Впускной коллектор или впускной коллектор (в американском английском ) — часть двигателя внутреннего сгорания , подающая топливно - воздушную смесь в цилиндры . [1] Слово «многообразие» происходит от древнеанглийского слова manigfeald (от англосаксонского manig [много] и feald [неоднократно]) и относится к умножению одного (трубы) на множество. [2]
Напротив, выпускной коллектор собирает выхлопные газы из нескольких цилиндров в меньшее количество труб – часто вплоть до одной трубы.
Основная функция впускного коллектора — равномерно распределить горючую смесь (или просто воздух в двигателе с непосредственным впрыском) по каждому впускному отверстию в головке(ах) блока цилиндров. Равномерное распределение важно для оптимизации эффективности и производительности двигателя. Он также может служить креплением для карбюратора, дроссельной заслонки, топливных форсунок и других компонентов двигателя.
Из-за движения поршней вниз и ограничения, вызванного дроссельной заслонкой, в поршневом двигателе с искровым зажиганием во впускном коллекторе существует частичный вакуум (ниже атмосферного давления ). Этот вакуум в коллекторе может быть значительным и может использоваться в качестве источника вспомогательной энергии автомобиля для привода вспомогательных систем: тормозов с усилителем , устройств контроля выбросов, круиз-контроля , опережения зажигания , дворников , электрических стеклоподъемников , клапанов системы вентиляции и т. д.
Этот вакуум также можно использовать для отвода картерных газов поршня из картера двигателя . Это известно как система принудительной вентиляции картера , в которой газы сжигаются вместе с топливно-воздушной смесью.
Впускной коллектор исторически изготавливался из алюминия или чугуна, но использование композитных пластиковых материалов становится все более популярным (например, большинство 4-цилиндровых двигателей Chrysler, Ford Zetec 2.0, Duratec 2.0 и 2.3, а также серия Ecotec от GM ).
Карбюратор или топливные форсунки распыляют капли топлива в воздух в коллекторе. Из-за электростатических сил и конденсации из пограничного слоя часть топлива будет образовывать лужи вдоль стенок коллектора, а из-за поверхностного натяжения топлива мелкие капли могут объединяться в более крупные капли в воздушном потоке. Оба действия нежелательны, поскольку создают несоответствие соотношения воздух-топливо . Турбулентность на впуске помогает разбивать капли топлива, улучшая степень распыления. Лучшее распыление обеспечивает более полное сгорание всего топлива и помогает уменьшить детонацию двигателя за счет увеличения фронта пламени. Чтобы добиться такой турбулентности, обычно поверхности впускных отверстий и впускных отверстий головки блока цилиндров оставляют шероховатыми и неполированными.
При всасывании полезна только определенная степень турбулентности. Как только топливо достаточно распыляется, дополнительная турбулентность приводит к ненужным падениям давления и снижению производительности двигателя.
Конструкция и ориентация впускного коллектора являются основным фактором объемного КПД двигателя. Резкие изменения контура провоцируют падение давления, в результате чего в камеру сгорания попадает меньше воздуха (и/или топлива); высокопроизводительные коллекторы имеют плавные контуры и плавные переходы между соседними сегментами.
В современных впускных коллекторах обычно используются направляющие — отдельные трубки, идущие к каждому впускному отверстию на головке блока цилиндров, которые выходят из центрального объема или «камеры» под карбюратором. Цель бегуна — воспользоваться резонансным свойством воздуха Гельмгольца . Воздух течет со значительной скоростью через открытый клапан. Когда клапан закрывается, воздух, который еще не попал в клапан, все еще имеет большой импульс и сжимается к клапану, создавая карман высокого давления. Этот воздух высокого давления начинает выравниваться с воздухом более низкого давления в коллекторе. Из-за инерции воздуха система выравнивания будет иметь тенденцию к колебаниям: сначала воздух в бегунке будет находиться под более низким давлением, чем в коллекторе. Затем воздух в коллекторе пытается выровняться обратно в рабочее колесо, и колебания повторяются. Этот процесс происходит со скоростью звука, и в большинстве коллекторов он проходит вверх и вниз по бегунку много раз, прежде чем клапан снова откроется.
Чем меньше площадь поперечного сечения бегунка, тем выше изменение давления при резонансе для данного расхода воздуха. Этот аспект резонанса Гельмгольца воспроизводит один из результатов эффекта Вентури . Когда поршень ускоряется вниз, давление на выходе впускного канала снижается. Этот импульс низкого давления доходит до входного конца, где преобразуется в импульс избыточного давления. Этот импульс проходит обратно через бегун и нагнетает воздух через клапан. Затем клапан закрывается.
Чтобы использовать всю мощь эффекта резонанса Гельмгольца, открытие впускного клапана должно быть правильно рассчитано по времени, иначе импульс может иметь отрицательный эффект. Это представляет собой очень сложную проблему для двигателей, поскольку фаза газораспределения является динамической и зависит от частоты вращения двигателя, тогда как время импульса является статическим и зависит от длины впускного канала и скорости звука. Традиционное решение заключалось в настройке длины впускного канала для конкретной частоты вращения двигателя, при которой желательна максимальная производительность. Однако современные технологии породили ряд решений, включающих электронное управление фазами газораспределения (например, Valvetronic ) и динамическую геометрию впуска (см. ниже).
В результате «резонансной настройки» некоторые безнаддувные системы впуска работают с объемным КПД выше 100%: давление воздуха в камере сгорания перед тактом сжатия превышает атмосферное давление. В сочетании с этой конструктивной особенностью впускного коллектора конструкция выпускного коллектора, а также время открытия выпускного клапана могут быть откалиброваны таким образом, чтобы добиться большего вакуумирования цилиндра. Выпускные коллекторы создают вакуум в цилиндре непосредственно перед тем, как поршень достигнет верхней мертвой точки. [ нужна цитация ] Открывающийся впускной клапан может затем - при типичной степени сжатия - заполнить 10% цилиндра перед началом движения вниз. [ нужна ссылка ] Вместо достижения более высокого давления в цилиндре впускной клапан может оставаться открытым после того, как поршень достигает нижней мертвой точки, в то время как воздух все еще поступает внутрь. [ нужна ссылка ] [ неопределенно ]
В некоторых двигателях впускные каналы прямые, что обеспечивает минимальное сопротивление. Однако в большинстве двигателей бегунки имеют изгибы, некоторые из которых очень запутаны для достижения желаемой длины бегунков. Эти витки позволяют получить более компактный коллектор и, как следствие, более плотную упаковку всего двигателя. Кроме того, эти «змеевидные» направляющие необходимы для некоторых конструкций с раздельными направляющими переменной длины и позволяют уменьшить размер камеры статического давления . В двигателе с числом цилиндров не менее шести средний расход на впуске почти постоянен, а объем камеры сгорания может быть меньше. Чтобы избежать стоячих волн внутри камеры, ее делают максимально компактной. По аэродинамическим причинам каждое из впускных каналов использует меньшую часть поверхности камеры сгорания, чем впускное отверстие, подающее воздух в камеру сгорания. Каждый канал расположен на почти одинаковом расстоянии от главного впускного отверстия. Бегуны, чьи цилиндры стреляют близко друг к другу, не считаются соседями.
Во 180-градусных впускных коллекторах , первоначально разработанных для карбюраторных двигателей V8, двухплоскостной впускной коллектор с разделенной камерой разделяет впускные импульсы, которые испытывает коллектор, на 180 градусов в порядке зажигания. Это сводит к минимуму взаимодействие волн давления одного цилиндра с волнами другого, обеспечивая лучший крутящий момент за счет плавного потока в среднем диапазоне. Такие коллекторы, возможно, изначально были разработаны для двух- или четырехцилиндровых карбюраторов, но теперь используются как с дроссельной заслонкой, так и с многоточечным впрыском топлива . Примером последнего является двигатель Honda J , который преобразуется в одноплоскостной коллектор при частоте вращения около 3500 об/мин для увеличения пикового расхода и мощности.
В старых коллекторах стояков тепла с «мокрыми рабочими каналами» для карбюраторных двигателей использовался отвод выхлопных газов через впускной коллектор для обеспечения испарения тепла. Количество отвода потока выхлопных газов контролировалось с помощью клапана теплоотвода в выпускном коллекторе, в котором использовалась биметаллическая пружина , напряжение которой изменялось в зависимости от тепла в коллекторе. Сегодняшние инжекторные двигатели не требуют таких устройств.
Впускной коллектор переменной длины ( VLIM ) — это технология коллекторов двигателей внутреннего сгорания . Существуют четыре распространенные реализации. Во-первых, используются два отдельных впускных канала разной длины, а короткий путь может закрыть дроссельная заслонка. Во-вторых, впускные каналы можно огибать вокруг общей камеры сгорания, а золотниковый клапан отделяет их от камеры сгорания переменной длины. Прямые высокоскоростные направляющие могут иметь заглушки с небольшими удлинителями длинных направляющих. Камера сгорания 6- или 8-цилиндрового двигателя может быть разделена пополам, при этом цилиндры четного сгорания находятся в одной половине, а цилиндры нечетного сгорания - в другой части. Обе дополнительные камеры и воздухозаборник соединены буквой Y (своего рода основная камера). Воздух колеблется между обеими дополнительными камерами, с большими колебаниями давления там, но постоянным давлением в основной камере. Длина каждой направляющей от дополнительной камеры к основной камере может быть изменена. Для V-образных двигателей это можно реализовать путем отделения одной большой камеры сгорания на высоких оборотах двигателя посредством установки в нее скользящих клапанов при снижении скорости.
Как следует из названия, VLIM может изменять длину впускного тракта, чтобы оптимизировать мощность и крутящий момент , а также обеспечить лучшую топливную экономичность .
Существует два основных эффекта изменяемой геометрии впуска:
Многие производители автомобилей используют аналогичную технологию под разными названиями. Другой общий термин для этой технологии — индукционная система с переменным резонансом ( VRIS ).
