Впускной коллектор переменной длины: Система изменения геометрии впускного коллектора: принцип работы

Содержание

Что такое изменяемая геометрия впуска и зачем она нужна

Главная
Статьи
Больше воздуха без наддува: что такое изменяемая геометрия впуска и зачем она нужна

Автор: Михаил Баландин

Наверняка все слышали про изменяемую геометрию впускного коллектора и даже встречали аббревиатуры вроде IMRC, DIVA, DSI, VIS или чего-то похожего. Что всё это такое, зачем это надо, чем отличается и как работает? Сегодня попробуем изложить теорию изменяемой геометрии впуска простыми словами.

Хорошо, но не очень

Любой уважающий себя автомобилист знает, что на такте впуска в цилиндр попадает воздух. Пока поршень движется вниз, к нижней мёртвой точке, впускные клапаны (или клапан) открыты, и воздух всасывается внутрь. И этот процесс идёт просто прекрасно, пока клапан открыт. А что происходит, когда он закрывается? В этот момент воздух внезапно останавливается перед «закрытой дверью», ударяется об неё и идёт обратно во впуск. Звучит, может быть, на первый взгляд странно, но это так: воздух тоже имеет массу (кубометр воздуха весит больше килограмма, между прочим), а значит, он знаком с понятием инерции. Итак, он возвращается во впускной коллектор, а там он натыкается на дроссельную заслонку. И от нечего делать идёт опять к клапану. И оно бы ничего, если бы клапан в этот момент оказался открытым: в этом случае в цилиндр попало бы больше воздуха, а значит, при желании можно было бы впрыснуть и больше топлива. И, само собой, получить больше мощности. Именно к такому событию и стремятся конструкторы, рассчитывая сечение и длину впускного коллектора. А явление, при котором газы по инерции попадают в цилиндр в увеличивающемся количестве, называется резонансным или газодинамическим наддувом. Разумеется, оно свойственно только атмосферным моторам – в турбированных моторах необходимое количество воздуха можно нагнать этой самой турбиной. А единственный возможный наддув в атмосферном моторе – вот этот вот резонансный.

Понятно, что больше всего хочется избежать наименее благоприятного варианта развития событий: открыть впускной клапан в тот момент, когда воздух, только что ударившись о закрытый клапан, бежит от него обратно к дроссельной заслонке. В этом случае воздуха получится совсем мало, а это приведёт к очень плохому сгоранию топлива: без окислителя (кислорода в воздухе) никакого толкового сгорания не получится. Именно поэтому расчёт коллектора – работа сложная. И, к сожалению, связанная с поиском компромисса.

В атмосферном моторе воздух поступает в цилиндр приблизительно на 75-80% от объёма цилиндра. Конечно же, это не совсем плохо, но и не максимально эффективно. И чтобы сделать это наполнение более качественным, пришла мысль использовать резонансный наддув. Но сделать это не так просто: частота этого резонанса напрямую зависит от оборотов коленвала. А кроме этого, есть ещё два важных параметра: масса резонирующего воздуха и скорость его потока. И их желательно менять, потому что наполнение цилиндров при разных оборотах должно иметь немного разную физику.

Если не углубляться в дебри газовой динамики, то суть можно объяснить довольно просто: при низких оборотах скорость движения воздушного потока будет не слишком высокой, что в сочетании с реже открывающимся клапаном приведёт к нежелательным последствиям. А если при этом канал будет ещё и широким, то турбулентность воздушного потока будет слабой, что приведёт к не очень качественному перемешиванию воздуха и топлива. Сгорание такой топливовоздушной смеси будет недостаточно равномерным, а значит, неэффективным. Поэтому лучше, если на низких оборотах длина коллектора будет больше, а сечение его канала – меньше.

На высоких оборотах длинный и узкий канал наоборот нежелателен: слишком сильно вырастают насосные потери, а потенциальное количество воздуха, которое могло бы попасть в цилиндр, снижается. Поэтому в этой ситуации лучше иметь более короткий коллектор, но с большим сечением.

Раньше пытались прийти к компромиссу, сделав такой коллектор, который бы более-менее справлялся с воздушным потоком и на низких, и на высоких оборотах. В итоге воздух на каких-то оборотах поступал лучше, на каких-то похуже, и постоянное желание делать моторы мощнее и экологичнее заставили искать способы оптимизации и впускного коллектора. А способ тут один: менять его геометрию, делая его то длиннее, то короче, то уже, то шире. Так появились разные системы изменяемой геометрии впуска.

И так, и эдак

Первая система позволяет изменить длину впускного коллектора в зависимости от оборотов. Часто её так и на называют – переменная длина впуска. Принцип работы у неё довольно простой: в коллекторе предусмотрены два канала разной длины. В нём же стоит заслонка, которая может переключать поток воздуха либо на длинный канал, либо на короткий. Понятно, что тут тоже есть некоторое допущение: вместо плавного изменения длины впуска предусмотрены лишь два положения его длины. Да, решение опять попахивает компромиссом, но это всё же лучше, чем ничего, а делать систему, которая меняла бы длину коллектора непрерывно в зависимости от оборотов, было бы очень дорого. Теоретически такие системы существуют, но в жизни встречаются очень редко.

Остаётся вопрос: кто и как всем этим управляет? В наиболее примитивных системах – конечно же, разрежение в коллекторе, которое падает с ростом оборотов. В этом случае обходятся простым приводом, меняющим положение под действием мембраны. Этот механизм не слишком точный и почти не поддающийся диагностике, поэтому более популярен другой принцип – электропривод, управляемый ЭБУ. Он и работает точнее, и в случае чего способен зажечь Check Engine и напроситься на компьютерную диагностику.

Изменение сечения впускного канала работает практически по тому же принципу: либо есть заслонка, которая стоит в канале и меняет его сечение, либо, если каналов два, то она может перекрывать один из них. Управление этими заслонками такое же, как и управление заслонками переменной длины – вакуумом или электроприводом.

Справедливости ради надо добавить, что переключениями между каналами не всегда заведует заслонка в прямом смысле слова (нечто, похожее на пластинку, которое вращается на оси). Реализация может быть разной, и, например, в опелевских моторах Z18XER этим процессом заведует так называемый «барабан» (который на барабан, если честно, внешне совсем не похож), стоящий внутри коллектора. Он имеет окна и способность крутиться вокруг своей оси. В зависимости от угла поворота барабана, его окна могут быть частично перекрыты глухой стенкой, а могут быть открыты, что и меняет скорость и объём потока воздуха. Да, Опель когда-то умел порадовать нестандартным подходом к стандартным вещам.

Почему я вспомнил про Опель? Потому что многие производители стараются добавить своими системам изменения геометрии впуска уникальности, но технически это выглядит не очень интересно – они все похожи. Поэтому в ход идёт маркетинг и изобретение новых название. Отсюда и получается некоторая каша букв, в которой легко запутаться. Например, система изменения сечения у Форда могла называться IMRC (Intake Manifold Runner Control) или CMCV (Charge Motion Control Valve), а его же система изменения длины впуска называется DSI (Dual-Stage Intake). У BMW эта система называются DIVA (Differential Variable Air Intake) и так далее – различных аббревиатур много, но суть у них одна. Точнее, две – изменение длины или сечения. Впрочем, встречаются и такие системы, которые меняют и то, и другое одновременно.

Что может пойти не так?

Слабое место изменяемой геометрии – это как раз заслонки. Вращаясь на оси, они изнашиваются и со временем начинают люфтить. Появляется характерный стук (или даже треск) в районе впускного коллектора. Если смотреть на это неприятное явление сквозь пальцы, заслонка в один прекрасный момент может развалиться, после чего её куски полетят прямиком в цилиндр. И это будет очень грустно.

Кроме того, заслонки со временем могут зарастать сажей. Мы же помним про прекрасную систему рециркуляции, которая способна отправлять во впуск часть отработавших газов? Она же отправляет туда и частички сажи. Если сажи будет много, заслонки ею зарастают и перестают работать должным образом. Тут поможет промывка, для чего, к сожалению, впуск придётся разобрать.

Другие симптомы, указывающие на неисправность изменяемой геометрии впуска, не способны однозначно указать именно не неё. Будет заметен рост расхода топлива, в некоторых режимах снизится мощность. Но тут уже не обойтись без диагностики – причин для подобного безобразия множество, и геометрия впуска стоит чуть ли не на последнем месте. Ну а с треском заслонок лучше не ездить – последствия попадания их обломков для мотора почти фатальны. Чаще во впуск улетают вихревые заслонки, но всё же непонятный стук и треск в коллекторе должны сразу насторожить.

практика

Новые статьи

Статьи / Обзор Туда, где нет дорог, но есть электричество: обзор Jetour T3 Часто возникает вопрос: зачем китайцы так усиленно плодят новые бренды? Зачем компании Chery столько суббрендов: Omoda, Exeed, а теперь ещё и Jetour? Оказывается, всё дело в непростой китайс… 451 1 0 21.

04.2023

Статьи / Обзор Поперёд батьки: обзор нового Lexus LM С первым поколением своего люксового минивэна Lexus изрядно опоздал. Японцы долго думали, глядя на то, как Buick завоевывает сегмент комфортабельных шаттлов на гигантском китайском рынке, а… 509 1 2 21.04.2023

Статьи / Обзор Последний бензиновый Porsche Cayenne – прощай, аналоговый тахометр и привет, рекордная мощность Китай – крупнейший рынок не только для собственного автопрома, но и для европейского «премиума». В первом квартале 2023-го Porsche поставил в Китай 21 365 автомобилей – на 21% больше, чем за… 1406 4 2 20.

04.2023

Система изменения геометрии впускного коллектора

Главная » Впускная система » Система изменения геометрии впускного коллектора

Система изменения геометрии впускного коллектора является одной из востребованных технологий повышения мощности двигателя, экономии топлива, снижения токсичности отработавших газов.

Изменение геометрии впускного коллектора может быть реализовано двумя способами:

изменением длины впускного коллектора;
изменение поперечного сечения впускного коллектора.

В ряде случаев изменение геометрии впускного коллектора на одном двигателя осуществляется одновременно двумя способами.

Впускной коллектор переменной длины

Впускной коллектор переменной длины применяется в атмосферных бензиновых и дизельных двигателях для обеспечения лучшего наполнения камеры сгорания воздухом на всем диапазоне оборотов двигателя.

На низких оборотах двигателя требуется достижение максимального крутящего момента как можно быстрее, для чего используется длинный впускной коллектор. Высокие обороты выводят двигатель на максимальную мощность при коротком впускном коллекторе.

Впускной коллектор переменной длины используют в конструкции двигателей многие производители, некоторые дали системе собственные названия:

Dual-Stage Intake, DSI от Ford;
Differential Variable Air Intake, DIVA от BMW;
Variable Inertia Charging System, VICS, Variable Resonance Induction System, VRIS от Mazda.

Регулирование длины впускного коллектора (переключение с одной длины на другую) производится с помощью клапана, входящего в состав системы управления двигателем.

Работа впускного коллектора переменной длины осуществляется следующим образом. При закрытии впускных клапанов во впускном коллекторе остается часть воздуха, которая совершает колебания с частотой пропорциональной длине коллектора и оборотам двигателя. В определенный момент колебания воздуха входят в резонанс, чем достигается эффект нагнетания – т.н. резонансный наддув. При открытии впускных клапанов воздушная смесь в камеры сгорания нагнетается с большим давлением.

В надувных двигателях впускной коллектор переменной длины не используется, т.к. необходимый объем воздуха в камере сгорания обеспечивается механическим и (или) турбокомпрессором. Впускной коллектор в таких двигателях очень короткий, что сокращает размеры двигателя и его стоимость.

Впускной коллектор переменного сечения

Впускной коллектор переменного сечения применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях, в т. ч. оборудованных наддувом. При уменьшении поперечного сечения каналов впускного коллектора достигается увеличение скорости воздушного потока, лучшее смесеобразование и соответственно обеспечивается полное сгорание топливно-воздушной смеси, снижение токсичности отработавших газов.

Известными системами впуска переменного сечения являются:

Intake Manifold Runner Control, IMRC, Charge Motion Control Valve, CMCV от Ford;
Twin Port от Opel;
Variable Intake System, VIS от Toyota;
Variable Induction System, VIS от Volvo.

В системе впускной канал к каждому цилиндру разделен на два канала (отдельный канал на каждый впускной клапан), один из которых перекрыт заслонкой. Привод заслонки осуществляет вакуумный регулятор или электродвигатель, являющийся исполнительным устройством системы управления двигателем.

При частичной нагрузке заслонки закрыты, топливно-воздушная смесь (двигатели с распределенным впрыском) или воздух (двигатели с непосредственным впрыском) поступает в камеру сгорания каждого из цилиндров по одному каналу. При этом создаются завихрения, которые обеспечивают лучшее смесеобразование. При уменьшении сечения впускного коллектора раньше вступает в работу система рециркуляции отработавших газов, тем самым повышается топливная экономичность двигателя.

При полной нагрузке заслонки впускного коллектора открываются, увеличивается подача воздуха (топливно-воздушной смеси) в камеры сгорания и соответственно повышается мощность двигателя.

Как работают впускные коллекторы переменной длины?

Длина впускных патрубков оказывает определенное влияние на работу двигателя. Например, более длинные впускные каналы используются для улучшения крутящего момента на нижнем конце (крутящий момент на низких оборотах), в то время как более короткие впускные каналы улучшают максимальную мощность (мощность в лошадиных силах на высоких оборотах). Длина будет варьироваться от двигателя к двигателю, а также от целей каждого транспортного средства, на котором будет работать двигатель.

Также необходимо учитывать диаметр каждого бегунка. Все коррелирует с массой и скоростью воздушного потока. В диапазоне оборотов скорость воздушного потока в полозьях увеличивается, но в какой-то момент она достигает максимума и не может двигаться быстрее, что будет ограничивать. По мере увеличения скорости воздушного потока увеличивается и его инерция. В нижней части такта впуска инерция воздушного потока поможет протолкнуть немного больше воздуха в цилиндр, что увеличит мощность. Но если бегун не оптимален, этого не может быть.

Например, длинный бегунок меньшего диаметра улучшит низкий крутящий момент, потому что он раньше достигнет предела скорости, но ухудшит максимальную мощность, потому что он слишком ограничен. Короткий бегунок большого диаметра улучшит максимальную мощность, потому что он позже достигнет максимальной скорости, но не поможет крутящему моменту на низком конце, потому что он не может получить достаточную скорость для создания инерции.

Теперь, когда вы знаете, в чем разница между длинами направляющих, вы можете себе представить, почему наличие коллектора направляющей переменной длины было бы хорошей идеей. Вы получаете лучшее из обоих миров. С обычным коллектором вы должны выбрать точный коллектор для любых ваших целей. Если вы планируете много участвовать в дрэг-рейсинге, то, вероятно, лучше всего подойдет коллектор с полозьями для поддержки максимальной мощности, когда вы занимаетесь автокроссом, где большую часть времени вы находитесь в низком диапазоне оборотов. , вы можете выбрать коллектор, чтобы лучше всего улучшить крутящий момент на низких оборотах. Все меняется, и нет правильного или неправильного ответа для всех приложений. Но будет компромисс.

Тем не менее, для обычного ежедневного водителя вы не хотите идти на компромисс, потому что вам нужен низкий крутящий момент для проезда от светофора к светофору, но вам также нужна эта мощность наверху для слияния на автостраде или обгона кого-то.

В коллекторах с направляющими переменной длины используется клапан для переключения между двумя направляющими в зависимости от ситуации. Когда нагрузка на двигатель высока (низкие обороты), коллектор переключается на использование более длинного и меньшего рабочего колеса, чтобы получить низкий крутящий момент. Когда нагрузка на двигатель низкая (высокие обороты), коллектор переключается на более короткую и большую направляющую, чтобы увеличить мощность. Лучшее из обоих миров.

Отказ от ответственности : Это упрощенное объяснение впускных коллекторов и направляющих. Существует целый мир науки между расширительными баками, большей динамикой воздушного потока, такой как турбулентность, завихрение и т. Д. И, конечно, когда речь идет о двигателях с принудительной индукцией (турбо, нагнетатели), эти правила меняются.

Редактировать: Вот изображение

Вы можете видеть, как описано в одном из комментариев, есть вал, который управляет набором бабочек. Вал будет вращаться, что изменит положение бабочек, эффективно изменяя свойства бегунка. Как вы можете видеть, на этом рисунке вал имеет вакуумную модуляцию (начните соединение и двигайтесь влево). Имеется колоколообразный модулятор с присоединенной к нему вакуумной линией. Современные могут использовать больше электронных методов.

У Mazda 787B была дикая система впуска с регулируемой длиной

Большинство из вас знает Mazda 787B, первую японскую машину, выигравшую Ле-Ман, единственный автомобиль с непоршневым двигателем, выигравший гонку, и машину с незабываемый крик. Вы, наверное, знаете, что у него был четырехроторный двигатель R26B, но знали ли вы о его системе впуска переменной длины? А вы видели его в действии? Это довольно дико. Mazda по праву празднует 30-летие победы в Ле-Мане и разместила видео, демонстрирующее различные детали автомобиля, в том числе воздухозаборники в действии.

Этот контент импортирован с YouTube. Вы можете найти тот же контент в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.

Длина впускного патрубка оказывает значительное влияние на мощность двигателя. Проще говоря, более длинные полозья помогают генерировать лучший крутящий момент на низких оборотах, а короткие полозья обеспечивают мощность на высоких оборотах. Использование впускной системы переменной длины означает, что инженерам не нужно идти на компромисс. Вы получаете лучшее из обоих миров, и именно поэтому многие дорожные автомобили имеют системы впуска переменной длины.

Роторные двигатели печально известны отсутствием крутящего момента на низких оборотах, поэтому инженеры Mazda использовали рабочие колеса переменной длины в своих гоночных двигателях, чтобы помочь им лучше конкурировать с машинами с поршневым двигателем. С четырехроторным двигателем 13J в 767 Mazda сначала использовала двухступенчатый впуск, а затем перешла на многоступенчатый впуск для R26B. Последняя версия прототипов Mazda с роторным двигателем группы C, 787B, имела самую сложную систему впуска.

Mazda

GP LibraryGetty Images

После 1991 года автомобилям с роторными двигателями больше не разрешалось участвовать в гонках Ле-Мана, поэтому Mazda приложила массу усилий, чтобы создать лучший роторный гоночный двигатель, какой только мог. Рицухару Симидзу был инженером роторной программы Mazda, которому было поручено получить от R26B как можно больше мощности. Его решением были полностью регулируемые впускные каналы, длина которых изменялась в зависимости от частоты вращения двигателя. Полозья приводились в движение электродвигателями и шкивами, установленными сверху двигателя, управляемого ЭБУ. По сути, Симидзу превратил входные трубы во входные тромбоны, и это сработало.

Mazda смогла развить мощность 690 л.с. при 9000 об/мин и, что особенно важно, крутящий момент 448 фунт-фут при 6500 об/мин. Удивительные цифры, но все же они немного отстают от больших поршневых двигателей моделей Sauber-Mercedes, Jaguar и Porsche. Но Mazda лоббировала санкционирующий орган, чтобы снизить максимальный вес для 787B, дав ему преимущество в соотношении мощности к весу и лучшую экономию топлива. Роторные двигатели дорожных автомобилей известны своей привередливостью, но к этому моменту гоночные агрегаты Mazda были хорошо развиты, и модель № 55 787B постепенно пробивалась сквозь поле после старта в 19-м году.