Впускной коллектор ДВС: устройство, функции и роль в подаче топливно-воздушной смеси. Оптимизация эффективности и производительности двигателя. Автотехнологии.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Автомобильная техника
Automotive technology
Впускной коллектор – это часть двигателя внутреннего сгорания, которая подает топливовоздушную смесь в цилиндры. Слово «коллектор» происходит от староанглийского manigfeald (от англосаксонских manig – «многие» и feald – «многократно») и отражает принцип разветвления одной трубы на множество. В отличие от него, выпускной коллектор собирает отработанные газы из нескольких цилиндров в меньшее количество труб, часто сводя их к одной. Основная функция впускного коллектора – равномерно распределять топливовоздушную смесь (или только воздух в двигателях с непосредственным впрыском) по каждому впускному каналу в головке (головках) цилиндров. Равномерное распределение важно для оптимизации эффективности и производительности двигателя. Он также может служить креплением для карбюратора, дроссельной заслонки, топливных форсунок и других компонентов двигателя. Вследствие движения поршней вниз и сопротивления, создаваемого дроссельной заслонкой, в поршневом двигателе с искровым зажиганием во впускном коллекторе возникает частичный вакуум (ниже атмосферного давления). Этот вакуум может быть значительным и использоваться как источник вспомогательной энергии для привода различных систем автомобиля: вакуумного усилителя тормозов, систем контроля выбросов, круиз-контроля, системы опережения зажигания, стеклоочистителей, электростеклоподъемников, клапанов системы вентиляции и т.д. Этот вакуум также может использоваться для отвода газов прорыва поршней из картера двигателя. Такая система называется системой принудительной вентиляции картера, в которой эти газы сжигаются вместе с топливовоздушной смесью. Исторически впускные коллекторы изготавливались из алюминия или чугуна, но все большую популярность приобретают композитные пластиковые материалы (например, большинство 4-цилиндровых двигателей Chrysler, Ford Zetec 2.0, Duratec 2.0 и 2.3, а также серия Ecotec от GM).
An inlet manifold or intake manifold (in American English) is the part of an internal combustion engine that supplies the fuel/air mixture to the cylinders. The word manifold comes from the Old English word manigfeald (from the Anglo Saxon manig [many] and feald [repeatedly]) and refers to the multiplying of one (pipe) into many. In contrast, an exhaust manifold collects the exhaust gases from multiple cylinders into a smaller number of pipes – often down to one pipe. The primary function of the intake manifold is to evenly distribute the combustion mixture (or just air in a direct injection engine) to each intake port in the cylinder head(s). Even distribution is important to optimize the efficiency and performance of the engine. It may also serve as a mount for the carburetor, throttle body, fuel injectors and other components of the engine. Due to the downward movement of the pistons and the restriction caused by the throttle valve, in a reciprocating spark ignition piston engine, a partial vacuum (lower than atmospheric pressure) exists in the intake manifold. This manifold vacuum can be substantial, and can be used as a source of automobile ancillary power to drive auxiliary systems: power assisted brakes, emission control devices, cruise control, ignition advance, windshield wipers, power windows, ventilation system valves, etc. This vacuum can also be used to draw any piston blow by gases from the engine's crankcase. This is known as a positive crankcase ventilation system, in which the gases are burned with the fuel/air mixture. The intake manifold has historically been manufactured from aluminium or cast iron, but use of composite plastic materials is gaining popularity (e. g. most Chrysler 4 cylinders, Ford Zetec 2.0, Duratec 2.0 and 2.3, and GM's Ecotec series).
Турбулентность
Карбюратор или топливные форсунки распыляют капли топлива в воздух во впускном коллекторе. Из-за электростатических сил и конденсации из пограничного слоя часть топлива собирается в лужицы на стенках коллектора, а из-за поверхностного натяжения топлива мелкие капли могут объединяться в более крупные в воздушном потоке. Оба этих явления нежелательны, поскольку приводят к неравномерности соотношения воздух-топливо. Турбулентность во впускном тракте способствует разрушению капель топлива, улучшая степень распыления. Более качественное распыление обеспечивает более полное сгорание топлива и помогает снизить детонацию за счет увеличения фронта пламени. Для создания этой турбулентности обычно оставляют поверхности впускного тракта и впускных каналов в головке блока цилиндров шероховатыми и неполированными. Однако избыточная турбулентность во впуске бесполезна, так как вызывает ненужное падение давления и снижение мощности двигателя.
The carburetor or the fuel injectors spray fuel droplets into the air in the manifold. Due to electrostatic forces and condensation from the boundary layer, some of the fuel will form into pools along the walls of the manifold, and due to surface tension of the fuel, small droplets may combine into larger droplets in the airstream. Both actions are undesirable because they create inconsistencies in the air fuel ratio. Turbulence in the intake helps to break up fuel droplets, improving the degree of atomization. Better atomization allows for a more complete burn of all the fuel and helps reduce engine knock by enlarging the flame front. To achieve this turbulence it is a common practice to leave the surfaces of the intake and intake ports in the cylinder head rough and unpolished. Only a certain degree of turbulence is useful in the intake. Once the fuel is sufficiently atomized, additional turbulence causes unneeded pressure drops and a drop in engine performance.
Объемная эффективность
Конструкция и ориентация впускного коллектора являются ключевым фактором, определяющим объемную эффективность двигателя. Резкие изменения геометрии вызывают падение давления, что приводит к уменьшению количества воздуха (и/или топлива), поступающего в камеру сгорания; высокопроизводительные коллекторы характеризуются плавными контурами и постепенными переходами между соседними элементами. В современных впускных коллекторах обычно используются каналы (runners) – отдельные трубы, подведенные к каждому впускному отверстию в головке блока цилиндров, отходящие от центрального объема или "пленума", расположенного под карбюратором. Назначение каналов заключается в использовании свойства гельмгольцского резонанса воздуха. Воздух проходит через открытый клапан с высокой скоростью. При закрытии клапана воздух, еще не успевший войти в клапан, сохраняет значительный импульс и сжимается у клапана, образуя зону высокого давления. Этот воздух высокого давления начинает выравниваться с воздухом низкого давления во впускном коллекторе. Из-за инерции воздуха выравнивание будет колебательным: сначала давление в канале становится ниже, чем во впускном коллекторе. Затем воздух из коллектора стремится вернуться в канал, и колебание повторяется. Этот процесс происходит со скоростью звука, и в большинстве коллекторов волна проходит вверх и вниз по каналу многократно до повторного открытия клапана. Чем меньше площадь поперечного сечения канала, тем сильнее изменение давления при резонансе для заданного расхода воздуха. Этот аспект гельмгольцского резонанса воспроизводит один из эффектов Вентури. Когда поршень ускоряется вниз, давление на выходе из впускного канала снижается. Этот импульс низкого давления распространяется к входному концу, где преобразуется в импульс повышенного давления. Этот импульс возвращается по каналу, нагнетая воздух через клапан. Затем клапан закрывается. Для полной реализации эффекта гельмгольцского резонанса необходимо точно синхронизировать открытие впускного клапана, иначе импульс может оказаться деструктивным. Это представляет собой сложную задачу для двигателей, поскольку фазы газораспределения динамичны и зависят от оборотов двигателя, а фаза импульса статична и определяется длиной впускного канала и скоростью звука. Традиционным решением является настройка длины впускного канала для определенной частоты вращения двигателя, при которой достигается максимальная производительность. Однако современные технологии предлагают ряд решений, включающих электронное управление фазами газораспределения (например, Valvetronic) и динамическую геометрию впускного коллектора (см. ниже). В результате "резонансной настройки" некоторые атмосферные впускные системы работают с объемной эффективностью выше 100%: давление воздуха в камере сгорания перед тактом сжатия превышает атмосферное. В сочетании с конструкцией впускного коллектора, конструкция выпускного коллектора и момент открытия выпускного клапана могут быть скоординированы для более эффективной очистки цилиндра. Выпускные коллекторы создают разрежение в цилиндре непосредственно перед достижением поршнем верхней мертвой точки. Открывающийся впускной клапан может затем, при типичных степенях сжатия, заполнить до 10% объема цилиндра перед началом движения вниз. Вместо повышения давления в цилиндре, впускной клапан может оставаться открытым после прохождения поршнем нижней мертвой точки, пока воздух продолжает поступать. В некоторых двигателях впускные каналы прямые для минимизации сопротивления. Однако в большинстве двигателей каналы изогнуты, иногда весьма сложно, для достижения необходимой длины. Эти изгибы позволяют сделать коллектор более компактным, что способствует более плотной компоновке двигателя. Кроме того, такие "извилистые" каналы необходимы для конструкций с переменной длиной/разделенными каналами и позволяют уменьшить объем пленума. В двигателях с шестью и более цилиндрами средний входящий поток относительно постоянен, что позволяет уменьшить объем пленума. Для предотвращения стоячих волн в пленуме его делают максимально компактным. Впускные каналы используют меньшую площадь поверхности пленума, чем входной патрубок, подающий воздух в пленум, по аэродинамическим соображениям. Каждый канал располагается на примерно одинаковом расстоянии от основного входного патрубка. Каналы, соответствующие цилиндрам, работающим последовательно, не располагаются рядом друг с другом. В 180-градусных впускных коллекторах, изначально разработанных для V-образных двигателей с карбюратором, двухплоскостная конструкция с разделенным пленумом разделяет импульсы, возникающие во впускном коллекторе, на 180 градусов в соответствии с порядком работы цилиндров. Это минимизирует влияние давления одной камеры на другую, обеспечивая лучший крутящий момент при плавном среднем потоке. Такие коллекторы могли быть изначально разработаны для карбюраторов с двумя или четырьмя диффузорами, но теперь используются как с дроссельными заслонками, так и с многоточечным впрыском топлива. Примером является двигатель Honda J, который переключается на одноплоскостной коллектор при 3500 об/мин для увеличения максимального потока и мощности. Более старые теплоподъемные коллекторы с "мокрыми" каналами для карбюраторных двигателей использовали отвод выхлопных газов через впускной коллектор для обеспечения тепла, необходимого для испарения топлива. Количество отводимых выхлопных газов регулировалось теплоподъемным клапаном в выпускном коллекторе, который использовал биметаллическую пружину, изменяющую натяжение в зависимости от температуры коллектора. Современные двигатели с впрыском топлива не требуют таких устройств.
The design and orientation of the intake manifold is a major factor in the volumetric efficiency of an engine. Abrupt contour changes provoke pressure drops, resulting in less air (and/or fuel) entering the combustion chamber; high performance manifolds have smooth contours and gradual transitions between adjacent segments. Modern intake manifolds usually employ runners, individual tubes extending to each intake port on the cylinder head which emanate from a central volume or "plenum" beneath the carburetor. The purpose of the runner is to take advantage of the Helmholtz resonance property of air. Air flows at considerable speed through the open valve. When the valve closes, the air that has not yet entered the valve still has a lot of momentum and compresses against the valve, creating a pocket of high pressure. This high pressure air begins to equalize with lower pressure air in the manifold. Due to the air's inertia, the equalization will tend to oscillate: At first the air in the runner will be at a lower pressure than the manifold. The air in the manifold then tries to equalize back into the runner, and the oscillation repeats. This process occurs at the speed of sound, and in most manifolds travels up and down the runner many times before the valve opens again. The smaller the cross sectional area of the runner, the higher the pressure changes on resonance for a given airflow. This aspect of Helmholtz resonance reproduces one result of the Venturi effect. When the piston accelerates downwards, the pressure at the output of the intake runner is reduced. This low pressure pulse runs to the input end, where it is converted into an over pressure pulse. This pulse travels back through the runner and rams air through the valve. The valve then closes. To harness the full power of the Helmholtz resonance effect, the opening of the intake valve must be timed correctly, otherwise the pulse could have a negative effect. This poses a very difficult problem for engines, since valve timing is dynamic and based on engine speed, whereas the pulse timing is static and dependent on the length of the intake runner and the speed of sound. The traditional solution has been to tune the length of the intake runner for a specific engine speed where maximum performance is desired. However, modern technology has given rise to a number of solutions involving electronically controlled valve timing (for example Valvetronic), and dynamic intake geometry (see below). As a result of "resonance tuning", some naturally aspirated intake systems operate at a volumetric efficiency above 100%: the air pressure in the combustion chamber before the compression stroke is greater than the atmospheric pressure. In combination with this intake manifold design feature, the exhaust manifold design, as well as the exhaust valve opening time can be so calibrated as to achieve greater evacuation of the cylinder. The exhaust manifolds achieve a vacuum in the cylinder just before the piston reaches top dead center. The opening inlet valve can then—at typical compression ratios—fill 10% of the cylinder before beginning downward travel. Instead of achieving higher pressure in the cylinder, the inlet valve can stay open after the piston reaches bottom dead center while the air still flows in. In some engines the intake runners are straight for minimal resistance. In most engines, however, the runners have curves, some very convoluted to achieve desired runner length. These turns allow for a more compact manifold, with denser packaging of the whole engine, as a result. Also, these "snaked" runners are needed for some variable length/ split runner designs, and allow the size of the plenum to be reduced. In an engine with at least six cylinders the averaged intake flow is nearly constant and the plenum volume can be smaller. To avoid standing waves within the plenum it is made as compact as possible. The intake runners each use a smaller part of the plenum surface than the inlet, which supplies air to the plenum, for aerodynamic reasons. Each runner is placed to have nearly the same distance to the main inlet. Runners whose cylinders fire close after each other, are not placed as neighbors. In 180 degree intake manifolds, originally designed for carburetor V8 engines, the two plane, the split plenum intake manifold separates the intake pulses which the manifold experiences by 180 degrees in the firing order. This minimizes interference of one cylinder's pressure waves with those of another, giving better torque from smooth mid range flow. Such manifolds may have been originally designed for either two or four barrel carburetors, but now are used with both throttle body and multi point fuel injection. An example of the latter is the Honda J engine which converts to a single plane manifold around 3500 rpm for greater peak flow and horsepower. Older heat riser manifolds with 'wet runners' for carbureted engines used exhaust gas diversion through the intake manifold to provide vaporizing heat. The amount of exhaust gas flow diversion was controlled by a heat riser valve in the exhaust manifold, and employed a bi metallic spring which changed tension according to the heat in the manifold. Today's fuel injected engines do not require such devices.