Резонансный надув

Изготовления и эксплуатации системы резонансного наддува двигателя внутреннего сгорания, который автор проделал на двигателе мотоцикла ИЖ Планета Спорт. Данный метод применим к любому ДВС (учитывая число тактов и цилиндров во впускном коллекторе), точнее к любой поршневой машине (даже к компрессору холодильника :-) . Результаты полученные автором отражают особенности двигателя - "спортивный" мотор с n_max = 7000 об/мин. Для других двигателей результаты могут быть иными. Кроме того вещи, очевидные для автора но не нашедшие своего явного описания в материале сайта могут существенно повлиять на эффективность системы.
Используя информацию, помещенную далее вы сможете понять принцип работы и даже, при желании, самостоятельно изготовить (или поручить другому) систему резонансного наддува любого ДВС (как 2^х - тактного так и 4^х). Результатом будет снижение расхода топлива, увеличение крутящего момента (мощности на низких оборотах), расширение рабочего диапазона двигателя, его плавность работы и.т.д.

Когда была написана статья я только что изготовил систему с каналом Ш 12 мм. и поэтому не мог с уверенностью сказать о преимуществах новой системы.
Теперь по прошествии нескольких лет эксплуатации, на основе наблюдений, большей частью статистических (правда... ложь... статистика :-(    ) можно сделать вывод о практической пользе устройства.
Р а с х о д топлива сократился с 0 до 90% в зависимости от режима:
0% - при скоростях ~ 100 км/час одиночка. Т.е. частота резонатора и обороты ни как не связаны.
90% - «в особых условиях эксплуатации» - задний прицеп(60 кг) груз (60-120 кг) пассажир (80 кг) и я (65кг) в т.ч. и в городе. Расход сократился так же и по причине практического отказа от третьей передачи.

Почему именно резонансный ?

Резонансный наддув, как и всякий другой, предназначен для увеличения количества поступающей в цилиндры горючей смеси. В отличие от других видов, где энергия подводится со стороны (поршни, мембраны, турбины), резонансный наддув использует колебания воздушного столба во впускном коллекторе, увеличивая степень заполнения цилиндров двигателя.

Часто можно слышать мнение, что резонансный наддув недостаточно эффективен. Конечно, если его сравнивать с классическим наддувом с подводом энергии, то это так.
Но,
если рассматривать резонансный наддув просто как оптимизацию параметров впускной системы, что бы колебания потока на впуске не мешали, а наоборот помогали наполнению цилиндров двигателя, то этот метод вне конкуренции.

Мысль о том, что рабочий процесс двухтактного двигателя "ИЖ-ПС" на частотах, близких к холостому ходу, далек от совершенства, возникла у меня при осенней консервации мотора. При поднятии дросселя для впрыскивания масла горючая смесь резко ударила в руку и покрыла ее капельками топлива. Обратный выброс!
"ПС" - хороший динамичный мотор, раскрывающий все свои достоинства на оборотах выше средних, - имеет сравнительно большую высоту впускных окон, обеспечивающих симметричную фазу впуска продолжительностью около 170њ. Такой промежуток необходим для дозарядки кривошипной камеры свежей смесью при больших скоростях газового потока на высоких оборотах коленчатого вала. На малых же оборотах значительная часть смеси выбрасывается обратно во впускной патрубок. Это явление называют "обратным выбросом", оно наглядно ощущается на работающем моторе при снятом воздушном фильтре и резком открытии дросселя.
Устранение или только уменьшение обратного выброса расширит рабочий диапазон и улучшит характеристику двигателя, снизит расход топлива. Одно из решений этой задачи - установка обратного лепесткового клапана. Его достоинства - широкий диапазон эффективной работы. Но его изготовление и установка требует станочного оборудования и серьезных переделок двигателя.
Другое устройство для борьбы с обратным выбросом описано в книге Павла Гусака "Эндуро" и носит название "система динамического впуска "Ямахи" (более употребительно - "резонатор на впуске" - ред.). Конструкция покорила меня возможностью не дорабатывать "родные" детали и легкостью возврата к исходной комплектации.
В качестве ёмкости я выбрал корпус от аккумуляторной батареи 3МТ-6 с внутренним объемом 450 см², а позднее изготовил специальную из фанеры. Она соединена с впускным патрубком дюритовым шлангом с внутренним диаметром 8,5 мм и длиной вместе со штуцерами 210 мм (общая длина канала).
Решение "не дорабатывать родные детали" определило конструкцию ввода канала во впускной патрубок. Я сделал его в виде 6 миллиметровой проставки между карбюратором и патрубком, выполненный по размерам их фланцев. В верхней части прокладки имеется прорезь, с которой стыкуется трубка под шланг. Собственно проставка изготовлена из фанеры, нагретой в духовке до 120њ и при остывании пропитанной до насыщения эпоксидной смолой (по той же технологии впоследствии была изготовлена и ёмкость). Отводная трубка выклеена по болванке эпоксидной смолой из стеклоткани. Для снятия с болванки трубка разрезана на две части. Для окончательной сборки все три части склеиваются эпоксидной смолой, обматываются стеклотканью и пропитываются эпоксидкой. Переход отверстия в штуцере во впускной канал необходимо тщательно скруглить - от этого непосредственно зависит гидравлическое сопротивление канала и эффективность работы всей системы в целом. То же самое относится и к штуцеру ёмкости.

Естественно, описанный способ подключения резонатора к впускной системе - не единственный. Тем, кто будет делать ввод по-другому, следует помнить: площадь канала непосредственно перед выходом во впускной патрубок должна быть примерно в 1,5 раза больше сечения остального канала.
Расчетная резонансная частота описанной конструкции около 2500 об/мин. Она раза в два превышает устойчивые обороты холостого хода и примерно соответствует скорости 60 км/час. на прямой передаче - средней в городе и оптимальной для езды с "Енотом".
После установки устройства, запуска и прогрева двигателя он выходит на обороты резонанса или чуть выше . О качестве выполненной работы можно судить по величине опускания дросселя . Кстати, устойчивый холостой ход достигается при несколько меньших оборотах - 800 вместо 1200 .
Объективными данными о улучшении динамики и уменьшении расхода топлива я не располагаю из-за отсутствия контрольного оборудования, но появилось ощущение тяговитости при скоростях близких к резонансу, стало легче ездить с прицепом .

Теперь о том, как резонатор работает.

Он начинает действовать, когда дроссель прикрыт достаточно, что бы его гидравлическое сопротивление стало сопоставимым с сопротивлением канала резонатора. При движении поршня вверх горючая смесь поступает в кривошипную камеру не только из-под дросселя карбюратора , но и из ёмкости. При уменьшении разрежения резонатор начинает всасывать в себя горючую смесь. Сюда же пойдет часть (и довольно большая) обратного выброса . При этом уменьшается выброс топлива в воздушный фильтр, уменьшаются так же колебания давления над распылителем, что благоприятно для распыла топлива. Эффективность конструкции возрастает при опускании дросселя.
Работа резонатора напоминает пружинный маятник, где роль пружины играет горючая смесь, находящаяся в емкости, а роль груза - смесь, находящаяся в канале. При совпадении собственной частоты колебания маятника ( в нашем случае - смеси в канале) и вынуждающей силы ( волн возмущений во впускном канале двигателя) наступает резонанс - увеличение амплитуды т.е. в нашем случае количества поступающей в двигатель смеси.
При желании улучшить работу двигателя в других диапазонах нужно учитывать следующие:

1. При увеличении расчетной частоты возрастает гидравлическое сопротивление канала (больше скорость протекания горючей смеси), а также уменьшается время на цикл, вместе с тем на малых оборотах двигатель не развивает достаточную мощность.
2. Работа двигателя на частоте ниже резонанса эффективнее, чем выше него.
3. Канал должен быть по возможности короче (малое линейное сопротивление), а емкость - возможно вместительней (большее количество подсасываемой смеси при одинаковом разрежении во впускном тракте).
4. Все элементы резонатора должны быть достаточно жесткими, чтобы сохранять форму под действием разрежения.

Расчет собственной частоты колебаний резонатора можно вести по измененной формуле для пружинного маятника:

где:

С=340 - скорость звука, м/с

V - объем камеры

K - проводимость канала :

где в свою очередь:

d - диаметр канала в шланге, м. (метры!!!)

l - длина канала, м.

В заключении расскажу о последнем варианте резонатора. Его эффективность заметно выше, чем у описанного ранее. Емкость склеена из фанеры и имеет объем 0,78 литра, использован шланг внутренним диаметром 12 мм. , общая длина канала ( со штуцерами) - 235 мм.(длину канала мерить по оси симметрии его сечений).

Системы резонансного наддува двигателя внутреннего сгорания условно можно разделить на два вида: линейные и объемные. В линейных системах определяющими характеристиками являются длина канала от элемента газораспределения (клапана или поршня) до места внезапного изменения его диаметра (обычно какой-нибудь камеры) и скорость звука, определяющая время за которое волна разряжения (сжатия) успеет пробежать туда и обратно. Наглядно понять принцип работы это вида резонатора поможет ситуация, когда теннисист бьет мячом о стенку, где время между ударами зависит главным образом от расстояния до нее (в нашем случае скорость звука постоянна).

Объемные резонатор (резонатор Геймгольца), о котором и пойдет речь дальше, представляют из себя емкость (объем), соединенную с впускным коллектором дополнительным каналом.

Зависимость резонансной частоты от объема камеры резонатора для трех вариантов длин канала показана на графике (используется канал - дюритовый шланг внутренним диаметром 12 мм.):

Пунктиром показан вариант расчет которого приведен далее.

Результат расчета получается в Герцах. Для получения более привычных оборотов в минуту его нужно умножить на 60 :    -     41,66 • 60 сек. = 2500 об/мин

Оценить эффективность рассчитанной конструкции можно вычислив параметр N:

где:

F - площадь поперечного сечения впускного коллектора.

Для сравнения заметим, что это значение для варианта описанного в начале журнальной статьи равно только 0,008 и никаких вещественных результатов, кроме понижения частоты холостого хода в этом случаи не наблюдалось.

После геометрического расчета резонатора, который определяет частоту маятника, необходимо указать общие принципы построения канала - от этого зависит, какие потери энергии будут в потоке при его движении взад - вперед.

Основная рекомендация - канал должен быть максимально "зализан"
т.е. не иметь поворотов малого радиуса и на большие углы; иметь гладкую поверхность (внутреннюю); не иметь резких увеличений и уменьшений его диаметра; штуцера должны сопрягаться с полостями камеры и впускнрго коллектора скруглениями достаточного радиуса - 1/2 от диаметра канала.

В качестве примера вышеупомянутой рекомендации приводится 3-d модель штуцера-проставки для двигателя ВАЗ. Модель представлена в формате VRML (175 kb) и IGES (86kb), упакованного в ZIP архив.
Для просмотра 3-d модели в формате VRML рекомендую CosmoPlayer2.1, который разработан фирмой Silicon Graphics. Его размер около 3,2 Мb. Он встраивается как в MSIE, так и в Netscape. Скачать можно с ftpsearch.city.ru

Из всего вышеизложенного у читающего может сложиться впечатление, что у системы имеются только положительные качества. Это конечно не так. Все положительные качества присутствуют, когда система работает. Когда же надо систему запустить (завести мотор) особенно при низких температурах, обычно смесь обогащается подсосом (манеткой). Т.к. между кривошипной камерой и дросселем карбюратора присутствует дополнительная емкость раза в 2-3 превышающая рабочий объем цилиндра, то примерно во столько же раз уменьшается и разрежение во впускном канале при прокручивании двигателя без установления резонанса. В результате чего оказывается невозможным достичь необходимого обогащения смеси. Правда эта проблема решается достаточно просто - съемом шланга со штуцера проставки и впрыскиванием туда бензина. Указанная проблема проявляется уже при +5⁰ С. Других проблем за 4 года эксплуатации замечено не было.