Программа для расчета глушителя автомобиля
Постройка грамотной выпускной системы. /Часть 1. Теоретический расчет и проектирование/
Потянул меня чёрт лысый построить выхлопную систему.
Настоящий кастом. Не заезженный Фуджитсубо, Танабе или, боже упаси, китайский ибейный выпуск.
Для этого надо было узнать, каким образом рассчитывается выпускной тракт атмосферных 4-тактных двигателей.
Начал перелопачивать интернет. Думаю, в странах бывшего СССР всяких кулибиных много, кто-то точно задавался этим вопросом! Разочаровался. Перелопатив кучу авто-форумов я не нашел ничего полезного. Отрывки разных формул, которые противоречат друг другу, формулы, которые противоречат теории и море флуда! Бессмысленного отвратительного глупого флуда… Как оказалось, наши «кулибины» на просторах инета только пи%деть горазды.
Ну ладно. Где наши не могут — европейцы или американцы помогут. Начал искать на англоязычных ресурсах.
Практически сразу же нашел парочку сайтов о выпуске и других автомобильных системах, где всё написано правильно, грамотно, понятно, с графиками и иллюстрациями.
В частности, очень понравился сайт одного человека, который несколько лет изучал вопрос постройки кастом выпусков для своих проектов (хотроды) и даже создавал однажды выпуск вместе с одной американской конторой по созданию выхлопных систем. На сайте он собрал в одном месте всю необходимую информацию, за что ему хочется сказать «спасибо!».
После этого я собрал все необходимые данные по своему SR20DE, а именно диаметр цилиндров, ход поршней, фазы газораспределения.
Пока что я никакой конкретной информации по проектированию выпуска говорить не стану. Хочу построить свою систему, проверить ее на практике и, если будет позитивный результат, уже тогда с уверенностью утверждать, что данная теория работает и расчеты верны.
Основное преимущество этой теории — возможность перемещать планку крутящего момента относительно оборотов двигателя.
Вначале хотел с помощью нового выпуска сместить планку крутящего момента ближе к средним оборотам (3600-4000). Почему? Потому что я строю не драг-корчЪ, а машину для собственного удовольствия. На высоких оборотах я езжу два раза в год, а на средних довольно часто. Вот поэтому хочется сместить планку момента поближе к «рабочей зоне».
Но это потребовало бы полную переделку выпуска, то есть создание полностью нового выпуска начиная с коллектора и до конца.
А тут вступает в силу второй момент: я хочу эту систему создать полностью своими руками! А без опыта сварить правильный коллектор с плавными изгибами нереально.
Поэтому я решил плясать от того, что есть, а именно — выпускной коллектор от 100nx GTi.
По параметрам он отлично вписывается для создания пика крутящего момента в районе 4300 об/мин. Так что остальная часть тракта тоже будет рассчитана на обороты 4300. Вся система должна работать, как одно целое. Только тогда можно добиться эффективности близкой к 100%.
Короче, вот результаты моих расчетов (они могут в процессе немного корректироваться, но концепция не изменится) /см. рисунок/ :
Первичные трубы: диаметр 35 мм, длина 381 мм (Коллектор 100нх. Эти параметры меняться не будут точно.)
Вторичные трубы: диаметр 46.23 мм, длина 711.2 мм
Коллектор: длина 139.09 мм
Приемная труба: диаметр 47,35 мм, длина 1039,47 мм.
После всего этого будет резонатор и в самом конце глушитель.
Поскольку труб с внутренним диаметром 46,23 и 47,35 мм нет, а есть стандартный ряд размерностей труб, то планирую использовать трубы из полированной нержавейки 50,8х1,5 (50,8 — внешний диаметр (внутренний получается 47,8мм), 1,5 — толщина стенок), колена 90 градусов той же размерности.
С таким раскладом я смогу использовать те резонатор и глушитель, которые сейчас установлены.
Вот пока что как-то так получилось по мат.части… Результат более, чем недели поисков, размышлений, подсчетов…
П.С. Как писал выше, ссылочку на американского дядьку на дам, пока не проверю все на своей шкуре. Кому не терпится — вот литература, из которой всё было взято изначально «Scientific Design of Exhaust and Intake Systems» Philip H. Smith and John C. Morrison
Постройка грамотной выпускной системы. /Часть 2. Годы раздумий и постройка за 1 день/
Так вот, Я ЭТО СДЕЛАЛ! Выпуск SHAMAN-cust0ms 🙂
Где-то полгода назад я решил, что пора это наконец-то сделать и проверить.
После этого последовали месяцы повторного глубокого изучения принципов постройки выпуска и поиск корректных калькуляторов для расчета.
Поделюсь с вами результатами своих долгих поисков.
1) A. Graham Bell — все книги. Обязательно к прочтению! Можно купить на Amazon.com, либо найти некоторые книги на Торрентах.
2) Калькуляторы от простых до сложных и от бесплатных до платных:
а) RS Motors постройка выхлопа для мотоциклов. Принцип похож.
б) Daihatsu Rally сложный калькулятор.
в) Wallace Racing сборник разных полезных калькуляторов.
г) horsepowercalculators.net платный калькулятор плюс два видео о расчете выпуска.
В двух словах смысл в следующем.
На высоких оборотах играет роль диаметр и длина первычных труб коллектора (от портов ГБЦ до соединения 4-2). На низких оборотах играет роль диаметр и длина первычных и вторичных друб (от портов ГБЦ до соединения 2-1).
Чем больше диаметр и чем меньше длина — тем большие обороты ДВС понадобятся чтоб выпуск заработал оптимально. И наоборот.
Перейдем к практике.
Много лет назад был установлен коллектор от 100nx GTI. Его изначально решил не трогать т.к. переделать коллектор трудно, затратно и в случае неудачи найти еще один такой очень проблемно.
Приемная труба от Primera P10 GT. Длина вторичных труб 190 мм, диаметр 44 мм. Решил доработать её.
Делать всё было решено с минимальным бюджетом.
Из материалов были использованы трубы фирмы Bosal, а именно прямая труба диаметром 48 мм и два уголка 90° диаметра 48 мм. Если нужны артикулы — могу поделиться каталогом. А также комплект новых оригинальных прокладок и китайская термолента.
Утро началось с прекрасного 🙂 Железные розы — это нечто 🙂
Сняли приемную трубу. Отрезали фланец и начали плясать от него.
Отмерили и приварили к фланцу два уголка.
Потом доварили 30-сантиметровые куски трубы и приварили соединение 2-1.
Естественно, это заняло кучу времени потому что по 100 раз примерялось, прихватывалось, опять примерялось, гнулось, резалось, опять варилось и так по кругу.
К вечеру получился готовый продукт. Вторичные трубы диаметром 48 мм и длиной 770 мм.
Соединение 2-1 как раз перед стабилизатором.
Почистили и покрасили термокраской, чтоб швы не ржавели.
Потом установка выпуска на место.
И доработка среднего кронштейна (родной напрочь сгнил)
И да! Гофры нет и не будет. Решено от нее отказаться т.к. родные резиновые подвесы достаточно мягкие для гашения вибраций и у выхлопной системы по прежнему достаточно места для передвижения вперед-назад и в стороны, чтоб ничего не задевать и не создавать дополнительные вибрации.
Осталось заварить одну маленькую дырочку возле резонатора и поменять кусок трубы перед глушителем и выпуск полностью закончен.
Небольшое отступление — никогда не покупайте крашенную термоленту! Я купился на красивый внешний вид. А в результате краска выгорела буквально за час работы двигателя. При этом дико дымит и сволочь воняет.
А теперь к результату всех этих манипуляций.
Попомер говорит, что ощутимо прибавилось тяги на низких оборотах, начиная с 2500 об\мин, что сделало езду по городу намного комфортнее и динамичнее.
К сожалению, замеры на старом выпуске я сделать не мог т.к. за 1 день до запланированных тестов лопнул привод.
Тем не менее, для меня стало неожиданностью, что на высоких оборотах динамика не пострадала ни на процент. Я рассчитывал, что крутящий момент уйдет вниз и даст прибавку на низах за счет потери на верхах. А в результате разгон на верхах никак не изменился, что меня очень порадовало.
Так что рекомендую подобную конфигурацию для атмосферных моторов и езды на низких оборотах. Для высоких оборотов делайте коллектор 4-1.
UPDATE или учитесь на моих ошибках:
1) В части 2-1 трубы варить РАЗДЕЛЬНО! Иначе со временем в месте сварки двух параллельных труб шов начнет пропускать и хрен вы туда подлезете, чтоб заварить.
2) Гофру ставим обязательно! Хоть минимальную, но ставим! В идеале усиленную (interlock) и параллельно движению авто. Иначе привет вечная вибрация на определенных оборотах.
Программа для расчета глушителя автомобиля
Статья взята без изменений из журнала «Тюнинг» Санкт-Петербург.
Адрес автора : mailto:rally@pochtamt.ru
Т е к с т Александр Пахомов
Едва ли не самая популярная тема во всех «курилках», так или иначе связанных с тюнингом автомобилей, – выпускные системы двигателей. По крайней мере, я чаще отвечаю на вопросы о выхлопе, чем о клапанах, головках, коленвалах и прочих составляющих настройки двигателей. Причем диапазон вопросов примерно следующий: от «скажите, а как применить формулу для вычисления резонансной частоты (приводится соотношение для резонатора Гельмгольца) к четырехдроссельному впуску?» до «мне друг подарил «паук» со своего спортивного «гольфа». Сколько прибавится лошадиных сил, если я его установлю на свой автомобиль?» или «я строю себе мотор. Какой глушитель купить, чтобы было больше мощности?», или «сколько лошадиных сил прибавится, если я вместо катализатора установлю резонатор?». Причем во всех вопросах красной линией проходит добавочная мощность.
ТАК ДАВАЙТЕ ДЛЯ НАЧАЛА РАЗБЕРЕМСЯ, ГДЕ ЖЕ ЛЕЖИТ ЭТА ДОБАВОЧНАЯ МОЩНОСТЬ. И ПОЧЕМУ ВЫПУСКНОЙ ТРАКТ ВЛИЯЕТ НА РАБОТУ МОТОРА.
Если мы все дружно понимаем, что мощность есть произведение вращающего момента на скорость вращения коленчатого вала (обороты), то понятно, что мощность – зависимая от скорости величина. Рассмотрим чисто теоретический двигатель (не важно, электрический он, внутреннего сгорания или турбореактивный), который отдает постоянный вращающий момент на оборотах от 0 до бесконечности. (кривая 2 на рис. 1 ) Тогда его мощность будет линейно расти с оборотами от 0 до бесконечности (кривая 1 на рис. 1 ).
Предмет нашего интереса – четырехтактные многоцилиндровые двигатели внутреннего сгорания в силу конструкции и процессов, в них происходящих, имеют рост момента с увеличением оборотов до его максимальной величины, и с дальнейшим увеличением оборотов момент сновападает (кривая 3 на рис. 1 ). Тогда и мощность будет иметь аналогичный вид (кривая 4 на рис. 1 ).
Абсолютное значение максимального момента при этом будет немного меньше, чем с более узкими фазами (кривая 5 на рис. 1 ). Существенное значение имеет так называемая фаза перекрытия. Дело в том, что при высокой скорости вращения определенное влияние оказывает инерция газов в двигателе. Для лучшего наполнения в конце фазы выпуска выпускной клапан надо закрывать несколько позже ВМТ, а впускной открывать намного раньше ВМТ. Тогда у двигателя появляется состояние, когда в районе ВМТ при минимальном объеме над поршнем оба клапана открыты и впускной коллектор сообщается с выпускным через камеру сгорания. Это очень важное состояние в смысле влияния выпускной системы на работу двигателя. Теперь, я думаю, пора рассмотреть функции выпускной системы.
Сразу скажу, что в выпускной системе присутствует три процесса. Первый – сдемпфированное в той или иной степени истечение газов по трубам. Второй – гашение акустических волн с целью уменьшения шума. И третий – распространение ударных волн в газовой среде. Любой из названных процессов мы будем рассматривать с позиции его влияния на коэффициент наполнения. Строго говоря, нас интересует давление в коллекторе у выпускного клапана в момент его открытия. Понятно, что чем меньшее давление, а лучше даже ниже атмосферного, удастся получить, тем больше будет перепад давления от впускного коллектора к выпускному, тем больший заряд получит цилиндр в фазе впуска.
Начнем с достаточно очевидных вещей. Выпускная труба служит для отвода выхлопных газов за пределы кузова автомобиля. Совершенно понятно, что она не должна оказывать существенного сопротивления потоку. Если по какой то причине в выпускной трубе появился посторонний предмет, закрывающий поток газов (например, соседи пошутили и засунули в выхлопную трубу картошку), то давление в выпускной трубе не будет успевать падать, и в момент открытия выпускного клапана давление в коллекторе будет противодействовать очистке цилиндра. Коэффициент наполнения упадет, так как оставшееся большое количество отработанных газов не позволит наполнить цилиндры в прежней степени свежей смесью. Соответственно, двигатель не сможет вырабатывать прежний вращающий момент.
Весьма важно понимать, что размеры трубы и конструкция глушителей шума в серийном автомобиле достаточно хорошо соответствуют количеству отработанных газов, вырабатываемых двигателем в единицу времени. Как только серийный двигатель подвергся изменениям с целью увеличения мощности (будь то увеличение рабочего объема или увеличение момента на высоких оборотах), сразу увеличивается расход газа через выпускную трубу и следует ответить на вопрос, а не создает ли теперь в новых условиях избыточного сопротивления серийная выпускная система. Так что из рассмотрения первого процесса, обозначенного нами, следует сделать вывод о достаточности размеров труб. Совершенно понятно, что после некоторого разумного размера увеличивать сечение труб для конкретного двигателя бессмысленно, улучшения не будет. А отвечая на вопрос, где же мощность, можно сказать, что тут главное не потерять, прибрести же ничего невозможно.
Из практики могу сказать, что для двигателя объемом 1600 куб. см, имеющего хороший вращающий момент до 8000 об./мин., вполне достаточно трубы диаметром 52 мм. Как только мы говорим о сопротивлении в выпускной системе, необходимо упомянуть о таком важном элементе, как глушитель шума. Так как в любом случае глушитель создает сопротивление потоку, то можно сказать, что лучший глушитель – полное его отсутствие. К сожалению, для дорожного автомобиля это могут себе позволить только отчаянные хамы. Борьба с шумом – это, как ни верти, забота о нашем с вами здоровье.
Не только в повседневной жизни, но и в автоспорте действуют ограничения на шум, производимый двигателем автомобиля. Должен сказать, что в большинстве классов спортивных автомобилей шум выпуска ограничен уровнем 100 дб. Это довольно лояльные условия, но без глушителя ни один автомобиль не будет соответствовать техтребованиям и не сможет быть допущенным к соревнованиям. Поэтому выбор глушителя – всегда компромисс между его способностью поглощать звук и низким сопротивлением потоку.
ТЕПЕРЬ, НАВЕРНОЕ, СЛЕДУЕТ ПРЕДСТАВИТЬ СЕБЕ, КАКИМ ОБРАЗОМ ЗВУК ГАСИТСЯ В ГЛУШИТЕЛЕ.
Акустические волны (шум) несут в себе энергию, которая возбуждает наш слух. Задача глушителя состоит в том, чтобы энергию колебаний перевести в тепловую. По способу работы глушители надо разделить начетыре группы. Это ограничители, отражатели, резонаторы и поглотители.
Принцип его работы прост. В корпусе глушителя имеется существенное заужение диаметра трубы, некое акустическое сопротивление, а за ним сразу большой объем, аналог емкости. Продавливая через сопротивление звук, мы колебания сглаживаем объемом. Энергия рассеивается в дросселе, нагревая газ. Чем больше сопротивление (меньше отверстие), тем эффективней сглаживание. Но тем больше сопротивление потоку. Наверное, плохой глушитель. Однако в качестве предварительного глушителя в системе – довольно распространенная конструкция.
В корпусе глушителя организуется большое количество акустических зеркал, от которых звуковые волны отражаются. Известно, что при каждом отражении часть энергии теряется, тратится на нагрев зеркала. Если устроить для звука целый лабиринт из зеркал, то в конце концов мы рассеем почти всю энергию и наружу выйдет весьма ослабленный звук. По такому принципу строятся пистолетные глушители. Значительно лучшая конструкция, однако так как в недрах корпуса мы заставим также газовый поток менять направление, то все равно создадим некоторое сопротивление выхлопным газам. Такая конструкция чаще всего применяется в оконечных глушителях стандартных систем.
Глушители резонаторного типа используют замкнутые полости, расположенные рядом с трубопроводом и соединенные с ним рядом отверстий. Часто в одном корпусе бывает два не равных объема, разделенных глухой перегородкой. Каждое отверстие вместе с замкнутой полостью является резонатором, возбуждающим колебания собственной частоты. Условия распространения резонансной частоты резко меняются, и она эффективно гасится вследствие трения частиц газа в отверстии. Такие глушители эффективно в малых размерах гасят низкие частоты и применяются в основном в качестве предварительных, первых в выпускных системах. Существенного сопротивления потоку не оказывают, т.к. сечение не уменьшают.
Способ работы поглотителей заключается в поглощении акустических волн неким пористым материалом. Если мы звук направим, например, в стекловату, то он вызовет колебания волокон ваты и трение волокон друг о друга. Таким образом, звуковые колебания будут преобразованы в тепло. Поглотите ли позволяют построить конструкцию глушителя без уменьшения сечения трубопровода и даже без изгибов, окружив трубу с прорезанными в ней отверстиями слоем поглощающего материала. Такой глушитель будет иметь минимально возможное сопротивление потоку, однако и хуже всего снижает шум. Надо сказать, что серийные выпускные системы используют в большинстве случаев различные комбинации всех приведенных способов. Глушителей в системе бывает два, а иногда и больше. Следует обратить внимание на особенность конструкций глушителей, которая в случае самостоятельного изготовления не позволяет достичь эффективного снижения шума, хотя кажется, что все сделано правильно. Если внутри глушителя у его стенок нет поглощающего материала, то источником звука становятся стенки корпуса. Многие замечали, что некоторые глушители имеют снаружи асбестовую обкладку, прижатую дополнительным листом фальшкорпуса. Это и есть та мера, которая позволит ограничить излучение через стенки и предотвратить нагрев соседних элементов автомобиля. Такая мера характерна для глушителей первого и второго типов. Есть еще одно обстоятельство, которое нельзя обойти вниманием в статье о тюнинге. Это тембр звука.
Часто пожелания клиента к тюнинговой компании состоят в том, чтобы посредством замены глушителя добиться “благородного” звучания мотора. Надо заметить, что если требования к выпускной системе не распространяются дальше изменения “голоса”, то за дача существенно упрощается. Можно сказать, что, вероятнее всего, для таких целей больше подходит глушитель поглотительного типа. Его объем, количество набивки, а также сама набивка определяют спектр частот, интенсивно поглощаемых. Практически любая мягкая набивка поглощает в большей степени высокочастотную составляющую, придавая бархатистость звуку. Глушители резонаторного типа гасят низкие частоты. Таким образом, варьируя размеры, содержимое и набор элементов, можно подобрать тембр звучания.
ТЕПЕРЬ МОЖНО ПЕРЕЙТИ К ВОПРОСУ,НАИБОЛЕЕ ПОПУЛЯРНОМУ И БОЛЕЕ СЛОЖНОМУ. КАКИМ ОБРАЗОМ ДВИГАТЕЛЬ БЛАГОДАРЯ НАСТРОЙКЕ ВЫПУСКНОЙ СИСТЕМЫ МОЖЕТ ПОЛУЧИТЬ ДОПОЛНИТЕЛЬНУЮ МОЩНОСТЬ?
Как мы уже уяснили, коэффициент наполнения, вращающий момент и мощность зависят от перепада давления между впускным и выпускным коллекторами в фазе продувки. Выпускную систему можно построить таким образом, что распространяющиеся в трубах ударные волны, отражаясь от различных элементов системы, будут возвращаться к выпускному клапану в виде скачка давления или разрежения. Откуда же появится разрежение, спросите вы. Ведь в трубу мы всегда только нагнетаем и никогда не отсасываем.
Дело в том, что в силу инерции газов за скачком давления всегда следует фронт разрежения. Именно фронт разрежения интересует нас больше всего. Нужно только сделать так, чтобы он был в нужном месте в нужное время. Место нам уже хорошо известно. Это выпускной клапан. А время нужно уточнить. Дело в том, что время действия фронта весьма незначительное. А время открытия выпускного клапана, когда фронт разрежения может создать полезную для нас работу, сильно зависит от скорости вращения двигателя. Да и весь период фазы выпуска нужно разбить на две составляющие. Первая – когда клапан только что открылся. Эта часть характеризуется большим перепадом давления и активным истечением газов в выпускной коллектор. Отработанные газы и без посторонней помощи после рабочего хода покидают цилиндр. Если в этот момент волна разрежения достигнет выпускного клапана, маловероятно, что она сможет повлиять на процесс очистки. А вот конец выпуска более интересен. Давление в цилиндре уже упало почти до атмосферного. Поршень находится около ВМТ, значит, объем над поршнем минимален. Да еще впускной клапан уже приоткрыт. Помните? Такое состояние (фаза перекрытия) характеризуется тем, что впускной коллектор через камеру сгорания сообщается с выпускным.
Вот теперь, если фронт разрежения достигнет выпускного клапана, мы сможем существенно улучшить коэффициент наполнения, так как даже за короткое время действия фронта удастся продуть маленький объем камеры сгорания и создать разрежение, которое поможет разгону топливовоздушной смеси в канале впускного коллектора. А если представить себе, что как только все отработанные газы покинут цилиндр, а разрежение достигнет своего максимального значения, выпускной клапан закроется, мы сможем в фазе впуска получить заряд больший, чем если бы очистили цилиндр только до атмосферного давления.
Этот процесс дозарядки цилиндров с помощью ударных волн в выпускных трубах может позволить получить высокий коэффициент наполнения и, как следствие, дополнительную мощность. Результат его действия примерно такой, как если бы мы нагнетали давление во впускном коллекторе с помощью компрессора. В конце концов, какая разница, каким образом создан перепад давления, заталкивающий свежую смесь в камеру сгорания, с помощью нагнетания со стороны впуска или разрежения в цилиндре? Такой вот процесс может вполне происходить в выпускной системе ДВС. Осталась сущая мелочь. Нужно такой процесс организовать.
Первым необходимым условием дозарядки цилиндров с помощью ударных волн надо назвать существование достаточно широкой фазы перекрытия. Строго говоря, нас интересует не столько сама ширина фазы как геометрическая величина, сколько интервал времени, когда оба клапана открыты. Без особых разъяснений понятно, что при постоянной фазе с увеличением скорости вращения время уменьшается. Из этого автоматически следует, что при настройке выпускной системы на определенные обороты одним из варьируемых параметров будет ширина фазы перекрытия. Чем выше обороты настройки, тем шире нужна фаза. Из практики можно сказать, что фаза перекрытия менее 70 градусов не позволит иметь заметный эффект, а значение для настроенных на обычные 6000 об/мин систем составляет 80 – 90 градусов.
Конструкция его проста. Четыре так называемые первичные трубы, отводящие газы от цилиндров, плавно изгибаясь и приближаясь друг к другу под небольшим углом, соединяются в одну вторичную трубу, имеющую площадь сечения в два-три раза больше, чем одна первичная. Длина от выпускных клапанов до места соединения нам уже известна – для 6000 об/мин примерно 820 мм. Работа такого состоит в том, что следующий за ударной волной скачок разрежения, достигая места соединения всех труб, начинает распространяться в обратном направлении в остальные три трубы. В следующем по порядку работы цилиндре в фазе выпуска скачок разрежения выполнит нужную для нас работу.
Тут надо сказать, что существенное влияние на работу выпускной системы оказывает также длина вторичной трубы. Если конец вторичной трубы выпущен в атмосферу, то импульсы атмосферного давления будут распространяться во вторичной трубе навстречу импульсам, сгенерированным двигателем. Суть настройки длины вторичной трубы состоит в том, чтобы избежать одновременного появления в месте соединения труб импульса разрежения и обратного импульса атмосферного давления. На практике длина вторичной трубы слегка отличается от длины первичных труб.
Для систем, которые будут иметь дальше глушитель, на конце вторичной трубы необходимо разместить максимального объема и максимальной площади сечения банку с поглощающим покрытием внутри. Эта банка должна как можно лучше воспроизводить акустические характеристики бесконечной величины воздушного пространства.
Следующие за этой банкой элементы выпускной системы, т.е. трубы и глушители, не оказывают никакого воздействия на резонансные свойства выпускной системы. Их конструкцию, влияние на сопротивление потоку, на уровень и тембр шума мы уже обсудили. Чем ниже избыточное давление они обеспечат, тем лучше.
Итак, мы уже рассмотрели два варианта построения настроенной на определенные обороты выпускной системы, которая за счет дозарядки цилиндров на оборотах резонанса увеличивает вращающий момент. Это четыре отдельные для каждого цилиндра трубы и так называемый «паук» «четыре в один».
Следует также упомянуть о варианте «два в один – два в один» или «два Y», который наиболее часто встречается в тюнинговых автомобилях, так как легко компонуется в стандартные кузова и не слишком сильно отличается по размерам и форме от стандартного выпуска. Устроен он достаточно просто. Сначала трубы соединяются попарно от первого и четвертого цилиндров в одну и второго и третьего в одну как цилиндров, равноотстоящих друг от друга на 180 градусов по коленчатому валу. Две образовавшиеся трубы также соединяются в одну на расстоянии, соответствующем частоте резонанса. Расстояние измеряется от клапана по средней линии трубы. Попарно соединяющиеся первичные трубы должны соединяться на расстоянии, составляющем треть общей длины.
Один из часто встречающихся вопросов, на которые приходится отвечать, это какой «паук» предпочесть. Сразу скажу, что ответить на этот вопрос однозначно нельзя. В некоторых случаях стандартный выпускной коллектор со стандартной приемной трубой работает абсолютно так же. Однако сравнить упомянутые три конструкции, несомненно, можно.
Тут надо обратиться к такому понятию, как добротность. Постольку, поскольку настроенный выпуск суть есть колебательная система, резонансные свойства которой мы используем, то понятно, что ее количественная характеристика – добротность – вполне может быть разной. Она действительно разная. Добротность показывает, во сколько раз амплитуда колебаний на частоте настройки больше, чем вдали от нее. Чем она выше, тем больший перепад давления мы можем использовать, тем лучше наполним цилиндры и, соответственно, получим прибавку момента. Так как добротность – энергетическая характеристика, то она неразрывно связана с шириной резонансной зоны.
Не вдаваясь в подробности, можно сказать, что если мы получим большой выигрыш по моменту, то только в узком диапазоне оборотов для высокодобротной системы. И наоборот, если диапазон оборотов, в котором достигается улучшение, велик, то по величине выигрыш незначительный, это низкодобротная система.. На рис 2 по вертикальной оси отложено давление – разрежение, получаемое в районе выпускного клапана, а по горизонтальной оси – обороты двигателя. Кривая 1 характерна для высокодобротной системы. В нашем случае это четыре раздельные трубы, настроенные на 6000 об/мин.
Первый. Так как вращающий момент пропорционален перепаду давления, то наибольший прирост даст высокодобротная система номер один. Однако в узком диапазоне оборотов. Настроенный двигатель с такой системой будет иметь ярко выраженный в зоне резонанса. И совершенно никакой на других оборотах. Так называемый однорежимный или мотор. Такой двигатель, скорее всего, потребует многоступенчатую трансмиссию. Реально такие системы в автомобилях не применяются. Система второго типа имеет более характер, используется в основном для кольцевых гонок. Рабочий диапазон оборотов гораздо шире, провалы меньше. Но и прирост момента меньше.
Таким образом настроенный двигатель тоже не подарок, об эластичности и мечтать не приходится. Однако если главное – высокая скорость при движении, то под такой режим будет подстроена и трансмиссия, и пилот освоит способы управления. Система третьего типа еще ровнее. Диапазон рабочих оборотов достаточно широкий. Плата за такую покладистость – еще меньшая добавка момента, которую можно получить при правильной настройке. Такие системы используются для ралли, в тюнинге для дорожных автомобилей. То есть для тех автомобилей, которые ездят с частой сменой режимов движения. Для которых важен ровный вращающий момент в широком диапазоне оборотов.
Второй. Как всегда, бесплатных пряников не бывает. На вдвое меньших от резонансной частоты оборотах фаза отраженной волны повернется на 180 градусов, и вместо скачка разрежения в фазе перекрытия к выпускному клапану будет приходить волна давления, которая будет препятствовать продувке, то есть сделает желаемую работу наоборот. В результате на вдвое меньших оборотах будет провал момента, причем чем большую добавку мы получим вверху, тем больше потеряем внизу. И никакими настройками системы управления двигателем невозможно скомпенсировать эту потерю. Останется только мириться с этим фактом и эксплуатировать мотор в том диапазоне, который можно признать «рабочим».
Третий способ – несовпадение отверстий в головке и коллекторе. Отверстие в коллекторе большего размера, чем в головке, совпадающее по верхней кромке с отверстием в головке и не совпадающее примерно на 1 – 2 мм по нижней. Суть та же, что и в случае с конусом. Из головки в трубу – «по шерсти», обратно – «против шерсти». Два последних варианта нельзя считать исчерпывающими ввиду того, что «по шерсти» все-таки несколько хуже, чем гладкие трубы. В качестве лирического отступления могу сказать, что несовпадение отверстий – стандартное простое решение для многих серийных моторов, которое почему-то многие «тюнингаторы» считают дефектом поточного производства.
Третий. Следствие второго. Если мы настроим выпускную систему на резонансную частоту, например 4000 об/ мин, то на 8000 об/мин получим вышеописанный «провал, если на этих оборотах система окажется работоспособной.
Немаловажный аспект при рассмотрении работы настроенного выпуска – это требования к его конструкции с точки зрения акустических свойств. Первое и самое важное – в системе не должно быть других отражающих элементов, которые породят дополнительные резонансные частоты, рассеивающие энергию ударной волны по спектру. Это значит, что внутри труб должны отсутствовать резкие изменения площади сечения, выступающие внутрь углы и элементы соединения. Радиусы изгиба должны быть настолько большими, насколько позволяет компоновка мотора в автомобиле. Все расстояния по средней линии трубы от клапана до места соединения должны быть по возможности одинаковыми.
Второе важное обстоятельство состоит в том, что ударная волна несет в себе энергию. Чем выше энергия, тем большую полезную работу мы можем от нее получить. Мерой энергии газа является температура. Поэтому все трубы до места их соединения лучше теплоизолировать. Обычно трубы обматывают теплостойким, как правило, асбестовым материалом и закрепляют его на трубе с помощью бандажей или стальной проволоки.
Раз уж сейчас говорим о конструкции выпускной системы, нужно упомянуть о таком элементе конструкции, как гибкие соединения. Дело в том, что для переднеприводных автомобилей с поперечно расположенным силовым агрегатом существует проблема компенсации перемещений мотора относительно кузова. Так как опоры двигателя при такой компоновке принимают на себя весь реактивный момент от приводных валов ведущих колес, крены силового агрегата относительно кузова в продольном направлении могут иметь значительную величину.
Конечно, величина отклонения сильно зависит от жесткости опор, однако нередко перемещения головки блока достигают величины 20 – 50 мм при переходе от торможения двигателем к разгону на низших передачах. В случае, если мы не позволим выпускной системе свободно изгибаться и сделаем ее абсолютно жесткой, конец глушителя должен будет совершать колебания вверх-вниз с амплитудой 500 – 600 мм, что определенно превышает разумную величину дорожного просвета значительной части автомобилей. Если мы попытаемся в таком случае закрепить трубу за кузов, то подвеска глушителя начнет играть роль дополнительной опоры силового агрегата и принимать на себя реактивный момент ведущих колес. В результате или непрерывно будут рваться подвесные элементы выпускной системы, или ломаться трубы. Для того чтобы избавиться от такого нежелательного явления, применяют гибкие соединения между трубами выпускной системы, позволяя приемной трубе перемещаться вместе с мотором, а всей остальной системе оставаться параллельной кузову.
Есть несколько конструкций, позволяющих решить эту задачу. Две самые распространенные – гофрированная гибкая труба или шаровое соединение в виде полусферической шайбы с поджатой пружинами к ней ответной части. Гибкое соединение располагают как можно ближе к оси поворота силового агрегата на опорах, чтобы уменьшить перемещение труб относительно кузова. Для настроенных выпускных систем шаровое соединение предпочтительно. Внутренняя поверхность гофрированной вставки искажает форму трубы, что приводит к появлению паразитных частот резонанса.
В качестве лирического отступления следует упомянуть, что для автомобилей такой компоновки при увеличении мощности в результате доработок двигателя и как следствие увеличения момента на передней ведущей оси, стандартные опоры силового агрегата окажутся перегруженными и позволят двигателю в подкапотном пространстве с размахом, вполне вероятно превышающим разумные пределы.
Теперь, после того как стали ясны процессы, происходящие в выпускной системе, вполне можно перейти к практическим рекомендациям по настройке выпускных систем. Сразу скажу, что в такой работе нельзя полагаться на свои ощущения и необходимо «вооружиться» измерительной системой. Измерять она должна прямым или косвенным методом обязательно как минимум два параметра – вращающий момент и обороты двигателя.
Совершенно понятно, что лучший прибор – динамометрический стенд для двигателя. Обычно поступают следующим образом. Для подготовленного к испытаниям двигателя изготавливают экспериментальную выпускную систему. Так как мотор на стенде и нет ограничений в конфигурации труб из-за отсутствующего кузова, самые простые формы вполне применимы. Экспериментальная система должна быть удобной и максимально гибкой для изменения ее состава и длин труб.
Хороший и быстрый результат дают различного рода телескопические вставки, позволяющие менять длины элементов в разумных пределах. Если вы хотите добиться от вашей силовой установки максимальных параметров, вы должны быть готовы выполнить значительное количество экспериментов. Математический расчет и «попадание в яблочко» с первого раза исключите из рассмотрения, как событие чрезвычайно маловероятное. Его можно использовать как «приземление в заданном районе». Некоторую уверенность в том, что вы недалеко от истины, дают опыт и предыдущие эксперименты с аналогичными по характеристикам моторами, у которых были получены хорошие результаты.
Теперь можно начинать экспериментировать с различными приемными трубами. Цель – подобрать такую приемную трубу или «паук», а точнее ее длину, чтобы получить прирост момента на нужной частоте. При попадании в нужную точку динамометр сразу отзовется увеличением измеряемой силы. Быстрее всего результат будет получен, если использовать телескопические трубы и менять длину на работающем и нагруженном двигателе.
Меры безопасности будут нелишними, так как присутствует вероятность ожога, да и работающий с полной нагрузкой двигатель опасен в смысле разрушения. Известны случаи, когда при аварии обломки блока цилиндров пробивали кузов автомобиля и влетали в кабину водителя. После того как будет найдена конфигурация «паука», можно приступать к настройке вторичной трубы аналогичным образом. Как я уже говорил, влияние всех остальных элементов выпускной системы сводится к тому, чтобы не потерять уже достигнутого. Поэтому достаточно планируемые к установке в автомобиль трубы и глушителъ пристыковать к найденным и настроенным первым двум элементам и убедиться, что настройки сохранились или существенно не ухудшились. Далее можно уже приступать к проектированию и изготовлению рабочей системы, которая будет соответствовать автомобилю и разместится в предназначенном для нее туннеле кузова.
Должен сказать, что работа очень большая и маловероятно, что может быть выполнена без специального оборудования. Кроме того, необходимо иметь в виду, что на параметры настройки выпускной системы оказывают влияние многие факторы. Известный авторитет в области спортивных моторов в США Smokey Yunick считает, что совместной настройке подлежит выпускная система, впускные и выпускные каналы головки, форма камеры сгорания, фазы газораспределения (распредвал), фазировка двигателя, впускной коллектор, система питания и система зажигания.
Он утверждает, что любое изменение в одной из названных компонент обязательно влечет за собой перенастройку всех остальных для того, чтобы в худшем случае не навредить, а в лучшем достичь большей эффективности мотора. Как минимум понятно, что в фазе перекрытия, когда настроенная выпускная система выполняет полезную работу, мы имеем дело со сквозным потоком газов из впускного в выпускной коллектор через камеру сгорания. Впускной коллектор точно так же, как и выпускная система, может рассматриваться как колебательная акустическая система со своими резонансными свойствами. Так как цель настройки состоит в получении максимального перепада давления, роль впускного коллектора, а точнее его геометрии, очевидна. Ее влияние для моторов с широкой фазой перекрытия может оказаться меньше, чем от выпуска в силу меньшей энергетики, однако совместная настройка категорически необходима. Для узкофазных моторов (читай – серийных) настройка впускного коллектора, пожалуй, единственный способ получить резонансный наддув.
Пару слов хотелось бы сказать о разнице в настройке впрыскного и карбюраторного моторов.
Во-первых, у впрыскного мотора конструкция впускного коллектора может быть любая, так как мы не связаны с конструктивными особенностями карбюратора, а значит, возможности настройки гораздо шире.
Во-вторых, у него на кратных частотах отрицательное влияние обратного перепада давления существенно ниже. Карбюратор на любое движение воздуха в диффузоре распыляет топливо. Поэтому для кратных частот характерно переобогащение смеси из-за того, что один и тот же объем воздуха сначала движется через карбюратор из камеры сгорания к фильтру, а затем в том же такте обратно. В случае электронной системы впрыска количество топлива может быть строго отрегулировано с помощью программы управления. Также программируемый угол опережения зажигания может помочь уменьшить на этих оборотах вредное влияние обратной волны, не говоря уже об управлении теми заслонками на выхлопе, которые уже упоминались.
И, в‑третьих, требование качественного приготовления смеси на низких оборотах диктует необходимость применять сужающееся сечение в карбюраторе, известное как диффузор, что создает дополнительное сопротивление потоку на высоких оборотах.
Ради справедливости надо сказать, что горизонтальные сдвоенные карбюраторы Вебер, Деллорто или Солекс частично решают эту проблему, позволяя каждому цилиндру дать трубу необходимой длины с целью настройки на нужные обороты, иметь достаточно большое сечение, но с переобогащением все равно бороться не в силах.
Есть еще один прием, позволяющий повысить эффективность выпускной системы. Применяется он в основном в тюнинге, так как при определенных эстетических наклонностях конструктора позволяет создать броский внешний вид автомобиля. Где-нибудь, как минимум на фотографиях авто американских любителей, вы наверняка видели автомобили с поднятыми из-под заднего бампера чуть ли не до крыши концами выпускных труб. Идея такой конструкции состоит в том, что при движении за задним срезом автомобиля создается «воздушный мешок», или зона разрежения. Если найти то место, где разрежение максимально, и конец выхлопной трубы поместить в эту точку, то уровень статического давления внутри выпускной системы мы понизим. Соответственно статический уровень давления у выпускного клапана упадет на ту же величину. Постольку, поскольку коэффициент наполнения тем выше, чем ниже давление у выпускного клапана, такое решение можно считать удачным.
В заключение хочу сказать, что при кажущейся простоте установка другой, отличной от серийной выпускной системы, как бы она ни была похожа на то, что применяется в спорте, вовсе не гарантирует вашему автомобилю дополнительных лошадиных сил. Если у вас нет возможности провести настройки для вашего конкретного варианта мотора, то самый разумный путь состоит в том, что вы купите полный комплект комплектующих для доработки мотора у того, кто эти испытания уже выполнил и заранее знает результат. Вероятно, комплект должен включать в себя как минимум распредвал, впускной и выпускной коллекторы и программу для вашего блока управления двигателем.