Разрежение в коллекторе или вакуум в двигателе бензинового двигателя — это разница в давлении воздуха между впускным коллектором двигателя и атмосферой Земли .
Вакуум в коллекторе — это эффект движения поршня на такте впуска и потоке воздуха через дроссель во впускном коллекторе двигателя. Это мера величины ограничения потока воздуха через двигатель, и, следовательно, неиспользованной мощности двигателя. В некоторых двигателях вакуум в коллекторе также используется в качестве вспомогательного источника энергии для привода вспомогательных агрегатов двигателя и для системы вентиляции картера .
Вакуум в коллекторе не следует путать с вакуумом Вентури , который представляет собой эффект, используемый в карбюраторах для создания разницы давления, примерно пропорциональной массовому расходу воздуха, и для поддержания относительно постоянного соотношения воздух/топливо .
Он также используется в легких самолетах для обеспечения воздушного потока для пневматических гироскопических приборов. [ необходима цитата ]
Скорость потока воздуха через двигатель внутреннего сгорания является важным фактором, определяющим количество мощности, вырабатываемой двигателем. Большинство бензиновых двигателей управляются путем ограничения этого потока с помощью дросселя , который ограничивает поток всасываемого воздуха, в то время как дизельный двигатель управляется количеством топлива, подаваемого в цилиндр, и поэтому не имеет "дросселя" как такового. Вакуум в коллекторе присутствует во всех двигателях без наддува , которые используют дроссели (включая карбюраторные и впрысковые бензиновые двигатели, использующие цикл Отто или двухтактный цикл; дизельные двигатели не имеют дроссельных пластин).
Массовый расход через двигатель является произведением скорости вращения двигателя, рабочего объема двигателя и плотности впускного потока во впускном коллекторе. В большинстве случаев скорость вращения задается приложением (скоростью двигателя в транспортном средстве или скоростью машины в других приложениях). Рабочий объем зависит от геометрии двигателя, которая, как правило, не регулируется во время работы двигателя (хотя несколько моделей имеют эту функцию, см. переменный рабочий объем ). Ограничение входного потока снижает плотность (и, следовательно, давление) во впускном коллекторе, уменьшая количество вырабатываемой мощности. Это также является основным источником сопротивления двигателя (см. торможение двигателем ), поскольку воздух низкого давления во впускном коллекторе обеспечивает меньшее давление на поршень во время такта впуска.
Когда дроссельная заслонка открыта (в автомобиле педаль акселератора [ сломанный якорь ] нажата), окружающий воздух свободно заполняет впускной коллектор, увеличивая давление (заполняя вакуум). Карбюратор или система впрыска топлива добавляет топливо в воздушный поток в правильной пропорции, обеспечивая двигатель энергией. Когда дроссельная заслонка открыта полностью, система впуска воздуха двигателя подвергается полному атмосферному давлению, и достигается максимальный поток воздуха через двигатель. В двигателе без наддува выходная мощность ограничена атмосферным давлением окружающей среды . Нагнетатели и турбонагнетатели повышают давление в коллекторе выше атмосферного давления.
Современные двигатели используют датчик абсолютного давления коллектора (сокращенно MAP ) для измерения давления воздуха во впускном коллекторе. Абсолютное давление коллектора является одним из множества параметров, используемых блоком управления двигателем (ECU) для оптимизации работы двигателя. Важно различать абсолютное и избыточное давление при работе с определенными приложениями, особенно теми, которые испытывают изменения высоты во время нормальной работы.
Мотивированные правительственными постановлениями, предписывающими сокращение потребления топлива (в США) или сокращение выбросов углекислого газа (в Европе), легковые автомобили и легкие грузовики были оснащены различными технологиями (двигатели уменьшенного размера; трансмиссии с блокировкой, многоступенчатыми и повышающими передачами ; изменяемые фазы газораспределения , принудительная индукция, дизельные двигатели и т. д.), которые делают вакуум в коллекторе недостаточным или недоступным. Электрические вакуумные насосы в настоящее время широко используются для питания пневматических аксессуаров.
Вакуум в коллекторе вызван другим явлением, нежели вакуум Вентури , который присутствует внутри карбюраторов . Вакуум Вентури вызван эффектом Вентури, который при фиксированных условиях окружающей среды (плотность воздуха и температура) зависит от общего массового расхода через карбюратор. В двигателях, использующих карбюраторы, вакуум Вентури приблизительно пропорционален общему массовому расходу через двигатель (и, следовательно, общей выходной мощности). При изменении давления окружающей среды (высота, погода) или температуры может потребоваться регулировка карбюратора для поддержания этого соотношения.
Давление в коллекторе также может быть «портированным». Портирование — это выбор места для отвода давления в пределах диапазона движения дроссельной заслонки. В зависимости от положения дроссельной заслонки портированный отвод давления может быть либо выше, либо ниже дроссельной заслонки. При изменении положения дроссельной заслонки «портированный» отвод давления выборочно подключается либо к давлению в коллекторе, либо к давлению окружающей среды. В старых (до OBD II ) двигателях часто использовались портированные отводы давления в коллекторе для распределителей зажигания и компонентов контроля выбросов .
Большинство автомобилей используют четырехтактные двигатели цикла Отто с несколькими цилиндрами, прикрепленными к одному впускному коллектору . Во время такта впуска поршень опускается в цилиндре, а впускной клапан открыт. Когда поршень опускается, он эффективно увеличивает объем в цилиндре над собой, создавая низкое давление. Атмосферное давление проталкивает воздух через коллектор и карбюратор или систему впрыска топлива , где он смешивается с топливом. Поскольку несколько цилиндров работают в разное время в цикле двигателя, существует почти постоянная разница давления через впускной коллектор от карбюратора к двигателю.
Для управления количеством топливно-воздушной смеси, поступающей в двигатель, в начале впускного коллектора (сразу под карбюратором в карбюраторных двигателях) обычно устанавливается простая дроссельная заслонка (дроссельная заслонка) . Дроссельная заслонка представляет собой просто круглый диск, установленный на шпинделе, вставленном внутрь трубопровода. Она соединена с педалью акселератора автомобиля и настроена на полное открытие при полном нажатии педали и полное закрытие при ее отпускании. Дроссельная заслонка часто содержит небольшой «вырез холостого хода», отверстие, которое пропускает небольшое количество топливно-воздушной смеси в двигатель, даже когда клапан полностью закрыт, или карбюратор имеет отдельный воздушный перепускной канал с собственным жиклером холостого хода.
Если двигатель работает при небольшой нагрузке или без нагрузки и при низком или закрытом дросселе, в коллекторе наблюдается высокое разрежение. При открытии дросселя скорость двигателя быстро увеличивается. Скорость двигателя ограничена только количеством топливно-воздушной смеси, имеющейся в коллекторе. При полном открытии дросселя и небольшой нагрузке другие эффекты (такие как поплавок клапана , турбулентность в цилиндрах или момент зажигания ) ограничивают скорость двигателя, так что давление в коллекторе может увеличиться, но на практике паразитное сопротивление на внутренних стенках коллектора, а также ограничительная природа трубки Вентури в сердце карбюратора означают, что всегда будет установлено низкое давление, поскольку внутренний объем двигателя превышает количество воздуха, которое способен подавать коллектор.
Если двигатель работает под большой нагрузкой при широком открытии дроссельной заслонки (например, при разгоне с места или подъеме автомобиля на холм), то скорость двигателя ограничена нагрузкой, и будет создано минимальное разрежение. Скорость двигателя низкая, но дроссельная заслонка полностью открыта. Поскольку поршни опускаются медленнее, чем без нагрузки, перепады давления менее заметны, а паразитное сопротивление в системе впуска пренебрежимо мало. Двигатель втягивает воздух в цилиндры при полном давлении окружающей среды.
В некоторых ситуациях создается больше вакуума. При замедлении или спуске с холма дроссельная заслонка будет закрыта, а для управления скоростью будет выбрана низкая передача. Двигатель будет вращаться быстро, потому что колеса и трансмиссия движутся быстро, но дроссельная заслонка будет полностью закрыта. Поток воздуха через двигатель сильно ограничен дроссельной заслонкой, создавая сильный вакуум на стороне двигателя дроссельной заслонки, который будет иметь тенденцию ограничивать скорость двигателя. Это явление, известное как торможение двигателем , используется для предотвращения ускорения или даже замедления с минимальным или нулевым использованием тормозов (например, при спуске с длинного или крутого холма). Это вакуумное торможение не следует путать с компрессионным торможением (также известным как « тормоз Джейка ») или с торможением выхлопными газами , которые часто используются на больших дизельных грузовиках. Такие устройства необходимы для торможения двигателем с дизелем, поскольку у них нет дроссельной заслонки, чтобы ограничить поток воздуха, достаточный для создания достаточного вакуума для торможения транспортного средства.
Это низкое (или отрицательное) давление можно использовать. Манометр, измеряющий давление в коллекторе, может быть установлен, чтобы дать водителю представление о том, насколько сильно работает двигатель, и его можно использовать для достижения максимальной мгновенной топливной экономичности путем корректировки привычек вождения: минимизация вакуума в коллекторе увеличивает мгновенную экономичность [ необходима ссылка ] . Слабый вакуум в коллекторе в условиях закрытого дросселя показывает, что дроссельная заслонка или внутренние компоненты двигателя ( клапаны или поршневые кольца ) изношены, что препятствует хорошему насосному действию двигателя и снижает общую эффективность.
Вакуум раньше был обычным способом управления вспомогательными системами на транспортном средстве. Вакуумные системы, как правило, становятся ненадежными со временем, поскольку вакуумные трубки становятся хрупкими и подверженными утечкам.
Автомобильные вакуумные системы достигли пика своего использования между 1960-ми и 1980-ми годами. В это время было создано огромное количество вакуумных переключателей , клапанов задержки и вспомогательных устройств. Например, Ford Thunderbird 1967 года выпуска использовал вакуум для:
Другие устройства, которые могут работать от вакуума, включают в себя:
Современные автомобили имеют минимальное количество аксессуаров, которые используют вакуум. Многие аксессуары, которые ранее приводились в действие вакуумом, были заменены электронными аксессуарами. Некоторые современные аксессуары, которые иногда используют вакуум, включают:
Во многих дизельных двигателях нет дросселей с бабочковидными клапанами. Коллектор напрямую соединен с воздухозаборником, и единственное создаваемое всасывание вызвано опускающимся поршнем без использования трубки Вентури для его увеличения, а мощность двигателя регулируется путем изменения количества топлива, впрыскиваемого в цилиндр системой впрыска топлива . Это помогает сделать дизели намного более эффективными, чем бензиновые двигатели.
Если требуется вакуум (автомобили, которые могут быть оснащены как бензиновыми, так и дизельными двигателями, часто имеют системы, требующие этого), на коллектор можно установить дроссельную заслонку, соединенную с дросселем. Это снижает эффективность и все равно не так эффективно, как если бы он не был соединен с трубкой Вентури. Поскольку низкое давление создается только на холостом ходу (например, при спуске с холма с закрытой дроссельной заслонкой), а не в широком диапазоне ситуаций, как в бензиновом двигателе, устанавливается вакуумный бак.
В настоящее время большинство дизельных двигателей оснащены отдельным вакуумным насосом («эксгаустером»), который обеспечивает постоянное создание вакуума на всех оборотах двигателя.
Многие новые бензиновые двигатели BMW не используют дроссель в обычном режиме работы, а вместо этого используют впускные клапаны с переменным подъемом " Valvetronic " для управления количеством воздуха, поступающего в двигатель. Как и в дизельном двигателе, в этих двигателях практически отсутствует вакуум в коллекторе, и для питания сервопривода тормозов необходимо использовать другой источник.