Нормальное функционирование впускного коллектора авто требует некой геометрической величины. Параметры должны соответствовать заданной частоте каждого вращения коленчатого вала. Конструкционные стандартные особенности способствуют оптимальному наполнению цилиндров только при ограничении оборотов мотора и в конкретном диапазоне. Поэтому, для обеспечения входа достаточного объема воздушного потока в камеру сгорания используется система по изменению геометрии впускного коллектора.
Данная технология приобретает популярности благодаря обеспечению двигателя повышенным уровнем мощности, экономией горючего, понижая токсичность выхлопов.
Как работает коллектор при изменении геометрии
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.
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.
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.
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.
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.
Переменное сечение впускного коллектора
Такой вид изменения геометрии используется автопроизводителями машин, имеющих разные системы двигателей. В зависимости сечения трубопровода, скорость потока может уменьшаться или увеличиваться. Если оно имеет меньший разрез, скорость будет больше. Данная конструкция оснащена отдельными цилиндрами, имеющими два впускных канала. В каждом есть собственные впускные клапаны.
В канальной паре присутствует заслонка. Система изменения геометрии впускного коллектора в данном случае осуществляется под воздействием электродвигателя, также может происходить от вакуумного регулятора.
В основу действия положен принцип, подразумевающий работу силового агрегата при малых оборотах, когда заслонки закрыты. Открытие впускного клапана обеспечивает поступление топливовоздушной смеси в цилиндр лишь по одному каналу. Такая подача воздуха посредством одного канала доходит до камеры по спирали. Так лучше происходит смешивание с топливом. Эксплуатация двигателя на высоких оборотах, при закрытых заслонках, обеспечивает прохождение воздушного потока по двум каналам. В результате чего повышается в несколько раз мощность мотора.
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.
Тюнинг данной детали имеет два направления:
- на преодоление негативного влияния его формы;
- на доработку внутренней поверхности.
При чем здесь форма?
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).
Что еще стоит почитать
Картер сцепления
Принцип работы инжекторного двигателя
Как можно сжечь сцепление на машине
Устройство газораспределительного механизма
Нужна ли технология?
Последовательное образование впускного тракта, который создают дроссель, фильтр, клапана, оказывает сильное влияние на процесс заполнения цилиндров горючим. Воздушная смесь, которая проходит по этому тракту, существенно колеблется. Вместе с другими деталями образуют ударную систему. Это приводит к зависимости процессов наполнения цилиндров от факторов колебательной конфигурации.
Получение эффективности работы системы при требуемых параметрах и нужном диапазоне, представляется крайне сложной процедурой. Как следствие – идея изменения показателей колебательной системы во время эксплуатации. После проведения исследований, можно утверждать, что двигатель хорошо работает с высокими оборотами при коротком впускном коллекторе. Дело обстоит наоборот с низкими оборотами, эффективности можно достичь при длинном впускном тракте.
Логично, что напрашивается вывод создать впускной тракт переменной длины. Это позволит им управлять, учитывая различные нагрузки и обороты.
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: Что делать при ДТП и как себя вести порядок действий при оформлении аварии
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.
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.
О тюнинге вместо эпилога
Вспоминая о выпускном коллекторе, нельзя обойти тему тюнинга, ведь эта деталь довольно часто оказывается в списке тех, подлежащих доработкам.
Как правило, на рынке можно найти разные конфигурации этого элемента под определённую модель.
Выпускные коллекторы позволяют достичь, к примеру, хорошей отдачи на низких оборотах или в среднем диапазоне – на любой вкус и цвет.
А в автоспорте зачастую и вовсе отказываются от коллекторов на выходе, напрямую подсоединяя выхлопные трубы к каждому цилиндру.
