Próżnia kolektora - Manifold vacuum

Nie mylić z kolektorem próżniowym .

Podciśnienie w kolektorze lub podciśnienie silnika w silniku spalinowym to różnica ciśnienia powietrza między kolektorem dolotowym silnika a atmosferą ziemską .

Podciśnienie w kolektorze jest efektem ruchu tłoka na skok doładowania i zdławionego przepływu przez przepustnicę w kolektorze ssącym silnika. Jest to miara stopnia ograniczenia przepływu powietrza przez silnik, a co za tym idzie niewykorzystanej mocy w silniku. W niektórych silnikach próżnia kolektora jest również wykorzystywana jako pomocnicze źródło zasilania do napędu osprzętu silnika oraz do układu wentylacji skrzyni korbowej .

Podciśnienia kolektora nie należy mylić z podciśnieniem Venturiego , które jest efektem wykorzystywanym w gaźnikach w celu ustalenia różnicy ciśnień w przybliżeniu proporcjonalnej do masowego przepływu powietrza i utrzymania nieco stałego stosunku powietrze/paliwo . Jest również stosowany w lekkich samolotach do zapewnienia przepływu powietrza dla pneumatycznych instrumentów żyroskopowych.

Przegląd

Szybkość przepływu powietrza przez silnik spalinowy jest ważnym czynnikiem decydującym o ilości generowanej przez silnik mocy. Większość silników benzynowych jest sterowanych przez ograniczanie tego przepływu za pomocą przepustnicy, która ogranicza przepływ powietrza wlotowego, podczas gdy silnik wysokoprężny jest kontrolowany przez ilość paliwa dostarczanego do cylindra, a zatem nie ma „przepustnicy” jako takiej. Podciśnienie w kolektorze jest obecne we wszystkich silnikach wolnossących, które wykorzystują przepustnice (w tym silniki benzynowe z gaźnikiem iz wtryskiem paliwa, pracujące w cyklu Otto lub w cyklu dwusuwowym ; silniki Diesla nie mają płytek przepustnicy).

Przepływu masy przez silnik jest produkt szybkości obrotowej silnika, przemieszczenia silnika oraz gęstości strumienia wlotowego w kolektorze dolotowym. W większości zastosowań prędkość obrotowa jest ustawiana przez aplikację (prędkość silnika w pojeździe lub prędkość maszyny w innych zastosowaniach). Pojemność skokowa zależy od geometrii silnika, której generalnie nie można regulować podczas pracy silnika (chociaż kilka modeli ma tę funkcję, patrz zmienna pojemność skokowa ). Ograniczenie przepływu wejściowego zmniejsza gęstość (a tym samym ciśnienie) w kolektorze dolotowym, zmniejszając ilość wytwarzanej mocy. Jest to również główne źródło oporu silnika (patrz hamowanie silnikiem ), ponieważ powietrze o niskim ciśnieniu w kolektorze dolotowym zapewnia mniejsze ciśnienie na tłoku podczas suwu dolotowego.

Gdy przepustnica jest otwarta (w samochodzie jest wciśnięty pedał przyspieszenia ), powietrze z otoczenia może swobodnie napełnić kolektor dolotowy, zwiększając ciśnienie (wypełniając podciśnienie). Gaźnik czy wtrysk paliwa systemu dodaje paliwa do powietrza w odpowiedniej proporcji, dostarczanie energii do silnika. Gdy przepustnica jest całkowicie otwarta, układ dolotowy silnika jest wystawiony na działanie pełnego ciśnienia atmosferycznego i uzyskuje się maksymalny przepływ powietrza przez silnik. W silniku wolnossącym moc wyjściowa jest ograniczona przez ciśnienie atmosferyczne otoczenia . Sprężarki i turbosprężarki zwiększają ciśnienie w kolektorze powyżej ciśnienia atmosferycznego.

Nowoczesne rozwiązania

Nowoczesne silniki wykorzystują czujnik ciśnienia bezwzględnego w kolektorze dolotowym (w skrócie MAP ) do pomiaru ciśnienia powietrza w kolektorze dolotowym. Ciśnienie bezwzględne w kolektorze jest jednym z wielu parametrów wykorzystywanych przez jednostkę sterującą silnika (ECU) w celu optymalizacji pracy silnika. Ważne jest, aby rozróżniać ciśnienie bezwzględne i nadciśnieniowe w przypadku niektórych zastosowań, szczególnie tych, w których podczas normalnej pracy występują zmiany wysokości.

Kierując się przepisami rządowymi nakazującymi zmniejszenie zużycia paliwa (w USA) lub zmniejszenie emisji dwutlenku węgla (w Europie), samochody osobowe i lekkie ciężarówki zostały wyposażone w różne technologie (silniki o zmniejszonej wielkości; skrzynie lockup, multi-proce i overdrive). ; zmiennych faz rozrządu , wymuszone indukcyjne, silniki spalinowe, i inne), które czynią kolektor próżniowy niewystarczające lub niedostępne.. Elektryczne pompy próżniowe są obecnie powszechnie stosowane do zasilania akcesoriów pneumatycznych.

Próżnia kolektora a próżnia Venturiego

Próżnia kolektora jest spowodowana innym zjawiskiem niż podciśnienie zwężki Venturiego , która występuje wewnątrz gaźników . Próżnia Venturiego jest spowodowana efektem Venturiego, który przy stałych warunkach otoczenia (gęstość powietrza i temperatura) zależy od całkowitego przepływu masowego przez gaźnik. W silnikach wykorzystujących gaźniki podciśnienie Venturiego jest w przybliżeniu proporcjonalne do całkowitego przepływu masowego przez silnik (a tym samym do całkowitej mocy wyjściowej). Wraz ze zmianą ciśnienia otoczenia (wysokość, pogoda) lub temperatury, gaźnik może wymagać regulacji, aby utrzymać tę zależność.

Ciśnienie w kolektorze może być również „portowane”. Porting to wybieranie lokalizacji zaworu ciśnieniowego w zakresie ruchu płytki przepustnicy. W zależności od położenia przepustnicy zawór ciśnieniowy z portem może znajdować się przed lub za przepustnicą. Gdy zmienia się położenie przepustnicy, „portowany” zawór ciśnieniowy jest selektywnie podłączony do ciśnienia w kolektorze lub ciśnienia otoczenia. Zabytkowe (przed OBD II ) silniki często wykorzystywały porty ciśnieniowe kolektora do rozdzielaczy zapłonu i elementów kontroli emisji .

Kolektor próżni w samochodach

Większość samochodów wykorzystuje czterosuwowe silniki cyklu Otto z wieloma cylindrami podłączonymi do pojedynczego kolektora dolotowego . Podczas suwu ssania tłok opada w cylindrze, a zawór wlotowy jest otwarty. Gdy tłok opada, skutecznie zwiększa objętość znajdującego się nad nim cylindra, tworząc niskie ciśnienie. Ciśnienie atmosferyczne przepycha powietrze przez kolektor i gaźnik lub układ wtrysku paliwa , gdzie jest mieszane z paliwem. Ponieważ wiele cylindrów pracuje w różnych momentach cyklu pracy silnika, w kolektorze dolotowym od gaźnika do silnika występuje prawie stała różnica ciśnień.

Aby kontrolować ilość mieszanki paliwowo-powietrznej wchodzącej do silnika, na początku kolektora dolotowego (tuż pod gaźnikiem w silnikach gaźnikowych) montowany jest prosty zawór motylkowy (płyta dławiąca). Zawór motylkowy to po prostu okrągła tarcza osadzona na trzpieniu, montowana wewnątrz rurociągu. Jest on podłączony do pedału przyspieszenia samochodu i jest ustawiony tak, aby był całkowicie otwarty, gdy pedał jest całkowicie wciśnięty i całkowicie zamknięty, gdy pedał jest zwolniony. Zawór motylkowy często zawiera małe „odcięcie biegu jałowego”, otwór, który pozwala na wprowadzenie do silnika niewielkiej ilości mieszanki paliwowo-powietrznej, nawet gdy zawór jest całkowicie zamknięty, lub gaźnik ma oddzielny obejście powietrza z własnym strumieniem biegu jałowego.

Jeśli silnik pracuje przy małym obciążeniu lub bez obciążenia, a przepustnica jest niska lub zamknięta, występuje wysokie podciśnienie w kolektorze. Gdy przepustnica jest otwarta, prędkość obrotowa silnika gwałtownie wzrasta. Prędkość obrotowa silnika jest ograniczona jedynie ilością mieszanki paliwowo-powietrznej, która jest dostępna w kolektorze. Przy pełnym otwarciu przepustnicy i przy niewielkim obciążeniu inne efekty (takie jak pływanie zaworów , turbulencje w cylindrach lub czas zapłonu ) ograniczają prędkość silnika, dzięki czemu ciśnienie w kolektorze może wzrosnąć — ale w praktyce pasożytniczy opór na wewnętrznych ścianach kolektora plus Ograniczająca natura zwężki Venturiego w sercu gaźnika oznacza, że ​​zawsze będzie ustawione niskie ciśnienie, ponieważ wewnętrzna objętość silnika przekracza ilość powietrza, którą jest w stanie dostarczyć kolektor.

Jeśli silnik pracuje pod dużym obciążeniem przy szerokich otworach przepustnicy (np. podczas przyspieszania z zatrzymania lub wciągania samochodu pod górę), prędkość silnika jest ograniczona przez obciążenie i powstanie minimalne podciśnienie. Prędkość silnika jest niska, ale zawór motylkowy jest całkowicie otwarty. Ponieważ tłoki opadają wolniej niż bez obciążenia, różnice ciśnień są mniej wyraźne, a pasożytniczy opór w układzie dolotowym jest znikomy. Silnik wciąga powietrze do cylindrów przy pełnym ciśnieniu otoczenia.

W niektórych sytuacjach powstaje większa próżnia. Podczas zwalniania lub zjeżdżania ze wzniesienia przepustnica zostanie zamknięta i zostanie wybrany niski bieg, aby kontrolować prędkość. Silnik będzie się szybko obracał, ponieważ koła jezdne i skrzynia biegów poruszają się szybko, ale zawór motylkowy będzie całkowicie zamknięty. Przepływ powietrza przez silnik jest silnie ograniczany przez przepustnicę, co powoduje powstanie silnego podciśnienia po stronie silnika zaworu motylkowego, co ma tendencję do ograniczania prędkości silnika. Zjawisko to, znane jako hamowanie silnikiem , służy do zapobiegania przyspieszaniu lub nawet zwalnianiu przy minimalnym użyciu hamulców lub bez użycia hamulców (np. podczas zjeżdżania z długiego lub stromego wzniesienia). Tego hamowania podciśnieniowego nie należy mylić z hamowaniem kompresyjnym (tzw. „ hamulcem Jake ”) lub z hamowaniem wydechowym , które są często stosowane w dużych ciężarówkach z silnikiem Diesla. Takie urządzenia są niezbędne do hamowania silnikiem dieslem, ponieważ nie posiadają przepustnicy, aby ograniczyć przepływ powietrza na tyle, aby wytworzyć podciśnienie wystarczające do hamowania pojazdu.

Zastosowania próżni kolektora

Podnośniki paliwa Autovac. W obu autobusach czerwony zbiornik Autovac można zobaczyć nad i za lewym przednim kołem.

To niskie (lub ujemne) ciśnienie można wykorzystać. Manometr do pomiaru ciśnienia w kolektorze może być wyposażony, aby dać kierowcy wskazanie jak bardzo silnik pracuje i może być stosowany w celu osiągnięcia maksymalnego chwilowego zużycia paliwa poprzez dostosowanie stylu jazdy: minimalizując kolektorze próżniowym chwilowe wzrosty wydajności. Słabe podciśnienie w kolektorze w warunkach zamkniętej przepustnicy wskazuje, że zawór motylkowy lub wewnętrzne elementy silnika ( zawory lub pierścienie tłokowe ) są zużyte, co uniemożliwia prawidłowe pompowanie przez silnik i zmniejsza ogólną wydajność.

Podciśnienie było powszechnym sposobem napędzania systemów pomocniczych w pojeździe. Systemy próżniowe z wiekiem stają się zawodne, ponieważ przewody próżniowe stają się kruche i podatne na przecieki.

przed 1960

  • Silniki wycieraczek szyby przedniej — przed wprowadzeniem federalnych standardów bezpieczeństwa pojazdów silnikowych w USA przez krajową ustawę o bezpieczeństwie ruchu i pojazdów silnikowych z 1966 r. powszechne było stosowanie kolektora podciśnieniowego do napędzania wycieraczek szyby przedniej za pomocą silnika pneumatycznego. Ten system był tani i prosty, ale powodował komiczny, ale niebezpieczny efekt wycieraczek, które działają z pełną prędkością, gdy silnik pracuje na biegu jałowym, działają z połową prędkości podczas jazdy i zatrzymują się całkowicie, gdy kierowca całkowicie wciśnie pedał.
  • Silniki z blokadą zasilania
  • Podnośnik paliwa „Autovac”, który wykorzystuje podciśnienie do podnoszenia paliwa z głównego zbiornika do małego zbiornika pomocniczego, z którego grawitacyjnie przepływa do gaźnika. Wyeliminowało to pompę paliwową, która we wczesnych samochodach była elementem zawodnym.

1960-1990

Samochodowe systemy próżniowe osiągnęły swój szczyt użycia w latach 60. i 80. XX wieku. W tym czasie powstała ogromna różnorodność przełączników próżniowych , zaworów opóźniających i urządzeń pomocniczych. Na przykład Ford Thunderbird z 1967 r. używał próżni do:

  • Serwa hamulców ze wspomaganiem próżniowym (hamulce wspomagane) wykorzystują ciśnienie atmosferyczne dociskające próżnię do kolektora silnika w celu zwiększenia nacisku na hamulce. Ponieważ hamowaniu prawie zawsze towarzyszy zamknięcie przepustnicy i związane z tym wysokie podciśnienie w kolektorze, system ten jest prosty i prawie niezawodny . Na przyczepach zainstalowano zbiorniki próżniowe do sterowania ich zintegrowanymi układami hamulcowymi.
  • Kontrola zmiany biegów
  • Drzwi do ukrytych reflektorów
  • Zdalne zwolnienie zatrzasku bagażnika
  • Elektryczne zamki do drzwi Power
  • Prowadzenie powietrza HVAC — samochodowe systemy HVAC wykorzystywały próżnię kolektora do napędzania siłowników kontrolujących przepływ powietrza i temperaturę.
  • Sterowanie zaworem rdzenia nagrzewnicy
  • Sterowanie nawiewem tylnej kabiny
  • Zwolnienie odchylanej kierownicy

Inne elementy, które mogą być zasilane próżnią to:

Nowoczesne zastosowanie

Nowoczesne samochody mają minimalną ilość akcesoriów wykorzystujących podciśnienie. Wiele akcesoriów wcześniej napędzanych próżnią zostało zastąpionych akcesoriami elektronicznymi. Niektóre nowoczesne akcesoria, które czasami wykorzystują próżnię, obejmują:

Podciśnienie w kolektorze w silnikach wysokoprężnych

Wiele silników wysokoprężnych nie ma przepustnic przepustnicy. Kolektor jest podłączony bezpośrednio do wlotu powietrza, a jedyne powstałe ssanie jest powodowane przez tłok opadający bez zwężki Venturiego, aby ją zwiększyć, a moc silnika jest kontrolowana przez zmianę ilości paliwa, które jest wtryskiwane do cylindra przez wtrysk paliwa system. Dzięki temu silniki wysokoprężne są znacznie wydajniejsze niż silniki benzynowe.

Jeśli wymagane jest podciśnienie (pojazdy, które mogą być wyposażone zarówno w silniki benzynowe, jak i wysokoprężne często mają systemy tego wymagające), do kolektora można zamontować zawór motylkowy połączony z przepustnicą. Zmniejsza to wydajność i nadal nie jest tak skuteczne, jak nie jest połączone ze zwężką Venturiego. Ponieważ niskie ciśnienie jest wytwarzane tylko na dobiegu (na przykład podczas zjazdu ze wzniesienia z zamkniętą przepustnicą), a nie w wielu sytuacjach, jak w przypadku silnika benzynowego, montowany jest zbiornik próżniowy.

Większość silników wysokoprężnych ma teraz oddzielną pompę próżniową („wylot”), która zapewnia podciśnienie przez cały czas, przy wszystkich prędkościach obrotowych silnika.

Wiele nowych silników benzynowych BMW nie używa przepustnicy podczas normalnej pracy, ale zamiast tego używa zaworów dolotowych o zmiennym wzniosie „ Valvetronic ”, aby kontrolować ilość powietrza wchodzącego do silnika. Podobnie jak w przypadku silnika wysokoprężnego, podciśnienie w kolektorze praktycznie nie występuje w tych silnikach, a do zasilania serwa hamulcowego należy wykorzystać inne źródło.

Bibliografia

Zobacz też