Daniele Bortoluzzi, перевод Махх
Впуск оказывает значительное влияние на эффективность двигателя. Именно поэтому существует множество устройств и иных технических решений, призваных улучшить приток в цилиндр во время такта впуска. Соотношение между реальным и идеальным количеством поглощённого воздуха называют объёмной эффективностью (или коэффициентом наполнения - прим. переводчика); момент двигателя пропорционален этой величине.
Коэф. наполнения зависит от квазистатического явления, заключающегося в трении слоёв воздуха и нагреве воздуха при сжатии, динамических процессов связаных с пульсацией сжимаемого воздуха, а такжи акустических явлений. Акустические явления проявляют себя в большей степени при увеличении оборотов двигателя, поэтому используются в высокооборотных двигателях, например Ф1. (На зубилу тоже действуют)
Акустический эффект может улудшить или ухудшить наполнение цилиндра, в зависимости от оборотов двигателя, поэтому важно подобрать геометрию впуска под конкретный диапазон оборотов (при постоянном впуске), или под весь рабочий диапазон оборотов при испульзовании изменяющейся геометрии впуска (см. рисунок) Системы изменения геометрии впускного коллектора обычно изменяют длину патрубков (непрерывно или дискретно). Нас интересует улучшение впусного коллектора путём включения в него одного или нескольких резонаторов Гельмгольца и изменения их характеристик в соответствии с частотой вращения КВ для улучшения наполнения цилиндров.
Резонатор Гельмгольца представляет собой полость, соединённую патрубком со впускной системой. Он ведет себя как система из пневматической пружины (полость) и массы (газ внутри короткого патрубка. Собственная частота колебаний давления может быть вычислена по формуле:
где С -скорость звука. Резонаторы широко используются для сонтроля уровня шума в полостях (комната, машинный зал и т.п) и каналах (системы кондиционирования и вентиляции, выхлопные системы), что доказывает их эффективность. Принцип использования резонатора основан на вмешательсве в процесс перемещения масс воздуха и изменении собственной частоты колебаний системы. Применительно к автомобилю мы имеем настройку собственной частоты системы впуска на частоту движения поршня.
Впускная система без резонатора представляет собой цилиндр (пневмопружина) и впускной патрубок (масса) и может быть рассмотрена как резонатор Гельмгольца, чья собственная частота вычисляется по формуле указаной выше. (в данном случае V - объём цилиндра, а длинна равна впускному патрубку+небольшое количество воздуха снаружи, движущегося вместе с воздухом внутри патрубка). Оптимальное наполнение получается тогда, когда собственная частота колебаний системы примерно в 2 раза превосходит частоту движения поршня. На кривой момента в данном случае один ярко выраженный максимум.
Впускные системы с резонатором могут быть исследованы 2 путями, которые позволяют учестьизменения свойств среды по длине впускного коллектора. Вот эти методы:
- метод конечных элементов
- численные методы
При расчётах оба эти метода показаль практически одинаковые результаты. Было решено добавить в систему ещё один резонатор (последовательно в систему или сбоку) и рассчитать наполнение цилиндра на различных скоростях вращения КВ.
Коэф. наполнения lV есть отношение между объёмом воздуха, поступившего в цилиндр и рабочим объёмом цилиндра. При расчёте методом конечных элементов была получена функцияlV, которая зависит от следующих переменных:
Рисунок ниже показывает впускную систему с последовательным резонатором для одноцилиндрового двигателя. Система целиком представляет собой двойной резонатор Гельмгольца. Изменяя размеры труб можно посчитать изменение коэф. наполненияlV в зависимости от скорости поршня Np [rpm] и соотношения RV между объёмами цилиндра и резонатора. На рисунке ниже представлена эквивалентная система
Наличие второй пружины даёт вторую резонансную частоту, вычисляемую по формуле
где L1 и L2 - отношения длины к площади сечения двух патрубков (соответственно присоединённого к цилиндру и сообщающегося с атмосферой. Поскольку имеется две резонансные частоты, кривая момента имеет 2 максимума, при частоте поршня равной половине от резонансных частот. На рисунке показана зависимость коэф. наполнения от геометрии впуска. В первом случае оптимальная частота системы без резонатора (большое RV) разбивается на две частоты с появлением резонатора и увеличением его объёма (уменьшение RV). Во втором случае наличие резонатора улучшает наполнения лишь на высоких оборотах, ухудшая его на низких. В этом случае можно рекомендовать непрерывную регулировку объёма резонатора в зависимости от оборотов.
С помощью этого метода можно за короткое время попробовать любые конфигурации впуска, изменять любые параметры системы (объёмы, длины, пересечения) для создания наилучшего решения (путём изменения объёма или сечения патрубков в зависимости от оборотов. Основной критерий - улучшение наполнения цилиндров (читай: увеличение момента) на определённых оборотах (для уменьшения "ям" на кривой момента) или во всём диапазоне оборотов (для исправления всеё кривой).
Следующий рисунок показывает систему с боковым резонатором и систему с двумя резонаторами. При поиске решения следут учитывать не только прирост перфоманса, но и возможность размещения резонаторов.
График показывает результаты числового моделирования впуска с резонатором. На нём показана зависимость коэф. наполнения lV в зависимость от оборотов для трёх вариантов объёма резонатора. (V -это отношения объёма резонатора к объёму цилиндра, т.e. величина, обратная RV). Наличие резонатора улучшает наполнение на высоких оборотах, и эффект возрастает с увеличением объёма резонатора
Последние рисунки показывают распределение скорости потока во впускной системе без резонатора и с резонатором на 4000 об/мин. Они доказывают, что с резонатором воздух быстрее следует за поршнем, в то время как без резонатора существут задержка, препятствующая прохождению воздужа в цилиндр.
