ЧОМУ ВИПУСКНИЙ ТРАКТ ВПЛИВАЄ НА РОБОТУ МОТОРА.

Якщо ми всі дружно розуміємо, що потужність є твір крутного моментуна швидкість обертання колінчастого валу (обороти), то зрозуміло, що потужність - залежна від швидкості величина. Розглянемо сутотеоретичний двигун (не важливо, електричний він, внутрішньогозгоряння або турбореактивний), який віддає постійний крутний моментна обертах від 0 до нескінченності (крива 2 на рис. Нижче). Тодійого потужність буде лінійно рости з оборотами від 0 донескінченності (крива 1 на рис. Нижче). Предмет нашого інтересу —чотиритактні багатоциліндрові двигуни внутрішнього згоряння черезконструкцію та процеси, що в них відбуваються, мають зростаннямоменту зі збільшенням оборотів до його максимальної величини, і зподальшим збільшенням оборотів момент знову падає (крива 3 на рис.нижче). Буде мати аналогічний вигляд (крива 4 на рис. Нижче).Важливою обставиною для розуміння функцій випускної системи єзв'язок крутного моменту з коефіцієнтом наповнення циліндра.Давайте собі уявімо процес, що відбувається в циліндрі у фазівпуску. Припустимо, колінчастий вал двигуна обертається настількиповільно, що ми можемо спостерігати рух паливоповітряної суміші вциліндрі і в будь-який момент часу тиск у впускному трубопроводі тациліндрі встигає вирівнюватися. Припустимо, що у верхній мертвійточці (вМТ) тиск у камері згоряння дорівнює атмосферному. Тоді прирусі поршня з ВМТ в нижню мертву точку (нМТ) в циліндр потрапитькількість свіжої паливно-повітряної суміші, точно дорівнює обсягуциліндра. Кажуть, що у такому разі коефіцієнт наповнення дорівнюєодиниці. Припустимо, що в цьому процесі ми закриємо впускний клапанв положенні поршня, що відповідає 80% його ходу. Тоді ми наповнимоциліндр тільки на 80% його об'єму і маса заряду становитимевідповідно 80%. Коефіцієнт заповнення у разі буде 0, 8. Іншийвипадок. Нехай деяким чином нам вдалося у впускному колекторістворити тиск на 20% вищий за атмосферний. Тоді у фазі впуску мизможемо наповнити циліндр на 120% по масі заряду, що відповідатимекоефіцієнту наповнення 1, 2. Так, тепер найголовніше. Обертальниймомент двигуна абсолютно точно на кривій моменту відповідаєкоефіцієнту наповнення циліндра. Тобто крутний момент там вищий, декоефіцієнт наповнення вищий, і рівно в стільки ж разів, якщо, звичайно, ми не враховуємо внутрішні втрати у двигуні, які ростутьзі швидкістю обертання. З цього зрозуміло, що криву моменту і, відповідно, криву потужності визначає залежність коефіцієнтанаповнення від оборотів. Ми маємо можливість впливати в деякихмежах на залежність коефіцієнта наповнення від швидкості обертаннядвигуна за допомогою зміни фаз газорозподілу. У загальному випадку, не вдаючись у подробиці, можна сказати, що чим ширше фази і чимбільш ранню по відношенню до колінчастого валу область ми їхзрушуємо, тим більше оборотах буде досягнуто максимум крутногомоменту. Абсолютне значення максимального моменту при цьому будетрохи менше ніж з більш вузькими фазами (крива 5 на рис. Вище).Істотне значення має звана фаза перекриття. Справа в тому, що привисокій швидкості обертання певний вплив має інерція газів удвигуні. Для кращого наповнення в кінці фази випуску випускнийклапан треба закривати трохи пізніше ВМТ, а відкривати впускнийнабагато раніше ВМТ. Тоді у двигуна з'являється стан, коли в районіВМТ при мінімальному обсязі над поршнем обидва клапани відкриті іколектор впускний повідомляється з випускним через камеру згоряння.Це дуже важливий стан у сенсі впливу випускної системи на роботудвигуна. Тепер, я думаю, настав час розглянути функції випускноїсистеми. Відразу скажу, що у випускній системі є три процеси.Перший - здемпфований в тій чи іншій мірі витікання газів потрубах. Другий - гасіння акустичних хвиль з метою зменшення шуму. Ітретій – поширення ударних хвиль у газовому середовищі. Будь-якийіз названих процесів ми розглядатимемо з позиції його впливу накоефіцієнт наповнення. Строго кажучи, нас цікавить тиск у колекторіу випускного клапана на момент його відкриття. Зрозуміло, що чимменший тиск, а краще навіть нижчий за атмосферний, вдастьсяотримати, тим більше буде перепад тиску від впускного колектора довипускного, тим більший заряд отримає циліндр у фазі впуску.

< br> Почнемо з досить очевидних речей. Випускна трубаслужить для відведення вихлопних газів межі кузова автомобіля.Цілком зрозуміло, що вона не повинна надавати суттєвого опорупотоку. Якщо з якоїсь причини у випускній трубі з'явився стороннійпредмет, що закриває потік газів (наприклад, сусіди пожартували ізасунули у вихлопну трубу картоплю), то тиск у випускній трубі невстигатиме падати, і в момент відкриття випускного клапана тиск уколекторі протидіятиме очищення циліндра. Коефіцієнт наповненнявпаде, так як велика кількість відпрацьованих газів, що залишилася, не дозволить наповнити циліндри, як і раніше, свіжою сумішшю.Відповідно, двигун не зможе виробляти колишній крутний момент. Дужеважливо розуміти, що розміри труби та конструкція глушників шуму всерійному автомобілі досить добре відповідають кількостівідпрацьованих газів, що виробляються двигуном за одиницю часу. Яктільки серійний двигун зазнав змін з метою збільшення потужності (чи то збільшення робочого об'єму або збільшення моменту на високихоборотах), відразу збільшується витрата газу через випускну трубу іслід відповісти на питання, а чи не створює тепер в нових умовахнадлишкового опору Серійна випускна система. Отже, з розглядупершого процесу, позначеного нами, слід зробити висновок продостатність розмірів труб. Зрозуміло, що після деякого розумногорозміру збільшувати перетин труб для конкретного двигуна безглуздо, поліпшення не буде. А відповідаючи на запитання, де ж потужність, можна сказати, що тут головне не втратити, придбати нічогонеможливо. З практики можу сказати, що для двигуна об'ємом 1600куб.См, що має хороший крутний момент до 8000 об./хв., цілкомдостатньо труби діаметром 52 мм. Тільки ми говоримо про опір увипускній системі, необхідно згадати про такий важливий елемент, якглушник шуму. Так як у будь-якому випадку глушник створює опірпотоку, то можна сказати, що найкращий глушник - повна йоговідсутність. На жаль, для дорожнього автомобіля це можуть собідозволити лише запеклі хами. Боротьба з шумом - це, як не крути, турбота про наше з вами здоров'я. Не тільки у повсякденному житті, а й в автоспорті діють обмеження на шум, який виробляє двигунавтомобіля. Повинен сказати, що у більшості класів спортивнихавтомобілів шум випуску обмежений рівнем 100 дБ. Це досить лояльніумови, але без глушника жоден автомобіль не відповідатиметехвимогам і не зможе бути допущеним до змагань. Тому вибірглушника — завжди компроміс між його здатністю поглинати звук інизьким опором потоку. Акустичні хвилі (шум) несуть у собі енергію, яка збуджує наш слух. Завдання глушника полягає в тому, щоб енергіюколивань перевести на теплову. За способом роботи глушники требаподілити на чотири групи. Це обмежувачі, відбивачі, резонатори тапоглиначі.

ОБМЕЖУВАЧ
Принцип його роботи простий. У корпусі глушника є істотне завуженнядіаметра труби якийсь акустичний опір, а за ним одночасно великийоб'єм, аналог ємності. Протискуючи через опір звук, ми коливаннязгладжуємо об'ємом. Енергія розсіюється у дроселі, нагріваючи газ.Чим більший опір (менший отвір), тим ефективніше згладжування. Алетим більше опір потоку. Напевно, поганий глушник. Однак якпопередній глушник у системі — досить поширена конструкція.

ВІДБИВАЛЬНИК
У корпусі глушника організується велика кількість акустичнихдзеркал, від яких звукові хвилі відбиваються . Відомо, що з кожномувідображенні частина енергії втрачається, витрачається нанагрівання дзеркала. Якщо влаштувати для звуку цілий лабіринт іздзеркал, то зрештою ми розсіємо майже всю енергію і назовні вийдевельми ослаблений звук. За таким принципом будуються пістолетніглушники. Значно краща конструкція, однак так як у надрах корпусуми змусимо також газовий потік змінювати напрямок, то все одностворимо деякий опір вихлопних газів. Така конструкція найчастішезастосовується в кінцевих глушниках стандартних систем.
поруч отворів. Часто в одному корпусі буває два нерівні об'єми, розділені глухою перегородкою. Кожен отвір місці із замкненоюпорожниною є резонатором, що збуджує коливання власної частоти.Умови поширення резонансної частоти різко змінюються і вонаефективно гаситься внаслідок тертя частинок газу в отворі. Такіглушники ефективно в малих розмірах гасять низькі частоти ізастосовуються в основному як попередні, перші у випускнихсистемах. Істотного опору потоку не роблю, т.К. Перетин незменшують. Спосіб роботи поглиначів полягає в поглинанні акустичниххвиль якимось пористим матеріалом. Якщо ми звук направимо, наприклад, у скловату, то він викличе коливання волокон вати татертя волокон один про одного. Таким чином, звукові коливаннябудуть перетворені на тепло. Поглиначі дозволяють побудуватиконструкцію глушника без зменшення перерізу трубопроводу і навітьбез вигинів, оточивши трубу з отворами, що прорізають в ній, шаромпоглинаючого матеріалу. Такий глушник матиме мінімально можливийопір потоку, однак і найгірше знижує шум. Треба сказати, що серійнівипускні системи використовують у більшості випадків різнікомбінації всіх наведених способів. Глушників у системі буває два, а іноді й більше. Слід звернути увагу на особливість конструкційглушників, яка у разі самостійного виготовлення не дозволяє досягтиефективного зниження шуму, хоча здається, що все зробленоправильно. Якщо всередині глушника у стінок немає поглинаючогоматеріалу, то джерелом звуку стають стінки корпусу. Багато хтопомічав, деякі глушники мають зовні азбестову обкладку, притиснутудодатковим листом фальшкорпуса. Це і є той захід, який дозволитьобмежити випромінювання через стінки та запобігти нагріваннюсусідніх елементів автомобіля. Такий захід характерний дляглушників першого і другого типів. Є ще одна обставина, яку неможна залишити без уваги у статті про тюнінг. Це тембр звуку. Частопобажання клієнта до тюнінгової компанії полягають у тому, щоб задопомогою заміни глушника досягти "шляхетного" звучання двигуна.Потрібно зауважити, що якщо вимоги до випускної системи непоширюються далі за зміну “голосу”, то завдання суттєвоспрощується. Можна сказати, що, найімовірніше, для таких цілейбільше підходить глушник поглинального типу. Його обсяг, кількістьнабивання, а також саме набивання визначають спектр частот, щоінтенсивно поглинаються. Практично будь-яка м'яка набивка поглинаєпереважно високочастотну складову, надаючи бархатистість звуку.Глушники резонаторного типу гасять низькі частоти. Таким чином, варіюючи розміри, вміст і набір елементів, можна підібрати тембрзвучання. Як ми вже усвідомили, коефіцієнт наповнення, крутниймомент і потужність залежать від перепаду тиску між впускним івипускним колекторами у фазі продування. Випускну систему можнапобудувати таким чином, що ударні хвилі, що поширюються в трубах, відбиваючись від різних елементів системи, будуть повертатися довипускного клапана у вигляді стрибка тиску або розрідження. Звідкиж з'явиться розрідження, спитайте ви. Адже в трубу ми завжди лишенагнітаємо і ніколи не відсмоктуємо. Справа в тому, що черезінерцію газів за стрибком тиску завжди слідує фронт розрідження.Саме фронт розрідження цікавить нас найбільше. Потрібно тількизробити так, щоб він був у потрібному місці у потрібний час. Місценам добре відомо. Це випускний клапан. А час треба уточнити. Справав тому, що час дії фронту дуже незначний. А час відкриттявипускного клапана, коли фронт розрідження може створити кориснунам роботу, залежить від швидкості обертання двигуна. Та й весьперіод фази випуску потрібно розбити на дві складові. Перша — коликлапан щойно відкрився. Ця частина характеризується великимперепадом тиску та активним закінченням газів у випускний колектор.Відпрацьовані гази і без сторонньої допомоги після робочого ходузалишають циліндр. Якщо хвиля розрідження досягне випускногоклапана, малоймовірно, що вона зможе вплинути на процес очищення. Аось кінець випуску цікавіший. Тиск у циліндрі вже впав майже доатмосферного. Поршень знаходиться біля ВМТ, отже обсяг над поршнеммінімальний. Та ще впускний клапан вже відкритий. Пам'ятаєте? Такийстан (фаза перекриття) характеризується тим, що впускний колекторчерез камеру згоряння повідомляється з випускним. Ось тепер, якщофронт розрідження досягне випускного клапана, ми зможемо суттєвопокращити коефіцієнт наповнення, тому що навіть за короткий час діїфронту вдасться продути невеликий об'єм камери згоряння та створитирозрідження, яке допоможе розгону паливоповітряної суміші у каналівпускного колектора. А якщо уявити собі, що як тільки всівідпрацьовані гази покинуть циліндр, а розрідження досягне свогомаксимального значення, випускний клапан закриється, ми зможемо уфазі впуску отримати більший заряд, ніж якби очистили циліндртільки до атмосферного тиску. Цей процес дозарядки циліндрів задопомогою ударних хвиль у випускних трубах може дозволити отримативисокий коефіцієнт наповнення і, як наслідок, додаткову потужність.Результат його дії приблизно такий, якби ми нагнітали тиск увпускному колекторі за допомогою компресора. Зрештою, яка різниця, яким чином створений перепад тиску, що заштовхує свіжу суміш укамеру згоряння, за допомогою нагнітання з боку впуску аборозрідження в циліндрі? Такий ось процес може цілком відбуватися увипускній системі ДВЗ. Залишилася дрібниця. Потрібно такий процесорганізувати. Першою необхідною умовою дозарядки циліндрів задопомогою ударних хвиль треба назвати існування досить широкої фазиперекриття. Строго кажучи, нас цікавить не так сама ширина фази якгеометрична величина, як інтервал часу, коли обидва клапанивідкриті. Без особливих роз'яснень відомо, що з постійної фазі зізбільшенням швидкості обертання час зменшується. З цьогоавтоматично випливає, що при налаштуванні випускної системи напевні обороти одним з параметрів, що варіюються, буде ширина фазиперекриття. Чим вище обороти налаштування, тим ширша потрібна фаза.З практики можна сказати, що фаза перекриття менше 70 градусів недозволить мати помітного ефекту, а значення для налаштованих назвичайні 6000 об/хв систем складає 80 — 90 градусів.
Другу умову вже визначили. Це необхідність повернути до випускногоклапана ударну хвилю. Причому в багатоциліндрових двигунах зовсімнеобов'язково повертати її в той циліндр, який її згенерував. Більштого, вигідно повертати її, а точніше, використовувати в наступномупорядку роботи циліндрі. Справа в тому, що швидкість поширенняударних хвиль у випускних трубах є швидкість звуку. Для того щобповернути ударну хвилю до випускного клапана того ж циліндра, припустимо, на швидкості обертання 6000 об/хв, треба розташувативідбивач на відстані приблизно 3, 3 метра. Шлях, який пройде ударнахвиля за час двох обертів колінчастого валу за цієї частоти, становить 6, 6 метра. Це шлях до відбивача і назад. Відбивачем можебути, наприклад, різке багаторазове збільшення площі труби.Найкращий варіант - зріз труби в атмосферу. Або, навпаки, зменшенняперетину як конуса, сопла Лаваля чи, дуже грубо, як шайби. Однак мидомовилися, що різні елементи, що зменшують перетин, нам не цікаві.Таким чином, налаштована на 6000 об/хв випускна системапередбачуваної конструкції для, наприклад, чотирициліндровогодвигуна виглядатиме як чотири труби, що відходять від випускнихвікон кожного циліндра, бажано прямі, довжиною 3, 3 метра кожна.Така конструкція має цілий ряд істотних недоліків. По-перше, малоймовірно, що під кузовом, наприклад, Гольфа завдовжки 4 метриабо навіть Ауді А6 завдовжки 4, 8 метра можна розмістити такусистему. Знову ж таки, глушник таки потрібен. Тоді ми повинні кінцічотирьох труб ввести до банку досить великого обсягу, із близькимидо відкритої атмосфери акустичними характеристиками. З цієї банкитреба вивести газовідвідну трубу, яку необхідно оснаститиглушником. Коротше, такого типу система для автомобіля непідходить. Хоча задля справедливості треба сказати, що надвотактних чотирициліндрових мотоциклетних моторах для кільцевихгонок вона застосовується. Для двотактного двигуна, що працює начастоті вище 12 000 об/хв, довжина труб скорочується більш ніж учотири рази і становить приблизно 0, 7 метра, що цілком розумнонавіть для мотоцикла. Повернемося до наших автомобільних двигунів.Скоротити геометричні розміри випускної системи, налаштованої на тіж 6000 об/хв, можна, якщо ми будемо використовувати ударну хвилюнаступним по порядку роботи циліндром. Фаза випуску в ньому настанедля трициліндрового мотора через 240 градусів повороту колінчастоговалу, для чотирициліндрового - через 180 градусів, дляшестициліндрового - через 120 і для восьмициліндрового - через 90.Відповідно, інтервал часу, а отже, і довжина труби, що відводитьвід випускного вікна пропорційно зменшується і для, наприклад, чотирициліндрового двигуна скоротиться вчетверо, що складе 0, 82метра. Стандартне в такому разі рішення – всім відомий та бажаний "павук". Конструкція його проста. Чотири так звані первинні труби, що відводять гази від циліндрів, плавно згинаючись і наближаючисьодин до одного під невеликим кутом, з'єднуються в одну вториннутрубу, що має площу перерізу в два-три рази більше, ніж однапервинна. Довжина від випускних клапанів до місця з'єднання нам вжевідома – 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 узворотному напрямку до інших трьох труб. У наступному по порядкуроботи циліндрі у фазі випуску стрибок розрідження виконає потрібнудля нас роботу. Тут треба сказати, що істотний вплив на роботувипускної системи має також довжина вторинної труби. Якщо кінецьвторинної труби випущений в атмосферу, то імпульси атмосферноготиску поширюватимуться у вторинній трубі назустріч імпульсам, згенерованим двигуном. Суть налаштування довжини вторинної трубиполягає в тому, щоб уникнути одночасної появи в місці з'єднаннятруб імпульсу розрідження та зворотного імпульсу атмосферноготиску. Насправді довжина вторинної труби трохи відрізняється віддовжини первинних труб. Для систем, які матимуть далі глушник, накінці вторинної труби необхідно розмістити максимального обсягу тамаксимальної площі перерізу банку з поглинаючим покриттямусередині. Ця банка повинна якнайкраще відтворювати акустичніхарактеристики нескінченної величини повітряного простору. Наступніцієї банкою елементи випускний системи, тобто. Труби та глушники, не впливають на резонансні властивості випускної системи. Їхнюконструкцію, вплив на опір потоку, на рівень і тембр шуму ми вжеобговорили. Чим нижчий надлишковий тиск вони забезпечать, тимкраще.

…далі буде…