Автомобильный впускной коллектор — яркий пример того, как технологии из автоспорта проникают в повседневную жизнь. Каждое техническое решение в системе подачи воздуха преследует одну цель: получить немного больше мощности, немного больше скорости, на полпроцента больше эффективности.
Сегодня владельцы автомобилей даже не представляют, сколько интересных идей скрывается под капотом их машин. И они вспоминают о впускном коллекторе только тогда, когда у них возникают проблемы с ним.
Что такое впускной коллектор и для чего он нужен?
Независимо от типа двигателя — бензиновый, дизельный, газовый — ему нужен воздух, много чистого, холодного, «вкусного» воздуха. Именно впускной коллектор служит для его правильной настройки.
По сути, это трубопровод определенной формы и размера, который подает нужное количество воздуха в цилиндры. Он также отвечает за смешивание воздуха с топливом, поступающим из форсунок в двигателе с инжекторами. Но если бы все было так просто, инженерам не пришлось бы искать идеальную геометрию коллектора для каждого нового двигателя.
В современных автомобилях впускной коллектор выполняет несколько задач:
- Он обеспечивает необходимое количество воздуха для приготовления стехиометрической топливной смеси (т.е. с оптимальным соотношением топлива и воздуха);
- Равномерно распределяет воздушный поток между цилиндрами двигателя;
- Поскольку в коллекторе существует постоянное разрежение из-за эффекта всасывания поршнями двигателя, инженеры придумали использовать это разрежение для увеличения тормозного усилия, для выпуска картерных газов и т.д., в зависимости от марки и типа автомобиля.
- Он создает резонансный воздушный поток для увеличения скорости без дополнительного оборудования.
Устройство и принцип работы
Для того чтобы впускной коллектор выполнял все возложенные на него задачи, он должен иметь строго рассчитанную геометрическую форму. Например, коллектор спроектирован без углов и прямых линий, чтобы поток внутри него не замедлялся. Плавные изгибы и округлые формы способствуют усилению воздушного потока.
Конструкция впускного коллектора
Впускной коллектор оснащен карбюратором или дроссельной заслонкой в случае инжекторного двигателя. Центральный канал разделен на отдельные шланги — бегунки — которые подходят к цилиндрам и, более конкретно, к впускным клапанам.
Топливные форсунки расположены рядом с впускными клапанами (в системе диффузного впрыска) или в центральном канале, если установлена система моновпрыска.
По форме впускных отверстий различают одноплоскостные и двухплоскостные отверстия:
- Одноплоскостной — имеющий только один канал для прохождения воздуха или топливно-воздушной смеси. Эти коллекторы пропускают большое количество воздуха в единицу времени, чтобы двигатель мог развивать максимальную мощность на высоких оборотах;
- Двухплоскостные коллекторы — это коллекторы, в которых воздуховод разделен на две части. Они позволяют развивать большую мощность на низких и средних оборотах двигателя.
Материалы.
Первоначально впускные коллекторы изготавливались из металла: чугуна, стали и алюминия. Проблема с такими конструкциями заключается не только в довольно высокой цене, но и в значительном нагреве цилиндров двигателя. В настоящее время они в основном изготавливаются из специального термостойкого пластика, который обладает меньшей теплопроводностью и, таким образом, меньше нагревает воздух внутри.
Принцип действия.
Основной принцип работы распределителя заключается в подаче воздуха в фазе впуска. Инициатором движения воздуха является сам двигатель. Когда поршень опускается, в камере сгорания над ним создается зона низкого давления. В фазе впуска, когда клапан открыт, опускающийся поршень всасывает воздух, как хороший насос. Таким образом, воздух поступает из центрального воздуховода в правый стартовый воздуховод, а оттуда в камеру сгорания. Приведенная ниже видео-3d анимация наглядно показывает, как работает впускной коллектор с вихревым клапаном.
Если автомобиль оснащен карбюратором или центральным инжектором, то после того, как воздух поступает во впускной коллектор, поток топлива (или топливно-воздушной смеси) направляется в нужный цилиндр. Поскольку поток внутри коллектора турбулентный, топливо лучше смешивается с воздухом и, следовательно, лучше сгорает. Турбулентный поток воздуха в коллекторе специально разработан: он движется быстрее и лучше заполняет цилиндры.
На автомобилях с диффузным впрыском форсунки устанавливаются в направляющих коллектора перед впускными клапанами. В этом случае только воздух проходит через коллектор и смешивается с распыленным топливом непосредственно перед его поступлением в цилиндр двигателя. Скорость и структура воздушного потока здесь также важны, так как времени и пространства для приготовления качественной топливно-воздушной смеси меньше.
Резонансное колебание.
Чтобы усилить поток поступающего воздуха, внутренняя геометрия впускного коллектора рассчитывается таким образом, что создается так называемый резонанс Гельмгольца. Примерная схема того, как это работает:
- Во время фазы впуска поршень двигателя движется вниз, создавая зону разрежения, и воздух поступает в камеру сгорания с высокой скоростью через открытый клапан;
- Однако объем бегунка намного больше объема цилиндра, поэтому весь воздух, который «набрал обороты» в коллекторе, не достигает камеры сгорания;
- Перед закрытием впускного клапана создается зона повышенного давления, поскольку воздух продолжает двигаться вперед по инерции;
- Клапан все еще закрыт, поэтому давление в трубе выравнивается, т.е. происходит «отдача», после чего перед впускным клапаном снова образуется зона повышенного давления. Эти резонансные колебания воздуха зависят от формы и размера коллектора и рассчитываются для каждого двигателя отдельно.
Изменение геометрии впускного коллектора
Впускные коллекторы с изменяемой геометрией — это идеальное решение для достижения максимального воздушного потока как на высоких, так и на низких оборотах двигателя.
Читайте также: Что такое ESP и ESC? Электронные системы для нашей безопасности
Необходимость в изменяемой геометрии обусловлена огромным резонансом воздушного потока, который помогает заполнить цилиндры. Чем выше обороты двигателя, тем больше поток воздуха.
Однако ритм резонанса зависит от длины коллектора и поэтому может не совпадать с ритмом открытия клапана. Для того чтобы повлиять на воздушный поток, необходимо изменить длину воздушного пути или объем (или и то, и другое). Так инженеры пришли к идее коллекторов, форма и объем которых меняются в зависимости от нагрузки.
С переменной длиной.
На низких и средних оборотах двигателя двигатель лучше наполняется воздухом, если коллектор длинный. С другой стороны, на более высоких скоростях для более быстрой подачи воздуха требуется меньшая длина. Для подачи в двигатель нужного количества воздуха коллектор разделен на 2 или 3 «ветви» разной длины, между которыми находится клапан, управляемый ЭБУ. Это показано в приведенной ниже 3D-анимации.
Когда двигатель работает с низкой нагрузкой, воздух проходит длинный путь. На высоких оборотах, с другой стороны, клапан переключает поток воздуха на меньший канал.
Геометрия с переменной длиной
Такие системы устанавливаются на бензиновые, дизельные и газовые двигатели, но только на атмосферные, без турбонаддува. В системах с турбонаддувом воздух подается принудительно.
С переменным сечением.
Чем меньше толщина коллектора, тем быстрее воздух проходит через него, и, как следствие, двигатель лучше наполняет цилиндры и лучше сжигает топливо.
Изменяемая геометрия поперечного сечения: (1 — работа системы с полной нагрузкой (дроссель открыт); 2 — работа системы с частичной нагрузкой (дроссель закрыт, топливная смесь завихряется); 3 — вихревой канал; 4 — вакуумный регулятор дросселя; 5 — инжектор; 6 — дроссель).
Система переменного соотношения используется на двигателях с двумя впускными клапанами. Часть бегунка, прилегающая к двигателю, разделена на две ветви, каждая из которых соединена с отдельным клапаном. Внутри одной из ветвей находится дроссельная заслонка, управляемая ЭБУ. Во время работы на низких оборотах дроссельная заслонка закрыта, воздух поступает только через один впускной клапан. При увеличении оборотов двигателя заслонка открывается, и воздух направляется через обе ветви. Переменные коллекторы доступны как для двигателей с турбонаддувом, так и для атмосферных двигателей.
Для EGR.
Существует отдельная категория впускных коллекторов, предназначенных для дожигания картерных газов. Они были разработаны в ответ на растущий спрос на экологическую безопасность. Так была разработана система EGR (рециркуляция отработавших газов), в которой газы из выхлопной системы направляются через клапан обратно во впускной коллектор. Цель — «сжечь» вредные вещества, продлить срок службы каталитического нейтрализатора и сажевого фильтра и снизить токсичные выбросы в атмосферу.
Впускной коллектор с рециркуляцией отработанных газов
На низких оборотах двигателя выхлопные газы из камеры сгорания поступают обратно во впускной коллектор. Однако они уже не несут такого количества кислорода, как чистый воздух, и температура горения будет ниже нормальной. Эта система активируется в определенных режимах работы двигателя, например, на холостом ходу.
Основные неисправности
Как и любое устройство, впускной коллектор может выйти из строя. Причиной отказа может быть как банальный износ определенных деталей, так и другие внешние факторы.
Читайте также: Что такое автомобильный термостат и как его проверить?
Утечки.
Наиболее распространенной причиной негерметичности корпуса является износ герметика. В этом случае в коллектор попадает лишний воздух — утечка. Это не так хорошо, как может показаться: двигатель рассчитан на получение строго определенного количества воздуха при работе. Если воздуха больше, вы получаете обедненную смесь, двигатель работает неправильно, и ЭБУ может перевести его в режим отказа. Если утечка пропала, следует заменить прокладки коллектора.
Депозиты.
В двигателях с центральным впрыском или карбюраторных двигателях загрязнения топлива могут откладываться на внутренних стенках. Однако загрязнение впускного коллектора является гораздо более серьезной проблемой в системах с рециркуляцией отработавших газов. Ламель с внутренней стороны нарушает геометрию впускного коллектора, воздушный поток становится менее турбулентным и хуже смешивается с топливом. Засорившийся коллектор можно очистить путем прочистки.
Повреждение закрылков.
Если заслонки впускного коллектора изготовлены из некачественного материала, они могут выйти из строя. Многие модели немецких автомобилей страдают от этой «болезни».
Помимо самих плохих заслонок, причиной может быть утечка масла в пространство коллектора. Если это произойдет, необходимо искать причину утечки масла и устранить ее, и только потом ремонтировать заслонки.
Отказ датчика.
Датчики температуры и давления могут выйти из строя, в результате чего в ЭБУ будут передаваться неверные данные. Иногда сбой в системе настолько значителен, что ЭБУ переводит двигатель в аварийный режим. Датчики проверяются в мастерской и при необходимости заменяются новыми.
Тюнинг впускного коллектора
Любители автотюнинга не оставляют без внимания впускной коллектор. При правильном подходе он действительно может улучшить работу двигателя, пример на видео ниже.
Варианты настройки:
- Улучшение формы. Довольно сложно добиться того, чтобы во все цилиндры двигателя поступало одинаковое количество воздуха. По этой причине чемпионы заменяют стандартный коллектор многопроходным впуском. На каждый цилиндр двигателя устанавливается отдельная дроссельная заслонка, создавая независимую систему.
- Улучшение внутренней поверхности. В процессе производства на внутренней поверхности коллекторов могут оставаться небольшие дефекты: неровности, заусенцы, шероховатости. Это несколько затрудняет поток воздуха, поэтому мастера шлифуют внутреннюю поверхность коллектора, чтобы устранить все препятствия.
Заключение
Правильно работающий впускной коллектор помогает выжать из двигателя максимальную мощность при снижении расхода топлива — именно то, о чем мечтают все автомобилисты. Неисправности случаются довольно редко, поэтому нет причин беспокоиться о них.
При мелких неисправностях ремонт может выполнить сам владелец автомобиля, имеющий навыки ремонта автомобилей и необходимые инструменты. Но если вы не уверены в своих навыках и знаниях, лучше обратиться к профессионалу.
