Вихлопні системи двигунів внутрішнього згоряння
Я вже писав про резонансні глушники - "дудках" і "маффлерах / муфлера" (моделістами використовується кілька термінів, похідних від англійського "muffler" - глушник, Сурдинка і т.д). Почитати про це можна в моїй статті "А замість серця - полум'яний мотор".
Далі мова піде про модельних двотактних двигунах, але все міркування вірні і для четирехтактніков, і для двигунів »не модельних" кубатур.
Нагадаю, що далеко не кожен вихлопної тракт ДВС, навіть побудований за резонансної схемою, може дати приріст потужності або крутного моменту двигуна, так само як і зменшити рівень його шуму. За великим рахунком, це два взаємовиключних вимоги, і завдання конструктора вихлопної системи зазвичай зводиться до пошуку компромісу між гучністю ДВС, і його потужністю в тому чи іншому режимі роботи.
Це обумовлено декількома факторами. Розглянемо "ідеальний" двигун, у якого внутрішні втрати енергії на тертя ковзання вузлів дорівнюють нулю. Також не будемо враховувати втрати в підшипниках кочення і втрати, неминучі при протіканні внутрішніх газодинамічних процесів (всмоктування і продування). У підсумку, вся енергія, що вивільняється при згорянні паливної суміші, буде витрачатися на:
1) корисну роботу рушія моделі (пропелер, колесо і т.д. Розглядати ККД цих вузлів не будемо, це окрема тема).
2) втрати, що виникають при ще однієї циклової фазі процесу роботи ДВС - вихлопі.
Саме втрати вихлопу варто розглянути більш детально. Підкреслю, що мова йде не про такті "робочий хід" (ми домовилися, що двигун "всередині себе" ідеальний), а про втрати на "виштовхування" продуктів згоряння паливної суміші з двигуна в атмосферу. Вони визначаються, в основному, динамічним опором самого вихлопного тракту - всього того, що приєднується до картера двигуна. Від вхідного до вихідного отворів "глушника". Сподіваюся, не треба нікого переконувати в тому, що чим менше опір каналів, за якими "відходять" гази з двигуна, тим менше потрібно буде витратити зусиль на це, і тим швидше пройде процес "газовиділення".
Очевидно, що саме фаза вихлопу ДВС є основною в процесі шумообразования (забудемо про шуми, що виникає при всмоктуванні і при горінні палива в циліндрі, так само як і про механічні шуми від роботи механізму - у ідеального ДВС механічних шумів просто не може бути). Логічно припустити, що в такому наближенні загальний ККД ДВС буде визначатися співвідношенням між корисною роботою, і втратами на вихлоп. Відповідно, зменшення втрат на вихлоп буде підвищувати ККД двигуна.
Куди витрачається енергія, що втрачається при вихлопі? Природно, вона перетворюється в акустичні коливання навколишнього середовища (атмосфери), тобто в шум (зрозуміло, має місце і розігрів навколишнього простору, але ми про це поки промовчимо). Місце виникнення цього шуму - зріз вихлопного вікна двигуна, де відбувається стрибкоподібне розширення відпрацьованих газів, яке і ініціює акустичні хвилі. Фізика цього процесу дуже проста: в момент відкриття вихлопного вікна в маленькому обсязі циліндра знаходиться велика порція стислих газоподібних залишків продуктів згоряння палива, яка при виході в навколишній простір швидко і різко розширюється, при цьому і виникає газодинамический удар, що провокує подальші затухаючі акустичні коливання в повітрі (згадайте бавовна, що виникає при відкорковуванні пляшки шампанського). Для зменшення цього бавовни досить збільшити час закінчення стислих газів з циліндра (пляшки), обмежуючи перетин вихлопного вікна (плавно відкриваючи пробку). Але такий спосіб зниження шуму не прийнятний для реального двигуна, у якого, як ми знаємо, потужність прямо залежить від оборотів, отже - від швидкості всіх процесів, що протікають.
Можна зменшити шум вихлопу іншим способом: не обмежувати площу перетину вихлопного вікна і часу закінчення вихлопних газів, але обмежити швидкість їх розширення вже в атмосфері. І такий спосіб був знайдений.
Ще в 30-х роках минулого століття спортивні мотоцикли та автомобілі почали оснащувати своєрідними конусними вихлопними трубами з маленьким кутом розкриву. Ці глушники отримали назву "мегафонів". Вони незначно знижували рівень вихлопного шуму ДВС, і в ряді випадків дозволяли, також незначно, збільшити потужність двигуна за рахунок поліпшення очищення циліндра від залишків відпрацьованих газів за рахунок інерційності газового стовпа, що рухається всередині конусної вихлопної труби.
Розрахунки і практичні досліди показали, що оптимальний кут розкриття мегафона близький до 12-15 градусів. В принципі, якщо зробити мегафон з таким кутом розкриву дуже великої довжини, він буде досить ефективно гасити шум двигуна, майже не знижуючи його потужності, але на практиці такі конструкції не реалізовуються через очевидних конструктивних недоліків і обмежень.
Ще один спосіб зниження шуму ДВС полягає в мінімізації пульсацій відпрацьованих газів на виході вихлопної системи. Для цього вихлоп проводиться не безпосередньо в атмосферу, а в проміжний ресивер достатнього обсягу (в ідеалі - не менше ніж в 20 разів перевищує робочий об'єм циліндра), з подальшим випуском газів через відносно маленький отвір, площа якого може бути в кілька разів менше площі вихлопного вікна. Такі системи згладжують пульсуючий характер руху газової суміші на виході з двигуна, перетворюючи його в близький до рівномірно-поступальному на виході глушника.
Нагадаю, що мова в даний момент йде про глушать системах, не збільшують газодинамічне опір вихлопних газів. Тому не буду торкатися всіляких хитрощів типу металевих сіток всередині глушить камери, перфорованих перегородок і труб, які, зрозуміло, дозволяють зменшити шум двигуна, але на шкоду його потужності.
Наступним кроком у розвитку глушників були системи, що складаються з різних комбінацій описаних вище способів глушіння шуму. Скажу відразу, в більшості своїй вони далекі від ідеалу, тому що в тій чи іншій мірі збільшують газодинамічне опір вихлопного тракту, що однозначно призводить до зниження потужності двигуна, що передається на рушій.