Как работает изменяемая геометрия впуска

Для повышения мощностных характеристик, экономичности и снижения выбросов вредных веществ в конструкции современных двигателей применяется изменение геометрии впускного коллектора. Рассмотрим принцип работы впуска переменной длины и вихревых заслонок, поговорим о преимуществах и возможных неисправностях этих систем.

Из теории газообмена в ДВС

Из принципа работы 4-х тактного двигателя мы знаем, что при движении поршня к НМТ и открытом впускном клапане воздух из впускного коллектора направляется в цилиндр.

Если принять свободный объем камеры сгорания, который может быть заполнен воздухом за 1, то на практике, вследствие различного рода потерь, коэффициент наполнения цилиндров атмосферного двигателя составляет 0,7-0,8 (у турбированных двигателей этот параметр выше и зависит от производительности нагнетателя). Проблема питания двигателя воздухом является одной из главных в процессе создания двигателя, так как производительность современных форсунок позволяет вливать в цилиндры огромные дозы топлива. Но это топливо сгорит неэффективно либо и вовсе не воспламенится, если в камере сгорания не будет достаточного количества окислителя, то бишь воздуха.

Понятие резонансного наддува

Значительное влияние на объем воздуха, который способен войти в цилиндр на такте впуска, зависит от проходного сечения впускного канала и объема ресивера. Именно оптимизация движения воздушных потоков – главное предназначение изменяемой геометрии впуска.

Но на чем именно основан принцип работы? Поскольку воздух имеет массу, в процессе движения на такте впуска он набирает кинетическую энергию. В момент закрытия впускного клапана оставшийся в коллекторе воздух по инерции направляется к перекрытому каналу, ударяется в стенку и резонирует, возвращаясь к дроссельному узлу. Элементы дроссельной заслонки, конструкция ресивера и патрубков также создают противодействие воздушному потоку, что заставляется его снова возвратиться в направлении клапана. Если в этот момент открыть впускной клапан, то на такте впуска в цилиндр попадет максимально возможное в этой режимной точке работы двигателя количество воздуха. Подобное явление называется резонансным наддувом. Отчасти именно поэтому геометрией каждого двигателя определен конкретный диапазон оборотов, на которых наполняемость цилиндров наиболее оптимальна.

Преимущество изменяемой геометрии

Частота колебаний воздушных потоков в первую очередь зависит от количества оборотов двигателя, но также и от длины и сечения каналов впускного коллектора. Объясняется это тем, что на низких оборотах скорость движения поршня меньше, следовательно, и частота резонирования потоков воздуха уменьшается. Чем уже канал, тем большую скорость развивает движущийся поток воздуха. Для лучшего наполнения цилиндров узкий и длинный канал должен быть на низких оборотах двигателя. Тогда как на высоких оборотах небольшое сечение канала будет создавать сильные насосные потери, ведь в режиме пиковых нагрузок двигатель потребляет намного больше воздуха, нежели на низких оборотах.

Внедрение изменяемой геометрии впускного коллектора преследует 2 цели:

возможность подстраивать резонанс потоков воздуха под обороты двигателя;регулировать скорость движения потока и массу поступающего воздуха. Проходя через более узкий канал, поток набирает гораздо большую скорость. Это повышает турбулентность в цилиндре и улучшает перемешивание топливно-воздушной смеси, что немаловажно для полноценного сгорания топлива. Канал меньшей длины и большего сечения позволяет полноценно питать двигатель воздухом на высоких оборотах.

Виды систем

Способы реализации технологии изменения геометрии впускного коллектора:

регулировка длины впускного коллектора;регулировка поперечного сечения каналов впускного коллектора.

На некоторых моторах применяется симбиоз из двух видов систем. И в первом, и во втором случае регулировка осуществляется специальными заслонками. Разумеется, для достижения максимального эффекта длина и сечение впускных каналов должны были бы изменяться пропорционально увеличению оборотов двигателя, но данная технология слишком дорога для массового производства и используется только на автомобилях премиум-класса.

Переменная длина впуска

Названия системы, использующиеся некоторыми автопроизводителями:

Форд — Dual-Stage Intake (DSI);БМВ – Differential Variable Air Intake (DIVA);Мазда – Variable Inertia Charging System (VICS), Variable Resonance Induction System, (VRIS).

Принцип работы системы достаточно прост. На низких оборотах заслонка большого канала закрыта, поэтому воздух поступает по длинному и более узкому пути. При повышении оборотов выше расчетной границы (обычно это 4000-4300 тыс. об/мин.) заслонка открывается, освобождая более короткий путь воздуху к цилиндру. Регулировка положения заслонки может осуществляться сервоприводом, управление которым лежит на плечах ЭБУ, либо с помощью вакуума. Вакуумный привод предполагает наличие вакуумного клапана, соединенного со впускным коллектором. При повышении оборотов разряжение на впуске увеличивается, что провоцирует втягивание мембраны и перемещение тяги заслонок.

Изменение поперечного сечения

Форд – Intake Manifold Runner Control (IMRC), Charge Motion Control Valve (CMCV).Опель – Twin Port.Тойота – Variable Intake System (VIS).Вольво – Variable Induction System (VIS).

На рисунке представлено устройство системы Twin Port. Установленная во впускном коллекторе вихревая заслонка открывается только на высоких оборотах, увеличивая тем самым проходное сечение каналов. На рисунке слева вы можете увидеть, что когда заслонка закрыта, воздух поступает по одному из каналов, из-за чего в цилиндре создается большая турбулентность и топливо лучше перемешивается с воздухом. Также система изменения геометрии впускного коллектора на низких оборотах позволяет более эффективно задействовать систему рециркуляции отработавших газов. Как и в случае с изменением длины впуска, управляются заслонки вакуумом либо сервоприводом.

Проблемы и неисправности

Из особенностей эксплуатации двигателей с подобными системами можно выделить лишь появление люфтов приводов заслонок, из-за чего в работе двигателя появляется посторонний шум. Работа заслонок с подклиниванием приводит к потере мощности, увеличению расхода. В остальном поломки схожи с другими системами, в которых используются вакуумные регуляторы или сервоприводы.

Источник