Газодинамический наддув

Как известно, характер протекания кривой крутящего момента при различных частотах вращения определяется геометрией впускного трубопровода. При конструировании впускной системы основными задачами являются:

Во-первых, уменьшение аэродинамических потерь, чтобы уменьшить снижение плотности заряда, поступающего в цилиндр;

Во-вторых, обеспечить соответствующую “настройку” для достижения желаемого протекания кривой коэффициента наполнения, в том числе при высокой частоте вращения.

При использовании стандартной системы впуска параметры газодинамического наддува рассчитываются на получение наибольшего эффекта на режиме максимального крутящего момента, что позволяет повысить приемистость двигателя и его приспособляемость к перегрузке. За пределами расчетного режима наполнение цилиндров заметно уменьшается в следствие рассогласования частоты вынужденных и собственных колебаний системы впуска, особенно при резонансной схеме. Последняя на режиме номинальной мощности может дать даже отрицательный эффект, снижая наполнение цилиндров по сравнению с ненастроенной системой газообмена.

Этого недостатка лишены системы настроенного впуска с переменной длиной трубопроводов, которые начинают применять, несмотря на их сложность. Изменяя геометрию впускной системы (в частности, длину или диаметр впускных патрубков), можно ее перенастроить, обеспечив значительное повышение коэффициента наполнения и, соответственно, крутящего момента в диапазоне малых и средних частот вращения.

Повышение эффективности впуска при использовании впускных трубопроводов переменной длины исследовались уже в 60-ые годы. Но существование в то время карбюраторной системы питания делало в принципе невозможным использование эффекта газодинамического наддува, поскольку распылители и дроссельные заслонки создавали большое сопротивление на впуске. Снизить сопротивление могло только внедрение систем впрыска топлива, исключавших использование карбюратора. Но в 60-ые годы только очень ограниченное число серийных машин оснащалось впрыском топлива, например, дорогое спортивное купе Mercedes-Benz 300SL (двигатель был оснащен непосредственным впрыском Bosch, сделанным по аналогии с дизельной топливной аппаратурой). Вследствие этого работы по проектированию регулируемых систем впуска шло медленно.

В двигателях с внешним смесеобразованием процесс впуска связан с процессом образования топливовоздушной смеси до ее поступления в цилиндр. Поэтому правильно спрофилированные впускной трубопровод и каналы в головке цилиндров способствуют улучшению смесеобразования и сгорания.

Как известно, одним из главных факторов, определяющих степень форсированности двигателя, является величина и характер изменения по оборотам коэффициента наполнения. В свою очередь, этот коэффициент в четырехтактных двигателях зависит главным образом от гидравлического сопротивления впускного тракта, длины впускного тракта и от температурного состояния заряда. На все это можно воздействовать выбором величины проходных сечений, продольной геометрии впускного тракта, фаз газораспределения, формы камеры сгорания и т.д.

На низких частотах вращения для увеличения силы инерции потока газа требуется длинный трубопровод. С увеличением частоты вращения его длина должна уменьшаться для уменьшения гидравлического сопротивления на впуске.

Использование трубопроводов переменой длины становится очевидным, если принять во внимание факт работы двигателя на разных скоростных режимах, характеризующихся различными физическими параметрами (скорость и давление во впускном тракте, давление в цилиндре). Обычно систему впуска настраивают на достижение максимального крутящего момента в области средних оборотов, то есть существует компромиссная регулировка, но при этом происходит снижение момента на низких и высоких оборотах.

На современных двигателях процесс впуска продолжается и после прохода поршнем н.м.т. В момент прихода поршня в н.м.т. рабочая смесь обладает определенной силой инерции, которую можно использовать для дополнительной дозарядки цилиндра.

Дозарядка цилиндра напрямую зависит от скоростного режима двигателя и длины впускного трубопровода. Увеличение длины трубопровода, с одной стороны, способствует нарастанию силы инерции, а с другой- повышает гидравлическое сопротивление впускного тракта. Таким образом, при малом числе оборотов для противодействия обратному выбросу желательно иметь более длинный впускной трубопровод, в котором уже нет необходимости при больших числах оборотов, т.к. он способствует уменьшению наполнения. Для оптимального наполнения двигателя желательно, чтобы впускной трубопровод был переменной длины и уменьшающий ее по мере роста числа оборотов. Таким образом, с помощью такого трубопровода можно добиться высокой номинальной мощности без потерь в диапазоне низких и средних оборотов и благоприятной характеристики протекания крутящего момента.