Принцип работы бензинового или дизельного двигателя внутреннего сгорания основан на преобразовании высвобождающейся в результате сжигания топлива энергии в полезную механическую работу. При этом в цилиндрах горит не только солярка, или бензин, а так называемая топливно-воздушная смесь.

Другими словами, для эффективного сжигания заряда на определенное количество топлива необходимо подать в камеру сгорания часть воздуха. Независимо от того, является ли двигатель атмосферным, компрессорным или турбированным, воздух берется из атмосферы.

За его забор и дальнейшую подачу в нужном количестве непосредственно в цилиндры мотора отвечает целый ряд отдельных элементов, которые входят в общую . Далее мы поговорим о том, как реализована подача воздуха в двигатель, а также какое устройство и особенности имеет система подачи воздуха в двигатель на бензиновых и дизельных моторах.

Система подачи воздуха на бензиновых двигателях

Сразу отметим, что останавливаться на моторах, которые оборудованы устаревшей , мы не будем. Речь пойдет о ДВС с . В качестве примера давайте рассмотрим общее устройство системы подачи воздуха на модели авто с инжекторным двигателем.

Добавим, что хотя на разных моделях отечественного и иностранного производства схема реализации может несколько отличаться, общий принцип и конструкция остаются одинаковыми.

Система подачи воздуха состоит из следующих базовых элементов:

• воздухозаборник;
• воздушный фильтр в корпусе;
• впускной патрубок (патрубок впускной трубы);
• дроссельный патрубок;
• ресивер;

Воздухозаборник на разных автомобилях представляет собой пластиковую деталь, через которую атмосферный воздух «засасывается» в двигатель. Элемент обычно установлен в подкапотном пространстве так, чтобы забирать воздух по ходу движения авто, находится в области чуть ниже передних фар, ближе к радиаторной решетке, справа или слева. Такое место расположения позволяет эффективно забирать необходимое количество воздуха на разных режимах работы ДВС.

Исключением можно считать мощные внедорожники и специально подготовленные для офф-роадинга автомобили, у которых воздухозаборник обычно выносится отдельно и выводится наружу. Как правило, в этом случае предполагается, что автомобиль будет преодолевать глубокие водные преграды, а вынос воздухозаборника позволяет избежать гидроудара в результате попадания воды в цилиндры двигателя.

Следующим элементом является корпус воздушного фильтра и сам фильтр, который установлен внутри него. Обычно на большинстве автомобилей корпус с фильтром устанавливается в передней части моторного отсека, дополнительно под корпусом могут использоваться резиновые уплотнители-опоры. Что касается фильтра, фильтрующий элемент обычно является бумажным, площадь фильтрующей поверхности максимально увеличена.

В корпусе воздушного фильтра на многих авто также установлен важный электронный датчик (датчик массового расхода воздуха). Также этот датчик может располагаться и на других элементах системы до дроссельной заслонки.

Дроссельный патрубоккрепится к ресиверу и дозирует объем воздуха, который подается во впускную трубу. За количество поступающего в мотор воздуха отвечает дроссельная заслонка, которая при помощи специального привода соединена с педалью газа. Еще на многих современных ТС педаль газа может быть электронной, то есть не имеет прямой связи с дроссельным узлом. В этом случае после нажатия на акселератор соответствующий сигнал подается на электродвигатель, управляющий дроссельной заслонкой.

Еще добавим, что дроссельный патрубок также имеет в своей конструкции (датчик положения дроссельной заслонки) и (регулятор холостого хода). Благодаря наличию ДПДЗ на электронный блок управления двигателем () подается сигнал, по которому контроллер «понимает», на какой угол открыта заслонка. На основании сигналов от ДМРВ, ДПДЗ и ряда других датчиков ЭБУ корректирует уровень подачи топлива в цилиндры через инжекторные форсунки в соответствии с тем или иным режимом работы ДВС.

Что касается РХХ, данный регулятор устанавливается на корпусе дроссельного узла. Фактически указанный регулятор является шаговым двигателем, к которому присоединен конусный шток-клапан. Если просто, шток РХХ выдвигается или, наоборот, втягивается благодаря работе шагового электродвигателя. Управляющий сигнал на шаговый двигатель формирует ЭБУ.

Такое решение позволяет поддерживать и гибко изменять количество оборотов холостого хода тогда, когда дроссельная заслонка закрыта, то есть воздух идет в обход. Другими словами, РХХ управляет количеством воздуха, который подается по специальному каналу в обход закрытой дроссельной заслонки на холостом ходу.

Когда клапан-шток выдвигается полностью, его конусная часть перекрывает подачу воздуха мимо заслонки (клапан РХХ закрыт). Когда происходит его открытие, увеличивается количество воздуха, которое нарастает пропорционально степени смещения штока от седла. Общая степень перемещения штока напрямую зависит от количества шагов, которые выполнил шаговый электродвигатель.

Если двигатель холодный и работает на холостом ходу, тогда ЭБУ до прогрева «держит» завышенные (прогревочные) обороты ХХ и гибко реагирует на любые изменяющиеся нагрузки (включение габаритов, фар, климатической установки и т.д.) путем поднятия оборотов холостого хода. Это позволяет мотору стабильно работать.

После того, как двигатель прогреется, контроллер уменьшает количество подаваемого воздуха через РХХ и стремится всегда поддерживать строго определенную частоту вращения коленвала, однако на многих авто при изменении нагрузки в режиме ХХ блок управления все еще способен кратковременно повысить обороты.

Еще отметим, что когда водитель выключает зажигание, ЭБУ сначала переводит шток РХХ в закрытое положение, после чего приоткрывает клапан на нужное количество шагов, чтобы создать условия в виде достаточной подачи воздуха для нормального запуска агрегата в момент повторного пуска ДВС.

Система подачи воздуха в дизельный двигатель

В результате оставшийся воздух перемешивается с выхлопными газами, после чего такая смесь снова поступает в цилиндры. Подача выхлопа вместе с воздухом снижает температуру в камере сгорания, в результате в отработавших газах отмечается уменьшение окиси азота.

Как увеличить подачу воздуха в двигатель: доступные способы

Как видно, от количества и качества поступающего в цилиндры воздуха напрямую будет зависеть и мощность силового агрегата. В целях получения улучшенной отдачи от ДВС многие автолюбители стремятся увеличить подачу воздуха в агрегат. Как правило, такая необходимость возникает в процессе тюнинга двигателя, после проведения каких-либо доработок и т.д.

• Самым простым и бюджетным решением является установка фильтра нулевого сопротивления (нулевика). Хотя общий прирост мощности от такого решения небольшой, но на спортивных и специально подготовленных авто установка нулевика в комплексе с другими усовершенствованиями волне оправдана.

Однако этого не скажешь о гражданских авто со «стоковым» ДВС. В этом случае получается скорее вред, чем польза, так как фильтры нулевого сопротивления быстрее загрязняются и хуже очищают воздух, что может сказаться на ресурсе мотора. При этом никакого прироста мощности фактически не наблюдается.

• Еще одним способом подать в мотор больше воздуха является доработка элементов заводской системы. Речь идет о воздухозаборнике, патрубках, верхней крышке корпуса воздушного фильтра.

В самом начале необходимо измерить сопротивление воздуха на входе и после выхода из корпуса фильтра, после чего проводятся работы в целях уменьшения такого сопротивления.

• Также следует отметить, что иногда на профильных форумах встречается информация об электрическом вентиляторе во впуск (динамический вентилятор, завихритель воздуха, система динамического наддува, электрический турбонагнетатель и т.п.). В свое время на рынке выделялись производители Кamann, Simota и ряд других.

Если коротко, так называемая электротурбина на впуске позволяет добиться подачи охлажденного воздуха во впускной коллектор без каких-либо существенных доработок, что особенно актуально для атмомоторов. В результате в двигатель начинает поступать охлажденный, а не теплый воздух, увеличивается объем воздуха и т.д.

Устройство представляет собой патрубок, в котором устанавливается крыльчатка. Во время работы крыльчатка вращается, создавая спиралеподобные завихрения воздуха. По заверениям производителей такой воздух более холодный и лучше проникает в камеры сгорания.

В результате улучшается общий процесс смесеобразования, мощность двигателя растет, повышается эластичность во время работы ДВС на разных режимах, автомобиль демонстрирует улучшенные динамические характеристики.

Однако как показывает практика, особой пользы после установки таких решений нет. Более того, высокая стоимость на отметке около 300-400 у.е. и вовсе ставит целесообразность подобных экспериментов под большое сомнение.

• Еще в списке возможных решений для увеличения подачи воздуха можно отметить так называемый «холодный впуск». Подобное решение фактически предполагает вынос воздухозаборника из подкапотного пространства наружу, что позволяет снизить температуру поступающего воздуха и повысить его плотность.

В продаже встречаются готовые комплекты как для определенных моделей авто, так и универсальные. К преимуществам холодного впуска можно отнести увеличение мощности двигателя, снижение риска возникновения детонации, улучшение реакций на нажатие педали газа, незначительное уменьшение расхода топлива.

При этом существенно повышается вероятность попадания воды во впуск и , а также намного быстрее загрязняется воздушный фильтр. Дело в том, что воздухозаборник ставится в «окна», которые отдельно делаются в бампере, в передней фаре и т.д.

Что в итоге

Как видно, на штатных атмосферных моторах с небольшой мощностью какие-либо манипуляции с системой подачи воздуха обычно не дают ощутимых результатов. Другими словами, самым правильным подходом является приобретение качественных воздушных фильтров и их своевременная замена с учетом особенностей эксплуатации конкретного ТС.

Рекомендуем также прочитать статью о том, . Из этой статьи вы узнаете об основных правилах и рекомендациях касательно замены воздушного фильтра, через сколько километров менять воздушный фильтр мотора, а также в каких случаях и почему интервал замены фильтра воздуха в двигателе нужно сокращать.

Что касается турбомоторов, намного важнее следить за исправностью работы и общим состоянием системы турбонаддува, правильно эксплуатировать турбину и т.д. Появление провалов при разгоне, и другие признаки указывают на необходимость проведения диагностики.

Также важно понимать, что разгерметизация системы подачи воздуха, трещины патрубков или корпуса воздушного фильтра, установка неподходящего по размеру фильтрующего элемента и т.д. приводят к подсосу воздуха, который при этом является неочищенным.

В результате снижается мощность мотора и его ресурс, может работать на неправильной рабочей смеси. По указанным причинам следует регулярно и своевременно проводить техническое обслуживание системы питания воздухом.

Если же говорить о комплексном , тогда доработка впускной системы позволяет получить дополнительный прирост мощности. Однако следует учитывать, что такое повышение обычно наблюдается на фоне общего улучшения производительности заранее подготовленного силового агрегата.

› Физика камеры сгорания. Часть 9. Питание ДВС, или организация подачи топливо-воздушной смеси

Всем привет!

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.

1. Воздух.

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*V = m*R*T / M, где

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:

m = p*V*M/ (R*T)

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=)

2. Топливо

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.

На сим всё=)
Продолжение следует;)

1 год