图22 在选定好开扫气口的地方打孔
image019.jpg

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 楼主| 发表于 2009-10-21 09:41 | 显示全部楼层
打孔时要扶稳汽缸,孔的位置距扫气口的高度要留有余量,以便给精确打磨打磨留下空间。我在这里打孔用的是1.2mm的钻头。
image023.jpg
图 23 用金刚打磨头打磨辅助扫气口
打磨辅助扫气口时要注意辅助扫气口的高度要和其它扫气口的高度一致,如果超过其它扫气口的话会改变发动机的扫气角度。辅助扫气口的扫气道开在汽缸外壁上,这样比较好加工一点。在使用过一段时间后,这两个辅助扫气道会在机匣上留下痕迹,到那时再在机匣上打磨出一个半圆扫气道,这样最终就形成了两个圆形扫气道。
下面是一组改造过的汽缸和出厂状态的汽缸的对比图片:
image024.jpg image025.jpg
这两张你看那张好就用那张。
image026.jpg
这是从汽缸上部看进去的样子
image027.jpg
这是从汽缸下部看进去的样子
发动机改造之——缸顶篇
要改造发动机的缸顶,首先就要了解发动机的缸顶。一般的空模用发动机的缸顶和散热头是一个整体;车模发动机有的是缸顶和散热作成一个整体,比如雷虎的车模发动机;有的是缸顶和散热头做成分体,比如NOVAROSSI。船用发动机因为要靠循环水来散热,所以大都是以缸顶和缸盖的分体形式来做的。但我在上世纪八十年代末、九十年代初见过几款CMB90的发动机是整体缸顶。下面让我们来看看我要改造的这台发动机的缸顶结构:
image028.jpg
这是拆开前的样子
image029.jpg
这是拆开后的样子
我们再把缸顶翻过来看看:
image030.jpg
这是它用的火头:

大家看到这里或许会觉得奇怪:这都是很正常的缸顶和火头啊!但我们把它们装在一起来看就会发现问题了:
火头和缸顶之间的螺纹和空隙,对于每秒钟大约500-660次的燃爆和气体交换来说它会带来很大的阻力。这是我准备使用的锥度火头:
它和缸顶的密封不像普通的火头那样靠铜垫片,它是靠火头前面的锥度紧压在缸顶的锥度上来达到密封效果的。
原来的缸顶可以把中间车掉,
image031.jpg image032.jpg image033.jpg
再车掉多余的部分就成了现在的缸盖:
image034.jpg
缸顶需要重新车一个,这是它的示意图:

下面是加工好的实物:
image035.jpg
这就是新车的缸顶
image036.jpg
这是装上锥度火头的效果
下面是一组改造过和未改造的缸顶、缸盖的对比图片:
image037.jpg image038.jpg
这是改造过的缸顶组合
左边是未改造的
image040.jpg image041.jpg
再来对比看一下缸顶的效果
是不是比原来光顺很多了?
这样整个缸顶的改造就算完成了。
发动机改造之——机匣篇
    机匣改造的宗旨有点像大禹治水。我们这里要疏导的是来自化油器的混合气。要疏导混合气,首先来了解一下混合气在机匣里到底流多快。先测量机匣的容积:把活塞转到上死点,用注射器往进气口加注液体(用燃油比较方便),直到把机匣加满,记录好加入液体的体积就得到了机匣的容积。我改造的这台发动机的机匣容积是11cm³,我们假设每次有3.5 cm³的混合气进入汽缸,按发动机每分钟36000转来计算,那么每分钟通过化油器的空气总量是0.126M³,化油器的口径是9mm,面积是0.63585cm²,那么流经化油器的空气流速=0.126 M³÷0.000063585M²÷60″≈33米 /秒。这么快的流速碰到沟沟坎坎很容易产生紊流的,所以我在改造机匣时主要就是尽量减少可能产生紊流的地方,减小混合气流动的阻力。另外港台有些模型杂志在介绍发动机改造时把气道抛光作为一个重点,我不认同其观点:因为流体在管道中流动时,靠近管壁产生一层薄的紊流,有助于管道中整个流体保持层流状态。这个我记得叫:表面紊流效应。(将近20年没看《流体力学》了,也不知道说的对不对,你们那专家比较多,帮我订正一下)
这里为了改造和清洗的方便,在改造前最好把发动机的大轴承拆掉。关于怎么拆大轴承,论坛上不断有人在问,其实拆大轴承并不难:首先拆除发动机的缸顶、后盖、汽缸、活塞、曲轴、化油器,不要忘记进气口的O型圈以及固定化油器的夹紧件,夹紧件上也有O型圈。做好这些准备工作后就可以用止血钳夹住机匣放到煤气灶上加热了,用中间的最小火加热1分钟左右就可以了,加热好后放到木板上轻轻一磕,大轴承就掉出来了。然后把机匣放在木板上自然冷却。
image042.jpg
给机匣加热
等发动机机匣自然冷却后,装上汽缸来看看扫气道的情况:
image043.jpg
中间的扫气道进气口太小
image044.jpg
准备在下部开两个豁口,使扫气道的入口部分形成一个喇叭口,这样更有利于机匣里的混合气进入前扫气道。画好大致的位置后就可以取下汽缸进行改造了 动手前要用卫生纸把曲轴孔堵好,防止金属削掉进前轴承。
image039.jpg

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 楼主| 发表于 2009-10-21 09:42 | 显示全部楼层
做好这些工作后就可以开始打磨了。
image045.jpg image046.jpg image047.jpg image048.jpg image049.jpg
这是基本打磨好的样子(两张图片你选着用) 清洗的时候卫生纸, 看看现在的样子,是不是比原来感觉好多了。
下一步让我们来看看侧面的两个扫气道的情况:
后盖在扫气道口形成了很大的两个台阶,混合气流动时在这里会产生阻力。 这张比上面那张好像更清楚点,你选择吧:)
image050.jpg image051.jpg
下面就要对画好线的台阶部分进行改造(因为是用钢针画的,照片表现的不好)下面是改造好的后盖的照片:
image052.jpg image053.jpg image054.jpg
改造好的后盖装上去的图片:

和改造前相比,侧面两个两个扫气道口和后盖形成的两个台阶现在看上去是不是光顺多了?
发动机改造之――连杆活塞篇
活塞连杆是把化学能转变成机械能的关键零件,在发动机里做的是往复运动,会消耗一些动能。所以这两个零件即要保证有足够的强度,又要尽量减轻其重量;还要为其提供良好的润滑。这里最关键的是强度和重量之间的平衡。尽量保证强度那根本就不用改造,连杆活塞偷轻太多,必然影响强度;况且在发动机的损坏中除了轴承外就是连杆活塞了。
下面来看看连杆原来的模样:
image055.jpg
再来看看它的重量:
image056.jpg
这是改造后的重量:
image057.jpg
减轻了0.5克。这0.5克看着或许不起眼,但它却占连杆总重的17%,所以偷轻的比例已经很大了。
还有润滑孔的改造。原来的润滑孔比较生硬,并没有溶入整根连杆的形状中。
image058.jpg
连杆上附着的润滑油不容易通过润滑孔流入连杆和曲轴间。有些名牌发动机的连杆的润滑孔就开在连杆中间的凹槽的底部,这样有利于润滑油流向需要润滑的地方。
image059.jpg image060.jpg
这是NOVAROSSI的连杆
我在这里的改造主要是开了个引流槽,把连杆中间凹槽里附着的润滑油引到润滑孔里。

或者把中间的减重槽往下延伸。因为这是国产发动机,对其连杆强度不了解,所以选用了开引流槽的方法。
活塞的偷轻有点像如履薄冰。连杆虽然也做往复运动,但好歹还是跳着华尔兹做,活塞完全就是直上直下的直线往复运动。减轻活塞的重量对发动机性能的提高虽然明显,但偷轻也很容易给每秒五六百次往复运动的活塞造成损坏,甚至使整台发动机报废。所以改于不改是一个比较难抉择的事,但从竞赛的角度出发(有百分之一的希望就要进行百分之百的努力)为了提高发动机的极限性能,活塞的改造是必不可少的。
在活塞上偷轻的方法有两种:一种是削薄活塞壁的厚度,另一种是打磨掉多余的部分(打磨多余部分又分为打磨活塞裙部减重、活塞腰部开孔减重、活塞销部分的减重)
image061.jpg
先来看看活塞原来的重量是3.3克
image062.jpg
改造后的活塞重3.0克,减轻了0.3克,减轻了9%。如果再来两个开孔,还可以再减一点。发动机的级别越大,减去的重量要相对多点。
发动机改造之——化油器篇
不知道大家有没有注意过,一般和极限体能有关的运动项目的运动员的嘴和鼻子都比较大,这样可以为其极限体能的发挥提供了足够的输氧通道。前面我对曲轴的改造已经为发动机吸进更多的空气做的充分的准备,现在我要做的就是为使前面的改造体现效果而提供足够的进气通道。
image063.jpg image064.jpg
原配的化油器的进气口直径是7mm,进气口的截面积是38.465mm²

我在这里为这台发动机分别准备了一个进气口直径是8mm,截面积是 50.24 mm²和进气口直径9mm,截面积是63.585 mm²两个化油器。它们的截面积分别增加了30.6%和65.3%。其效果要通过实际的试航来确定。
image065.jpg
这个是8mm的OS化油器           
image066.jpg
这个是9mm的NOVAROSSI的化油器
大家看到这个NOVAROSSI化油器或许有点奇怪,那就让我们来看看它的侧面吧:
这个喇叭型的管状加长口是我加上去的,因为担心化油器口径太大,空气流速不够快,喷油嘴处的压力不够低,影响供油的稳定性而特别量身制作的。虽然我现在已经不知道该怎样计算其达成的功效,但从实际是使用中可以验证其效果:没加这个喇叭口以前,启动发动机时需要捂住进气口油才会进到化油器;装了这个喇叭口后,只要起动机带着发动机一转起来,油就会顺着油管自己进入化油器。从这个结果来看,完全可以肯定加了这个喇叭口后化油器的喷油嘴处的空气流速增加了。(具体增加了多少我现在根本不记得该怎样计算了,我把数据提供给你,你帮我算算好吗?没改以前的化油器的喷油嘴的进气口平面的距离是15mm,进气口平面的直径是13mm,可以理解为一个无限长的直径13mm的空气柱在以一定速度经过15mm长的锥形管压缩到直径9mm后进入发动机;改造后是一个直径23mm的无限长的空气柱通过31mm长的锥形管压缩到直径9mm后进入发动机。或者可以理解成无限多的空气通过不同的锥形管由零开始加速。还有发动机机匣的容积有限,加上空气的惯性和发动机的晚关,我们可以假设改造前进入发动机的空气每次可以达到4或5cm³。那么通过新的锥形管提高的空气流速后进入发动机的空气可以达到多少cm³?化油器喷油嘴处的空气流速是多少?比加喇叭口前空气流速增加了%?)
到此为止,这台发动机的改造就基本到位了。虽然单独改造的每一个地方对发动机性能的提高都不是很大,这就好比水滴最后汇成江河一样,每一点一滴的积累到最后使整个发动机的性能能够上一个台阶。在平原地区,这种发动机不改造时只能带直径46mm的浆,通过改造在2000米的昆明可以带直径50mm的浆。而对于整个船速的提高,发动机的改造只是其中一个部分,下一步要做的是发动机的调整、排气管的调整、螺旋桨的配合以及船体线形的调整;只有这些调整都做好了,才能在激烈的FSR(耐久)比赛中取得一定的优势,而要把这种优势转变成胜利的果实就要靠良好的操控技术和临场发挥。12条船,30分钟高速刺激的航行,不到比赛结束,谁都有机会去赢得胜利。这就像F1的比赛,在看见方格旗挥动以前,什么都有可能发生。
发表于 2009-10-21 10:03 | 显示全部楼层
顶一下  慢慢看
发表于 2009-10-21 10:07 | 显示全部楼层
太专业了   改造发动机啊~
发表于 2009-10-21 10:18 | 显示全部楼层
:em26:
发表于 2009-10-21 10:23 | 显示全部楼层
老贾呢好手艺,板扎~~~
发表于 2009-10-21 10:45 | 显示全部楼层
改造后对发动机寿命的影响有多大呢?
发表于 2009-10-21 10:50 | 显示全部楼层
这个超级详细,超强
发表于 2009-10-21 10:57 | 显示全部楼层
发表于 2009-10-21 11:21 | 显示全部楼层
够详细,顶起来,对新手长见识了
发表于 2009-10-21 11:57 | 显示全部楼层
跑完一次发动机估计就费了吧
发表于 2009-10-21 12:26 | 显示全部楼层
好贴一定要顶!
发表于 2009-10-21 12:35 | 显示全部楼层
原帖由 sinocat007 于 2009-10-21 10:45 发表
改造后对发动机寿命的影响有多大呢?

就目前我改造使用的发动机来看,我的发动机算是寿命比较长的了
发表于 2009-10-21 12:45 | 显示全部楼层
原帖由 bee0049 于 2009-10-21 11:57 发表
跑完一次发动机估计就费了吧

那样的话就没必要改了:em15:
头像被屏蔽
发表于 2009-10-21 13:28 | 显示全部楼层
看不懂  太专业了
发表于 2009-10-21 14:12 | 显示全部楼层
对“表面湍流”的探讨

湍流减阻主要应用于气流流线变化剧烈的地方(也用于小雷诺数,如自由飞和小电直的尖前缘旋翼),实际原理是增大附面层内的速度,进而减少静压,降低逆压梯度,延缓气流分离(气流分离会带来很大能量损失)。

简单的说就是湍流不容易分离

去年曾在5irc上说过这事,但没人回帖,
现在重复问题:
1、机闸内部是否需要抛光?
从理论上讲,XX为“需要”。
在拐角处打毛表面可以产生湍流,但湍流的阻力大,要减阻就得减少摩擦,提高光洁度。湍流在粗糙处产生后可以维持很久,用不着全程都是粗糙表面,只需在拐角处保持粗糙。就像自由飞只加扰流线,而不用砂纸蒙机翼

2、连杆是否要抛光,平衡要做不?
XX貌似是“无所谓”

da an 被屏蔽成XX了

[ 本帖最后由 348826281 于 2009-10-21 14:13 编辑 ]
发表于 2009-10-21 15:00 | 显示全部楼层

注意!!

老贾兄的主要是用一般的發动机來改進,以增加模型愛好者的認識和改装興趣!!:em03::em03::em26:
大家新手应以学習(小鸟>>>>老鸟必经之路):em00::em00:
发表于 2009-10-21 15:10 | 显示全部楼层
:em26: :em26:
顶老贾!真情大放送,这才是专业,无私的风范!
好过一些不知所谓,成天炫耀的人写的无关痛痒,垃圾文章!:em09:

不过建议玩家,没有一定功底的了解就好!:em15:
发表于 2009-10-21 15:14 | 显示全部楼层
专业,之前在《航空模型》杂志中已经拜读了。
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