Система изменения геометрии впускного коллектора принцип работы

Устройство и принцип работы

Чтобы впускной коллектор выполнял все возложенные на него задачи, он должен иметь строго рассчитанную геометрическую форму. Например, для того, чтобы поток внутри не замедлялся, коллектор проектируется без углов и прямых линий. Плавные изгибы, округлая форма способствуют более мощному воздушному потоку.

Устройство впускного коллектора
Устройство впускного коллектора

На входе во впускной коллектор находится карбюратор или дроссельная заслонка, если речь идет об инжекторном двигателе. Центральный канал разделяется на отдельные рукава – раннеры, которые подходят к цилиндрам, а точнее, к впускным клапанам.

Топливные форсунки размещаются возле впускных клапанов (в системе распределенного впрыска) или в центральном канале, если установлен моновпрыск.

По форме впускного канала различают одноплоскостные и двухплоскостные:

  1. Одноплоскостные – только с одним каналом для прохождения воздуха или топливно-воздушной смеси. Эти коллекторы пропускают за единицу времени большое количество воздуха, а значит, позволяют двигателю развить максимально возможную мощность на высоких оборотах;
  2. Двухплоскостные – те, в которых канал разделен на две части. Они дают возможность получить больше отдачи мощности на низких и средних оборотах двигателя.

Материалы.Изначально впускные коллекторы делались металлическими: из чугуна, стали, алюминия. Проблема таких конструкций не только в достаточно высокой цене, но и в значительном нагреве от цилиндров двигателя. Сегодня их в основном делают из специального термостойкого пластика, который обладает меньшей теплопроводностью, а значит, и меньше нагревает воздух внутри.

впускной коллектор двигателя

Принцип работы.Основной принцип работы коллектора – подача воздуха на фазе впуска. Инициатором движения воздуха  является сам двигатель. Когда поршень опускается, в камере сгорания над ним создается зона низкого давления. На фазе впуска, когда клапан открыт, опускающийся поршень затягивает воздух, как хороший насос.

Если на автомобиле установлен карбюратор или центральная форсунка, при втягивании воздуха в раннер, поток топлива (или топливно-воздушной смеси) поступает в нужный цилиндр. Благодаря тому, что поток внутри коллектора турбулентный, топливо лучше перемешивается с воздухом и, следовательно, лучше сгорает. Турбулентный воздушный поток проектируется в коллекторе специально: он быстрее движется и лучше наполняет цилиндры.

В автомобилях с распределенным впрыском форсунки установлены в раннерах коллектора перед впускными клапанами. В этом случае по коллектору движется только воздух, который смешивается с распыленным топливом перед самым входом в цилиндр двигателя. Здесь скорость и структура воздушного потока также важны, поскольку для качественного приготовления топливно-воздушной смеси остается меньше времени и места.

Резонансные колебания.Чтобы усилить поток поступающего воздуха, внутренняя геометрия впускного коллектора рассчитывается так, чтобы образовался так называемый резонанс Гельмгольца. Примерная схема, как это работает:

  1. На фазе всасывания поршень мотора опускается вниз, создавая зону разрежения, и через открывшийся клапан в камеру сгорания на большой скорости заходит воздух;
  2. Однако объем раннера намного больше, чем объем цилиндра, поэтому весь воздух, который “взял разгон” в коллекторе, в камеру сгорания не попадает;
  3. Перед закрывшимся впускным клапаном создается зона повышенного давления, когда воздух по инерции продолжает движение вперед;
  4. Клапан всё еще закрыт, так что давление в раннере выравнивается, то есть происходит “откат”, а после него перед впускным клапаном опять образуется зона повышенного давления. Эти резонансные колебания воздуха зависят от формы и размера коллектора и рассчитываются под каждый двигатель отдельно.

Практически трансформировать впускной коллектор можно путем изменения площади сечения, также преобразованием длины. Такие способы вполне применимы как отдельно, так и тандеме. 

Если рассматривать выбор метода по изменению величины впускного коллектора, то он больше подходит для транспортных средств, оснащенных моторами, функционирующими в равной степени с топливом и дизелем. Исключение составляют системы с наддувом. 

Суть работы данной конструкции заключается в следующих особенностях. Если нагрузка на двигатель будет низкой, прохождение воздуха осуществляется по длинному пути. Соответственно, на высоких оборотах – короткая дистанция. 

Режим функционирования ЭБУ движка меняется через привод, переключающий клапан между точками коллектора. Принцип работы впускного элемента с переменной величиной основан на достижении результата резонансного наддува. Таким образом интенсивно нагнетается воздух непосредственно в камеру сгорания. 

Устройство впускного коллектора

Затем в коллекторе удерживается какая-то часть воздушной массы, если закрыты все впускные клапаны. Появляются колебания этих остатков воздуха в трубопроводе. Действия пропорциональны частотности вращений мотора и длине впускного коллектора. 

Читать далее:  Датчик уровня топлива что такое ДУТ устройство и принцип работы

При достижении колебаний резонанса, давление становится высоким. Открытие клапана будет наблюдаться нагнетание. В случае с движками с наддувом, такая технология не применима. Что обусловлено отсутствием надобности достижения резонансного наддува. В подобных системах воздух нагнетается принудительным методом, с помощью турбокомпрессора.

Турбулентность во впускном коллекторе

Данный пункт не относится к моторам с непосредственным впрыском. Горючее попадает во впускной коллектор в мелкораспыленном виде, после чего смешивается с воздухом. Некоторая его часть может осесть на стенках впускного коллектора под воздействием электростатических сил. Это явление крайне нежелательно, поскольку в результате в цилиндры попадет намного меньше топлива, и рассчитанная электронным блоком управления пропорция «воздух-топливо» будет нарушена в сторону увеличения объемной доли воздуха.

Бороться с конденсацией горючего помогает турбулентность. Под ее воздействием горючее лучше распыляется, и происходит более полное его сгорание. Как следствие возрастает мощность мотора, и снижается риск детонации. Чтобы обеспечить появление турбулентности, внутреннюю поверхность впускного коллектора не полируют, а наоборот делают шершавой.

Системы изменения геометрии впускного коллектора

Впускные коллекторы с изменяемой геометрией – отличное решение, благодаря которому можно получить максимальный поток воздуха и на высоких, и на низких оборотах двигателя.

Необходимость изменяемой геометрии обусловлена тем самым резонансом воздушного потока, который помогает наполнять цилиндры. Чем выше частота оборотов двигателя, тем выше скорость потока воздуха.

Однако ритм резонансных колебаний зависит от длины коллектора, а значит, может не совпадать с ритмом открытия клапанов. Чтобы повлиять на поток воздуха, нужно менять длину его пути или его объем (или оба показателя). Так инженеры пришли к идее создания коллекторов, форма и объем которых меняются в зависимости от нагрузки.

С переменной длиной.При работе на низких и средних оборотах двигатель лучше наполняется воздухом, если коллектор длинный. А вот на высоких оборотах нужна меньшая длина для более быстрой подачи воздуха. Чтобы дать двигателю нужное количество воздуха, коллектор делится на 2 или 3 “ветки” с разной длиной, между которыми установлен клапан, управляемый ЭБУ. Наглядно показано на 3д-анимации ниже.

Когда двигатель работает с невысокой нагрузкой, воздух проходит по длинному пути. Если же выйти на высокие обороты, клапан переключает поток воздуха на меньший канал.

впускной коллектор с изменением геометрии с переменной длинной
Изменение геометрии с переменной длиной

Такие системы ставятся на бензиновые, дизельные и газовые двигатели, н только атмосферные, без турбонаддува. В турбированных системах накачка воздуха происходит принудительно.

С переменным сечением.Чем меньше толщина коллектора, тем быстрей движется поток воздуха в нём, следовательно, лучше наполняются цилиндры двигателя, качественней сгорает топливо.

впускной коллектор с переменным сечением геометрии с
Изменение геометрии с переменным сечением: (1 — работа системы при полной нагрузке (заслонка открыта); 2 — работа системы при частичной нагрузке (заслонка закрыта, происходит завихрение топливной смеси); 3 — вихревой канал; 4 — вакуумный регулятор заслонки; 5 — форсунка; 6 — заслонка.)

Система с изменяемым сечением применяется на двигателях с двумя впускными клапанами. Часть раннера, которая примыкает к двигателю, разделена на две ветки, каждая из которых подключена к своему клапану. Внутри одного из ответвлений установлена заслонка, управляемая ЭБУ. При работе на низких оборотах заслонка закрыта, воздух поступает только через один впускной клапан.

Для EGR.Существует отдельная категория впускных коллекторов, предназначенных для дожига картерных газов. Они были разработаны в ответ на растущие требования к экологической безопасности. Так была создана система EGR (Exhaust Gas Recirculation), при которой газы из системы выхлопа отправляются обратно во впускной коллектор через специальный клапан. Делается это для того, чтобы “дожечь” вредные вещества, продлить ресурс катализатора и сажевого фильтра, уменьшить токсичные выбросы в атмосферу.

Впускной коллектор с системой рециркуляции выхлопных газов схема
Впускной коллектор с системой рециркуляции выхлопных газов

На низких оборотах двигателя, выхлопные газы из камеры сгорания поступают снова во впускной коллектор. Однако в них уже нет такого количества кислорода, как в чистом воздухе, и температура горения топлива будет ниже, чем обычно. Включается эта система на некоторых режимах работы двигателя, например, на холостом ходу.

Поскольку, фиксированная длина впускного коллектора, обеспечивает качественное наполнение цилиндров только в ограниченных диапазонах частот вращений коленчатого вала, более предпочтительным считается впускной коллектор, имеющий систему изменения геометрии. Изменяться может либо его длина, либо диаметр, либо оба параметра.

Применяется на безнаддувных силовых агрегатах, как бензиновых, так и дизельных. Когда мотор работает на низких оборотах, длина коллектора должна быть большой для достижения высокого крутящего момента и приемистости, на высоких – маленькой, чтобы силовой агрегат мог развить максимальную мощность. Для изменения геометрии применяется клапан, входящий в систему управления двигателем. Он переключает коллектор с одной длины на другую.

Читать далее:  Двигатель с изменяемой степенью сжатия принцип работы и особенности

впускной коллектор с изменением геометрии с переменной длинной

Работает впускной коллектор переменной длины следующим образом. Когда закрывается впускной клапан, воздух, оставшийся в коллекторе, начинает совершать колебания, частота которых пропорциональна длине самого коллектора и оборотам двигателя. Когда возникает резонанс, появляется эффект нагнетания (резонансный наддув). В результате, воздух подается в открывающиеся впускные клапаны под увеличенным давлением.

В моторах, оснащенных системами наддува, подобный впускной коллектор с изменяемой геометрией не применяется, поскольку нагнетание воздуха в цилиндры происходит принудительно. В таких силовых агрегатах применяются максимально короткие коллекторы, благодаря чему уменьшаются габариты и стоимость производства двигателей.

Система изменения геометрии впускного коллектора, у разных производителей называется по-разному:

  1. BMW называют ее Differential Variable Air Intake (DIVA);
  2. у Ford это Dual-Stage Intake (DSI);
  3. в автомобилях Mazda система носит название Variable Inertia Charging System (VICS), в ряде случаев Variable Resonance Induction System (VRIS).

Применяется на любых моторах, в том числе оснащенных наддувом. С уменьшением поперечного сечения возрастает скорость воздуха, проходящего через коллектор, следовательно, улучшается смесеобразование и более полно сгорает рабочая смесь.

Система изменения геометрии впускного коллектора имеет следующее устройство. Впускной канал каждого цилиндра делится на два – по одному на каждый впускной клапан, внутри одного из которых находится заслонка. Заслонка открывается и закрывается посредством вакуумного регулятора или электродвигателя.

Когда мотор работает под небольшой нагрузкой, заслонки закрыты, воздух подается по одному каналу и попадает в цилиндр только через один клапан. В цилиндре при этом возникают завихрения, благодаря которым улучшается смесеобразование и качество сгорания топлива. Под нагрузкой заслонки открываются, и воздух подается через оба канала, мощность двигателя при этом возрастает.

Существует много вариаций подобных систем, например, у Opel система изменения геометрии впускного коллектора носит название Twin Port, у Ford есть два типа — Intake Runner Control (IMRC), Charge Motion Control Valve (CMCV), у Toyota и Volvo – Variable Induction System или Intake System (VIS).

Форма и объемная эффективность

Одним из важнейших параметров впускного коллектора, определяющим эффективность, является его форма. Основное правило, которого придерживаются все инженеры, гласит, что впускной коллектор не должен иметь никаких угловатых форм, так как это спровоцирует перепады давления и, как следствие, худшее наполнение цилиндров воздухом или рабочей смесью. Поэтому, все коллекторы имеют сглаженные переходы между сегментами и округлые формы.

впускной коллектор с переменным сечением геометрии с

В подавляющем большинстве нынешних коллекторов применяют раннеры. Представляют они из себя отдельные трубы, расходящиеся от центрального входа коллектора на все имеющиеся впускные каналы в головке блока цилиндров. Их задача состоит в том, чтобы использовать такое явление, как резонанс Гельмгольца. Принцип работы конструкции выглядит следующим образом.

В момент, когда происходит всасывание, воздух проходит на весьма высокой скорости через открытый впускной клапан. Когда клапан закрывается, воздух, не успевший попасть в цилиндр, сохраняет большой импульс, а значит давит на клапан, в результате чего образуется зона высокого давления. Затем происходит выравнивание давления, с более низким давлением в коллекторе.

Из-за влияния сил инерции, выравнивание происходит с колебаниями: вначале воздух попадает в раннер под давлением более низким, чем в коллекторе, затем под более высоким. Происходит сей процесс со скоростью звука, и до того, как впускной клапан откроется в очередной раз, колебания могут совершаться многократно.

Изменение давления вследствие резонансных колебаний воздуха тем больше, чем меньше диаметр раннера. Когда поршень движется вниз, давление на выходе раннера уменьшается. Затем этот низкий импульс давления доходит до входа коллектора, где превращается в импульс высокого давления, который проходит в обратном направлении через раннер и клапан, после чего клапан закрывается.

Для достижения максимального эффекта от резонанса, впускной клапан должен открываться в строго определенный момент, иначе результат будет обратный. Добиться этого довольно сложно. Газораспределительный механизм является динамическим узлом, и режим его работы находится в самой прямой зависимости от частоты вращения коленвала.

Импульсы синхронизируются статично, синхронизация зависит от длины раннеров. Частично проблема решается тем, что длина подбирается под определенный диапазон оборотов, на которых достигается наибольший крутящий момент. Другой вариант — применение систем изменения геометрии впускного коллектора и электронного управления ГРМ.

Основные неисправности

Как и любое устройство, впускной коллектор может выйти из строя. Причиной поломки может стать как банальный износ определенных деталей, так и другие внешние факторы.

Читать далее:  Тахограф когда на какие автомобили устанавливать

Разгерметизация.Нарушение целостности корпуса чаще всего случается из-за износа герметизирующих прокладок. В этом случае возникает дополнительная накачка воздуха в коллектор – подсос. Это не так хорошо, как может показаться: двигатель рассчитан на получение строго определенного количества воздуха в своем режиме работы.

Отложения.В двигателях с центральным впрыском или карбюратором на внутренних стенках могут оседать примеси из топлива. Но гораздо больше проблеме наростов во впускном коллекторе бывает у систем с рециркуляцией выхлопных газов. Налет на внутренней части нарушает геометрию впускного коллектора, поток воздуха проходит с меньшей турбулентностью, хуже происходит перемешивание его с топливом. Засор коллектора можно устранить с помощью чистки.

Поломка заслонок.Если заслонки во впускном коллекторе сделаны из некачественного материала, они могут выйти из строя. Такой “болезнью” страдают многие немецкие модели автомобилей.

Помимо низкого качества самих заслонок, причиной неисправности может стать попадание масла в пространство коллектора. В этом случае придется искать причину расхода масла и устранять ее, и только после заниматься ремонтом заслонок.

Неисправность датчиков.Датчики температуры и давления могут выйти из строя, что приводит к поступлению неверных данных на ЭБУ. Иногда сбой в системе настолько существенный, что блок управления переключает двигатель на аварийный режим. Проверку датчиков делают на СТО, и при необходимости меняют их на новые.

Тюнинг коллектора

Тюнинг двигателя – это целый комплекс работ по доработке отдельных его узлов и деталей. Впускной коллектор также можно доработать, чтобы улучшить эксплуатационные характеристики мотора.

Впускной коллектор с системой рециркуляции выхлопных газов схема

Тюнинг данной детали имеет два направления:

  • на преодоление негативного влияния его формы;
  • на доработку внутренней поверхности.

Поток воздуха или рабочей смеси в коллекторе неравномерен в силу его формы. Если коллектор несимметричный, то наибольшее количество воздуха или топливно-воздушной смеси будет попадать в первый цилиндр, а в каждый следующий все меньше. У симметричного также есть недостаток: там наибольшее количество воздуха попадает в средние цилиндры. В обоих случаях цилиндры работают неравномерно на смеси различного качества. Как следствие – падает мощность двигателя.

Тюнинг, в данном случае, подразумевает замену штатного впускного коллектора системой многодроссельного впуска. Ее устройство таково, что воздушные потоки, подающегося в цилиндры, не зависят друг от друга, поскольку каждый из цилиндров оснащается собственной дроссельной заслонкой.

«Внутренние» работы

При недостатке денежных средств, тюнинг можно провести и более дешево, почти даром. Внутри коллекторов практически всегда находится большое число неровностей и приливов, а поверхность шероховатая. Все вместе это вызывает ненужные завихрения, мешающие качественному наполнению цилиндров. При размеренной езде это явление практически незаметно, но если хочется добиться от мотора большей эффективности, с этими недостатками нужно бороться.

Тюнинг штатного впускного коллектора заключается в шлифовке его внутренней поверхности, с целью удаления приливов и шероховатостей. Шлифовать нужно не до появления зеркала, а только до достижения однородного состояния всей поверхности. Если переусердствовать, то капли горючего будут конденсироваться на стенках и тюнинг даст совершенно противоположный результат.

Напоследок, чтобы тюнинг был максимально полным, нужно обратить внимание на место сопряжения коллектора с головкой блока цилиндров. Нередко в этом месте остается ступенька, мешающая нормальному ходу воздушного потока, которую необходимо устранить (с этого начинается тюнинг ГБЦ).

Любители автотюнинга не обходят своим вниманием и впускной коллектор. При правильном подходе, действительно, удается улучшить показатели мощности двигателя, пример на видео, ниже.

Варианты тюнинга:

  1. Улучшение формы. Довольно сложно добиться того, что во все цилиндры двигателя поступает одинаковое количество воздуха. Потому мастера заменяют штатный коллектор на многодроссельный впуск. На каждый цилиндр двигателя устанавливается отдельный дроссель, получается независимая система.
  2. Совершенствование внутренней поверхности. При производстве коллекторов на внутренней части могут остаться небольшие погрешности: наплывы, заусенцы, шероховатости. Это немного тормозит поток воздуха, поэтому умельцы шлифуют внутреннюю поверхность коллектора, чтобы убрать все препятствия.
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
AutoJiza
Adblock
detector