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Colector de admisión de aluminio fundido

julio 10, 2021
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Hace varios años comencé un proyecto de padre e hijo para construirle una barra de calle Pontiac de 1936 ‘coche de gángster’. La foto muestra el automóvil parcialmente terminado que era manejable, tenía un tren de transmisión terminado, todo lo que necesitaba era pintura y tapicería finales. Decidí reemplazar el motor de 6 cilindros rectos de cabeza plana original por un Chevy 230cuin recto de 6 cilindros en línea para honrar el diseño del automóvil. Una característica que no me gustó del diseño moderno del motor fueron los corredores de admisión siameses donde los cilindros 1 y 2, 3 y 4, y 5 y 6 compartían puertos en el cabezal y los corredores del colector de admisión. En el diseño original, estos cilindros adyacentes no solo no estaban secuenciados de manera uniforme en el orden de encendido, sino que los canales de admisión eran muy largos para los dos juegos de cilindros terminales y muy cortos para los dos internos. En resumen, el diseño del sistema de admisión era tan malo como era humanamente posible.

Decidí intentar hacer un colector de admisión / cabezal personalizado diseñado para obtener el máximo rendimiento y eficiencia. Las especificaciones del colector deseado fueron;

– Aluminio fundido para brillo y robustez.

– 6 guías de admisión individuales a 6 puertos aislados en la culata.

– Diseño de ‘180 grados’ con un pequeño carburador Holley 390 de 4 bbl.

– corredores de admisión de igual longitud.

– Longitud del corredor diseñada para un par máximo en la velocidad de crucero en la calle de 1800 a 2000 rpm.

Las herramientas requeridas para este proyecto fueron muchas, ya que requirió muchas disciplinas para completar. Había herramientas de dibujo, herramientas de tallado, herramientas para trabajar la madera, herramientas de construcción de compuestos de fibra de vidrio, herramientas de soldadura, entre otros. en lugar de enumerar todas las herramientas de mi taller, dejaré que el lector interesado y probablemente experto sepa qué herramienta se utilizó para qué paso del proyecto.

Paso 1: diseño del colector

Diseño del colectorDiseño del colector

El primer paso obvio fue diseñar el colector en papel. Quería el colector para la conducción en la calle, no para la competencia que determinaba las especificaciones finales del diseño. Uno de los principios fundamentales de una buena admisión y, por lo tanto, del diseño del colector de escape en un motor de combustión interna es un aumento “gratuito” de par que se puede obtener simplemente diseñando el tubo de longitud adecuada entre el carburador y la válvula de admisión en un cilindro. Este principio tiene un par de nombres comunes; “tubo de órgano” o “resenador de Hemlholtz”. La forma en que funciona es la siguiente; Cuando se abre una válvula de admisión en la culata, se genera una onda de choque negativa (vacío) en el asiento de la válvula que se envía por el corredor de admisión hacia el carburador mientras los pistones descienden en el cilindro, tratando de aspirar aire y gasolina durante el próximo golpe de potencia. Esta onda de choque viaja a la velocidad del sonido en el aire. Cuando esa onda negativa alcanza el pleno, que es efectivamente un espacio abierto debajo del carburador, se envía una segunda onda de choque, esta es una onda de presión positiva, por la tubería hacia la válvula de admisión en la culata del cilindro. También viaja a la velocidad del sonido y si el corredor tiene la longitud adecuada para el tiempo que tardan esas dos ondas de choque en recorrer la longitud de la tubería, la onda de presión positiva llega al asiento de la válvula justo cuando se está cerrando y sobrealimenta la válvula. cilindro ‘con carga adicional de aire / combustible, produciendo una carrera de potencia más potente.

Como se mencionó, el mismo principio funciona en el lado de escape del motor, pero allí el pulso de presión original es positivo, ya que es el resultado de la apertura de la válvula de escape y la expulsión del pistón de gas caliente a alta presión. Ese pulso de presión viaja a lo largo del tubo de escape, llega al colector del cabezal, se expande y envía un pulso de presión negativa de regreso al tubo. El cabezal está dimensionado para que ese pulso de vacío llegue a la válvula de escape justo cuando se cierra. Los árboles de levas están diseñados para que la válvula de escape esté a punto de cerrarse cuando se abra la válvula de admisión. El pulso de presión de vacío realmente succiona el residuo del escape del cilindro y succiona un poco de carga de admisión del puerto de admisión, sobrecargando efectivamente el cilindro con más gas. Los tubos colectores son más largos que los tubos de admisión, ya que los gases de escape están más calientes y la velocidad del sonido es mucho mayor. La longitud adecuada del tubo de escape para mi motor de calle de 2000 rpm es de 34 “para ir con la longitud del tubo de admisión de 11”.

Esto suena a magia negra, pero se demuestra fácilmente que funciona en un dinamómetro de motor. Dado que la velocidad del sonido en un corredor de admisión a una temperatura típica del aire es de 1100 pies / seg, es fácil calcular un corredor para la velocidad óptima de 1800 a 2000 rpm que quería es 13 “. Esta longitud es la suma del corredor del colector de admisión más el longitud del puerto de admisión en la cabeza entre la brida del colector y la válvula de admisión. En mi caso, esa dimensión es de 2 “. Por lo tanto, mis corredores múltiples debían medir 11 “.

Si todo esto suena demasiado bueno para ser verdad, en parte lo es. La buena noticia es que obtenemos potencia adicional a las RPM de diseño y otro impulso complementario a 2 veces las RPM de diseño. La mala noticia es que la potencia es un poco menor de lo esperado a velocidades entre estos números positivos porque un pulso de presión negativa puede llegar a la válvula justo antes de cerrar, lo que provoca un poco menos de torque. Detroit y sus colegas en el extranjero adoptan el enfoque de diseñar colectores con longitudes de corredera no diseñadas a propósito de diferentes tamaños para todos los cilindros, por lo que las carreras de potencia están por todas partes para los cilindros, lo que en efecto suaviza la curva de potencia en un nivel inferior. para un “viaje suave como un jet”.

Con la longitud del corredor diseñada, me puse a plasmar mi diseño en papel. Una cosa a tener en cuenta al diseñar un patrón de fundición es que el patrón debe ser un poco más grande que el producto terminado, ya que el metal utilizado para la pieza se encogerá a medida que se enfríe, haciendo que la pieza sea demasiado pequeña si no se compensa. Agregué un poco de longitud (aproximadamente 1/4 “, según recuerdo) al colector entre los conjuntos de puertos lejanos, pero por lo demás no me preocupé por esta contracción, ya que tendría poco impacto en este proyecto.

Medí los pasajes del corredor en el colector con la misma altura y ancho que los puertos en la cabeza. Consulté una junta de colector de admisión para esta dimensión. El espaciado de los puertos y las disposiciones de los pernos de montaje se copiaron de un colector de admisión de fábrica. El pleno del carburador (el volumen de espacio debajo del carburador necesario para permitir que se genere la onda de choque del tubo de órgano) se diseñó haciendo referencia al carburador Holley.

Las imágenes de mi dibujo de trabajo muestran cómo logro los corredores de igual longitud en los 6 cilindros. Los 4 cilindros exteriores fueron fáciles. El simple hecho de pasar las tuberías desde el pleno a los puertos de la cabeza generó los 11 “necesarios. El gran problema era cómo obtener la longitud requerida de 11” en las dos guías interiores del cilindro. Aproveché otra característica de la teoría del tubo de órgano. Las ondas de presión generadas no se ven afectadas por las curvas en la tubería siempre que las curvas sean suaves y no estén dobladas. Por lo tanto, al estudiar mis dibujos, verá cómo doblé los dos rieles internos alrededor de la cámara de admisión para obtener una estructura compacta mientras seguía logrando la longitud del riel de 11 “.

Paso 2: tallar el patrón

Tallando el patrónTallando el patrón

El siguiente GRAN paso fue tallar el patrón para hacer el molde de fundición en arena. Decidí usar caoba para el patrón ya que eso es lo que usan los profesionales. Tiene una veta muy uniforme sin apenas defectos, lo que hace que el modelado sea fácil y predecible. También es una madera bastante dura para mayor durabilidad. Corté las distintas piezas muy toscamente con una sierra de cinta y las pegué sin sujetadores. Fui bastante generoso con los márgenes ya que todavía estaba un poco confuso en la forma final de todo. Me siento mucho más cómodo trabajando en 3D que en papel, por lo que este paso fue en realidad más fácil que el paso de dibujo. Las fotos del patrón resultante muestran que creé filetes y construí partes del patrón usando masilla de poliéster. Observe las protuberancias que sobresalen de los extremos de las guías de admisión y de la parte superior de la brida de montaje del carburador. Es de esperar que sean huecos y, de hecho, en el producto final son huecos. En la parte inferior del patrón hay una cámara hueca tallada allí que en el colector terminado tendrá una placa de aluminio atornillada con una junta y con entrada y salida para líneas de agua caliente o tubos que transportan gases de escape calientes para calentar el colector. Todos los colectores impulsados ​​por la vía pública tienen esta provisión de calefacción para asegurar que la gasolina que proviene del carburador se vaporice y no se acumule como líquido en la parte inferior del colector. El proceso de vaporización de gasolina líquida en un carburador es un proceso endotérmico, lo que significa que a medida que el líquido se vaporiza, absorbe calor y hace que la carga de aire / combustible se enfríe, lo que a su vez puede volver a condensar el líquido. Los sólidos y líquidos no arden, solo los gases arden. Los sistemas de admisión de los automóviles deben asegurar que la gasolina esté en estado gaseoso dentro del motor. Esas protuberancias están ahí para aceptar los extremos de los núcleos de los canales utilizados en el proceso de fundición. El molde de fundición de arena hecho del exterior de los patrones de caoba es un vacío exactamente con esa forma. Sin núcleos de arena introducidos en esa cavidad para definir las guías y el pleno. La fundición resultante sería un pisapapeles sólido gigante.

Mencioné que este colector iba a ser un diseño de “180 grados”. Hay un par de opciones que tiene el diseñador de colectores para decidir qué cilindros de un carburador de múltiples pasajes alimentan qué cilindros. Si el colector está diseñado para todos los competidores, eso generalmente significa que el carburador estará en el acelerador completamente abierto la mayor parte del tiempo. El motor estará a velocidades extremas y todos los cilindros lucharán por obtener su parte justa de combustible. En esta situación, el pleno debajo del colector está completamente abierto o ‘360 grados’, por lo que cada cilindro es alimentado por cada barril del carburador.

En la calle, esta configuración no es muy eficiente. El motor está funcionando muy por debajo de la velocidad máxima y si cada cilindro del carburador estuviera abierto a cada cilindro, el flujo de la mezcla de aire / combustible sería muy lento y ni el carburador ni los cilindros funcionarían de manera eficiente. En este escenario, los diseñadores colocan una pared de barrera que divide el plenum debajo del carburador de modo que la mitad de los cilindros sea alimentada por la mitad del carburador. Esto mejora enormemente la eficiencia de ambos extremos del sistema, mejorando el par y la potencia de rango bajo a medio, lo que resulta en una experiencia de conducción mucho más agradable y eficiente en el consumo de combustible. Otra característica deseada de un colector de 180 grados es agrupar los cilindros de modo que ahora los cilindros se remolcan en un grupo de fuego secuencialmente. Idealmente, los cilindros disparan alternativamente entre los dos plenums durante todo el orden de encendido. De esta manera, la mezcla tiene tiempo para cambiar de corredor a un ritmo pausado. Para este motor resultó que los corredores 1, 2, 3 y 4, 5 y 6 son óptimos.

Paso 3: Hacer los núcleos para los pasajes dentro del colector

Haciendo los núcleos para los pasajes dentro del colectorHaciendo los núcleos para los pasajes dentro del colectorHaciendo los núcleos para los pasajes dentro del colectorHaciendo los núcleos para los pasajes dentro del colectorHaciendo los núcleos para los pasajes dentro del colector

El siguiente paso fue hacer los patrones para los núcleos de arena para los corredores y el pleno dentro del colector de admisión. Dado que esas partes deben encajar con precisión dentro del molde de fundición dejando un espacio uniforme de 1/4 “para las paredes de los pasajes en la fundición final, utilicé el gran patrón de colector de caoba para ayudar a crear estas piezas. Hice un yeso de fundición de París tanto Luego, como muestra la imagen, alineé sistemáticamente cada corredor con una capa de arcilla de modelar de 1/4 “de espesor, que a su vez recibió un vertido de más yeso de París. Una vez endurecido, se recortó y masajeó cada una de las piezas del corredor hasta obtener un negativo perfecto del paso deseado del corredor. Las siguientes dos fotos muestran el corredor resultante …

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