Физика камеры сгорания. Часть 9. Питание ДВС, или организация подачи топливо-воздушной смеси
Надеюсь, не я один ждал продолжения своего цикла статей "ФКС", поэтому сегодня мы будем с вами не просто крутить механику, как было в предыдущей серии статей, а уже попробуем запитать ДВС смесью и заставим его работать.
Многим может показаться, что после рассмотрения поведения ШПГ и КШМ целесообразно было бы повращать распредвал и поподнимать клапана, но уверяю вас, что без попытки виртуально завести мотор с неизвестной нам пока конфигурацией газораспределения сразу окунуться в процессы наполнения было бы крайне неудобно. Поэтому мы сегодня представим некоторый бензиновый двигатель внутреннего сгорания и приступим к его оживлению.
Что необходимо, чтобы собранный мотор начал работать? Правильно! Воздух, топливо и зажигание.
Сегодня мы рассмотрим только воздух и топливо.
Согласитесь, бессмысленно лить топливо в цилиндры, когда мы понятия не имеем, сколько же воздуха поступает туда. То же самое можно сказать и про зажигание. Поэтому всё всегда начинается с воздуха.
На самом деле конструктивные особенности атмосферного мотора определяют потребление воздуха. Ни электроникой, ни чем бы то ни было другим эти законы изменить нельзя. Но под мотором я подразумеваю не только столб, а в том числе впуск и выпуск.
Теперь мы начнем вращать (пока принудительно, ибо мы ещё не умеем его питать) коленчатый вал двигателя. Двигатель начинает работать аналогично компрессору. Мы чувствуем разрежение во впускном коллекторе, чувствуем пульсации давления в выпускном коллекторе. Но нужно не забывать, что задача у ДВС не нагнетать куда-либо давление, поэтому выхлоп должен быть открыт в атмосферу.
Как мы раньше заметили, во впуске имеется некоторое разрежение воздуха. Даже при снятой дроссельной заслонке. Это нормально. Воздух принудительно закачивается поршнями из коллектора, но обратно не отдает, а выкидывает в выхлопную систему. Вот с разрежением то мы сейчас и поработаем.
Во-первых, давайте определимся, что такое разрежение? Это некоторое давление ниже значения атмосферного, т.е. 1 бара, или 100 кПа. Многие путаются в понятиях разрежение растёт и давление растёт, особенно, когда сталкиваются с различного рода литературой.
Давайте четко для себя уясним, что нулевое разрежение равно атмосферному давлению. А разрежение в 1 бар (где-то можно встретить понятие отрицательного давления, т.е. — 1 бар) — это нулевое давление, т.е. фактически вакуум. Важно понимать, что как такового отрицательного давления в природе существовать не может, это просто термин для удобства, когда работают с разреженными системами. Разность давлений может быть хоть минус 100 бар, но давление даже в минус 0,0000001 бар существовать не может.
Так вот, когда мы будем говорить "давление" — это абсолютное давление. Когда мы будем говорить "разрежение", то мы будем говорить о разнице атмосферного давления и абсолютного давления системы (отступления ради скажу, что когда говорят, что настройка турбины производится на 0,5 бара, то подразумевается избыточное давление, т.е. по факту имеется ввиду 1,5 бара абсолютного давления).
Итак, вернемся к нашему двигателю. Когда двигатель не вращается, то давление во впускном коллекторе у него равно атмосферному. Когда мы начинаем вращать его, то с повышением оборотов начинает расти разряжение в коллекторе, иными словами — падать абсолютное давление. И чем меньше сечение для проникновения воздуха в коллектор (т.е. щель открытия дроссельной заслонки или открытие клапана холостого хода, или же это жиклер), тем больше будет разрежение на том же моторе при тех же оборотах.
Практика показывает, что в режиме поддержания оборотов оборотов, т.е. для компенсации только внутренних сил, как правило требуется разряжение в 0,6…0,8 бар (или же 0,2…0,4 бара абсолютного давления). О чем это говорит? О том, что не важно, какое количество оборотов вы развиваете мотором, разряжение остается почти одинаковым (изменение не столь значительное, не более 0,1 бара), если не происходит увеличения оборотов. Тут у многих возникает резонный вопрос: как же так? А как же разные объемы двигателей, и как же двигатель может вращаться больше раз в секунду, если давление почти то же самое? Заранее отвечу: для больших объемов двигателей потому и ставят большие дроссельные заслонки и клапана холостого хода открываются на большее значение, а что же касается увеличенных оборотов, то тут ответ в самом вопросе: да, разрежение то же, но количество воздуха, поступающее в цилиндр за единицу времени больше на более высоких оборотах, нежели на низких. Т.е. двигатель всегда стремится выйти на это значение разрежения во впускном коллекторе с небольшими поправками на преодоление возрастающих сил.
Как же меняются обороты двигателя? Мы открываем дроссельную заслонку, увеличивая сечение поступления воздуха, разрежение падает (т.е. давление становится больше и ближе к атмосферному), поэтому происходит увеличение оборотов до тех пор, пока разрежение в коллекторе опять не достигнет требуемого нам значения.
Как же узнать, сколько воздуха в попугаях попадает в цилиндры? Тут на помощь приходит закон Менделеева-Клапейрона. Он, правда, для идеального газа, но поможет нам понять суть для абсолютно неидеального воздуха:
p — абсолютное давление (в Па),
V — объем воздуха (в кубических метрах),
m — масса воздуха (в г),
R — универсальная газовая постоянная ( R = 8,314 ДЖ/(моль*К) ),
T — температура воздуха (в Кельвинах),
М — молярная масса воздуха (28,98 г/моль)
Для знатоков системы Си поясню, что умышленно ввел граммы, а не килограммы, ибо они сокращаются для массы и молярной массы.
Итак, хорошо, что немного освежили курс физики, но пока это нам абсолютно ничего не дает. Едем дальше:
выразим массу через давление:
А вот это нам уже что-то да даёт. Используя эту формулу, мы можем посчитать, сколько воздуха поступает в двигатель за полный цикл, т.е. 2 оборота (помним, что сейчас мы ведём речь о четырехтактном моторе).
Таким образом, подставив вместо V рабочий объём двигателя, мы сможем высчитать массу воздуха, потребляемую двигателем за два оборота. Должен отметить, что на практике за объем принимается не совсем объем двигателя, а вводится понятие коэффициент наполнения, который может быть как меньше, так и больше 1-цы, причем его значение может меняться от оборотов. Но этим как раз и занимается наука о газораспределении, и именно поэтому мы пока отложили данный вопрос. Пока же будем считать, что коэффициент наполнения у нас всегда равен единицы.
Итак, приходим у некоторому примеру:
Давление во впуске — 30 к Па (как писали выше),
Объем двигателя — 2 литра, или же 0,002 кубических метра,
Температура воздуха — 27 градусов по Цельсию (Или же 300 К).
m = p*V*M/ (R*T) = 30 000 Па * 0,002 м3 * 28,98 г/моль / (8,314 ДЖ/(моль*К) * 300 К) = 0,697 г
Особо внимательные, наверное, заметили, что если вписывать значения не в Си, а заменить Па на кПа, при этом кубические метры на литры, то результат будет тот же.
Итак, мы получили, что 4-хтактный 2-хлитровый двигатель в режиме поддержания оборотов у нас потребляет 0,697 г воздуха за 2 оборота.
Если этот мотор имеет 4 цилиндра, то один цилиндр за такт впуска потребляет четверть, т.е. 0,174 грамма воздуха.
Если же мотор 6-тицилиндровый, то один цилиндр потребляет в полтора раза меньше четырехцилиндрового, т.е. 0,116 грамм.
При открывании дроссельной заслонки давление в коллекторе растет (а разрежение падает — не забываем). Если мы с холостого хода открыли дроссель на полную, то разрежение достигает порядка 0,1 бара, или же абсолютное давление достигает значения 0,9 бара.
Тогда в этот же мотор за два оборота начинает поступать воздух массой:
m = p*V*M/ (R*T) = 90 кПа * 2 л * 28,98 г/моль / (8,314 ДЖ/(моль*К) * 300 К) = 2 г
Если заметили, то я как раз произвел подмену размерностей для удобства.
С увеличением оборотов разряжение будет расти, так как при том же сечении открытой дроссельной заслонки количество оборотов в минуту будет увеличиваться, до тех пор пока опять мы не выйдем на низкое давление в коллекторе порядка 0,2…0,3 атмосфер.
Чтобы не было недомолвок, поясню один момент: когда разрежение увеличится и обороты стабилизируются, это ни в коем разе не говорит, что двигатель начнет потреблять столько же воздуха, как и потреблял до этого. Более того, он будет потреблять даже больше, чем при раскрытии дросселя, если обороты значительно увеличатся. Поясню:
Мы открыли дроссель на 1000 об/мин. Давление в коллекторе поднялось до 0,9 бара. Начали потреблять 2 грамма воздуха за 2 оборота. Т.е. 1000 г/мин.
Теперь двигатель развил 6000 об/мин. Давление в коллекторе упало до 0,3 бара. Начали потреблять 0,697 грамм за 2 оборота. Но при этом уже 2091 г/мин.
Вдаваясь в детали, можно сказать, что значения разрежения и давления, о которых мы говорили, берутся средние. На деле же во впускном коллекторе постоянно пульсируют воздушные потоки, при этом пульсирует и давление. Но это задача более серьезного уровня, и на эти тонкости обращают опять же при расчетах механизмов газораспределения и при расчетах впускных коллекторов. Я неоднократно в беседах говорю, что правильно рассчитанный впускной коллектор, как и выпускной, — ключ к хорошей работе ДВС. Но это уже совсем другая тема=)
Буквально только что мы повращали двигатель и понаблюдали, сколько же воздуха он потребляет. Но мы же не хотим тратить собственные силы и энергию на перекачку воздуха из впуска в выпуск, а хотим, чтобы наоборот, двигатель сам крутился, да ещё и нас возил. Причем как возил!
Ну, а законы физики гласят: "За всё надо платить". Энергия не берётся ниоткуда и не уходит в никуда. А в ДВС энергия берется из топлива. В нашем случае — из бензина.
Чтобы знать, сколько топлива подавать, надо знать, сколько кислорода поступает в цилиндры. Совсем недавно мы научились считать, сколько воздуха попадает, а значит, можем понять и сколько кислорода с ним.
Считается, что массовая доля кислорода в воздухе составляет примерно 23,1…23,2 процента. Следовательно, рассмотренный ранее двухлитровый двигатель потребляет при той же температуре за два оборота:
При давлении в коллекторе 0,3 бара — 0,697 г * 0,231 = 0,161 г кислорода
При давлении в коллекторе 0,9 бар — 2 г * 0,231 = 0,462 г кислорода
Считается, что оптимальное соотношение воздух-топливо составляет 14,7, или же кислород-топливо 3,4. На деле же обычно максимальная мощность достигается примерно при 12,6…13,6 воздуха к топливу, а минимальный расход при 15.
Пусть мы решили пойти по сохранению стехиометрии и пишем свои топливные карты по AFR = 14,7.
Тогда за два оборота мы должны подать:
При давлении в коллекторе 0,3 бара — 0,161 г кислорода / 3,4 = 0,047 г топлива
При давлении в коллекторе 0,9 бар — 0,462 г кислорода / 3,4 = 0,135 г топлива.
Если наш двигатель четырехцилиндровый, то мы должны подавать одной форсункой при последовательном впрыске в 4 раза меньше:
При давлении в коллекторе 0,3 бара — 0,047 г /4 = 0,0117 г топлива
При давлении в коллекторе 0,9 бар — 0,135 г / 4 = 0,0337 г топлива
Если двигатель вращается с максимальной частотой 6000 оборотов/мин, то один оборот происходит за 0,00016 минуты. Такт впуска ещё меньше в два раза, т.е. 0,00008 минуты. За этот период мы должны успеть подать 0,0117 грамм топлива (считаем, что отстроена система впуска так, что разрежение уже 0,3 бара и больше крутить нет смысла). Тогда нам потребуется форсунка с производительностью:
0,0117 г / 0,00008 минуты = 146,25 г/мин при номинальном давлении топливной рейки.
Зная, какая производительность у нашего инжектора, можно заполнять таблицу зависимости времени открытия форсунок от двух параметров: оборотов и нагрузки. Получается такая трехмерная картинка, которую интересующиеся люди видели не раз.
На деле же не все таблицы рассчитываются так, как нам тут могло тут показаться. Дело в том, что чаще всего вот эту разницу между значениями 0,3 и 0,9 бар обеспечивает вакуумный регулятор давления в топливной рейке, а таблицы строятся с пониманием того, какую коррекцию по давлению, а значит и производительности, вносит регулятор давления топливной рейки. Условно говоря, если регулятор обеспечивает изменение производительности форсунки линейно изменению давления, то тогда в самом простом случае можно составить таблицу только зависимости от оборотов, сохраняя в каждом случае соотношение воздух-топливо 14,7. Опять же, даже в случае с таким идеальным регулятором давления на практике строится трехмерная таблица, потому что форсунки имеют некоторые задержки от начала открытия до подачи топлива (лаг форсунки) и при возрастании нагрузки (уменьшении разрежения) обычно всё-таки отходят от базовых 14,7 и начинают активнее лить, чтобы повысить мощность, тем самым улучшив динамические показатели.
Буду заканчивать на сегодня, ибо устал уже писать. Постарался передать информацию максимально доступно. Да, мы, конечно, ещё так и не запустили двигатель, а просто смыли масляную плёнку с поршней, при этом разбавив масло бензином, ибо искру мы так и не подали, а льём и льём в цилиндры, но и этот объем информации потребует некоторого времени у вас на осмысление.
В заключение скажу, что алгоритм оценки поступления воздуха не всегда основывается на разрежении, как в карбюраторных системах и системах с MAP-сенсором, очень неплохо используются датчики массового (MAF) и реже объемного расхода воздуха (VAF, в простонародии — лопата). Кому интересно, может прочитать про них и, если желает, поделиться ссылкой здесь для остальных.
Назначение воздухозаборника и особенности системы подачи воздуха в двигатель
Принцип действия двигателя внутреннего сгорания заключается в преобразовании тепловой энергии сгоревшего топлива в механическую. Для этого в камеру сгорания поступает горючая смесь, состоящая из топлива и воздуха, а затем воспламеняется. Оптимальное соотношение компонентов обеспечивает получение максимальных динамических характеристик. За забор и впуск воздуха в цилиндры двигателя отвечает соответствующая система питания.
Основные системы наддува
Независимо от конструкции, воздух в двигатель попадает из атмосферы. Это актуально как для бензиновых, так и дизельных модификаций. В общем случае в схему входят:
- воздухозаборник;
- фильтр;
- впускной патрубок;
- турбокомпрессор;
- дроссельная заслонка (для бензиновых двигателей);
- промежуточный радиатор;
- впускной коллектор.
Турбокомпрессором (турбиной) оснащают дизельные моторы, но принудительным наддувом оборудуют также и работающие на бензине. Наддув позволяет силовому агрегату развить более высокую мощность за счёт генерации большего давления.
Система подачи воздуха на бензиновых двигателях
Конструкция систем питания воздухом моторов любых моделей принципиальных отличий не имеет. Первый элемент — воздухозаборник, компонент двигателя, который отвечает за сообщение с атмосферой. Его устанавливают под капотом так, чтобы эффективно забирать воздушные массы на всех скоростных режимах. Раструб воздухозаборника закреплён корпусом головной оптики с правой или с левой стороны авто, около радиаторной решётки.
После попадания в заборник поток движется в фильтр. Это обязательный компонент воздушной системы двигателя, отвечающий за очистку потока от пыли. Если мельчайшие частицы из атмосферы будут беспрепятственно поступать в ДВС, начнётся интенсивный износ стенок цилиндров, что приведёт к поломке мотора. Фильтр очистки поступающего воздуха включает фильтрующий элемент и корпус. Устанавливают его в подкапотном пространстве недалеко от воздухозаборника, к корпусу авто крепят через резиновые демпферы.
Миновав фильтр, воздушный поток попадает во впускной патрубок. Это соединительная труба, предназначенная для дистанцирования элементов системы. В нижней части патрубка делают «ловушку» для воды. Это небольшое углубление, куда стекает жидкость, попавшая в устройство для подачи воздуха после преодоления глубоких луж.
В корпусе фильтра или во впускном патрубке устанавливают датчик, измеряющий скорость движения воздушных масс.
Регулирует обороты коленвала дроссельная заслонка. Механизм напрямую связан с педалью акселератора, при нажатии на которую увеличивается воздушный поток. В корпусе дросселя расположен регулятор холостых оборотов и датчик положения заслонки. Первый отвечает за поддержание минимального вращения коленвала, второй — передаёт информацию блоку управления о степени открытия механизма.
После дроссельной заслонки поток попадает во впускной коллектор. Это последняя деталь в схеме на пути подачи воздуха в цилиндры. Делают его из металла (сплава на основе алюминия) или пластика. Коллектор отвечает за формирование горючей смеси, которая в дальнейшем попадает в камеру сгорания. Впрыск горючего осуществляют инжекторы, установленные непосредственно в корпусе детали.
Система подачи воздуха в дизельный двигатель
Компоновка мотора, работающего на солярке, от бензинового практически не отличается. В схеме питания отсутствует дроссельная заслонка, установлен турбокомпрессор и реализован более сложный принцип формирования топливной смеси. В двигатель с дизельной аппаратурой и турбиной воздушный поток попадает через заборник, который представляет собой полный аналог элемента бензинового мотора. Очистка воздушной массы также происходит в фильтре. Однако для силовых агрегатов, устанавливаемых на спецтехнику, предусмотрена многоступенчатая фильтрация. В условиях сильной запылённости используют инерционный предварительный очиститель и другие подобные решения.
После фильтра воздушные массы попадают в центробежный нагнетатель. Турбина работает за счёт энергии отработанных газов и предназначена для генерации большего крутящего момента. Поток, проходя через нагнетатель, нагревается. Для его охлаждения предусмотрен промежуточный теплообменник — интеркулер. Элемент позволяет незначительно повысить мощность ДВС по сравнению с базовыми характеристиками.
Последний элемент системы — коллектор. В отличие от бензинового, в дизельном нет дроссельного узла, а воздух беспрепятственно попадает в цилиндры. Генерация крутящего момента регулируется количеством впрыскиваемого топлива. Однако в современных моторах заслонка всё же есть, но выполняет она другую функцию. Совместно с клапаном EGR она способна улучшить экологические показатели мотора на переходных режимах работы. Снижение токсичности выхлопных газов происходит за счёт повторного их использования при формировании горючей смеси.
Система регенерации выхлопных газов позволяет снизить их токсичность, но в то же время существенно сокращает ресурс силового агрегата. Моторы, оснащённые этой технологией, работают в 4-5 раз меньше до капитального ремонта.
Как увеличить подачу воздуха в двигатель
От количества и качества поступающих в мотор воздушных масс зависят его эксплуатационные характеристики. Для генерации большей мощности владельцы авто пытаются увеличить подачу воздуха. Для этого в конструкцию силового агрегата вносят изменения. Установка модернизированной системы питания позволяет получить несколько дополнительных лошадиных сил.
Наиболее простой и бюджетный способ — установка фильтра нулевого сопротивления взамен штатного. Однако этот метод используют на спортивных и специально подготовленных авто. Для стоковых двигателей прирост мощности будет минимален, а расходы на более частую замену фильтрующего элемента существенно возрастут.
Часто повышают крутящий момент за счёт доработки штатной системы подачи воздуха. Способ подразумевает комплексный подход к модернизации. В первую очередь измеряют местные сопротивления движению потока, затем меняют конфигурацию воздухозаборника, корпуса фильтра, впускного патрубка так, чтобы движению воздуха ничего не мешало.
Существенно повысить «резвость» атмосферного мотора позволяет электрический нагнетатель. Монтаж турбины осуществляют во впускной патрубок. В результате улучшается общий процесс смесеобразования, мощность двигателя растет, повышается эластичность во время работы ДВС на разных режимах, автомобиль демонстрирует улучшенные динамические характеристики.
Увеличить поступление воздушных масс позволяет вынос воздухозаборника из подкапотного пространства. «Холодный впуск» обеспечивает снижение температуры в коллекторе, а также незначительное повышение давления во время движения. Однако вынос воздухозаборника сопряжён с риском попадания в него воды, что может привести к гидроудару и поломке двигателя.
Система питания двигателя — сложный компонент, исправность которого обеспечивает нормальное функционирование силового агрегата. Для улучшения динамических характеристик возможен тюнинг отдельных элементов, отвечающих за подачу воздуха в цилиндры.
Система впуска, как увеличить подачу воздуха в двигатель
Воздух – крайне необходимый элемент для образования рабочей смеси. Многое зависит от атмосферного давления, количества воздуха, его чистоты. Немаловажна и геометрия движения впускного воздуха, от чего зависит стабильность работы двигателя, а также его КПД.
Конструкция впускной системы двигателя
Простейшая система впуска инжекторного двигателя состоит из следующих деталей:
- резонатор (воздухозаборник),
- корпус воздушного фильтра с фильтром,
- резиновая гофра от корпуса фильтра до дроссельной заслонки,
- ДМРВ или датчик абсолютного давления и датчик температуры воздуха,
- дроссельная заслонка с регулятором холостого хода (РХХ) и датчик положения дроссельной заслонки (ДПДЗ),
- впускной коллектор (ресивер).
Обзор элементов системы впуска двигателя
Резонатор
Представляет собой пластиковый воздухозаборник, который, как правило, установлен под фарами возле радиаторов. Патрубок устанавливается по ходу движения автомобиля, чтобы захватывался поток воздуха.
Конструкция воздухозаборника осуществлена таким образом, чтобы избежать попадания воды в цилиндры.
Корпус воздушного фильтра
Пластиковый короб, в котором устанавливается фильтр. Корпус максимально герметичен, обычно имеет отстойник для мусора.
Фильтр расположен во всей площади корпуса, в составе которого целлюлозная бумага с прорезиненными краями. Рассчитан фильтр таким образом, чтобы обеспечить необходимое сопротивление.
Дроссельный патрубок
Обычно представляет собой гофрированный патрубок. В гофре имеется отдельный патрубок, через который во впускной коллектор попадают картерные газы. К патрубку присоединяется ДМРВ, крепится хомутами с двух сторон во избежание подсоса неучтенного воздуха.
Датчик имеет в своей основе платиновую проволоку и никелевую сетку в качестве чувствительного элемента. Работа датчика заключается в подсчете впускаемого воздуха, а полученная информация уже передается на электронный блок управления.
Получив данные от датчика массового расхода воздуха, блок управления уже знает, в каком количестве подать топливо.
Дроссельная заслонка
Дроссельная заслонка нужна для дозирования впускаемого воздуха, непосредственно влияющее на количество впрыскиваемого топлива.
За положением открытия заслонки отвечает электронный потенциометр ДПДЗ (датчик положения дроссельной заслонки). В зависимости от открытия заслонки корректируется количество подачи топлива.
Устанавливаемый либо на дросселе, либо на коллекторе, регулятор холостого хода (РХХ), отвечает за поток воздуха в обход закрытого дросселя в режиме холостого хода.
Впускной коллектор
Впускной коллектор равномерно распределяет воздух по цилиндрам, создавая необходимую геометрию потока, а также играет роль в смесеобразовании.
Может быть пластиковым или железным. У современных двигателей ресивер с изменяемой геометрией потока воздуха, а за геометрию отвечают двигающиеся шторки.
Доступные методы увеличения подачи воздуха
От количества попадающего воздуха зависит мощность двигателя. Установка турбины – метод радикальный, однако существуют более простые и дешевые способы:
Установка воздушного фильтра нулевого сопротивления
К данному способу относятся скептически, но эффективность ФНС доказана. Оправдана установка подобного фильтра только в случае комплексного тюнинга, но и без того прибавляет скромных 1-3% мощности за счет снижения сопротивления, а значит, увеличения объема воздуха в камере сгорания.
Холодный впуск
Существуют готовые комплекты холодного впуска. Не на всех автомобилях воздухозаборник способен забирать холодный воздух, температура подкапотного пространства не позволяет.
Конструкция холодного впуска дает возможность попадать в коллектор холодному воздуху, а значит в цилиндры попадает больше воздуха – горение смеси будет более эффективно.
Установка впускного коллектора с иной геометрией
Для автомобилей ВАЗ предусмотрены коллектора под разные потребности: с короткими каналами — мотор будет «верховым», с длинными каналами обеспечить достаточный крутящий момент с холостых до средних оборотов.
Резюме
Вышеуказанные операции по изменению количества впускаемого в систему воздуха, а также геометрии его движения, приводят к незначительному увеличению мощности. Для обеспечения стабильной работы впускной системы требуется ежегодная промывка дросселя и датчиков, а также сокращенный срок замены воздушного фильтра.