Układ dolotowy silnika turbodoładowanego

Jedną z poważniejszych wad silnika z turbodoładowaniem jest jego niska dynamika w stanach przejściowych.
Możliwość gwałtownego zwiększenia obciążenia jest tu ograniczona przez bezwładność wirnika turbosprężarki. Sytuację można znacznie poprawić przez zastosowanie prostego układu bocznikującego sprężarkę przy częściowym obciążeniu silnika.
W układach tradycyjnych całe powietrze zasilające silnik przepływa j przez sprężarkę, zaś regulacja wydatku odbywa się przez dławienie albo  przed, albo za sprężarką. W układzie szybko reagującym na zmiany obciążenia powietrze dostarczane jest przy I częściowym obciążeniu silnika przez przewód bocznikujący sprężarkę.

Przepływem tego powietrza steruje przepustnica T1 przepustnica, T2 jest wówczas zamknięta. Przy wyższych obciążeniach uchylana jest przepustnica T2 i część powietrza przepływa przez sprężarkę. Przy pełnym obciążeniu silnika całe powietrze tłoczone jest przez sprężarkę, zaś przepustnica dławiąca odcina przewód bocznikujący. Odpowiedni dobór momentu otwarcia przepustnicy T2 oraz stosunku otwarcia przepustnic T1 i T2 pozwala osiągnąć płynne przejście w różnych warunkach pracy silnika.

Badania prowadzono w firmie Callaway Turbosystems Inc. na seryjnym czterocylindrowym silnku BMW o pojemności 1,8 dm8 z turbosprężarką Rotomaster Y-4. Zbocznikowanie sprężarki przy częściowym obciążeniu silnika spowodowało znaczne zwiększenie prędkości obrotowej turbiny w porównaniu z układem tradycyjnym. Ograniczenie prędkości obrotowej turbiny wynika w tym układzie z wydatku spalin oraz tarcia w łożyskach. Opory turbulencji zaczynają odgrywać rolę dopiero przy znacznych prędkościach obrotowych, powyżej 60 000 obr/min i wyższych ciśnieniach w kolektorze dolotowym. Powyższe czynniki zabezpieczają przed nadmiernym rozbieganiem
się turbosprężarki w warunkach, gdy odcięty jest przepływ powietrza przez sprężarkę, zaś prędkość obrotowa jest wysoka. Pomiary dynamiczne zmiany parametrów silnika przy gwałtownym otwarciu przepustnicy wykazują, że dzięki wysokiej prędkości obrotowej turbiny przy częściowym obciążeniu silnika nowy układ znacznie szybciej reaguje na zmiany obciążenia od układu tradycyjnego. Dla ciśnień w kolektorze dolotowym rzędu 0,07 MPa zdolność szybkiego osiągania pełnego obciążenia występuje już przy prędkości obrotowej silnika 2700 obr/min, zaś dla ciśnienia 0,053 MPa — od 3300 obr/ /min. Próby drogowe także wykazały zalety nowego układu skracając czasy rozpędzania samochodu. Dodatkową zaletą jest tu utrzymywanie wysokiej prędkości obrotowej turbiny podczas zmiany biegów.

Pewną wadą układu sprężarki ze sterowanym obejściem jest niebezpieczeństwo niestabilnej pracy sprężarki, gdyż przez większość czasu pracuje ona przy wysokiej prędkości obrotowej, lecz przy niewielkich przepływach. Zagrażającemu w takich warunkach zjawisku pompowania można przeciwdziałać przez maksymalne zbliżenie przepustnicy T2 do sprężarki oraz przez zastosowanie dodatkowych zaworów upustowych. Podstawowym ograniczeniem nowego układu, podobnie jak układów tradycyjnych, jest jednak mała moc turbiny przy niskiej prędkości obrotowej silnika wynikająca z niewielkiego wydatku spalin, co uniemożliwia szybkie osiąganie pełnej mocy silnika.

Wymagania objętościowe stawiane układom dolotowym silnika Fiat126p

ukl.dolotowyUkład dolotowy wraz z zaworami i szczelinami zaworowymi spełnia w silniku złożone i odpowiedzialne zadania: doprowadzenia i rozdziału do cylindrów silnika świeżego ładunku, a w przypadku zasilania gaźnikowego — także przygotowania mieszanki paliwowo-powietrznej. Ponadto budowa układu dolotowego ma wpływ na wstępne zawirowanie ładunku w cylindrze oraz na przebieg charakterystyki momentu obrotowego (a więc na elastyczność silnika). W związku z pulsującym charakterem przepływu ładunku istotne są również właściwości dynamiczne układu dolotowego. Kompleksowe obliczenia, mające na celu ocenę właściwości układu dolotowego uwzględniające wszystkie istotne w pracy silnika czynniki, są zadaniem trudnym i pracochłonnym (a obecnie tylko w części możliwym do realizacji). W niniejszej pracy dokonano próby oceny wpływu objętości układu dolotowego na jego parametry przepływowe i charakterystyki gaźnikowych silników spalinowych.

Wymagania objętościowe stawiane układom dolotowym silnika
Spośród wielu czynników warunkujących poprawny przebieg procesu przygotowania mieszanki, do najważniejszych — zależnych od konstrukcji układu dolotowego — należą: prędkość przepływu mieszanki oraz jej ciśnienie. W literaturze brak jest informacji i opracowań precyzujących cechy geometryczne układu dolotowego oraz ich wpływ na wymienione czynniki. Także niepełne są informacje dotyczące własności przepływowych układów dolotowych większości eksploatowanych w kraju silników spalinowych.

W celu uzyskania koniecznych informacji o układach dolotowych typowych tłokowych silników spalinowych, autorzy przeprowadzili ich analizę oraz obliczyli najbardziej charakterystyczny wskaźnik porównawczy kd.
Vd — objętość układu dolotowego silnika mierzona od punktu zamocowania gaźnika (silniki ZI) lub od punktu wlotu do kolektora (silniki ZS),
Vc — pojemność skokowa jednego cylindra,
k — współczynnik wynikający z zachodzenia na siebie faz napełniania (k = 1 — silniki 2-, 3-, 4-cylindrowe; k = 1,5 — silniki 6-cylindrowe; k — 2 — silniki 8-cylindrowe).

Wartość wskaźnika kd, dla silników samochodu Polski Fiat 126p jest kilkakrotnie niższa niż dla silników innych pojazdów. W znacznym stopniu wynika to z rozwiązania konstrukcyjnego tych silników, kanały kolektora dolotowego stanowią integralną część głowicy silnika. Występowanie geometrii układu dolotowego powinien decydować świadomy i celowy kompromis. Wydaje się jednak, że wskutek niedoceniania znaczenia wielkości objętości układu dolotowego spotykane układy dolotowe nie spełniają w zadowalającym stopniu swych zadań.

Wpływ objętości układu dolotowego na przepływ powietrza przez gaźnik
Stosunkowo duża rozbieżność charakterystycznych wskaźników objętościowych była powodem wykonania analizy numerycznej mającej na celu ocenę przepływu powietrza przez układ dolotowy silnika, przy założeniu jego różnych objętości, w zależności od położenia kątowego wału korbowego. Obliczeń prędkości przepływu powietrza przez zawór dolotowy i gardziel gaźnika (wynikających ze zmian ciśnienia) oraz masowego natężenia przepływu powietrza dokonano przyjmując następujące założenia:

– każdy cylinder zasilany jest własnym gaźnikiem,
– temperatura w układzie dolotowym równa jest temperaturze otoczenia,
–  cylinder napełniany jest powietrzem.

Przy małej objętości u!kładu dolotowego (Vd/Vc = 0,2) występuje zmienność natężenia przepływu przez gardziel gaźnika, bardzo zbliżona do natężenia przepływu przez szczelinę zaworową. Z przebiegu podanych wielkości wynika, że ze wzrostem objętości układu dolotowego do wartości V/Vc = 1,0 maksymalna wartość masowego natężenia przepływu maleje i przesuwa się w kierunku zwrotu wewnętrznego tłoka. Wynika to stąd, że aktualnie napełniany cylinder najpierw zasysa mieszankę zgromadzoną już w układzie dolotowym silnika, a dopiero w miarę obniżania w nim ciśnienia (na skutek odsysania do cylindra) wzrasta natężenie przepływu przez gardziel gaźnika i następuje uzupełnienie mieszanki w układzie dolotowym.

Od pewnej granicznej wartości objętości układu dolotowego nie ma zwrotnego przepływu mieszanki po minięciu przez tłok zwrotu wewnętrznego. Zwrotny przepływ mieszanki przez gaźnik powoduje dodatkowe jej wzbogacenie. Wynika ono z faktu, że mieszanka przepływająca przez gaźnik (nawet w kierunku przeciwnym) zasysa pewną ilość paliwa wskutek wytwarzanego w gardzieli podciśnienia. Tak wzbogacona mieszanka dostaje się do cylindra przy kolejnym suwie napełnienia.

Z punktu widzenia warunków pracy gaźnika pożądane jest, aby pulsacja przepływu powietrza przez gaźnik była jak najmniejsza. Zwiększenie stosunku objętości układu dolotowego do pojemności skokowej cylindra powoduje zmniejszenie pulsacji przepływu mieszanki przez gardziel gaźnika oraz zmniejszenie (lub nawet zanik) przepływu zwrotnego przez gaźnik. Umożliwia to lepsze przygotowanie mieszanki oraz zmniejszenie zużycia paliwa. Należy zaznaczyć, że pulsacja przepływu przez gaźnik zależy przede wszystkim (oprócz omówionych czynników) od liczby cylindrów zasilanych przez jeden gaźnik.

Zwiększenie objętości układu dolotowego
Przedstawione zestawienie charąkterystycznych wskaźników objętościowych oraz analiza przepływu powietrza przez silnik, dla różnych objętości układu dolotowego, wskazuje na celowość zwiększenia objętości układu dolotowego silnika PF 126p. W celu zwiększenia pojemności układu dolotowego, należy zainstalować między głowicą silnika a gaźnikiem dodatkową metalową podkładkę i podłączyć do niej szczelne naczynie ciśnieniowe (o objętości ok. 0,2 dm8). Podana modyfikacja umożliwia zwiększenie objętości układu dolotowego silnika do wartości Vd = 248 cm8 (w rozwiązaniu wytwórcy Vd = 108 cm3). Wówczas, np. dla silnika 126A1 wskaźnik porównawczy kd wzrasta od wartości 0,33 (standard) do 0,76 (z dodatkową pojemnością), tj. przyjmuje wartość zbliżoną do występujących w innych konstrukcjach.