Da li optimizirani umjetni kolektori povećavaju učinkovitost motora?

Kako dizajn ulaznog manifolda izravno utječe na volumetričnu i toplinsku učinkovitost

U skladu s člankom 3. stavkom 1.

Volumetrična učinkovitost, ili skraćeno VE, u osnovi nam govori koliko dobro motor može gurnuti zrak u te komore cilindara u usporedbi s onim što je fizički sposoban držati. Kada se VE poveća, tako se povećava gustoća zraka-goriva unutar komore za sagorevanje, što znači bolje sagorevanje i više energije koja izlazi s drugog kraja. Oblik i veličina udžnih kolektorja igraju veliku ulogu. Dužine trkača i veličine plenuma stvaraju različite obrasce protoka zraka na temelju fizičkih principa poput inercije i valova pritiska. Naprimjer, duži trkači imaju tendenciju da bolje rade na nižim rasponima okretaja u minuti jer koriste akustične rezonančne efekte. Kratke omogućuju da se zrak kreće brže kada se motori okreću više, iako je uvijek uključen neki kompromis. Većina ljudi smatra da povećanje energije za oko 10 posto obično znači između 3 i 5 konjskih snaga više, jer se gorivo gori temeljitije. Ali pazi na loše modele. To može uzrokovati sve vrste problema uključujući turbulentni protok zraka ili čak obrnut protok natrag u unos, ostavljajući neke cilindre bez goriva i pumpajući više neizgorenih ugljovodonika nego što je potrebno.

Zašto maksimalna volumetrička učinkovitost ne jamči maksimalnu toplinsku učinkovitost: uloga temperature naboja i faziranja sagorevanja

Maksimiziranje volumetričke učinkovitosti (VE) neće garantirati najbolju toplinsku učinkovitost jer su faktori poput temperature naboja i faziranja izgaranja jednako važni. Kada se ulazni kolektor natopi toplinom, može povećati temperaturu ulaznog zraka za oko 15 do 20 stupnjeva Celzijusa. To smanjuje gustoću kisika čak i ako VE izgleda dobro na papiru. Da bi se izbjegli problemi s udarcima, motori koriste bogatije mješavine goriva koje troše oko 7 do 9 posto mogućeg dobivenog energije. Istovremeno, kada se protok zraka ne raspoređuje ravnomjerno kroz cijevi, različiti cilindri primaju različite količine zraka i goriva. Siromašnije mješavine imaju tendenciju da se zapaliju kasnije nego što bi trebale, dok bogatije mogu eksplodirati prijevremeno. Obje situacije štete ukupnoj izvedbi motora. Za stvarnu poboljšanje toplinske učinkovitosti, inženjeri moraju uskladiti optimizaciju električne energije s pravilnim upravljanjem temperaturom punjenja. Ako ti elementi ne rade zajedno, negdje između 10 i 12 posto potencijalne toplinske učinkovitosti jednostavno nestaje, bez obzira koliko VE dobije. Zato su današnji dizajni motora uključili stvari poput toplinskih barijera, izolovane komore i posebno hlađene površine za rješavanje ovih izazova.

Optimiziranje ciljanih RPM-a i trgovina stvarnom svjetskom učinkovitostom

Uređivanje rezonancije, dinamika tlaknih valova i njihov učinak na ekonomičnost goriva pri djelomičnom zagrevanju

Rezonansno podešavanje radi pomoću valova tlaka koji se kreću kroz ulazne trake kako bi se bolje napunilo cilindr na određenim brzinama motora. Kada se ulazni ventil zatvori, dolazi do kompresijskog vala koji se vraća gore. Ako se sve ispravi, ovaj val se vraća kad se otvori sljedeći ventil, stvarajući neku vrstu pojačavanja. Ljudi to zovu inercijskim punjenjem jer motor može da unese više zraka bez potrebe za dodatnim mehaničkim dijelovima. Na djelomičnim postavkama gasa gdje motori troše puno energije boreći se protiv ploče gasa, dobro resonančno podešavanje zapravo smanjuje koliko teško motor mora raditi kako bi usisao zrak. Prema nekim SAE studijama iz prošle godine, ovakvi sustavi mogu učiniti da automobili troše oko 4 do možda čak 6 posto manje goriva tijekom vožnje po gradu. Glavni razlog? Manje potrošene energije i bolje performanse kada motor ne okreće previše. Ali ovdje je ulov: većina fiksne dužine udisaj kolektorima dobro rade samo u vrlo ograničenim rasponom brzine motora. Inženjeri moraju birati između dobrog odgovora pri niskim brzinama ili snažnog izlaznog snaga pri visokim brzinama, jer se obadva ne mogu postići u isto vrijeme uz standardne dizajne.

Studija slučaja: varijabilna dužina udubnog kolektora u turbopunjačenom motoru s šest rednih pogona i njegov 7,2% povećanje obrtnog momenta na niske obrte sa minimalnom kaznom učinkovitosti

Turbo punjen redni motor sa šest pogona u pitanju ima dvostruki ulazni kolektor koji se upravlja elektronički. Kada radi ispod oko 3.500 RPM, sustav aktivira duže ulazne trake koji povećavaju obrtni moment na niskom kraju povećanom gustoćom zraka. Testovi su pokazali da ova postavka donosi otprilike 7,2% poboljšanje obrtnog momenta, što čini automobil mnogo boljim za vožnju na redovnim cestama. Potrošnja goriva zapravo raste samo za manje od 1% kada sve radi na optimalnim razinama prema mjerama koje su izvedene tijekom testnih faza. Kad motor pređe 3500 okretaja na minutu, prelazi na kraće trake koji uklanjaju ograničenja protoka zraka, zadržavajući dobre performanse na većim brzinama. Ono što je zanimljivo u ovoj tehnologiji je kako ona prekida uobičajeni kompromis između brzog vremena odgovora i učinkovitosti goriva. Istraživanje objavljeno u International Journal of Engine Research iz 2023. godine podržava ova otkrića pokazujući da sustavi za unos energije promenljive dužine mogu stvarno pomoći u poboljšanju isporuke snage u nižim rasponima okretaja u minuti bez previše štete na potrošnju plina. Zato sve više proizvođača usvaja ovaj pristup za svoje proizvodne motore.

Uređivanje i upravljanje temperaturom punjenja unutar ulaznog manifolda

Koristi za unos zraka ispod 45°C: Empirska povećanja toplinske učinkovitosti

Pokazalo se da održavanje temperature zraka ispod 45 °C (oko 113 °F) stvarno povećava toplinsku učinkovitost u turbomotorima. Kada zrak ostane hladan, u svaki udar cilindra ulazi više kisika, što znači bolju sagorevanje goriva, omogućuje preciznije vrijeme ispuštanja i smanjuje potrebu za dodatnim gorivom samo da se spriječi kucanje. Testirali smo to na 2,3 litarskom turbo uređaju s promenljivim vremenskim valvom i intercoolerom ugrađenim u kolektor. Rezultati su bili prilično impresivni - oko 2,3% povećanje toplinske učinkovitosti i otprilike 3,1% manje goriva potrošeno po jedinici energije proizvedene tijekom naših standardnih testova. Što čini ovaj sustav tako dobro funkcionirati? To dovodi one super vruće post-turbo punjenja (obično između 150 do 200 ° C) pravo dolje na upravljive razine na samim cilindri vrata. Više nema gubitka toplote kroz duge kanale ili se suočavanja s kašnjenjem koje dolazi s tradicionalnim prednjim intercoolers. A kada se temperature brže stabiliziraju i ostaju u uskim rasponima, sagorevanje postaje mnogo predvidljivije u različitim uvjetima rada, što dovodi do opipljivih poboljšanja učinkovitosti koje smo izmjerili.

U skladu s člankom 3. stavkom 2. točkom (a) ovog članka, za sve proizvode koji se upotrebljavaju u proizvodnji goriva, za koje se primjenjuje ovaj članak, primjenjuje se sljedeći postupak:

Gdje su ubrizgavači unutar udžbenog kolektora stvarno utječe na to koliko dobro sagorevanje događa jer utječe na to koliko fino gorivo razbija i da li svaki cilindar dobiva istu mješavinu. Kad su ubrizgavači postavljeni više u te duge cijevi, gorivo ima više vremena da se pretvori u paru prije nego što stigne do komore za sagorevanje. To zapravo pomaže da se ohladi ulazni zrak i poveća maksimalno izlaznu snagu. S druge strane, postavljanje ubrizgavača bliže ulaznim ventilima daje bolji odgovor gasom jer je manje goriva koje se drži na zidovima ili visi oko nakon isključenja. Većina modernih motora sada koristi ono što se zove dvostruki sistem ubrizgavanja. Oni kombinuju redovno ubrizgavanje goriva za kada motor ne radi naporno s direktnim ubrizgavanjem za kada mu je potrebna maksimalna snaga. Ali čak i s ovim sofisticiranim postavkama, inženjeri se još uvijek bore da sve ispravi. Oblik ulaznih trakača nije uvijek simetričan, pa moraju prilagoditi vrijeme i druge parametre kako bi osigurali ravnomjeran protok zraka između cilindra. Ako ne poprave te neravnoteže, neki će cilindri biti bogatiji dok drugi budu nagnuti, što prema istraživanju SAE-a može smanjiti ukupnu učinkovitost motora za čak 5%. Za postizanje dosljedne isporuke goriva u svim situacijama vožnje potrebno je ići dalje od osnovnih ispitivanja protoka. Inženjeri zapravo trebaju mapirati gdje gorivo ide koristeći računalne simulacije koje uzimaju u obzir promjene pritiska i temperature u stvarnom svijetu tijekom stvarnog rada.