Резонансный наддув – новая система впуска воздуха

Резонансный наддув – новая система впуска воздуха

Повышение крутящего момента на низких оборотах для двигателей с турбонаддувом видится важным моментом, учитывая внедрение «Евро-6» и требования по снижению вредных выбросов. Вместе с тем, тенденция на снижение веса автомобилей следующего поколения рождает спрос на уменьшение габаритов двигателей. Соответственно необходим компромисс между объёмом мотора, характеристиками хода, расходом топлива и затратами на эксплуатацию. Здесь на первый план выходит резонансный наддув – совершенно новая система впуска воздуха, учитывающая предъявляемые требования.

Резонансный наддув – система впуска воздуха

Посредством моделирования и тестирования продемонстрировано, как переключением параметров объёма и длины воздуховодов допустимо улучшить производительность при уменьшении рабочего объёма двигателя автомобиля.

Разработана специальная новая конструкция — переключаемая система впуска воздуха, способная обеспечить хорошую производительность с точки зрения распространения воздушных потоков и потерь давления.

Испытания прототипов на динамометрических стендах показывают преимущества концепции по сравнению с современным уровнем существующей техники. Полноценная система впуска воздуха на основе пластиковых деталей, направляющих воздух от воздухоохладителя до каналов с изменяемой геометрией, открывает новые возможности.

Резонансный наддув – новая система впуска воздуха + форма "ASAD"
Новая система впуска воздуха резонансный наддув + конфигурация и геометрическая форма «ACAD» рабочих воздуховодов устройства

Налицо увеличение объёмного КПД благодаря резонансному наддуву, внедрённому в состав малогабаритных автомобильных двигателей, дополненных турбонаддувом. Допустимо применение разработки и к новым бензиновым двигателям с турбонаддувом.

Здесь реальные выбросы от привода способны влиять на продувку и регулирование соотношения воздух/топливо в более широком диапазоне работы мотора.

В этом случае вновь разработанная конструкция, благодаря уникальной геометрии системы впуска, представляет способ компенсации снижения производительности, особенно в условиях очень низких оборотов вала двигателя.

Резонансный наддув + переключаемые воздуховоды

Несколько последних десятилетий стали результатом появления множества решений, направленных на улучшение впуска воздушной массы внутрь цилиндров мотора машины. Одним из наиболее эффективных методов видится турбокомпрессор, учитывая использование аппаратом части отработанной энергии выхлопных газов. Эта энергия применяется для сжатия воздуха на входе. Улучшается ввод воздушной массы в цилиндры.

Однако недостатком такой технологии является малая производительность мотора на низких оборотах, когда энтальпия выхлопа недостаточна. Существуют также решения для двигателей без наддува, направленные на повышение мощности. Здесь имеет место управление давлением воздуха, что приводит к дополнительной воздушной массе в цилиндре при закрытом впускном клапане.

Коллектор, правда, — не единственная возможность настройки впускной системы резонансного наддува. Учитывая, что для достижения правильной настройки на низких оборотах вала двигателя требуется длинный воздуховод, необходимо учитывать полный впуск воздуха от выхода турбонаддува до впускного клапана.

Геометрические формы воздуховодов

Настроить новую систему впуска воздуха допустимо через увеличение длины или изменение диаметра воздуховода. Процедурой испытаний рассматривались различные геометрические формы. Самый простой считается форма «ACAD» (Active Charge Air Duct), которая состоит из двух воздуховодов разной длины и диаметра (картинка выше).

Первый воздуховод — длинный трубопровод небольшого диаметра, который позволяет получить резонанс в районе 1500 об/мин. Тем самым достигается компенсация недостатка энтальпии на низких оборотах двигателя автомобиля.

При более высоких оборотах вала двигателя (2300 об/мин и выше) работает второй воздуховод, обладающий большим поперечным сечением и меньшим параметром длины. Тем самым достигается, как малый перепад давления, так и более высокий частотный резонанс.

Резонансный наддув – новая система впуска воздуха + управление
Устройство контроля «Rotary Shifter», посредством которого управляется новая система впуска воздуха двигателя легкового автомобиля

Для переключения с одной конфигурации на другую разработан специальный продукт, получивший название «Rotary Shifter» (картинка выше). Переключатель состоит из двух корпусов, изготовленных методом литья под давлением из термопласта. Корпуса закрыты крышками.

Корпусная часть имеет два открытых порта, один для канала силового режима, другой для режима крутящего момента. Внутри конструкции находится вращающийся шар, дополненный внутренним воздушным каналом для перехода из одной конфигурации в другую.

Чтобы обеспечить надёжное управление положением отражения внутри воздухозаборной линии и обеспечить хороший поток воздуха, требуемый объём воздуха формируется сразу после воздухоохладителя.

Другое решение состоит в использовании дополнительных объёмов и каналов. Так называемая система «DRS» (Double Resonance System) — система двойного резонанса тестировалась на 3-цилиндровых дизельных двигателях. Для определения взаимодействия резонансного наддува с двигателем и турбокомпрессором в целом, использовалась имитационная модель «GT Power».

Исследования показали дополнительные преимущества резонансного наддува на двигателе с турбонаддувом по сравнению с двигателем без наддува. Действительно возникает петлевой эффект, когда прямое волновое воздействие даёт увеличение массы воздуха внутри цилиндра — здесь увеличивается энтальпия на выхлопе.

Как получали геометрическую форму «ACAD»?

Геометрическая форма системы впуска воздуха «ACAD» рассчитывалась посредством моделирования с применением двух циклов прототипов. Точная настройка выполнялась измерениями импеданса на динамическом стенде. Испытуемый автомобильный двигатель: 1,5-литровый 4-цилиндровый дизельный мотор с турбонаддувом.

Мотор работал на динамометрическом стенде и оснащался различными датчиками впускных и выпускных линий, в том числе высокопроизводительными датчиками давления. Сбор данных на точках:

  • цилиндр,
  • впускной коллектор,
  • выпускной коллектор,
  • производился с высокой частотой дискретизации.

Для каждого испытания соотношение «воздух-топливо» поддерживалось постоянным. Эффективность системы оценивалась путём сравнения выходного тормозного момента для трёх основных конфигураций:

  1. «ACAD» с длинным воздуховодом (режим крутящего момента).
  2. «ACAD» с коротким воздуховодом (мощный режим).
  3. Водяной охладитель, подключенный непосредственно на вход впускного коллектора.

Испытания проводились в установившемся режиме при полной и частичной нагрузке, с целью оценить влияние трёх различных архитектур на характеристики мотора. Тестами на переходную нагрузку оценивалось влияние резонансного наддува на реакцию крутящего момента при скачкообразной нагрузке.

Нестационарные испытания двигателя

Система впуска воздуха «ACAD» даёт возможность увеличить объёмный КПД двигателя за счет резонансного эффекта наддува. Это сильно отличается от переходного случая с использованием только турбонагнетателя с хорошо известным эффектом запаздывания. Переходные испытания проводились при постоянной частоте вращения вала двигателя.

Начальный крутящий момент выбирается для получения среднего эффективного давления тормоза, близкого к условиям холостого хода. Применяется требование шага ускорения. Затем допустимо измерить изменение крутящего момента для каждой конфигурации.

Эффект резонансного наддува переключением значений

Эффект резонансного наддува получается за счёт разных объемов воздухозаборника. Один из этих объёмов предпочтительно может быть охладителем вдуваемого воздуха с различными клапанами, что используются для подключения/отключения другого объёма от основной трубы. Ниже показаны различные варианты оптимизации объёмной эффективности.

Резонансный наддув – новая система впуска воздуха + решения
Настройка системы резонансный наддув: вариант «А» – только коллектор; вариант «Б» — система с воздухоохладителем; вариант «В» — система двойного резонанса

Реально существуют две основные архитектуры забора воздуха легкового автомобиля:

  1. Воздухоохладитель встроен во впускной коллектор (А).
  2. Воздухоохладитель автономный прямого/непрямого охлаждения (Б).

Для первой версии (А), как показано на картинке выше, маловероятно настроить систему на резонансный наддув, так как имеется только короткий канал между клапаном и объёмом воздухоохладителя.

Вторая версия (Б) предоставляет некоторые возможности для экспериментов с геометрией (пример «ACAD»).

А вот третья версия (В) даёт значительный объём для получения нового резонанса оборотов двигателя машины, под которые допустимо настроить систему забора воздуха.

В общем, как с объёмом, так и с длиной воздуховода существует множество возможностей оптимизации объёмной эффективности. В том числе, когда есть четыре длины и четыре объёма под эксперимент на достижение ожидаемых характеристик в заданном пространстве.

Заключение под резонансный наддув

Изначально разработка предназначалась для применения на дизельных двигателях машин. Однако область применения теперь расширена за счёт новых видов деятельности, связанных с резонансным наддувом. Разработка допустима к внедрению в современных бензиновых двигателях с использованием турбокомпрессора и непосредственного впрыска топлива.

В соответствии с новыми правилами (RDE и Euro-6) разработка в сочетании с оптимальным согласованием турбонагнетателя обещает стать недорогим техническим решением. Такое решение выглядит оптимальным для компенсации снижения производительности по причинам новых стратегий, необходимых для снижения вредных выбросов и контроля детонации.


При помощи информации: Mann-Hummel