Система несимметричного резонансного наддува ДВС

Одной из тенденций развития двигателей внутреннего сгорания последних лет является получение высоких значений крутящего момента на режимах низких и средних оборотов — типичной области использования серийных машин, предназначенных в основном для езды в городе.

Так большинство современных двигателей рекламируются как имеющие значения крутящего момента более 80…90% от максимального во всем рабочем диапазоне.

Необходимость повышать крутящий момент на режимах частичных нагрузок, сохраняя высокую максимальную мощность двигателя, приводит к оптимизации параметров двигателя применительно к каждому режиму его работы. Наряду с традиционными способами оптимизации параметров таких как сечение дросселя и опережение зажигания, стали применяться системы впуска с изменяемыми собственной частотой колебаний и фазами газораспределения.
Все до сих пор известные системы настройки резонанса впуска организовывают периодические гармонические колебания потока газов резонатора, в то время как сам двигатель генерирует периодические негармонические колебания, в результате чего не достигается максимально возможные амплитуды колебаний, происходит ослабление резонанса, и как следствие слабое наполнение цилиндров.
Рассматриваемая система устраняет это противоречие, позволяя максимально использовать энергию колебаний для наполнения цилиндров, вместе с тем как бы перенастраивать резонатор на различные частоты колебаний так и согласовывать фазы резонатора с фазами газораспределения двигателя.

Система резонансного наддува ДВС содержит впускной коллектор 2 и подключенный к нему резонаторный блок с переменными параметрами, выполненный в виде объемного резонатора 4 с внутренней перегородкой 5, установленной с возможностью перемещения вдоль оси при перепаде давлений в интервале между дном резонатора и фиксированным положением. В перегородке предусмотрены средства для перепуска газовой среды.
Система обеспечивает режим негармонического периодического колебания и повышение эффективности наддува.

В фазе впуска ДВС происходит понижение давления во впускном коллекторе 2 двигателя 1 внутреннего сгорания. Под действием разряжения происходит приток газов не только из под дроссельной заслонки но и по каналу 3 из резонаторного блока. Подвижная перегородка 5, под действием перепада давлений на ее стенках, занимает фиксированное положение и ограничивает объем, определяющий большую жесткость резонаторного блока при отсасывании из него газов. По мере наполнения цилиндра ДВС разрежение во впускном коллекторе 2 снижается и его воздействие на газ, текущий по каналу 3 уменьшается.

Под действием кинетической энергии газ продолжает истекать во впускной коллектор 2. Происходит дозарядка цилиндра. Из за противодействия резонаторного блока, в котором в этот момент образовалось разрежение, истечение замедляется, и начинается обратное засасывание газов в резонаторный блок. Поскольку в этот момент резонаторный блок обладает большой жесткостью (т. к. в работе участвует только часть объема), то момент засасывания совпадает по времени с обратным выбросом из двигателя 1, увеличивающим энергию потока в канале 3. По мере наполнения резонаторного блока давление в его полостях выравнивается и подвижная перегородка 5, перемещаясь от фиксированного положения, противодействует образованию перепада давлений между полостями в результате чего (при повышении давления) жесткость резонаторного блока определяет весь его объем.

Из за малой жесткости резонаторного блока нарастание противодействия движению газов в него происходит медленнее и истечение из блока так же начинается позднее. За это время происходит смена фаз двигателя и опять впуск совпадает с истечением газов из резонатора. Процесс повторяется.

ТЕОРИЯ

Системы резонансного наддува двигателя внутреннего сгорания условно можно разделить на два вида: линейные и объемные. В линейных системах определяющими характеристиками являются длина канала от элемента газораспределения (клапана или поршня) до места внезапного изменения его диаметра (обычно какой-нибудь камеры) и скорость звука, определяющая время за которое волна разряжения (сжатия) успеет пробежать туда и обратно. Наглядно понять принцип работы это вида резонатора поможет ситуация, когда теннисист бьет мячом о стенку, где время между ударами зависит главным образом от расстояния до нее (в нашем случае скорость звука постоянна).

Объемные резонатор (резонатор Геймгольца), о котором и пойдет речь дальше, представляют из себя емкость (объем), соединенную с впускным коллектором дополнительным каналом.

По аналогии с предыдущим примером работу системы можно проиллюстрировать грузом, подвешенным на пружине, где роль пружины играет горючая смесь, находящаяся в емкости, а роль груза смесь, находящаяся в канале.

Расчет собственной частоты колебаний резонатора можно вести по формуле, аналогичной формуле для пружинного маятника:

где:
С=340- скорость звука, м/с
V — объем камеры
K — проводимость канала:

где в свою очередь:
d — диаметр канала в шланге, м. (метры!!!)
l — длина канала, м.
Зависимость резонансной частоты от объема камеры резонатора для трех вариантов длин канала показана на графике (используется канал — дюритовый шланг внутренним диаметром 12 мм.):

Пунктиром показан вариант расчет которого приведен далее.

Результат расчета получается в Герцах. Для получения более привычных оборотов в минуту его нужно умножить на 60 : - 41,66 • 60 сек. = 2500 об/мин

Оценить эффективность рассчитанной конструкции можно вычислив параметр N:

где:
F — площадь поперечного сечения впускного коллектора.

Для сравнения заметим, что это значение для варианта описанного в начале журнальной статьи равно только 0,008 и никаких вещественных результатов, кроме понижения частоты холостого хода в этом случаи не наблюдалось.

После геометрического расчета резонатора, который определяет частоту маятника, необходимо указать общие принципы построения канала — от этого зависит, какие потери энергии будут в потоке при его движении взад — вперед.

Основная рекомендация — канал должен быть максимально «зализан»
т.е. не иметь поворотов малого радиуса и на большие углы; иметь гладкую поверхность (внутреннюю); не иметь резких увеличений и уменьшений его диаметра; штуцера должны сопрягаться с полостями камеры и впускнрго коллектора скруглениями достаточного радиуса — ½ от диаметра канала.