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.
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 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.
Варианты реализации системы изменения геометрии впускного коллектора и для чего это нужно — Autodromo
Наиболее эффективной современной технологией, которая позволяет существенно увеличивать мощность ДВС, снижать расходы топлива, уменьшать токсичные выбросы является система изменения геометрии впускного коллектора.
Изменение параметров геометрии коллектора можно добиться в двух случаях:
- при изменении длины самого коллектора впуска;
- при изменении его поперечного сечения.
В некоторых типах ДВС изменение геометрии коллектора происходит одновременно двумя изложенными способами.
Впускной коллектор с изменением длины
Данный тип коллектора может использоваться на дизельных и бензиновых двигателях, которые обеспечивают эффективное наполнение камеры сгорания входящим воздухом на рабочих оборотах ДВС.
Для того чтобы обеспечить высокий вращающий момент на достаточно низких оборотах двигателя, применяется впускной коллектор максимальной длины. И, наоборот, на высоких оборотах для эффективной работы двигателя применяется впускной коллектор минимальной длины.
Подобные впускные коллекторы применяются в наиболее известных системах изменения геометрии — DIVA от концерна BMW; VICS и VRIS от компании Mazda; DSI от концерна Ford.
Длина впускного коллектора регулируется за счет регулирующего клапана, который является составным элементом СУД (системы управления двигателем).
Принцип работы
Принцип работы впускного коллектора с изменением длины основан на следующем. Часть воздушной массы, которая остается во впускном коллекторе после закрытия впускных клапанов, производит колебательные движения с частотой, которая прямо пропорциональна длине коллектора и рабочим оборотам ДВС.
В некоторый момент колебания воздушной массы достигают резонансной частоты, что способствует возникновению эффекта нагнетания. Этот процесс получил название резонансный наддув. Открытие клапанов впуска обеспечивает подачу воздуха под высоким давлением в камеру сгорания.
В двигателях надувного типа нет необходимости мудрить с впускным коллектором переменной длины, поскольку подача воздуха обеспечивается турбиной или компрессором. Поэтому в таких двигателях применяется впускной коллектор малой длины, который позволяет уменьшить размеры ДВС, а, следовательно, и его стоимость.
Впускной коллектор с изменением сечения
Впускной коллектор с изменением сечения используется на всех видах ДВС – бензиновых, дизельных, с наддувом.
Увеличение скорости движения воздуха, улучшение образования и сгорания ТВС, а также уменьшение уровня токсичности газов обеспечивается за счет уменьшения поперечного сечения коллекторных каналов.
К наиболее распространенным системам, оснащенным впускным коллектором с изменением сечения относятся: Twin Port от компании Opel; Variable Induction System от концерна Volvo; VIS от компании Toyota; IMRC и CMCV от концерна Ford.
Подобная система имеет центральный впускной канал, который разделяется на два канала для отдельных цилиндров. При этом один из каналов закрывается заслонкой, привод которой выполняет регулятор вакуумного типа или электрический двигатель.
Если нагрузка в системе неполная, заслонки остаются в закрытом состоянии, ТВС или чистый воздух (в зависимости от применяемой системы впрыска) подается в камеры сгорания цилиндров по единственному каналу. Это способствует образованию завихрений, которые улучшают процесс смесеобразования.
Уменьшение площади сечения впускного коллектора способствует улучшению экономичности ДВС за счет того что система рециркуляции выхлопных (отработавших) газов начинает работать чуть раньше.
Если нагрузка полная, в таком случае заслонки остаются открытыми, благодаря чему происходит максимальная подача ТВС (или воздуха) в камеру сгорания с дальнейшим увеличением мощности ДВС.
Принцип работы
Система изменения геометрии имеет достаточно простой принцип работы. Каждый цилиндр оснащен отдельным каналом на каждый клапан впуска. При этом любой из этих каналов может закрываться специальной заслонкой. Система управления двигателем активизирует работу привода заслонки. В зависимости от нагрузки системы происходит подача соответствующего объема ТВС (или воздуха) в камеру сгорания.
Основным назначением системы является повышение эффективности и экономичности любого ДВС при сохранении заявленной мощности. Подобная система также позволяет сэкономить топливо до 10-15%, если параллельно ей задействовать систему для рециркуляции газов, образованных при сгорании топлива.
Фото и рис.: Nissan, Audi
FSAE Впускной коллектор переменной длины (VLIM)
Что такое впускной коллектор? Впускной коллектор — это просто механический компонент, прикрепленный к головке блока цилиндров двигателя, который позволяет воздушно-топливной смеси поступать в камеру сгорания двигателя.
Что такое впускной коллектор с изменяемой геометрией?
Впускной коллектор с изменяемой геометрией, как следует из названия, представляет собой впускной коллектор, который меняет свою геометрию. Изменение геометрии требуется для оптимизации работы двигателей на разных оборотах.
Обычно это достигается изменением длины направляющей впускного коллектора.
Каковы преимущества впускного коллектора с изменяемой геометрией?
Краткий ответ, для достижения большей объемной эффективности. Как следствие большей объемной эффективности мы можем достичь большего крутящего момента, мощности и теплового КПД при том же размере двигателя при тех же оборотах.
Что такое Объемный КПД?
Объемный КПД в двигателе внутреннего сгорания определяется как отношение массовой плотности топливовоздушной смеси, всасываемой в цилиндр при атмосферном давлении (во время такта впуска), к массовой плотности того же объема воздуха в впускной коллектор.
Впускной коллектор с изменяемой геометрией своими руками:
Здесь я расскажу об одной из своих конструкций впускного коллектора с изменяемой геометрией. Коллектор предназначен для одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания объемом 510 куб.см (KTM 500EXC). После проектирования мы рассмотрим производственный процесс и проверку впускного коллектора с помощью регистратора данных, который мы сделали ранее в другом моем блоге здесь.
ШАГ 1: Дизайн
Конструкция состоит из следующих компонентов, расположенных по направлению вниз по потоку воздуха:
Он соединяется с нагнетательным барабаном с помощью винтовой резьбы.Характеристики:
- Размер корпуса дроссельной заслонки: 28 мм
- Диаметр Вентури: 20 мм (ограничено правилом FSAE)
- Объем камеры: переменный (от 1200 до 2800 куб. см)
- Длина направляющей: переменная (от 230 мм до 330 мм)
- Диаметр направляющей: 40 мм
Вышеупомянутые размеры являются результатом обширных расчетов, исследований и моделирования в нескольких программах.
Одна только часть расчетов требует отдельного урока, который я сделаю в ближайшем будущем.
Рабочий: Обзор
К сожалению, я потерял все видео и изображения установки из-за поврежденной карты памяти. Осталось только любительское видео установки ниже:
Механизм: На изображениях ниже показано движение подвижного плунжера и соответствующее изменение геометрии коллектора.
- По мере того как поршень перемещается к верхней крышке камеры, объем камеры уменьшается, а длина направляющей увеличивается. Оба эти изменения улучшают характеристики двигателя на низких оборотах.
- По мере того как поршень перемещается к нижней крышке камеры, объем камеры увеличивается, а длина направляющей уменьшается. Оба эти изменения повышают производительность двигателя на высоких оборотах.
ЭТАП 2: Изготовление
- Коллектор был изготовлен в основном на токарном станке с ЧПУ и вертикально-фрезерном станке с ЧПУ.
- В качестве материала был выбран алюминий из-за легкости, коррозионной стойкости и хорошей свариваемости.
- Ниже представлено изображение обработанных компонентов.
Почему не 3D-печать?
Некоторые могут возразить в пользу 3D-печати коллектора вместо обработки на станке с ЧПУ. И в какой-то степени их аргумент может быть действительным и законным. Но причина, по которой я выбрал последнее, заключается в моем предыдущем опыте работы с впускными коллекторами, напечатанными на 3D-принтере. Проблема с коллекторами, напечатанными на 3D-принтере, заключается в том, что конструкция слишком жесткая. Под этим я подразумеваю, что внесение изменений в уже изготовленный коллектор практически невозможно. Например, если позже вы захотите добавить в коллектор дополнительный датчик давления или датчик температуры, вам нужно будет сделать какое-то крепление на напечатанной на 3D-принтере детали. И чтобы сделать крепление, вам нужно будет его обработать, что очень ограничено для большинства 3D-печатных материалов.
С другой стороны, использование алюминия обеспечивает большую гибкость конструкции. То есть на более поздних этапах, если вы хотите внести некоторые дополнения в дизайн, алюминий допускает несколько процессов обработки, таких как сварка, нарезание резьбы, накатка и т. д., которые не существуют в 3D-печати.
ШАГ 3: Сборка
- Окончательно собранный коллектор выглядит следующим образом:-
ШАГ 4: Проверка
- Используя систему сбора данных, которую мы сделали ранее, были записаны значения давления во впускном коллекторе при различных процентах дроссельной заслонки.
- Затем эти данные были нанесены на график в MATLAB и проанализированы. Пример данных выборки и результата показан ниже:
- Процентное увеличение объемной эффективности в точке конструктивного пересечения:
Где,
Pc= мгновенное давление в этой точке
Pm= среднее давление в этом цикле0037
- В перспективе двигатель с фиксированным впускным коллектором, развивающий в среднем 40 Нм крутящего момента при, скажем, 8500 об/мин, может производить 45 Нм, просто заменив фиксированный впускной коллектор на регулируемый.
- Однако следует отметить, что изменение объемного КПД в нашем случае сильно завышено. Это связано с ограничителем воздухозаборника в студенческих автомобилях Формулы, который создает еще более сильные волны давления, особенно при более высоких оборотах двигателя. Для дорожных автомобилей результаты не будут такими завышенными, поскольку в их коллекторе нет преднамеренного ограничения подачи воздуха. Но все же на дорожных автомобилях можно наблюдать значительное изменение порядка 6-8%. Более того, приведенные выше расчеты по своей сути не являются точными на 100%. Для получения более точных результатов вместо средних значений следует рассматривать интеграл волновой функции давления за один цикл всасывания. Это может еще больше уменьшить завышенное значение и даст более точный результат.
Для получения дополнительной информации о стратегии валидации, расчетах и результатах. Свяжитесь здесь.
ШАГ 5: Результат В результате такого тщательного проектирования впускного коллектора был создан очень конкурентоспособный автомобиль FSAE.
| ДОБРО ПОЖАЛОВАТЬ В IJSTR (ISSN 2277-8616) –
|
Рукописи должны быть представлены через онлайн-подачу
Все рукописи предварительно рецензируются редакционной комиссией. Вклады должны быть оригинальными, ранее или одновременно не публиковавшимися в других местах, и подвергаться критическому анализу перед публикацией. Статьи, которые должны быть написаны на английском языке, должны иметь правильную грамматику и правильную терминологию.