Налаштування вихлопної системи.
ЯКИМ ЧИНОМ ДВИГУН ЗАВДЯКИ НАСТРОЮВАННЯ ВИПУСКНИЙ СИСТЕМИ МОЖЕ ОТРИМАТИ ДОДАТКОВУ ПОТУЖНІСТЬ?
Як ми вже з'ясували, коефіцієнт наповнення, крутний момент і потужність залежать від перепаду тиску між впускним і випускним колекторами в фазі продувки. Випускну систему можна побудувати таким чином, що поширюються в трубах ударні хвилі, відбиваючись від різних елементів системи, будуть повертатися до випускного клапану у вигляді стрибка тиску або розрідження. Звідки ж з'явиться розрідження, запитаєте ви. Адже в трубу ми завжди тільки нагнітаємо і ніколи не відсисаємо. Справа в тому, що в силу інерції газів за стрибком тиску завжди слід фронт розрідження. Саме фронт розрідження цікавить нас найбільше. Потрібно тільки зробити так, щоб він був в потрібному місці в потрібний час. Місце нам вже добре відомо. Це випускний клапан. А час потрібно уточнити. Справа в тому, що час дії фронту вельми незначне. А час відкриття випускного клапана, коли фронт розрідження може створити корисну для нас роботу, сильно залежить від швидкості обертання двигуна. Та й весь період фази випуску потрібно розбити на дві складові. Перша - коли клапан тільки що відкрився. Ця частина характеризується великим перепадом тиску і активним закінченням газів у випускний колектор. Відпрацьовані гази і без сторонньої допомоги після робочого ходу залишають циліндр. Якщо в цей момент хвиля розрідження досягне випускного клапана, малоймовірно, що вона зможе вплинути на процес очищення. А ось кінець випуску більш цікавий. Тиск в циліндрі вже впало майже до атмосферного. Поршень знаходиться близько ВМТ, значить, обсяг над поршнем мінімальний. Та ще впускний клапан вже відкритий. Пам'ятаєте? Такий стан (фаза перекриття) характеризується тим, що впускний колектор через камеру згоряння сполучається з випускним. Ось тепер, якщо фронт розрідження досягне випускного клапана, ми зможемо істотно поліпшити коефіцієнт наповнення, так як навіть за короткий час дії фронту вдасться продути маленький обсяг камери згоряння і створити розрідження, яке допоможе розгону паливо-повітряної суміші в каналі впускного колектора. А якщо уявити собі, що як тільки все відпрацьовані гази покинуть циліндр, а розрідження досягне свого максимального значення, випускний клапан закриється, ми зможемо в фазі впуску отримати заряд більший, ніж якби очистили циліндр тільки до атмосферного тиску. Цей процес дозарядки циліндрів за допомогою ударних хвиль у випускних трубах може дозволити отримати високий коефіцієнт наповнення і, як наслідок, додаткову потужність. Результат його дії приблизно такий, як якщо б ми нагнітали тиск у впускному колекторі за допомогою компресора. Зрештою, яка різниця, яким чином створений перепад тиску, заштовхували свіжу суміш в камеру згоряння, за допомогою нагнітання з боку впуску або розрідження в циліндрі?
Такий ось процес може цілком відбуватися в випускний системі ДВС. Залишилася суща дрібниця. Потрібно такий процес організувати.
Першим необхідною умовою дозарядки циліндрів за допомогою ударних хвиль треба назвати існування досить широкої фази перекриття. Строго кажучи, нас цікавить не стільки сама ширина фази як геометрична величина, скільки інтервал часу, коли обидва клапана відкриті. Без особливих роз'яснень зрозуміло, що при постійній фазі зі збільшенням швидкості обертання час зменшується. З цього автоматично випливає, що при налаштуванні випускної системи на певні обороти одним з варійованих параметрів буде ширина фази перекриття. Чим вище обороти настройки, тим ширше потрібна фаза. З практики можна сказати, що фаза перекриття менше 70 градусів не дозволить мати помітний ефект, а значення для налаштованих на звичайні 6000 об / хв систем становить 80 - 90 градусів.
Друга умова вже визначили. Це необхідність повернути до випускного клапану ударну хвилю. Причому в багатоциліндрових двигунах зовсім необов'язково повертати її в той циліндр, який її згенерував. Більш того, вигідно повертати її, а точніше, використовувати в наступному по порядку роботи циліндрі. Справа в тому, що швидкість поширення ударних хвиль у випускних трубах - є швидкість звуку. Для того щоб повернути ударну хвилю до випускного клапану того ж циліндра, припустимо, на швидкості обертання 6000 об / хв, треба розташувати відбивач на відстані приблизно 3,3 метра. Шлях, який пройде ударна хвиля за час двох оборотів колінчастого вала при цій частоті, становить 6,6 метра. Це шлях до відбивача і назад. Відбивачем може служити, наприклад, різке багаторазове збільшення площі труби. Кращий варіант - зріз труби в атмосферу. Або, навпаки, зменшення перетину у вигляді конуса, сопла Лаваля або, зовсім грубо, у вигляді шайби. Однак ми домовилися, що різні елементи, що зменшують перетин, нам нецікаві. Таким чином, налаштована на 6000 об / хв випускна система передбачуваної конструкції для, наприклад, чотирициліндрового двигуна буде виглядати як чотири труби, що відходять від випускних вікон кожного циліндра, бажано прямі, довжиною 3,3 метра кожна. У такій конструкції є цілий ряд істотних недоліків. По-перше, малоймовірно, що під кузовом, наприклад, Гольфа довжиною 4 метри або навіть Ауді А6 довжиною 4,8 метра можливо розмістити таку систему. Знову ж, глушник все-таки потрібен. Тоді ми повинні кінці чотирьох труб ввести в банку досить великого обсягу, з близькими до відкритій атмосфері акустичними характеристиками. З цієї банки треба вивести газовідвідну трубу, яку необхідно оснастити глушителем.
Коротше, такого типу система для автомобіля не підходить. Хоча справедливості заради треба сказати, що на двотактних чотирициліндрових мотоциклетних моторах для кільцевих гонок вона застосовується. Для двотактного мотора, що працює на частоті вище 12 000 об / хв, довжина труб скорочується більш ніж в чотири рази і становить приблизно 0,7 метра, що цілком розумно навіть для мотоцикла. Повернемося до наших автомобільних двигунів. Скоротити геометричні розміри випускної системи, налаштованої на ті ж 6000 об / хв, цілком можна, якщо ми будемо використовувати ударну хвилю наступним по порядку роботи циліндром. Фаза випуску в ньому настане для трьохциліндрового мотора через 240 градусів повороту колінчастого вала, для чотирициліндрового - через 180 градусів, для шестицилиндрового - через 120 і для восьмицилиндрового - через 90. Відповідно, інтервал часу, а отже, і довжина відводить від випускного вікна труби пропорційно зменшується і для, наприклад, чотирициліндрового двигуна скоротиться в чотири рази, що складе 0,82 метра. Стандартне в такому випадку рішення - всім відомий і бажаний «павук». Конструкція його проста. Чотири так звані первинні труби, що відводять гази від циліндрів, плавно вигинаючись і наближаючись один до одного під невеликим кутом, з'єднуються в одну вторинну трубу, що має площу перерізу в два-три рази більше, ніж одна первинна. Довжина від випускних клапанів до місця з'єднання нам вже відома - для 6000 об / хв приблизно 820 мм. Робота такого «павука» полягає в тому, що наступний за ударною хвилею стрибок розрідження, досягаючи місця з'єднання всіх труб, починає поширюватися в зворотному напрямку в інші три труби. У наступному по порядку роботи циліндрі в фазі випуску стрибок розрідження виконає потрібну для нас роботу.
Тут треба сказати, що істотний вплив на роботу випускної системи надає також довжина вторинної труби. Якщо кінець вторинної труби випущений в атмосферу, то імпульси атмосферного тиску будуть поширюватися у вторинній трубі назустріч імпульсам, що згенерував двигуном. Суть настройки довжини вторинної труби полягає в тому, щоб уникнути одночасного появи в місці з'єднання труб імпульсу розрідження і зворотного імпульсу атмосферного тиску. На практиці довжина вторинної труби злегка відрізняється від довжини первинних труб. Для систем, які матимуть далі глушник, на кінці вторинної труби необхідно розмістити максимального обсягу і максимальної площі перетину банку з поглинає покриттям усередині. Ця банку повинна якомога краще відтворювати акустичні характеристики нескінченної величини повітряного простору. Наступні за цією банкою елементи випускної системи, тобто труби і глушники, які не мають жодного впливу на резонансні властивості випускної системи. Їх конструкцію, вплив на опір потоку, на рівень і тембр шуму ми вже обговорили. Чим нижче надлишковий тиск вони забезпечать, тим краще.
Отже, ми вже розглянули два варіанти побудови налаштованої на певні обороти випускної системи, яка за рахунок дозарядки циліндрів на оборотах резонансу збільшує крутний момент. Це чотири окремі для кожного циліндра труби і так званий «павук» «чотири в один». Слід також згадати про варіант «два в один - два в один» або «два Y», який найбільш часто зустрічається в тюнінгових автомобілях, так як легко компонується в стандартні кузова і не дуже сильно відрізняється за розмірами і формою від стандартного випуску. Влаштований він досить просто. Спочатку труби з'єднуються попарно від першого і четвертого циліндрів в одну і другого і третього в одну як циліндрів, рівновіддалених один від одного на 180 градусів по колінчастого валу. Дві утворилися труби також з'єднуються в одну на відстані, відповідному частоті резонансу. Відстань вимірюється від клапана по середньої лінії труби. Попарно з'єднуються первинні труби повинні з'єднуватися на відстані, що становить третину загальної довжини. Один з найпоширеніших питань, на які доводиться відповідати, це якийсь «павук» віддати перевагу. Відразу скажу, що відповісти на це питання однозначно не можна. У деяких випадках стандартний випускний колектор зі стандартною приймальною трубою працює абсолютно так само. Однак порівняти згадані три конструкції, безсумнівно, можна.
Тут треба звернутися до такого поняття, як добротність. Тією мірою, якою налаштований випуск суть є коливальна система, резонансні властивості якої ми використовуємо, то зрозуміло, що її кількісна характеристика - добротність - цілком може бути різною. Вона дійсно різна. Добротність показує, у скільки разів амплітуда коливань на частоті настройки більше, ніж удалині від неї. Чим вона вища, тим більший перепад тиску ми можемо використовувати, тим краще наповнимо циліндри і, відповідно, отримаємо збільшення моменту. Так як добротність - енергетична характеристика, то вона нерозривно пов'язана з шириною резонансної зони. Не вдаючись в подробиці, можна сказати, що якщо ми отримаємо великий виграш по моменту, то тільки у вузькому діапазоні оборотів для високодобротних системи. І навпаки, якщо діапазон оборотів, в якому досягається поліпшення, великий, то за величиною виграш незначний, це нізкодобротного система.
Перший. Так як крутний момент пропорційний перепаду тиску, то найбільший приріст дасть високодобротні система номер один. Однак у вузькому діапазоні оборотів. Налаштований двигун з такою системою буде мати яскраво виражений «підхоплення» в зоні резонансу. І зовсім ніякої на інших оборотах. Так званий однорежимний або «літаковий» мотор. Такий двигун, швидше за все, зажадає багатоступеневу трансмісію. Реально такі системи в автомобілях не застосовуються. Система другого типу має більш «згладжений» характер, використовується в основному для кільцевих гонок. Робочий діапазон оборотів набагато ширше, провали менше. Але і приріст моменту менше. Таким чином налаштований двигун теж не подарунок, про еластичність і мріяти не доводиться. Однак якщо головне - висока швидкість при русі, то під такий режим буде влаштована і трансмісія, і пілот освоїть способи управління. Система третього типу ще рівніше. Діапазон робочих оборотів досить широкий. Плата за таку поступливість - ще менша добавка моменту, яку можна отримати при правильному налаштуванні. Такі системи використовуються для ралі, в тюнінгу для дорожніх автомобілів. Тобто для тих автомобілів, які їздять з частою зміною режимів руху. Для яких важливий рівний крутний момент в широкому діапазоні оборотів.
Другий. Як завжди, безкоштовних пряників не буває. На вдвічі менших від резонансної частоти оборотах фаза відбитої хвилі повернеться на 180 градусів, і замість стрибка розрідження в фазі перекриття до випускного клапану буде приходити хвиля тиску, яка буде перешкоджати продувке, тобто зробить бажану роботу навпаки. В результаті на вдвічі менших оборотах буде провал моменту, причому чим більшу добавку ми отримаємо вгорі, тим більше втратимо внизу. І ніякими настройками системи управління двигуном неможливо компенсувати цю втрату. Залишиться тільки миритися з цим фактом і експлуатувати мотор в тому діапазоні, який можна визнати
Однак людство придумало кілька способів боротьби з цим явищем. Один з них - електроннокеровані заслінки близько вихідних отворів в головці. Суть їх роботи полягає в тому, що на низькій кратної частоті заслінка перегороджує частково вихлопної канал, перешкоджаючи поширенню ударних хвиль і тим самим руйнуючи став шкідливим резонанс. Висловлюючись точніше, у багато разів зменшуючи добротність. Зменшення перетину через прикритих заслінок на низьких оборотах не настільки важливо, тому що генерується невелика кількість вихлопних газів. Другий спосіб - застосування так званих колекторів «A.R.». Їх робота полягає в тому, що вони надають невелике опір потоку, коли тиск в колекторі менше, ніж у клапана, і збільшують опір, коли ситуація зворотна. Третій спосіб - розбіжність отворів в головці і колекторі. Отвір в колекторі більшого розміру, ніж в голівці, що збігається по верхній кромці з отвором в голівці і не збігається приблизно на 1 - 2 мм по нижній. Суть та ж, що і у випадку з «A.R.» конусом. З головки в трубу - «по шерсті», назад - «проти шерсті». Два останніх варіанти не можна вважати вичерпними з огляду на те, що «по шерсті» все-таки дещо гірше, ніж гладкі труби. Як ліричного відступу можу сказати, що розбіжність отворів - стандартне просте рішення для багатьох серійних моторів, яке чомусь багато «тюнінгатори» вважають дефектом поточного виробництва.
Третій. Слідство другого. Якщо ми налаштуємо випускну систему на резонансну частоту, наприклад 4000 об / хв, то на 8000 об / хв отримаємо вищеописаний «провал», якщо на цих оборотах система виявиться працездатною.
Важливий аспект при розгляді роботи налаштованого випуску - це вимоги до його конструкції з точки зору акустичних властивостей. Перше і найважливіше - в системі не повинно бути інших елементів, що відображають, які породять додаткові резонансні частоти, що розсіюють енергію ударної хвилі по спектру. Це означає, що всередині труб повинні бути відсутніми різкі зміни площі перерізу, що виступають всередину кути і елементи з'єднання. Радіуси вигину повинні бути настільки великими, наскільки дозволяє компоновка мотора в автомобілі. Всі відстані по середньої лінії труби від клапана до місця з'єднання повинні бути по можливості однаковими.
Друга важлива обставина полягає в тому, що ударна хвиля несе в собі енергію. Чим вище енергія, тим більшу корисну роботу ми можемо від неї отримати. Мірою енергії газу є температура. Тому всі труби до місця їх з'єднання краще теплоізолювати. Зазвичай труби обмотують теплостійким, як правило, азбестовим матеріалом і закріплюють його на трубі за допомогою бандажів або сталевого дроту.