Больше воздуха без наддува: что такое изменяемая геометрия впуска и зачем она нужна
Наверняка все слышали про изменяемую геометрию впускного коллектора и даже встречали аббревиатуры вроде IMRC, DIVA, DSI, VIS или чего-то похожего. Что всё это такое, зачем это надо, чем отличается и как работает? Сегодня попробуем изложить теорию изменяемой геометрии впуска простыми словами.
Хорошо, но не очень
Любой уважающий себя автомобилист знает, что на такте впуска в цилиндр попадает воздух. Пока поршень движется вниз, к нижней мёртвой точке, впускные клапаны (или клапан) открыты, и воздух всасывается внутрь. И этот процесс идёт просто прекрасно, пока клапан открыт. А что происходит, когда он закрывается? В этот момент воздух внезапно останавливается перед «закрытой дверью», ударяется об неё и идёт обратно во впуск. Звучит, может быть, на первый взгляд странно, но это так: воздух тоже имеет массу (кубометр воздуха весит больше килограмма, между прочим), а значит, он знаком с понятием инерции. Итак, он возвращается во впускной коллектор, а там он натыкается на дроссельную заслонку. И от нечего делать идёт опять к клапану. И оно бы ничего, если бы клапан в этот момент оказался открытым: в этом случае в цилиндр попало бы больше воздуха, а значит, при желании можно было бы впрыснуть и больше топлива. И, само собой, получить больше мощности. Именно к такому событию и стремятся конструкторы, рассчитывая сечение и длину впускного коллектора. А явление, при котором газы по инерции попадают в цилиндр в увеличивающемся количестве, называется резонансным или газодинамическим наддувом. Разумеется, оно свойственно только атмосферным моторам – в турбированных моторах необходимое количество воздуха можно нагнать этой самой турбиной. А единственный возможный наддув в атмосферном моторе – вот этот вот резонансный.
Понятно, что больше всего хочется избежать наименее благоприятного варианта развития событий: открыть впускной клапан в тот момент, когда воздух, только что ударившись о закрытый клапан, бежит от него обратно к дроссельной заслонке. В этом случае воздуха получится совсем мало, а это приведёт к очень плохому сгоранию топлива: без окислителя (кислорода в воздухе) никакого толкового сгорания не получится. Именно поэтому расчёт коллектора – работа сложная. И, к сожалению, связанная с поиском компромисса.
В атмосферном моторе воздух поступает в цилиндр приблизительно на 75-80% от объёма цилиндра. Конечно же, это не совсем плохо, но и не максимально эффективно. И чтобы сделать это наполнение более качественным, пришла мысль использовать резонансный наддув. Но сделать это не так просто: частота этого резонанса напрямую зависит от оборотов коленвала. А кроме этого, есть ещё два важных параметра: масса резонирующего воздуха и скорость его потока. И их желательно менять, потому что наполнение цилиндров при разных оборотах должно иметь немного разную физику.
Если не углубляться в дебри газовой динамики, то суть можно объяснить довольно просто: при низких оборотах скорость движения воздушного потока будет не слишком высокой, что в сочетании с реже открывающимся клапаном приведёт к нежелательным последствиям. А если при этом канал будет ещё и широким, то турбулентность воздушного потока будет слабой, что приведёт к не очень качественному перемешиванию воздуха и топлива. Сгорание такой топливовоздушной смеси будет недостаточно равномерным, а значит, неэффективным. Поэтому лучше, если на низких оборотах длина коллектора будет больше, а сечение его канала – меньше.
На высоких оборотах длинный и узкий канал наоборот нежелателен: слишком сильно вырастают насосные потери, а потенциальное количество воздуха, которое могло бы попасть в цилиндр, снижается. Поэтому в этой ситуации лучше иметь более короткий коллектор, но с большим сечением.
Раньше пытались прийти к компромиссу, сделав такой коллектор, который бы более-менее справлялся с воздушным потоком и на низких, и на высоких оборотах. В итоге воздух на каких-то оборотах поступал лучше, на каких-то похуже, и постоянное желание делать моторы мощнее и экологичнее заставили искать способы оптимизации и впускного коллектора. А способ тут один: менять его геометрию, делая его то длиннее, то короче, то уже, то шире. Так появились разные системы изменяемой геометрии впуска.
И так, и эдак
Первая система позволяет изменить длину впускного коллектора в зависимости от оборотов. Часто её так и на называют – переменная длина впуска. Принцип работы у неё довольно простой: в коллекторе предусмотрены два канала разной длины. В нём же стоит заслонка, которая может переключать поток воздуха либо на длинный канал, либо на короткий. Понятно, что тут тоже есть некоторое допущение: вместо плавного изменения длины впуска предусмотрены лишь два положения его длины. Да, решение опять попахивает компромиссом, но это всё же лучше, чем ничего, а делать систему, которая меняла бы длину коллектора непрерывно в зависимости от оборотов, было бы очень дорого. Теоретически такие системы существуют, но в жизни встречаются очень редко.
Остаётся вопрос: кто и как всем этим управляет? В наиболее примитивных системах – конечно же, разрежение в коллекторе, которое падает с ростом оборотов. В этом случае обходятся простым приводом, меняющим положение под действием мембраны. Этот механизм не слишком точный и почти не поддающийся диагностике, поэтому более популярен другой принцип – электропривод, управляемый ЭБУ. Он и работает точнее, и в случае чего способен зажечь Check Engine и напроситься на компьютерную диагностику.
Изменение сечения впускного канала работает практически по тому же принципу: либо есть заслонка, которая стоит в канале и меняет его сечение, либо, если каналов два, то она может перекрывать один из них. Управление этими заслонками такое же, как и управление заслонками переменной длины – вакуумом или электроприводом.
Справедливости ради надо добавить, что переключениями между каналами не всегда заведует заслонка в прямом смысле слова (нечто, похожее на пластинку, которое вращается на оси). Реализация может быть разной, и, например, в опелевских моторах Z18XER этим процессом заведует так называемый «барабан» (который на барабан, если честно, внешне совсем не похож), стоящий внутри коллектора. Он имеет окна и способность крутиться вокруг своей оси. В зависимости от угла поворота барабана, его окна могут быть частично перекрыты глухой стенкой, а могут быть открыты, что и меняет скорость и объём потока воздуха. Да, Опель когда-то умел порадовать нестандартным подходом к стандартным вещам.
Почему я вспомнил про Опель? Потому что многие производители стараются добавить своими системам изменения геометрии впуска уникальности, но технически это выглядит не очень интересно – они все похожи. Поэтому в ход идёт маркетинг и изобретение новых название. Отсюда и получается некоторая каша букв, в которой легко запутаться. Например, система изменения сечения у Форда могла называться IMRC (Intake Manifold Runner Control) или CMCV (Charge Motion Control Valve), а его же система изменения длины впуска называется DSI (Dual-Stage Intake). У BMW эта система называются DIVA (Differential Variable Air Intake) и так далее – различных аббревиатур много, но суть у них одна. Точнее, две – изменение длины или сечения. Впрочем, встречаются и такие системы, которые меняют и то, и другое одновременно.
Что может пойти не так?
Слабое место изменяемой геометрии – это как раз заслонки. Вращаясь на оси, они изнашиваются и со временем начинают люфтить. Появляется характерный стук (или даже треск) в районе впускного коллектора. Если смотреть на это неприятное явление сквозь пальцы, заслонка в один прекрасный момент может развалиться, после чего её куски полетят прямиком в цилиндр. И это будет очень грустно.
Кроме того, заслонки со временем могут зарастать сажей. Мы же помним про прекрасную систему рециркуляции, которая способна отправлять во впуск часть отработавших газов? Она же отправляет туда и частички сажи. Если сажи будет много, заслонки ею зарастают и перестают работать должным образом. Тут поможет промывка, для чего, к сожалению, впуск придётся разобрать.
Другие симптомы, указывающие на неисправность изменяемой геометрии впуска, не способны однозначно указать именно не неё. Будет заметен рост расхода топлива, в некоторых режимах снизится мощность. Но тут уже не обойтись без диагностики – причин для подобного безобразия множество, и геометрия впуска стоит чуть ли не на последнем месте. Ну а с треском заслонок лучше не ездить – последствия попадания их обломков для мотора почти фатальны. Чаще во впуск улетают вихревые заслонки, но всё же непонятный стук и треск в коллекторе должны сразу насторожить.
