Введение
Разница давлений в двигателях внутреннего сгорания
Вакуум во впускном коллекторе, или вакуум двигателя в двигателе внутреннего сгорания, – это разница в давлении воздуха между впускным коллектором двигателя и атмосферой Земли. Вакуум во впускном коллекторе является следствием движения поршня на такте впуска и дросселирования потока воздуха в впускном коллекторе двигателя. Он является мерой сопротивления воздушному потоку через двигатель и, следовательно, неиспользованного потенциала мощности двигателя. В некоторых двигателях вакуум во впускном коллекторе также используется в качестве вспомогательного источника энергии для привода навесного оборудования двигателя и системы вентиляции картерных газов. Вакуум во впускном коллекторе не следует путать с вакуумом Вентури, который используется в карбюраторах для создания разницы давлений, приблизительно пропорциональной массовому расходу воздуха, и поддержания относительно постоянного соотношения воздух/топливо. Он также применяется в легких самолетах для обеспечения воздушного потока для пневматических гироскопических приборов.
Manifold vacuum, or engine vacuum in an internal combustion engine is the difference in air pressure between the engine's intake manifold and Earth's atmosphere. Manifold vacuum is an effect of a piston's movement on the induction stroke and the choked flow through a throttle in the intake manifold of an engine. It is a measure of the amount of restriction of airflow through the engine, and hence of the unused power capacity in the engine. In some engines, the manifold vacuum is also used as an auxiliary power source to drive engine accessories and for the crankcase ventilation system. Manifold vacuums should not be confused with Venturi vacuums, which are an effect exploited in carburetors to establish a pressure difference roughly proportional to mass airflow and to maintain a somewhat constant air/fuel ratio. It is also used in light airplanes to provide airflow for pneumatic gyroscopic instruments.
Обзор
Скорость воздушного потока через двигатель внутреннего сгорания является важным фактором, определяющим вырабатываемую двигателем мощность. Большинство бензиновых двигателей управляются ограничением этого потока с помощью дроссельной заслонки, которая ограничивает приток воздуха, в то время как дизельный двигатель управляется количеством топлива, подаваемого в цилиндр, и, следовательно, не имеет дроссельной заслонки как таковой. Разряжение во впускном коллекторе присутствует во всех двигателях с естественной аспирацией, использующих дроссельные заслонки (включая карбюраторные и инжекторные бензиновые двигатели, работающие по циклу Отто или двухтактному циклу; дизельные двигатели не имеют дроссельных пластин). Массовый расход воздуха через двигатель является произведением частоты вращения коленчатого вала двигателя, рабочего объема двигателя и плотности воздушного потока во впускном коллекторе. В большинстве случаев частота вращения задается областью применения (обороты двигателя в транспортном средстве или скорость работы механизма в других областях). Рабочий объем зависит от геометрии двигателя, которая обычно не регулируется во время работы двигателя (хотя некоторые модели имеют такую функцию, см. двигатели с изменяемым рабочим объемом). Ограничение входного потока снижает плотность (и, следовательно, давление) во впускном коллекторе, уменьшая вырабатываемую мощность. Это также является существенным источником сопротивления двигателя (см. торможение двигателем), поскольку воздух с низким давлением во впускном коллекторе оказывает меньшее давление на поршень во время такта впуска. Когда дроссельная заслонка открывается (в автомобиле при нажатии на педаль акселератора), окружающий воздух свободно заполняет впускной коллектор, повышая давление (компенсируя разряжение). Карбюратор или система впрыска топлива добавляет топливо в воздушный поток в правильной пропорции, обеспечивая двигатель энергией. При полностью открытой дроссельной заслонке система впуска воздуха двигателя подвергается полному атмосферному давлению, и достигается максимальный воздушный поток через двигатель. В двигателе с естественной аспирацией выходная мощность ограничена атмосферным барометрическим давлением. Нагнетатели и турбокомпрессоры повышают давление во впускном коллекторе выше атмосферного.
Современные разработки
Современные двигатели используют датчик абсолютного давления во впускном коллекторе (сокращенно MAP) для измерения давления воздуха во впускном коллекторе. Абсолютное давление во впускном коллекторе – один из множества параметров, используемых блоком управления двигателем (ECU) для оптимизации работы двигателя. Важно различать абсолютное и избыточное давление при работе с определенными приложениями, особенно с теми, которые подвержены изменениям высоты во время нормальной эксплуатации. Под влиянием государственных нормативов, требующих снижения расхода топлива (в США) или сокращения выбросов углекислого газа (в Европе), легковые автомобили и легкие грузовики оснащаются различными технологиями (двигатели меньшего объема; коробки передач с блокировкой гидротрансформатора, многоступенчатые и с овердрайвом; системы изменения фаз газораспределения, наддув, дизельные двигатели и т.д.), которые делают использование вакуума во впускном коллекторе неэффективным или невозможным. Электрические вакуумные насосы теперь широко используются для питания пневматических устройств.
Вакуум многослойный против вакуума Вентури
Многообразие вакуума вызвано иным явлением, чем вакуум Вентури, который присутствует внутри карбюраторов. Вакуум Вентури обусловлен эффектом Вентури, который при фиксированных внешних условиях (плотность и температура воздуха) зависит от общего массового расхода через карбюратор. В двигателях с карбюраторами вакуум Вентури приблизительно пропорционален общему массовому расходу через двигатель (и, следовательно, общей выходной мощности). При изменении атмосферного давления (высоты, погоды) или температуры может потребоваться регулировка карбюратора для поддержания этой зависимости. Давление во впускном коллекторе также может быть реализовано через "отвод". Отвод – это выбор места для подключения датчика давления в диапазоне перемещения дроссельной заслонки. В зависимости от положения дросселя, отвод может быть расположен до или после дроссельной заслонки. При изменении положения дросселя отвод выборочно подключается либо к давлению во впускном коллекторе, либо к атмосферному давлению. В более старых двигателях (до OBD II) часто использовались отводы давления во впускном коллекторе для распределителей зажигания и компонентов системы контроля выбросов.
Манифолдный вакуум в автомобилях
Большинство автомобилей используют четырехтактные двигатели цикла Отто с несколькими цилиндрами, подключенными к одному впускному коллектору. Во время впускного такта поршень опускается в цилиндре, а впускной клапан открыт. По мере опускания поршень эффективно увеличивает объем цилиндра над собой, создавая пониженное давление. Атмосферное давление проталкивает воздух через коллектор и карбюратор или систему впрыска топлива, где он смешивается с топливом. Поскольку несколько цилиндров работают в разное время цикла двигателя, во впускном коллекторе от карбюратора до двигателя поддерживается почти постоянная разница давлений. Для регулирования количества топливовоздушной смеси, поступающей в двигатель, обычно устанавливается простой матылёк (дроссельная заслонка) в начале впускного коллектора (непосредственно под карбюратором в карбюраторных двигателях). Матылёк представляет собой круглый диск, установленный на шпинделе внутри трубопровода. Он соединен с педалью акселератора и настроен на полное открытие при полностью нажатой педали и полное закрытие при отпущенной педали. Матылёк часто имеет небольшой "отсек холостого хода" – отверстие, позволяющее небольшому количеству топливовоздушной смеси поступать в двигатель даже при полностью закрытой заслонке, либо карбюратор имеет отдельный воздушный байпас с собственным жиклером холостого хода. Если двигатель работает под малой или нулевой нагрузкой и с прикрытой или закрытой дроссельной заслонкой, во впускном коллекторе возникает высокий вакуум. При открытии дроссельной заслонки скорость двигателя быстро возрастает. Скорость двигателя ограничивается только количеством доступной топливовоздушной смеси во впускном коллекторе. При полностью открытой дроссельной заслонке и малой нагрузке другие факторы (такие как увод клапанов, турбулентность в цилиндрах или момент зажигания) ограничивают скорость двигателя, позволяя давлению во впускном коллекторе увеличиваться. Однако на практике паразитное сопротивление на внутренних стенках коллектора и сужение в диффузоре карбюратора приводят к тому, что пониженное давление сохраняется, поскольку внутренний объем двигателя превышает объем воздуха, который коллектор способен подать. Если двигатель работает под большой нагрузкой при полностью открытой дроссельной заслонке (например, при разгоне с места или подъеме в гору), скорость двигателя ограничивается нагрузкой, и вакуум во впускном коллекторе минимален. Скорость двигателя низкая, но матылёк полностью открыт. Поскольку поршни опускаются медленнее, чем при отсутствии нагрузки, разница давлений менее выражена, а паразитное сопротивление в системе впуска пренебрежимо мало. Двигатель втягивает воздух в цилиндры при полном атмосферном давлении. В некоторых ситуациях создается больший вакуум. При торможении двигателем или спуске с горы дроссельная заслонка закрыта и выбрана пониженная передача для контроля скорости. Двигатель вращается быстро, поскольку колеса и трансмиссия движутся быстро, но матылёк полностью закрыт. Поток воздуха через двигатель сильно ограничен дроссельной заслонкой, создавая сильный вакуум на стороне двигателя, который стремится ограничить скорость вращения. Это явление, известное как торможение двигателем, используется для предотвращения ускорения или даже для замедления с минимальным или полным отсутствием использования тормозов (например, при спуске с длинного или крутого склона). Это вакуумное торможение не следует путать с торможением сжатием (также известным как "тормоз-замедлитель") или с выхлопным торможением, которые часто используются на больших дизельных грузовиках. Такие устройства необходимы для торможения двигателем дизельного двигателя, поскольку в нем отсутствует дроссельная заслонка, способная ограничить поток воздуха в достаточной степени для создания необходимого вакуума для торможения транспортного средства.
Использование коллекторного вакуума
Это низкое (или отрицательное) давление можно использовать в полезных целях. Можно установить манометр для измерения давления во впускном коллекторе, чтобы водитель мог оценить нагрузку на двигатель, а также использовать его для достижения максимальной мгновенной экономичности топлива, корректируя стиль вождения: уменьшение разрежения во впускном коллекторе повышает мгновенную экономичность. Слабое разрежение во впускном коллекторе при закрытой дроссельной заслонке указывает на износ дроссельной заслонки или внутренних компонентов двигателя (клапанов или поршневых колец), что ухудшает способность двигателя к всасыванию и снижает общую эффективность. Ранее разрежение часто использовалось для привода вспомогательных систем автомобиля. Вакуумные системы со временем становятся ненадежными, так как вакуумные трубки теряют эластичность и становятся склонными к утечкам.
Вакуум с многослойным отверстием в дизельных двигателях
Многие дизельные двигатели не имеют дроссельных заслонок с бабочковым клапаном. Впускной коллектор подключен непосредственно к воздушному фильтру, и разрежение создается исключительно движением поршня вниз, без использования диффузора (вентури) для его увеличения. Мощность двигателя регулируется изменением количества топлива, впрыскиваемого в цилиндр системой впрыска топлива. Это способствует более высокой эффективности дизельных двигателей по сравнению с бензиновыми. Если требуется вакуум (например, в транспортных средствах, которые могут быть оснащены как бензиновым, так и дизельным двигателем, где некоторые системы его требуют), к впускному коллектору можно установить дроссельную заслонку, подключенную к педали газа. Это снижает эффективность и все равно не так эффективно, поскольку она не связана с диффузором. Поскольку низкое давление создается только на торможении двигателем (например, при спуске с горы с закрытой дроссельной заслонкой), а не в широком диапазоне режимов, как в бензиновом двигателе, устанавливается вакуумный аккумулятор. В большинстве современных дизельных двигателей установлен отдельный вакуумный насос ("экструктор") для обеспечения постоянного вакуума на любых оборотах двигателя. Многие новые бензиновые двигатели BMW в нормальном режиме работы не используют дроссельную заслонку, а вместо этого применяют систему "Valvetronic" с переменной высотой подъема клапанов для регулирования количества поступающего воздуха. Как и в дизельном двигателе, разрежение во впускном коллекторе в этих двигателях практически отсутствует, поэтому для работы вакуумного усилителя тормозов необходимо использовать альтернативный источник.