Не так давно на Западе разработали и провели испытания новой автомобильной системы впуска воздушно-топливной смеси. Разработка преследовала цель улучшить крутящий момент двигателя, уменьшить потери при работе стандартной дроссельной заслонки. Улучшение предварительного смешивания топлива и воздуха способствует повышению эффективности двигателя, способствует сокращению выбросов вредных выхлопных газов. Так вот, новая индукция Вентури, предусматривающая регулировку иглой и впрыск топлива непосредственно в горловину, даёт экономию средств и увеличивает крутящий момент.
СТРУКТУРА СТАТЬИ :
Дроссельная заслонка невосполнимые потери
Уровень мощности автомобильного двигателя с искровым зажиганием напрямую привязан к массе воздуха, поступающего в цилиндры мотора. Традиционно используемая дроссельная заслонка регулирует поток воздуха, поступающий в двигатель, но при этом создаёт невосполнимую потерю давления перед вводом смеси.
По сути, работа стандартной дроссельной заслонки здесь «глушит» двигатель машины потоком воздуха. При таком техническом раскладе мотор не в состоянии нормально «дышать». Соответственно, на выходе генерируется меньшая полезная мощность. Вывод очевиден: ограниченный поток воздуха заставляет двигатель автомобиля функционировать неэффективно.
Работа мотора, требуемая для преодоления разрежения, создаваемого безвозвратной потерей давления, приводит к перерасходу топливного ресурса. Как следствие — отмечается снижение КПД двигателя машины.
Индукция Вентури концепция игольчатой регулировки
Дроссельные заслонки стандартного исполнения характеризуются успешными технически, но выглядят крайне неэффективными дросселирующими устройствами. Именно такое видение заставило инженеров преодолевать неэффективность дроссельной заслонки. В результате разработана, запатентована, спроектирована, испытана система индукция Вентури.
Новинка отличается тем, что обеспечивает переменное сечение для регулировки подачи топливовоздушной смеси. Полученная конструкция представляет собой систему индукции Вентури, где площадь сопла изменяется посредством осевого движения иглы.
Следовательно, эффект дросселирования достигается по мере изменения площади сопла Вентури, но не за счёт необратимой потери давления, как в случае с традиционной стандартной дроссельной заслонкой.
Новая впускная система индукция Вентури с игольчатым регулированием делает более продуктивной подачу воздуха в процессе создания топливовоздушной смеси. Достигается эффект предварительного испарения топлива перед подачей в двигатель. То есть:
- топливно-воздушная смесь дополнительно охлаждается,
- снижается степень плотности смеси,
- устраняется расслоение топлива по стенкам цилиндров.
Здесь фактически имеет место остановка потока воздуха только вблизи нижней мёртвой точки цикла поршня. Для ясности картины выше представлен чертёж впускного коллектора Вентури с игольчатым регулированием, в частности, конструкции четырёхцилиндрового двигателя.
Все иглы выдвигаются параллельно при нажатии на педаль газа. Движение иглы вдоль оси сопла Вентури изменяет площадь проходного сечения, обеспечивая дроссельное управление подачей топливовоздушной смеси.
Снижение потерь на прокачку поршнем
Потери на прокачку поршня видятся как невосполнимая работа, совершаемая поршнем в процессе втягивания порции топлива и выталкивания выхлопных газов. Большая часть потерь на прокачку вызвана усилием двигателя на движение поршня вниз в такте впуска топливовоздушной смеси.
Вакуум, создаваемый обычной дроссельной заслонкой, вызывает существенные потери эффективности. На примере обычной системы впуска потери на прокачку обычно варьируются от 3,5% при полностью открытой дроссельной заслонке, практически до 100% в режиме работы мотора на холостом ходу.
Следовательно, в моменты крейсерского хода машины дроссельная заслонка практически полностью закрыта, что приводит к значительной потере эффективности автомобильного мотора. Между тем, профиль давления вновь разработанной системы индукции полностью отличается по ряду причин:
- Давление на входе новой системы индукции всегда является давлением окружающей среды (давлением нагнетания турбонагнетателя).
- Когда клапан цилиндра закрывается, воздух из камеры обтекает иглу, уравнивая давление нагнетания сопла с давлением в камере. Для этого достаточно времени, учитывая, что впускные клапаны находятся в закрытом состоянии дольше, чем в открытом состоянии.
- По сравнению с дроссельной заслонкой-бабочкой, новая система максимально обтекаема. Механика жидкости управления дроссельной заслонкой полностью отличается, что способствует улучшению характеристик экономии топлива.
Особенности игольчато-регулируемого управления
Управление игольчато-регулируемой индукцией осуществляется за счёт ограничения скорости звука в горловине сопла. Скорость в области горловины сопла определяется скоростью поршня и кольцевой площадью между иглой и областью сопла.
Вначале процесса поршень движется медленно. Воздух легко проходит через обтекаемую трубку Вентури. Однако по мере того, как поршень ускоряется вниз, в какой-то момент поток воздуха через сопло достигает скорости звука. При звуковой скорости давление на впускном канале не способно оказывать влияния на поток сопла.
Таким образом, игольчато-регулируемая индукция эффективно регулирует мощность двигателя. Следует отметить: управление потоком происходит только в конце цикла всасывания. Поток воздуха до точки дросселирования проходит без ограничений.
Управление обычной дроссельной заслонкой осуществляется за счёт необратимых фрикционных потерь клапана типа «бабочка». Следовательно, поршень тянет против полного вакуума в течение всего хода вниз. Это приводит к значительно более высоким потерям на прокачку, чем в случае с игольчато-регулируемой индукцией.
Пульсирующее давление на входе от индукционного клапана уменьшает потери на прокачку, тогда как обычный коллектор работает при постоянном, но низком давлении.
Обтекаемое сужаемо-расширяющееся сопло ускоряет воздушный поток по мере приближения к области горловины и замедляет воздушный поток в расширяющейся части. Замедление движения воздуха сопровождается ростом давления. Процесс восстановления давления регулируется законом сохранения энергии (принцип Бернулли):
где: v – скорость жидкости; Ɣ – коэффициент удельной теплоёмкости; p – давление; ρ – плотность жидкости; ġ – ускорение свободного падения; ż – повышение.
Свойство игольчато-регулируемой индукции восстанавливать давление способствует улучшению истории усилия поршня. Следовательно, благодаря этому свойству снижаются потери на прокачку.
Крутящий момент охлаждением заряда + стратификация
В случае с обычным впускным коллектором — здесь часть топлива испаряется за счёт теплопередачи со стенкой цилиндра. Однако испарение редко завершается до закрытия впускного клапана. Следовательно, эффективность теряется, поскольку для испарения топлива требуется работа.
Топливная форсунка технологии игольчато-регулируемой индукции совмещена с горловиной сопла, где скорость воздуха максимальна, а давление воздуха минимально. Благодаря такому раскладу, топливо эффективно испаряется и тщательно смешивается с воздушным потоком.
Тот факт, что горловина трубки Вентури является точкой низкого давления, видится нелогичным, но согласуется с законом сохранения энергии. Расширение испарившегося топлива выталкивает топливно-воздушную смесь в цилиндр. Кроме того, эффективнее охлаждённый и плотный заряд улучшает приток воздуха, тем самым улучшается крутящий момент двигателя.
Что касается выбросов углеводородов и образования CO, когда процесс сгорания не завершён. Основным источником выхлопных углеводородов здесь является топливо, оставшееся в точках цилиндра, куда не в состоянии проникнуть пламя сгорания.
В выпускном отверстии и коллекторе часть остаточных углеводородов сгорает до образования CO или CO2. Игольчато-регулируемая индукция предварительно испаряет топливо. Следовательно, меньше несгоревшего топлива остаётся на стенках цилиндра, снижаются выбросы углеводородов и CO.
Фактор экономии топливного ресурса
Прототип индукционной системы тестировался на машине «Honda Civic». Специально для испытаний устанавливался двигатель «Honda D15B» и шины автомобильные «Sumitomo» с низким сопротивлением качению.
Сравнение экономии топлива проводилось как при движении по городу, так и по шоссе. Испытание на шоссе — прохождение замкнутого круга протяженностью 330 км. Кроме внедрения индукционной системы других механических изменений не проводилось. Применялся штатный компьютерный блок управления «Honda» и компьютерный блок управления «AEM Power».
Компьютерный блок управления изменялся по той причине, что новая индукционная система с пульсирующим профилем давления требует управления массовым расходом воздуха, недоступного на штатном блоке управления.
Двигатель настраивался для работы в стехиометрических условиях. Как обычная система, так и система игольчато-регулируемой индукции, работали в замкнутом контуре управления с обратной связью от датчика оксида.
Четыре дорожных испытания с обычным впускным коллектором на постоянной скорости 100 км в час дали в среднем 70 км на 4.5 литра топлива. Идентичный тестовый цикл с коллектором игольчато-регулируемой индукции на скорости 100 км в час показал средний расход 4.5 литра топлива на 85 км.
То есть пробег городского цикла увеличился на 15 км при одинаковом расходе топлива. Значительное увеличение пробега по шоссе обусловлено практически закрытым положением дроссельной заслонки при устойчивом движении, когда игольчато-регулируемая индукционная система обеспечивает наибольшую выгоду.
При помощи информации: PRVperformance
