19/06/2020
Wloty powietrza o profilu ograniczonej krzywej stożkowej.
W nawiązaniu do wczorajszego postu z wlotami powietrza potocznie zwanymi trąbkami i przez większość kojarzonymi z ITB.
Odpowiadam na pytania co to daje, po co się takie wloty stosuje.
Większości takie trąbki kojarzą się z ITB, czyli z układem przepustnic zasilających w powietrze każdy cylinder osobno, bardzo krótki układ dolotowy, i bardzo małe opory przepływu. To tak w skrócie. Jednakże mają one zastosowanie w wielu innych przypadkach, oczywiście wszędzie tam, gdzie występuje przepływ płynu, a więc w motoryzacji układy dolotowe: wlot powietrza do turbosprężarki, do kanałów dolotowych ( kolektory dolotowe, plenum).
Mechanika płynów jasno klasyfikuje geometrię przekrojów kanałów oraz wlotów i nie tylko jako funkcje strat przepływu. Wloty klasyfikuje się jako przeszkody. Ze względu na to kształt profilu wlotu jest jednym z miejsc, gdzie występują straty miejscowe. Straty te są związane bezpośrednio z miejscową stratą energii mechanicznej przepływającego płynu.Wysokość strat miejscowych opisuje proste równanie Δh=ζ*v^2/2g, z czego wynika że wysokość strat jest proporcjonalna do współczynnika strat miejscowych i rośnie w kwadracie prędkości przepływu. Poniżej wstawiam tabelę, z miejscowymi współczynnikami strat dla wybranych profili wlotu. Można zauważyć, że dla wlotu prostego z ostrymi krawędziami, współczynnik ten wynosi 0.5 natomiast dla wlotu prostego z brzegami o odpowiednim promieniu zaokrąglenia nawet 0.03. Jest to nawet 16 razy mniej. Dodaję kolejne zdjęcie z publikacji naukowej, gdzie przeprowadzono badania na czterocylindrowym szybkobieżnym silniku spalinowym z zapłonem iskrowym, niedoładowanym o obj. skokowej 600cm^3. Na zdjęciu widać, że strumień przepływu masowego powietrza dla kanału prostego wynosi circa 30g/s a dla kanału z wlotem trąbkowym o odpowiednim kształcie krzywej profilu 36g/s, wzrost ok 20%. Warto też zauważyć kształt formującego się stożka, w kanale z potocznie zwaną trąbką o profilu elipsoidalnym jest on najmniejszy, co świadczy o bardziej ustalonym i regularnym przepływie. Idąc dalej więcej powietrza, więcej tlenu, więcej paliwa można spalić i tak dalej i tak dalej. Oczywiście trzeba mieć na uwadze, że w całym układzie dolotowym występuje zjawisko dławienia i przekłada się to na współczynnik napełnienia cylindra świeżym ładunkiem a dalej na moment obrotowy.
Ile to daje mocy ? Nie da się jednoznacznie powiedzieć. Są badania, symulacje przepływu metodami elementów skończonych, publikacje naukowe oraz książki ,które pokazują faktyczny wpływ różnych profili kanału na ilość płynu przepływającego przez dany wlot w jednostce czasu. W udostępnionych przeze mnie zdjęciach różnica w przepływie masy powietrza wyniosła 6g/s co stanowi 20% wartości początkowej kanału prostego. Oczywiście nie jest to końcowa wartość powietrza, która trafi do cylindra, ponieważ po drodze jest wiele przeszkód i innych czynników mających wpływ na wartość przepływu i jego charakter. Zwiększenie masy ( przy t=constans) przepływającego powietrza zwiększa prędkość przepływu oraz ciśnienie, dlatego końcowa ilość powietrza która trafi do cylindra w trakcie jednego cyklu nie jest proporcjonalna do wzrostu podanego na zdjęciu z kolorową mapą przepływu chociażby ze względu na straty przepływu, które rosną w kwadracie prędkości przepływu.
Kończąc dodam, że większość firm budujących silniki lub same komponenty na przykład układy dolotowe stosują owe trąbki jako wloty powietrza do turbosprężarek oraz kanałów dolotowych. Warto zwrócić uwagę na odpowiedni przekrój.
Dla każdej średnicy profil wlotu projektuję inny, ale każdy jest aproksymacją ograniczonej krzywej stożkowej lub prostej z krawędziami zaokrąglonymi na odpowiedni promień - gdy pewne wymiary nie pozwalają na zastosowanie "szerszej" trąbki .Jak ktoś dotrwał do końca gratuluję i dziękuję ;)
