Sistem usisa

O leptirima ili ulasku zraka, na različite načine

Što se događa kada pritisnete papučicu gasa i kako motor izlazi na kraj s povećanom potrebom za svježim zrakom, saznat ćemo u ovom poglavlju. Bit će tu riječi o nekakvim leptirima, granama i sličnim prirodnim ljepotama .

Vjerojatno ste već do sada čuli za pojam "leptira" u motoru i vjerojatno vas je isti zbunio kao i, nekoć davno, autore ovih poglavlja. No, u našem se slučaju ne radi o kakvom krilatom stvoru koji je nastao od gusjenice, već o dijelu motora koji prvi reagira na promjenu položaja papučice akceleratora (gasa). Utvrdili smo već, u prethodnim poglavljima, da su za rad motora potrebni i gorivo i zrak.


Leptir koji nikada nije poletio

Leptir je (pojednostavnjeno) okrugla pločica koja kroz promjer ima postavljenu osovinu. Ova pločica smještena je unutar usisne cijevi kojoj je svrha dopremiti zrak (ili smjesu) do cilindara, odnosno do usisnih ventila. Pritiskom na gas naš se "leptirić" zakreće oko svoje osovine.

U stvari, bez tog pritiska on je postavljen približno okomito u odnosu na usisnu cijev i samim time propušta malo (teorijski ne propušta ništa) zraka. No, pritiskanjem papučice akceleratora zakrećemo leptir te on, što je papučica jače pritisnuta, propušta sve više zraka. Potpuno otvoreni leptir paralelan je u odnosu na cijev usisa.

Smještaj leptira ovisi, prvenstveno, o načinu opskrbe motora gorivom. Kako ćemo naučiti u kasnijim poglavljima, taj način možemo podijeliti u tri temeljne skupine: opskrba motora gorivom putem rasplinjača, putem sustava za (neizravno) ubrizgavanje ze putem sustava za izravno ubrizgavanje goriva. Dakako i u ovoj priči postoji "mali milijun" podvarijanti, ovisno o izvedbi rasplinjača ili sustava za ubrizgavanje, no zadržimo se na osnovama.

Položaj kučišta leptira (srebrno) - na početku usisne grane (sivo) (Skunk Racing)
Kod motora opremljenog rasplinjačem, leptir je integriran u konstrukciju samog rasplinjača i nalazi se na putu protoka smjese, dakle, nakon točke ulaska goriva u struju zraka. Kod motora opremljenog ubrizgavanjem (neizravnim i izravnim), leptir se nalazi na putu protoka zraka, dakle prije brizgaljke za gorivo.

Kod dieselskih se motora gorivo dostavlja isključivo putem brizgaljki. Bilo da se radi o sustavu klasičnog (sada već i "staromodnog") diesel motora s pretkomorom ili onog s izravnim ubrizgavanjem goriva u cilindar, naš će se leptir uvijek naći na putu protoka zraka, prije točke ubrizgavanja goriva.

I, ne zaboravimo, prije cijele ove "priče" sastavljene od usisa, leptira, rasplinjača ili brizgaljki, smješten je filter (pročistač) zraka. Mišljenja smo da njegovu svrhu ne treba posebno pojašnjavati...


Grana koja nikada nije bila na stablu

Usisna cijev je komad metala (plastike ili nečeg sličnog) koji vodi zrak ili smjesu goriva i zraka do cilindara. Zbog jednostavnosti izrade, u tradicionalnoj konstrukciji velikoserijskih automobila ovaj se dovod zraka ili smjese do cilindara (usisnih ventila) rješava tako da kroz jednu cijev dolazi ukupna količina zraka potrebna za "napajanje" svih cilindara te se ona potom grana u onoliko cijevi koliko ima cilindara. Takav usisni sustav nazivamo usisnom granom.

Usisna grana (lijevo) u usporedbi s pojedinačnim usisnim 'trubicama' koje se nastavljaju na zasebne leptire (Skunk Racing, Kinsler)
Prednosti ovakve konstrukcije su u tome što je dovoljno postaviti jedan leptir i to na samom početku usisne grane (u pravilu na mjestu gdje ulazi sam zrak, prije miješanja s gorivom). Ipak, usisne su grane nerijetko veoma kompliciranih oblika i imaju dosta zakrivljenja na putu protoku zraka. Dakako, jasno je kako ti "zavoji" podosta usporavaju kretanje zračne mase, što u krajnjem slučaju može dovesti do pomanjkanja raspoloživog zraka pri visokim okretajima motora.

Rješenje za ovaj problem, kakvo se češće primjenjuje kod motora visokih performansi, jest u postavljanju više samostalnih uvodnika zraka od kojih svaki ima svoj leptir. Iako kompliciranija i skuplja, ovakva konstrukcija pruža znatno manje otpora struji zraka i time čini motor učinkovitijim.

No, osim o zakrivljenosti, brzina protoka zraka u usisu znatno ovisi i o presjeku usisne (usisnih) cijevi. Zamislite da pokušavate ispuhnuti zrno graška kroz neku malo veću slamku. Poslije toga probajte isto, ali uzmite cijev promjera 10 cm. Jasno je kako brzina strujanja zraka (koji tjera zrno) ovisi o presjeku, no kod automobilskih motora (kao i mnogo puta do sada) potrebno je naći kompromisno rješenje.

Naime, konstrukcije današnjih usisnih sustava moraju zadovoljiti potrebu za opskrbljivanjem motora zrakom pri svim brzinama rada pa je potpuno razumljivo da nije moguće postići usis koji je idealan pri svim uvjetima rada.

Sve popularnije rješenje kojim proizvođači automobila pokušavaju doskočiti ovom problemu je usis promjenjive geometrije kod kojeg se, s obzirom na broj okretaja motora i još neke parametre, automatski mijenja dužina usisnih kanala. Ova se promjena odvija pod nadzorom računala, a najčešće tehničko rješenje ono je s kompleksnom konstrukcijom usisnih cijevi (plastični sustav lijevo, na našoj slici) kod koje se u stvari ne mijenja duljina usisa u fizičkom smislu, već se pojedini usisni kanali otvaraju ili zatvaraju kako bi se promijenila dužina puta kojim zrak mora proći kroz usis.

Praksa je, kao i uvijek, nešto drugo...

Kao posljednje, trebamo napomenuti kako gorivo "gleda" na naše igranje s brzinom usisa zraka. Naime, ukoliko je struja zraka prespora može se javiti efekt pri kojemu gorivo "pada" iz smjese. Struja zraka tada nema dovoljnu brzinu da bi sa sobom nosila sitne čestice goriva te one padaju na stijenke usisnih kanala. Ovo za posljedicu ima veliku količinu nesagorenog goriva što, u krajnjem slučaju, smanjuje snagu motora.

Druga krajnost javlja se pri izuzetno visokom broju okretaja motora kada se gorivo nema vremena pomiješati sa zrakom u smjesu prije nego li dođe do usisnog ventila. U takvom slučaju potrebno je gorivo ubaciti u struju zraka što dalje od završetka usisa, upravo suprotno od onoga kada imamo spori protok.

A, da bi sve zajedno postalo još kompliciranije, u priču možemo ubaciti i temu temperature zraka u sustavu usisa. Naime, znamo da je hladniji zrak gušći što znači da u manjem obujmu sadrži više kisika neophodnog za izgaranje smjese. Stoga se početak usisnog sustava (otvor cijevi koja dovodi zrak do pročistača) smješta što je moguće bliže prednjem dijelu vozila, tj. "maski". Upravo zbog razlike u gustoći zraka, na starijim je motorima bila primjetna razlika u radi, ovisno o temperaturi zraka u okolini. Za hladnijih dana motori su nekako bolje radili. No, zbog duljeg vremena potrebnog za dostizanje optimalne radne temperature, potrošnja niti uz zrak bogatiji kisikom (po jedinici obujma) nije bila niža, štoviše.

Zabave radi, recimo kako na površini mora (nulta visina), pri temperaturi od 20 °C, zrak ima gustoću od 1,2041 kg/m3 (udio kisika u zraku iznosi 20,95%). U obzir treba uzeti i kako se gustoća zraka, pored utjecaja temperature, mijenja i ovisno o nadmorskoj visini. Tako bi bez prednabijanja (turbopunjača, o kojem će također biti riječi kasnije) tj. uvođenja zraka u usis pod pritiskom većim od atmosferskog, vozačima rallyja Dakar prelazak 4750 m visokog prijevoja Paso de San Francisco bio poprilično otežan.

Kao što vidimo, kompromis je ponovo bila jedna od ključnih riječi. Idealan motor, koji bi najefikasnije radio pri svim radnim uvjetima, dakako, ne postoji. No, današnji su sustavi (poput usisa promjenjive geometrije) doskočili mnogim problemima koji su opterećivali motore iz prošlosti.


Izdvojeno - Drive by Wire

Leptir kojim se kontrolira protok zraka u sustavu usisa automobilskog motora kod klasičnih je konstrukcija pokretan čeličnim užetom (sajlom). To uže, u stvari, predstavlja mehaničku vezu između papučice akceleratora (gasa) i samog leptira. Bilo da je veza izvedena izravno ili putem nekog prijenosnog sustava, u ovakvom načinu kontroliranja usisa koristi se povratna opruga koja leptir vraća u zatvoreni položaj (nema protoka zraka) kada se papučica akceleratora otpusti. Takav, klasični sustav "pati" od više nedostataka mehaničke prirode. Najčešći problemi koji se mogu pojaviti su zapinjanje čeličnog užeta uzrokovano nečistoćamam, istezanje do kojeg dolazi s vremenom, pucanje kao posljedica istrošenosti i sl.

Kako bi se izbjegli svi navedeni potencijalni problemi, danas su automobili većinom opremljeni tzv. "elektroničkim (električnim) gasom". Riječ je o sustavu kod kojeg nema izravne mehaničke veze između papučice akceleratora i usisa, tj. leptira. Kod ovakvog sustava (eng. ETC - Electronic throttle control) papučica je opremljena senzorom položaja, a leptir aktuatorom (električnim motorom) koji ga, ovisno o signalu primljenom iz elektroničke nadzorne jedinice motora, otvara, odnosno zatvara.

ETC i elektronička (električna) veza između papučice akceleratora i sustava za ubrizgavanje goriva zajedno čine sklop popularno zvan Drive-by-Wire kod kojeg je mehanička veza između papučice gasa i kontrole rada motora zamijenjena elektroničkom.

ETC sustavi su (teorijski) pouzdaniji i preciznije reagiraju na promjene pritiska na papučicu akceleratora. U pravilu su opremljeni i senzorom položaja leptira (najčešće magnetski senzor). Sustavi elektroničkog gasa zaštićeni su od potencijalnih kvarova koji bi npr. mogli uzrokovati stalno otvoreni leptir, bez obzira na vozačev utjecaj, tj. vožnju "punim gasom" bez da je vozač uopće pritisnuo papučicu.

Zaštita se sastoji u vidu Safe-moda koji se pokreće ako dođe do prekida protoka informacija na relaciji papučica akceleratora - središnje nadzorno računalo - leptir ili ako se u tim informacijama pojavi pogreška koja uzrokuje problem u komunikaciji između navedenih sustava. Tzv. Safe-mod u pravilu se svodi na to da računalo zadrži leptir otvoren tek toliko da motor nije u načinu rada predviđenom za prazni hod te da se pri tome možete dovesti do odredišta, dakako, minimalnom brzinom.

Uvjereni smo da je takvim sigurnosnim sustavom opremljena i Toyota Prius :-)

---

Na ovom videu s prikazom hyundaijeve obitelji benzinskih motora oznake NU vidljiv je način rada usisa promjenjive geometrije:

Izvor: autonet