Czy zoptymalizowane kolektory ssące zwiększają sprawność silnika?

W jaki sposób projekt kolektora ssącego bezpośrednio wpływa na sprawność objętościową i termiczną

Sprawność objętościowa jako podstawowy czynnik wpływający na sprawność spalania

Sprawność objętościowa, zwana potocznie VE, określa w zasadzie, jak skutecznie silnik wprowadza powietrze do komór cylindrowych w porównaniu do maksymalnej objętości, jaką te komory są w stanie fizycznie pomieścić. Wraz ze wzrostem wartości VE rośnie również gęstość mieszanki powietrza i paliwa w komorze spalania, co przekłada się na lepsze spalanie oraz większą moc uzyskiwaną na wyjściu. Kształt i rozmiar kolektorów dolotowych odgrywają w tym procesie kluczową rolę. Długość kanałów dolotowych oraz objętość komory zbiorczej (plenum) generują różne wzorce przepływu powietrza, oparte na zasadach fizyki takich jak bezwładność czy fale ciśnienia. Na przykład dłuższe kanały działają zwykle lepiej w zakresie niższych obrotów silnika, ponieważ wykorzystują efekty rezonansu akustycznego. Krótsze kanały natomiast umożliwiają szybszy przepływ powietrza przy wyższych obrotach silnika, choć zawsze wiąże się to z pewnym kompromisem. Większość użytkowników stwierdza, że zwiększenie sprawności objętościowej o około 10% przekłada się zwykle na dodatkowe 3–5 koni mechanicznych, ponieważ paliwo spala się wówczas bardziej kompleksowo. Należy jednak uważać na niedoskonałe projekty kolektorów dolotowych – mogą one powodować szereg problemów, w tym turbulencje przepływu powietrza lub nawet przepływ wsteczny do wnętrza kolektora, przez co niektóre cylindry pozostają niedopasowane pod względem ilości paliwa, a ich emisja niezupełnie spalonych węglowodorów wzrasta ponad dopuszczalny poziom.

Dlaczego maksymalna sprawność objętościowa nie gwarantuje maksymalnej sprawności cieplnej: rola temperatury ładunku i fazowania spalania

Same maksymalizowanie sprawności objętościowej (VE) nie gwarantuje najlepszej sprawności cieplnej, ponieważ takie czynniki jak temperatura ładunku i fazowanie spalania mają takie samo znaczenie. Gdy kolektory ssące nagrzewają się do temperatury otoczenia, mogą podnieść temperaturę powietrza dopływającego do silnika o około 15–20 stopni Celsjusza. Spowoduje to obniżenie gęstości tlenu, nawet jeśli sprawność objętościowa wydaje się dobra na papierze. Aby zapobiec stukowi, silniki działają na bogatszej mieszance paliwowo-powietrznej, co powoduje stratę ok. 7–9 proc. możliwych zysków energetycznych. Jednocześnie, gdy przepływ powietrza nie jest równomiernie rozprowadzany przez poszczególne gałęzie kolektora, różne cylindry otrzymują różną ilość powietrza i paliwa. Mieszanka uboga zapala się zwykle później niż powinna, podczas gdy mieszanka bogata może ulec detonacji przedwcześnie. Oba te zjawiska pogarszają ogólną wydajność silnika. Aby osiągnąć rzeczywiste poprawy sprawności cieplnej, inżynierowie muszą uzgodnić optymalizację VE ze skuteczną kontrolą temperatury ładunku. Jeśli te elementy nie współpracują ze sobą, gdzieś pomiędzy 10 a 12 proc. potencjalnej sprawności cieplnej po prostu znika – niezależnie od tego, jak wysoka jest wartość VE. Dlatego też współczesne konstrukcje silników zawierają m.in. powłoki izolacyjne termiczne, izolowane komory kolektorów ssących oraz specjalnie chłodzone powierzchnie gałęzi kolektora, aby bezpośrednio zmierzyć się z tymi wyzwaniami.

Kolektory dolotowe o dostosowanej długości: optymalizacja skierowana na obroty silnika oraz kompromisy w zakresie rzeczywistej wydajności

Dostosowanie rezonansu, dynamika fal ciśnienia oraz ich wpływ na zużycie paliwa przy częściowym obciążeniu silnika

Dopasowanie rezonansowe działa poprzez wykorzystanie fal ciśnienia przemieszczających się w kanałach dolotowych, co zapewnia lepsze napełnianie cylindrów przy określonych prędkościach obrotowych silnika. Gdy zawór dolotowy zamyka się, powstaje fala sprężania, która porusza się w górę kanału dolotowego. Jeśli wszystko jest odpowiednio zsynchronizowane, fala ta powraca dokładnie w momencie otwarcia następnego zaworu, tworząc efekt podobny do dodatkowego doładowania. Zjawisko to określa się mianem „nadzasilania bezwładnościowego”, ponieważ pozwala silnikowi pobierać więcej powietrza bez konieczności stosowania dodatkowych elementów mechanicznych. W warunkach częściowego otwarcia przepustnicy – gdy silniki tracą dużo energii na pokonywanie oporu tarczy przepustnicy – prawidłowo dobrana rezonansowa konfiguracja kolektora dolotowego rzeczywiście zmniejsza wysiłek, jaki musi wykonać silnik, aby zasysać powietrze. Zgodnie z niektórymi badaniami SAE przeprowadzonymi w ubiegłym roku, tego typu systemy mogą obniżać zużycie paliwa w ruchu miejskim o około 4–6 procent. Głównym powodem jest mniejsza strata energii oraz lepsza sprawność działania silnika przy średnich i niskich obrotach. Istnieje jednak istotna ograniczność: większość stałych kolektorów dolotowych działa skutecznie jedynie w bardzo wąskim zakresie prędkości obrotowych silnika. Inżynierowie są więc zmuszeni dokonywać kompromisu między dobrym momentem obrotowym przy niskich obrotach a wysoką mocą przy dużych obrotach, ponieważ osiągnięcie obu tych cech jednocześnie nie jest możliwe przy standardowych rozwiązaniach konstrukcyjnych.

Studium przypadku: Zmienna długość kolektora ssącego w sześciocylindrowym silniku rzędowym z turbosprężarką oraz jego wzrost momentu obrotowego przy niskich obrotach o 7,2% przy minimalnej utracie sprawności

Opisywany silnik rzędowy sześciocylindrowy z turbosprężarką wyposażony jest w elektronicznie sterowany kolektor dolotowy o podwójnej ścieżce. W zakresie obrotów poniżej około 3500 obr/min system aktywuje dłuższe kanały dolotowe, które zwiększają moment obrotowy w dolnym zakresie obrotów dzięki wyższej gęstości powietrza. Badania wykazały, że takie rozwiązanie zapewnia poprawę momentu obrotowego o około 7,2%, co czyni samochód znacznie przyjemniejszym w codziennym użytkowaniu na zwykłych drogach. Zużycie paliwa wzrasta faktycznie o mniej niż 1%, gdy wszystkie elementy pracują w optymalnych warunkach – zgodnie z pomiarami przeprowadzonymi w trakcie faz testowych. Jednak po przekroczeniu przez silnik 3500 obr/min przełącza się on na krótsze kanały dolotowe, eliminujące ograniczenia przepływu powietrza i jednocześnie zapewniające dobrą wydajność przy wyższych prędkościach. Cechą charakterystyczną tej technologii jest możliwość złamania tradycyjnego kompromisu między szybką reakcją silnika a jego oszczędnością paliwową. Wyniki badań opublikowane w 2023 roku w „International Journal of Engine Research” potwierdzają te obserwacje, pokazując, że systemy dolotowe o zmiennej długości mogą istotnie poprawiać dostarczanie mocy w niższym zakresie obrotów bez nadmiernego pogorszenia zużycia paliwa. Dlatego też coraz więcej producentów wprowadza ten typ rozwiązania w swoich silnikach produkcyjnych.

Zintegrowane chłodzenie międzystopniowe i kontrola temperatury ładowania w kolektorze ssącym

Korzyści z powietrza ssanego o temperaturze poniżej 45 °C: empiryczne zwiększenie sprawności termicznej

Utrzymanie temperatury powietrza dolotowego poniżej 45°C (około 113°F) wyraźnie zwiększa sprawność cieplną silników z turbosprężarką. Chłodne powietrze zawiera więcej tlenu w każdej skokowej objętości cylindra, co przekłada się na lepsze spalanie paliwa, umożliwia bardziej precyzyjne dozowanie zapłonu oraz zmniejsza konieczność dodatkowego wprowadzania paliwa w celu zapobiegania detonacji. Przeprowadziliśmy testy tego rozwiązania na układzie turbo o pojemności 2,3 litra z zmiennym rozrządem zaworów oraz chłodnicą międzystopniową wbudowaną bezpośrednio w kolektor dolotowy. Uzyskane wyniki były naprawdę imponujące – wzrost sprawności cieplnej o około 2,3% oraz redukcja zużycia paliwa o ok. 3,1% na jednostkę wytworzonej mocy podczas standardowych badań na hamowni. Dlaczego ten system działa tak skutecznie? Obniża temperaturę gorącego, po turbosprężarce powietrza (zwykle w zakresie 150–200°C) bezpośrednio przy otworach dolotowych cylindrów. Eliminuje to straty ciepła w długich przewodach oraz opóźnienia związane z tradycyjnymi, przednimi chłodnicami międzystopniowymi. Gdy temperatura szybciej się stabilizuje i utrzymuje się w węższym zakresie, proces spalania staje się znacznie bardziej przewidywalny w różnych warunkach pracy silnika, co przekłada się na mierzalne poprawy sprawności, które zaobserwowaliśmy.

Integracja dostawy paliwa: umiejscowienie wtryskiwaczy i optymalizacja rozdziału mieszanki powietrza i paliwa w kolektorze ssącym

Położenie wtryskiwaczy w kolektorze dolotowym ma istotny wpływ na skuteczność spalania, ponieważ wpływa zarówno na stopień rozpylenia paliwa, jak i na jednorodność mieszanki dopływającej do poszczególnych cylindrów. Gdy wtryskiwacze są zamontowane wyżej w tych długich przewodach, paliwo ma więcej czasu na odparowanie przed dotarciem do komory spalania. Dzięki temu następuje chłodzenie nadchodzącego ładunku powietrza, co z kolei zwiększa maksymalną moc silnika. Z drugiej strony, umieszczenie wtryskiwaczy bliżej zaworów dolotowych zapewnia lepszą reakcję na nacisk pedału gazu, ponieważ mniej paliwa osadza się na ściankach przewodów lub pozostaje w nich po wyłączeniu silnika. Większość nowoczesnych konstrukcji silników stosuje obecnie tzw. systemy podwójnego wtrysku. Łączą one tradycyjny wtrysk paliwa w przewód dolotowy (przy niewielkim obciążeniu silnika) z wtryskiem bezpośrednim (przy maksymalnym obciążeniu). Jednak nawet przy tak zaawansowanych rozwiązaniach inżynierowie nadal mają trudności z osiągnięciem optymalnej równowagi. Kształt przewodów dolotowych nie zawsze jest symetryczny, dlatego konieczne jest dostosowanie momentu wtrysku oraz innych parametrów, aby zapewnić jednorodny przepływ powietrza do wszystkich cylindrów. Jeżeli nie usunięto tych nierównowag, niektóre cylindry mogą pracować na bogatszej mieszance, a inne – na uboższej, co – zgodnie z badaniami SAE – może obniżyć ogólną sprawność silnika nawet o 5%. Uzyskanie spójnej dostawy paliwa we wszystkich warunkach jazdy wymaga podejścia wykraczającego poza podstawowe testy przepływu. Inżynierowie muszą bowiem dokładnie mapować tor ruchu paliwa przy użyciu symulacji komputerowych uwzględniających rzeczywiste zmiany ciśnienia i temperatury występujące w trakcie rzeczywistej pracy silnika.