Система резонансного наддува
Брусникин М.С.
Московский политехнический университет
misha.brusnickin @mail.ru
Введение: у любого поршневого двигателя с постоянной высотой поднятия клапана есть впускные ресиверы и мало кто знает, что их длинна на прямую зависит на характеристики двигателя и влияет на его кривую мощности. В этой статье я хочу рассказать почему так происходит, как работает, на что влияет и как это использовать с максимальной эффективностью.
Принцип работы
Резонансный наддув - это явление резкого увеличения амплитуды колебаний давления во впускном тракте двигателя, возникающих при работе силовой установки.
Весь принцип системы строится на ускорении и замедлении воздуха во впускном коллекторе, при открытии впускного клапана воздух резко ускоряется, а при его закрытии ударяется об закрытый клапан и отражается назад за потомком плотного воздуха всегда идет волна разреженного. В тот момент когда волна доходит до впуска в ресивер, давление в котором атмосферное, благодаря чему волна гасится, но из-за разрежения за волной образуется новая снова направленная к впускному клапану.
Если перед открытым клапаном оказывается плотная волна то в него продает больше воздуха, что позволяет смеси более эффективно сгореть что выражается в дополнительной мощности и на стандартных вкусных системах это фиксированная величина рассчитанная под какие-то определённые обороты чтобы сгладить кривую момента. Из этого следует хорошая новость, мы можем подобрать, каждый сам для себя, нужную длину раннера, чтобы получить прибавку на нужных оборотах. По этому принципу работают все системы резонансного или, как его ещё называют, динамического наддува. Также мы можем использовать несколько каналов: один короткий другой длинный,для более эффективной прибавки в нужный нам моменты, на переходных режимах или наоборот в режиме максимальной мощности. Кроме того у BMW есть система с постоянной изменяющейся длиной впускного коллектора что позволяет сделать двигатель максимально мощным и экономичным (на v8 серии 7 длинна плавно изменяется с 231 до 673мм)
В иды резонансных систем
Разделяют четыре вида резонаторных систем во впуске:
1) резонатор Геймгольца
2) впускной коллектор с переменным сечением
3) впускной коллектор с изменяемой длинной
4) впускной коллектор с изменяемым объёмом ресивера
Я не совсем согласен что впускной коллектор переменного сечения работает именно по принципу резонаторных волн,но такой метод имеет место быть и я расскажу вам обо всех в отдельности.
Принцип работы впускного коллектора с изменяемой длиной: как раз-таки это который описывал в первой части - это совпадение гармонических резонансных вон с моментом открытия выпускного клапана, что физические заталкивает больше воздуха в цилиндр и увеличивает его наполнение более чем на 100% (но только на тех оборотах, на которые настроен впуск) из-за чего увеличивался и крутящий момент двигателя при изменении длины. В этой системе минимум два впускных раннера разной длины настроенные на разные обороты также бывают впускные системы неограниченные определёнными значениями, они могут варьировать свою длину в промежутке некоторых значений.
Впускной коллектор переменного сечения: он перекрывает часть впускной системы. Им обычно пользуются в четырёх клапанах или 5 клапанов головках, при нём определённые клапана перекрываются на низких оборотах для ускорения воздушно-топливной смеси в тех клапанах,которые открыты из-за чего наполнение на низких оборотах становится лучше, а на высоких оборотах они открываются и у вас остаётся та же самая максимальная мощность что и без этой системы. Этот метод помогает на низких оборотах, из-за большей скорости потока.
Резонатора Гельмгольца, он представляет из себя камеру определенного объема врезанный во впускную систему,как аппендикс в кишечнике человека, Мощность прирастает из воздуха (или топливно-воздушной смеси) который используется в определенный момент, когда благодаря резонансу эта смесь используется для до зарядки камеры сгорания, все его значения зависят от его объема. (формулы найти легко в интернете)
Впускной коллектор с изменяемым объёмом ресивера: Информации по этому типу у меня нет, совсем, кроме того, что это работает, мб в будущем будет продолжение этой статьи.
Однако всё-таки по моему мнению лучшей системой является система впускного коллектора с изменяемой длиной,так как её эффективность гораздо выше чем в резонатор Гельмгольца и системы с изменяемым сечением коллектора по нескольким причинам,в том числе по причине того что на эти два вида работают по типу “вкл-выкл”,а система с изменяемой длиной патрубков более простая и может иметь не фиксированное значение (или несколько фиксированных)
Проблемы в вычислении
Конечно же чтобы рассчитать длину раннера нам нужна формула, но вот тут я натолкнулся на некоторую проблему, она образовалась потому что я в интернете не нашёл достоверной информации с доказательной формулой, я нашёл всего один официальный документ по этому поводу и то он был из диссертации, там писалось на схожую тему,но переменные и данные которые использовались были слишком сложны в получении. А нам ведь нужна формула которую может использовать каждый. А поэтому я стал искать дальше я нашёл около 6- 8 формул,которые используют люди, одну из них которых показалась мне самой правдоподобный я покажу в следующем пункте,в ней есть определённые допущение поэтому она не является истиной в последней инстанции,но она даёт довольно близкие значения к реальности. (в конце концов, такие данные, как температура воздуха постоянно разнится, от этого и разброс в 5-10% по оборотам – неизбежен, а следовательно погрешность вычислений нивелируется испытаниями конкретного образца)
Также нашёл небольшой пост ВКонтакте наших коллег из Петербургского Политехнического Университета,они рассчитывали впускную и выпускную системы для своего болидов формула студент и в нём использовали компьютерную моделирование, расчеты проводили в программе Ricardo Suit из-за ограниченности по времени и ресурсам у меня не получилось получить эту программу,а также к сожалению не получилось и связаться с кем-то из разработчиков этой системы в Петербургском Политехе, вот вырезка из их поста:
Наша команда пользуется программным обеспечением Ricardo Suit. В этот комплект входит множество отдельных утилит, необходимых для расчета, как отдельных узлов двигателя, так и самой силовой установки (газодинамический расчёт, тепловой расчёт и т.д.). Расчёт впускной и выпускной системы производиться в утилите Ricardo Wave. Эта подпрограмма ориентирована на газодинамический расчёт двигателя.
Основная формула
метод, который мне кажется самым правдоподобным. Нашел я его на одном из буклетов на сайте какой то частной американской конторы по тюнингу — Grapeaperacing.com Тут используется так называемая полная фаза, а не рекламная (что идет в описаниях к распредвалу). Полная фаза, это фаза измеренная при подъема клапана 0.05 дюйма. Как пишут авторы duration Говорят что для драг валов с фазой под и за 300гр нужно вычитать 30 градусов, а для так себе валов, с фазой до 270 — 20. Я зарезал фазу на 20 гр.
— Далее расчет. Градусы, когда клапан закрыт EVCD= 720-(X-20) = Y.
— Затем по формуле L = ((EVCD × 0.05 × V) ÷ (rpm × RV)) — ½D, где V = скорость звука =331 м/с (помним, что она различна от температуры воздуха); RV — номер волны (стоит использовать от 2,3 или 4, но помнить, что более поздние дают меньше прибавку, а более ранние, могут давать повышенные потери на других режимах работы двигателя); D — диаметр раннера. (все в системе СИ). X- угол распредвала
Расчет двигателя
Для расчета двигателя я выбрал Днепр 10-36 (в конце концов, наш институт сделал много для советских оппозитов, а именно этот мотор по моему мнению был самым технологичным из массовых)
Prm 6000 (примерно на этих оборотах мотор начинает затухать)
RV 3 и 4 (резонансная волна по счету)
275 град (фаза распредвала, фаза взята из практический расчетов снятых с двигателем, по факту фаза может быть больше)
D=41 (диаметр впускного канала в стоке 40, но после небольшого портинка и доводки поверхности до приемлемого состояния диаметр увеличится)
T (скорость звука зависит от температуры воздуха, я возьму среднее значение в 15 градусов тепла, примерная скорость при этой температуре 341 м/с)
Для 4 резонансной волны значение длинны впуска получилось 31 см
Для 3 резонансной волны значение длинны впуска получилось 42см
Итог
Как по мне система динамического наддува любого типа хороша и не помешает любому атмосферному (а по менее распространенной информации и надувному двигателю), ее можно разработать и становить на конструкцию, не предназначенную для этого с завода и при этом даже при двухконтурной системе дать прирост на средних и высоких оборотах.