Тюнінг - Настроєний вихлоп
Чи не найпопулярніша тема у всіх "курилках", так або інакше зв'язаних з тюнінгом автомобілів, – випускні системи двигунів. Принаймні, я частіше відповідаю на питання про вихлоп, чим про клапани, головки, коленвалах і інших складових настройки двигунів. Причому діапазон питань приблизно наступний: від "скажіть, а як застосувати формулу для обчислення резонансної частоти (приводиться співвідношення для резонатора Гельмгольца) до чотирьохдросельного впускання?" до "мені друг подарував "павук" зі свого спортивного "гольфу". Скільки додасться кінських сил, якщо я його встановлю на свій автомобіль?" або " я будую собі мотор. Який глушник купити, щоб була більше потужності?", або "скільки кінських сил додасться, якщо я замість каталізатора встановлю резонатор?". Причому у всіх питаннях червоною лінією проходить додаткова потужність.
Так давайте спершу розберемося, де ж лежить ця додаткова потужність. І чому випускний тракт впливає на роботу мотора.
Якщо ми всі дружно розуміємо, що потужність є твір моменту, що обертає, на швидкість обертання колінчастого валу (обороти), то зрозуміло, що потужність – залежна від швидкості величина. Розглянемо чисто теоретичний двигун (не важливо, електричний він, внутрішнього згорання або турбореактивний), який віддає постійний момент, що обертає, на оборотах від 0 до безкінечності. (крива 2 на мал. 1) Тоді його потужність буде лінійна рости з оборотами від 0 до безкінечності (крива 1 на мал. 1). Предмет нашого інтересу – чотиритактні багатоциліндрові двигуни внутрішнього згорання через конструкцію і процеси, в них що відбуваються, мають зростання моменту із збільшенням оборотів до його максимальної величини, і з подальшим збільшенням оборотів момент знову падає (крива 3 на мал. 1). Тоді і потужність матиме аналогічний вигляд (крива 4 на мал. 1).
Важливою обставиною для розуміння функцій випускної системи є зв'язок моменту, що обертає, з коефіцієнтом наповнення циліндра. Давайте собі уявимо процес, що відбувається в циліндрі у фазі впускання. Припустимо, колінчастий вал двигуна обертається настільки поволі, що ми можемо спостерігати рух топлівовоздушной суміші в циліндрі і у будь-який момент часі тиск у впускному трубопроводі і циліндрі встигає вирівнюватися.
Припустимо, що вверхней мертвій точці (ВМТ) тиск в камері згорання рівний атмосферному. Тоді при русі поршня з ВМТ в нижню мертву точку (НМТ) в циліндр потрапить кількість свіжіше топлівовоздушной суміші, точно рівне об'єму циліндра. Говорять, що у такому разі коефіцієнт наповнення рівний одиниці. Припустимо, що у вищеописаному процесі ми закриємо впускний клапан в положенні поршня, відповідному 80% його ходу. Тоді ми наповнимо циліндр тільки на 80% його об'єму і маса заряду складе відповідно 80%. Коефіцієнт наповнення у такому разі буде 0.8.
Інший випадок. Хай деяким чином нам вдалося у впускному колекторі створити тиск на 20% вище атмосферного. Тоді у фазі впускання ми зможемо наповнити циліндр на 120% по масі заряду, що відповідатиме коефіцієнту наповнення 1.2. Так, тепер найголовніше. Момент двигуна, що обертає, абсолютно точно на кривою моменту відповідає коефіцієнту наповнення циліндра. Тобто момент, що обертає, там вище, де коефіцієнт наповнення вищий, і рівно в стільки ж раз, якщо, звичайно, ми не враховуємо внутрішні втрати в двигуні, які ростуть із швидкістю обертання. З цього зрозуміло, що криву моменту і, відповідно, криву потужності визначає залежність коефіцієнта наповнення від оборотів. У нас є можливість впливати в деяких межах на залежність коефіцієнта наповнення від швидкості обертання двигуна за допомогою зміни фаз газорозподілу.
У загальному випадку, не вдаючись до подробиць, можна сказати, що чим ширше за фазу і чим в ранішу по відношенню до колінчастого валу область ми їх зрушуємо, тим на великих оборотах буде досягнутий максимум моменту, що обертає. Абсолютне значення максимального моменту при цьому буде трохи менше, ніж з вужчими фазами (крива 5 на мал. 1).
Істотне значення має так звана фаза перекриття. Річ у тому, що при високій швидкості обертання певний вплив робить інерція газів в двигуні. Для кращого наповнення в кінці фази випуску випускний клапан треба закривати декілька пізніше ВМТ, а впускання відкривати набагато раніше ВМТ. Тоді у двигуна з'являється стан, коли в районі ВМТ при мінімальному об'ємі над поршнем обидва клапани відкрито і впускний колектор сполучається з випускним через камеру згорання. Це дуже важливе полягання в сенсі впливу випускної системи на роботу двигуна.
Тепер, я думаю, пора розглянути функції випускної системи. Відразу скажу, що у випускній системі присутньо три процеси. Перший – сдемпфірованноє в тому або іншому ступені закінчення газів по трубах. Другий – гасіння акустичних хвиль з метою зменшення шуму. І третій – розповсюдження ударних хвиль в газовому середовищі. Будь-який з названих процесів ми розглядатимемо з позиції його впливи на коефіцієнт наповнення. Строго кажучи, нас цікавить тиск в колекторі у випускного клапана у момент його відкриття. Зрозуміло, що ніж менший тиск, а краще навіть нижче атмосферного, вдасться отримати, тим більше буде перепад тиску від впускного колектора до випускного, тим більший заряд отримає циліндр у фазі впускання.
Почнемо з достатньо очевидних речей. Випускна труба служить для відведення вихлопних газів за межі кузова автомобіля. Абсолютно зрозуміло, що вона не повинна чинити істотного опору потоку. Якщо по якій те причині у випускній трубі з'явився сторонній предмет, що закриває потік газів (наприклад, сусіди пожартували і засунули у вихлопну трубу картоплю), то тиск у випускній трубі не встигатиме падати, і у момент відкриття випускного клапана тиск в колекторі протидіятиме очищенню циліндра. Коефіцієнт наповнення впаде, оскільки велика кількість відпрацьованих газів, що залишилася, не дозволить наповнити циліндри в колишньому ступені свіжій сумішшю. Відповідно, двигун не зможе виробляти колишній момент, що обертає.
Вельми важливо розуміти, що розміри труби і конструкція глушників шуму в серійному автомобілі досить добре відповідають кількості відпрацьованих газів, що виробляються двигуном в одиницю часу. Як тільки серійний двигун піддався змінам з метою збільшення потужності (будь то збільшення робочого об'єму або збільшення моменту на високих оборотах), відразу збільшується витрата газу через випускну трубу і слід відповісти на питання, а не чи створює тепер в нових умовах надмірного опору серійна випускна система. Отже з розгляду першого процесу, позначеного нами, слід зробити вивід про достатність розмірів труб. Абсолютно зрозуміло, що після деякого розумного розміру збільшувати перетин труб для конкретного двигуна безглуздо, поліпшення не буде. А відповідаючи на питання, де ж потужність, можна сказати, що тут головне не втратити, прибрести ж нічого неможливо.
З практики можу сказати, що для двигуна об'ємом 1600 куб. см, що має хороший момент, що обертає, до 8000 про./мин., цілком достатньо труби діаметром 52 мм. Як тільки ми говоримо про опір у випускній системі, необхідно згадати про такий важливий елемент, як глушник шуму. Оскільки у будь-якому випадку глушник створює опір потоку, то можна сказати, що кращий глушник – повна його відсутність. На жаль, для дорожнього автомобіля це можуть собі дозволити тільки відчайдушні хами.
Боротьба з шумом – це, як ні верти, турбота про наше з вами здоров'я. Не тільки у повсякденному житті, але і в автоспорті діють обмеження на шум, вироблюваний двигуном автомобіля. Повинен сказати, що в більшості класів спортивних автомобілів шум випуску обмежений рівнем 100 дб. Це досить лояльні умови, але без глушника жоден автомобіль не відповідатиме техтребованіям і не зможе бути допущеним до змагань. Тому вибір глушника – завжди компроміс між його здатністю поглинати звук і низьким опором потоку.
Тепер, напевно, слід уявити собі, яким чином звук гаситься в глушнику.
Акустичні хвилі (шум) несуть в собі енергію, яка порушує наш слух. Завдання глушника полягає в тому, щоб енергію коливань перевести в теплову. За способом роботи глушники треба розділити начетире групи. Це обмежувачі, відбивачі, резонатори і поглиначі.
Обмежувач
Принцип його роботи простий. У корпусі глушника є істотне зауженіє діаметру труби, якийсь акустичний опір, а за ним відразу великий об'єм, аналог ємкості. Продавлюючи через опір звук, ми коливання згладжуємо об'ємом. Енергія розсівається в дроселі, нагріваючи газ. Чим більше опір (менше отвір), тим ефективніше згладжування. Але тим більше опір потоку. Напевно, поганий глушник. Проте як попередній глушник в системі – досить поширена конструкція.
Відбивач
У корпусі глушника організовується велика кількість акустичних дзеркал, від яких звукові хвилі відбиваються. Відомо, що при кожному віддзеркаленні частина енергії втрачається, витрачається на нагрів дзеркала. Якщо влаштувати для звуку цілий лабіринт з дзеркал, то врешті-решт ми розсіємо майже всю енергію і назовні вийде вельми ослаблений звук. За таким принципом будуються пістолетні глушники. Значно краща конструкція, проте оскільки в надрах корпусу ми змусимо також газовий потік міняти напрям, то все одно створимо деякий опір вихлопним газам. Така конструкція найчастіше застосовується в крайових глушниках стандартних систем.
Резонатор
Глушники типу резонатора використовують замкнуті порожнини, розташовані поряд з трубопроводом і сполучені з ним поряд отворів. Часто в одному корпусі буває два не рівні об'єми, розділених глухою перегородкою. Кожен отвір разом із замкнутою порожниною є резонатором, збудливим коливання власної частоти. Умови розповсюдження резонансної частоти різко міняються, і вона ефективно гаситься унаслідок тертя частинок газу в отворі. Такі глушники ефективно в малих розмірах гасять низькі частоти і застосовуються в основному як попередні, перші у випускних системах. Істотного опору потоку не чинять, оскільки перетин не зменшують.
Поглинач
Спосіб роботи поглиначів полягає в поглинанні акустичних хвиль якимсь пористим матеріалом. Якщо ми звук направимо, наприклад, в скловату, то він викличе коливання волокон вати і тертя волокон один об одного. Таким чином, звукові коливання будуть перетворені в тепло. Чи поглинете дозволяють побудувати конструкцію глушника без зменшення перетину трубопроводу і навіть без вигинів, оточивши трубу з отворами, що прорізають в ній, шаром поглинаючого матеріалу. Такий глушник матиме мінімально можливий опір потоку, проте і найгірше знижує шум.
Треба сказати, що серійні випускні системи використовують в більшості випадків різні комбінації всіх приведених способів. Глушників в системі буває два, а іноді і більше. Слід звернути увагу на особливість конструкцій глушників, яка у разі самостійного виготовлення не дозволяє досягти ефективного зниження шуму, хоча здається, що все зроблено правильно. Якщо усередині глушника у його стінок немає поглинаючого матеріалу, то джерелом звуку стають стінки корпусу.
Багато хто помічав, що деякі глушники мають зовні азбестове обкладання, притиснуте додатковим листом фальшкорпуса. Це і є та міра, яка дозволить обмежити випромінювання через стінки і запобігти нагріву сусідніх елементів автомобіля. Така міра характерна для глушників першого і другого типів.
Є ще одна обставина, яку не можна обійти увагою в статті про тюнінге. Це тембр звуку. Часто побажання клієнта до тюнінгової компанії полягають в тому, щоб за допомогою заміни глушника добитися "благородного" звучання мотора. Треба відмітити, що якщо вимоги до випускної системи не розповсюджуються далі за зміну "голосу", то за дача істотно спрощується. Можна сказати, що, найімовірніше, для таких цілей більше підходить глушник поглинювального типу. Його об'єм, кількість набивання, а також саме набивання визначають спектр частот, що інтенсивно поглинаються. Практично будь-яке м'яке набивання поглинає більшою мірою високочастотну складову, додаючи бархатистість звуку. Глушники типу резонатора гасять низькі частоти. Таким чином, варіюючи розміри, вміст і набір елементів, можна підібрати тембр звучання.
Тепер можна перейти до питання, найбільш популярного і складнішого. Яким чином двигун завдяки настройці випускної системи може отримати додаткову потужність?
Як ми вже з'ясували, коефіцієнт наповнення, що обертає момент і потужність залежать від перепаду тиску між впускним і випускним колекторами у фазі продування. Випускну систему можна побудувати таким чином, що ударні хвилі, що розповсюджуються в трубах, відбиваючись від різних елементів системи, повертатимуться до випускного клапана у вигляді стрибка тиску або розрідження.
Звідки ж з'явиться розрідження, запитаєте ви. Адже в трубу ми завжди тільки нагнітаємо і ніколи не відсисаємо. Річ у тому, що через інерцію газів за стрибком тиску завжди слідує фронт розрідження. Саме фронт розрідження цікавить нас більше всього. 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. Річ у тому, що час дії фронту вельми незначний. А час відкриття випускного клапана, коли фронт розрідження може створити корисну для нас роботу, сильно залежить від швидкості обертання двигуна.
Та і 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 покидають циліндр. Якщо у цей момент хвиля розрідження досягне випускного клапана, маловірогідно, що вона зможе вплинути на процес очищення. А ось кінець випуску цікавіший. Тиск в циліндрі вже впав майже до атмосферного. Поршень знаходиться біля ВМТ, значить, об'єм над поршнем мінімальний. Та ще впускний клапан вже прочинений. Пам'ятаєте? Такий стан (фаза перекриття) характеризується тим, що впускний колектор через камеру згорання сполучається з випускним. Ось тепер, якщо фронт разів реженія досягне випускного клапана, ми зможемо істотно поліпшити коефіцієнт наповнення, оскільки навіть за короткий час дії фронту вдасться продути маленький об'єм камери згорання і створити розрідження, яке допоможе розгону топлівовоздушной суміші в каналі впускного колектора.
А якщо уявити собі, що як тільки всі відпрацьовані гази покинуть циліндр, а розрідження досягне свого максимального значення, випускний клапан закриється, ми зможемо у фазі впускання 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, неначебто ми нагнітали тиск у впускному колекторі за допомогою компресора. Врешті-решт, яка різниця, яким чином створений перепад тиску, що заштовхує свіжу суміш в камеру згорання, за допомогою нагнітання з боку впускання або розрідження в циліндрі? Такий ось процес може цілком відбуватися у випускній системі ДВС. Залишилася суща дрібниця. Потрібно такий процес організувати.
