Zvyšují optimalizované sací kolektory účinnost motoru?

Jak návrh sacího kolen přímo ovlivňuje objemovou a tepelnou účinnost

Objemová účinnost jako základní faktor ovlivňující účinnost spalování

Objemová účinnost, nebo zkráceně VE, nám v podstatě říká, jak efektivně dokáže motor nasát vzduch do válcových komor ve srovnání s jeho fyzickou kapacitou. Pokud se VE zvyšuje, zvyšuje se také hustota směsi vzduchu a paliva uvnitř spalovací komory, což znamená lepší spalování a vyšší výkon na výstupu. Tvar a velikost sacích kolektorů zde hrají klíčovou roli. Délka jednotlivých přívodních trubek (runnerů) a velikost plenumu vytvářejí různé vzory proudění vzduchu na základě fyzikálních principů, jako je setrvačnost a tlakové vlny. Například delší trubky obvykle lépe fungují v nižších otáčkových rozsazích, protože využívají efekt akustické rezonance. Kratší trubky umožňují rychlejší proudění vzduchu při vyšších otáčkách motoru, avšak vždy je zde určitá kompromisní situace. Většina lidí zjistí, že zvýšení VE o přibližně 10 % obvykle odpovídá zisku 3 až 5 dalších koní sil, protože palivo se spaluje důkladněji. Buďte však opatrní u špatně navržených kolektorů – mohou způsobit celou řadu problémů, včetně turbulentního proudění vzduchu nebo dokonce zpětného proudění zpět do sacího systému, čímž dochází k nedostatku paliva v některých válci a zvyšuje se emise nespálených uhlovodíků.

Proč maximální objemová účinnost nezaručuje maximální tepelnou účinnost: Role teploty náplně a časování spalování

Jen maximalizace objemové účinnosti (VE) nezaručuje nejlepší tepelnou účinnost, protože faktory jako teplota náplně a časování spalování mají stejný význam. Pokud se sací kolektory přehřejí, mohou zvýšit teplotu nasávaného vzduchu o přibližně 15 až 20 °C. To snižuje hustotu kyslíku, i když se VE na papíře jeví jako dobrá. Aby se zabránilo stukání, musí motory pracovat s bohatší směsí paliva, čímž se ztrácí přibližně 7 až 9 % potenciálního energetického zisku. Současně, pokud se proudění vzduchu nerovnoměrně rozděluje mezi jednotlivé sací větve, různé válce dostávají různé množství vzduchu a paliva. Chudší směsi se obvykle zapalují později, než by měly, zatímco bohatší směsi mohou vybuchnout předčasně. Obě tyto situace negativně ovlivňují celkový výkon motoru. Pro skutečné zlepšení tepelné účinnosti musí inženýři vyvážit optimalizaci VE s řádným řízením teploty náplně. Pokud tyto prvky nespolupracují, zmizí někde mezi 10 až 12 % potenciální tepelné účinnosti – bez ohledu na to, jak vysoká je hodnota VE. Proto současné konstrukce motorů zahrnují například tepelně izolační povlaky, izolované plenární komory a speciálně chlazené povrchy sacích větví, aby tyto výzvy řešily přímo.

Vstupní kolena s laděnou délkou: optimalizace zaměřená na otáčky a kompromisy mezi efektivitou v reálných podmínkách

Ladění rezonance, dynamika tlakové vlny a jejich vliv na spotřebu paliva při částečném otevření škrticí klapky

Ladění rezonance funguje využitím tlakových vln, které se šíří po sacích kanálech, aby dosáhly lepšího naplnění válců při konkrétních otáčkách motoru. Když se sací ventil uzavře, vznikne tlaková vlna, která se šíří zpět po sacím kanálu směrem nahoru. Pokud jsou všechny parametry správně nastaveny, tato vlna se vrátí právě v okamžiku, kdy se otevře následující ventil, čímž vznikne jakýsi efekt zvýšení výkonu. Tento jev se nazývá setrvačnostní nadplňování, protože umožňuje motoru nasát více vzduchu bez nutnosti jakýchkoli dalších mechanických součástí. Při částečném otevření akcelerátoru, kdy motory ztrácejí mnoho energie bojem proti sací klapce, vhodné ladění rezonance skutečně snižuje zátěž motoru při nasávání vzduchu. Podle některých studií SAE z loňského roku mohou takové systémy snížit spotřebu paliva u městské jízdy přibližně o 4 až dokonce o 6 procent. Hlavní důvod? Menší ztráta energie a lepší výkon při nižších otáčkách motoru. Avšak zde je háček: většina pevných sacích kolletek funguje dobře pouze v velmi úzkém rozsahu otáček motoru. Inženýři se proto musí rozhodnout mezi dobrým odpovědností motoru při nízkých otáčkách nebo silným výkonem při vysokých otáčkách, protože dosažení obou těchto vlastností najedou není u běžných konstrukcí možné.

Případová studie: Sací trubka proměnné délky u zážehového řadového šestiválcového motoru s turbodmychadlem a její zvýšení točivého momentu o 7,2 % při nízkých otáčkách s minimální ztrátou účinnosti

Zmiňovaný turbodmychadlový řadový šestiválec je vybaven elektronicky řízeným sacím kolektorem se dvěma cestami. Při provozu pod zhruba 3 500 otáčkami za minutu systém aktivuje delší sací trubky, které zvyšují točivý moment v nízkém rozsahu otáček díky zvýšené hustotě nasávaného vzduchu. Zkušební měření ukázala, že tento uspořádání zlepšuje výstupní točivý moment přibližně o 7,2 %, čímž se jízda auta v běžném denním provozu na obyčejných silnicích výrazně zlepšuje. Spotřeba paliva se při optimálním chodu všech komponent zvyšuje ve skutečnosti o méně než 1 %, jak vyplývá z měření provedených během testovacích fází. Jakmile však motor překročí 3 500 otáček za minutu, přepne se na kratší sací trubky, které odstraňují všechna omezení proudění vzduchu a zároveň zachovávají dobrý výkon při vyšších rychlostech. To, co tuto technologii činí zajímavou, je její schopnost překonat obvyklý kompromis mezi rychlou odezvou motoru a palivovou úsporností. Výzkum publikovaný v roce 2023 v časopisu International Journal of Engine Research tyto závěry potvrzuje a ukazuje, že systémy se proměnnou délkou sacího potrubí mohou skutečně výrazně zlepšit dodávku výkonu v nižším rozsahu otáček, aniž by příliš negativně ovlivnily spotřebu paliva. Právě proto se tato technologie stále častěji objevuje u sériových motorů u různých výrobců.

Integrované chlazení mezi stupni a regulace teploty náplně v sacím kolletu

Výhody sacího vzduchu pod 45 °C: empiricky ověřené zvýšení tepelné účinnosti

Udržení teploty nasávaného vzduchu pod 45 °C (přibližně 113 °F) se ukázalo jako velmi účinný způsob, jak zvýšit tepelnou účinnost u turbomotorů. Když zůstává vzduch chladný, obsahuje více kyslíku v každém zdvihu válce, což umožňuje lepší spalování paliva, přesnější nastavení času zapálení a snižuje potřebu dodatečného paliva pouze k zabránění detonačnímu stukání. Tuto technologii jsme testovali na 2,3litrovém turbomotoru s proměnným časováním otevírání ventilů a mezichladičem integrovaným přímo do sacího kolena. Výsledky byly ve skutečnosti velmi působivé – zaznamenali jsme nárůst tepelné účinnosti přibližně o 2,3 % a snížení spotřeby paliva o zhruba 3,1 % na jednotku vyvinutého výkonu během našich standardních dynamometrických testů. Čím je tento systém tak účinný? Snižuje extrémně horké vzduchové náplně po turbodmychadle (obvykle mezi 150 a 200 °C) přímo u vstupních otvorů do válců na přijatelnou úroveň. Už není nutné ztrácet teplo dlouhými přívodními potrubími ani řešit zpoždění spojená s tradičními předními mezichladiči. A když se teploty stabilizují rychleji a zůstávají v užším rozmezí, stává se spalování mnohem předvídatelnějším za různých provozních podmínek, což vede k těm měřitelným zlepšením účinnosti, která jsme zaznamenali.

Integrace dodávky paliva: umístění vstřikovače a optimalizace rozdělení vzduchu a paliva ve sacím kolletoru

Umístění vstřikovačů uvnitř sacího kolena výrazně ovlivňuje účinnost spalování, protože má vliv jak na jemnost rozptýlení paliva, tak na to, zda každý válec dostane stejnou směs. Pokud jsou vstřikovače umístěny výše v těchto dlouhých trubicích, má palivo více času na přeměnu na páru ještě před dosažením spalovací komory. To skutečně pomáhá ochladit nasávanou náplň vzduchu a zvyšuje maximální výkon. Na druhé straně umístění vstřikovačů blíže sacím ventilům zlepšuje odezvu plynu, protože se méně paliva usazuje na stěnách nebo zůstává v trubkách po vypnutí motoru. Většina moderních konstrukcí motorů nyní využívá tzv. dvojité vstřikovací systémy, které kombinují běžné vstřikování do sacího potrubí při mírné zátěži motoru s přímým vstřikováním při maximální požadované výkonové zátěži. I přes tyto pokročilé konfigurace však inženýři stále potýkají obtížemi s dosažením optimální rovnováhy. Tvar sacích kanálů není vždy symetrický, a proto je nutné upravovat časování a další parametry, aby byl průtok vzduchu mezi jednotlivými válci co nejrovnoměrnější. Pokud tyto nerovnováhy nejsou napraveny, mohou některé válce pracovat bohatší směsí, zatímco jiné chudší, což podle výzkumu SAE může snížit celkovou účinnost motoru až o 5 %. Dosáhnout konzistentního dodávání paliva za všech provozních podmínek vyžaduje více než pouhé základní testy průtoku. Inženýři musí pomocí počítačových simulací mapovat, kam se palivo skutečně dostává, přičemž tyto simulace zohledňují reálné změny tlaku a teploty během skutečného provozu.