Расчет выхлопной системы автомобиля на штатный мотор

Как построить правильный выхлоп? Часть 2. Расчет выпускного коллектора (паука)

Перед прочтением данного материала рекомендую прочесть сначала первую часть для того чтобы иметь представление, о чем пойдет далее речь

Итак, в выпускном коллекторе в первоначальный момент сгоревшая порция топливовоздушной смеси выходя из цилиндра создает избыточное давление, которое потом распространяется в направления конца выхлопной системы. Как только выхлопные газы достигнут внешней атмосферы волна избыточного давления рассеивается, создавая при этом волну разряжения. Данная волна имеет некоторую энергию, которая может быть использована для более эффективного оттока выхлопных газов. Искусство построения выхлопных систем состоит в том, чтобы подобрать длину и толщину выхлопной трубы чтобы эта обратная волна приходила обратно к цилиндрам в нужный момент.

В идеале размер и длину выпускной системы нужно подбирать под параметры того распредвала который установлен в двигателе и делать это желательно на диностенде. Но если понимать какие параметры выхлопа на что влияют, то можно достигнуть хороших результатов и без диностенда.

Диаметр труб выпускного коллектора влияет на скорость прохождения выхлопных газов. Большой диаметр труб, относительно размера цилиндра будет уменьшать скорость потока. Увеличения диаметра трубы смещает пик момента двигателя в зону более высоких оборотов.

Изменения длинны труб влияет на характеристику мощности двигателя в районе максимального момента. Увеличение длинны труб повышает мощность двигателя в зоне низких и средних оборотов при этом уменьшает её в зоне высоких. Короткие трубы увеличивают мощность на высоких оборотах при этом снижая ее в зоне средних. Также при изменении длинны максимальный крутящий момент может незначительно меняться или сдвигаться по оборотам.

Создавая свой собственный выпускной коллектор или подбирая из готовых решений, можно опираться на следующие таблицы. Обращаю внимание что для городского, не спортивного двигателя нужно использовать минимальный диаметр, который указан в таблице. Диаметр указан по внешнему размеру трубы.
ВНИМАНИЕ: в таблицах указан внешний диаметр трубы (в отличии от формул)

Размер труб для широкофазных «спорт» валов

Для 4-х цилиндровых двигателей которые отмечены в таблице звездочкой (*) использовать диаметры на 3-6 мм больше

Размер труб для гражданских (и сток) валов

Для 4-х цилиндровых двигателей которые отмечены в таблице звездочкой (*) использовать диаметры на 3 мм больше

Формула для расчета длины труб:

Где rpm = обороты двигателя на которые настраивается выхлопная система, ED = 180 градусов плюс количество градусов, когда выпускной клапан открыт перед нижней мертвой точкой (НМТ, по англ. BDC).
Значение P получаем в дюймах, для перевода в миллиметры умножайте полученное значение на 25.4

Обозначение размеров для коллекторов 4-2-1 и 4-1 можно увидеть на схеме:

Для паука 4-2-1 длинна труб будет состоять из длинны первичных труб P1 плюс длинна вторичных труб P2. Для паука 4-1 P и есть длинна первичных труб.

Внутренний диаметр труб может быть посчитан по формуле:

Где cc – объем одного цилиндра в кубических сантиметрах, P – длинна труб в дюймах, значение ID (внутренний диаметр) получаем тоже в дюймах.
Внутренний диаметр вторичных труб для паука 4-2-1 труб получаем по формуле:

Где ID – посчитанный внутренний диаметр первичных труб в дюймах
Длинна первичных труб (P1) должна быть как минимум 381 мм (15 дюймов). Увеличение длинны первичных труб улучшит мощность на высоких оборотах, увеличение длинны вторичных труб – увеличит мощность на средних оборотах.
Необходимую длину вторичных труб можно рассчитать по простой формуле P2 = P – P1

В теории все выглядит прекрасно, но на практике часто все не работает как хотелось бы. Пауки построены по приведенным выше формулам работают хорошо и дают хорошую основу для экспериментов на диностенде или треке.
В связи с разной конфигурацией распредвалов, впускных коллекторов, портинга ГБЦ и т.д. длина и диаметр труб паука должна быть подогнана идеальным образом подходить под конкретный двигатель.
Если вы вдруг обнаружили что максимальный момент двигателя достигается при 7000 об/мин, а вы его хотите сместить к 6000, то нужно уменьшить диаметр первичных труб. В общем случае уменьшение диаметра трубы на 3 мм смещает пик момента вниз на 500-600 оборотов в двигателях большого объема и на 650-800 в двигателях меньше 2 л.

ЗЫ: также пишите комментарии понравилось или нет данная статья и возможно кто то что то может дополнить из практики/личного опыта.

Источник

Как рассчитать размер глушителя и Диаметр выхлопной трубы

Сухая теория
1. Диаметр выхлопной трубы завода, как правило подходит для большинства транспортных средств. За исключением заряженных авто с измененными фазами и объемом ДВС.

2. Производители производят расчет за вас- не нужно изобретать колесо. Если они говорят, что это будет работать для вашего автомобиля, это вероятно, будет работать для вашего автомобиля.

Мы попытаемся рассмотреть проблему с научной точки зрения

1) Масса воздуха, прокачиваемая системой + массы топлива = масса выхлопных газов
Сохранение массы, верно?

2) Для того, чтобы рассчитать объем потребляемого воздуха двигателем за один оборот коленчатого вала — мы умножим объем двигателя на обороты двигателя, и разделим на 2 (это займет два полных оборота для двигателя, чтобы исчерпать это весь объем воздуха). Мы затем преобразовать, что объема в массу.

3) Расчеты приводится с учетом погрешности полного сгорания топливно воздушной смеси.

4) После того, как вы рассчитаем массу выхлопных газов производим расчет объема выхлопных. Конечно, так же необходмо учитывать расширение газов при учеличении температуры в двигателе.

Вот это! Конечно, когда вы садитесь, чтобы понять это, вы обнаружите, что получаете хорошую научную оценку занимает много работы (который является, почему мы не возиться с ней здесь).
Способы расчета выхлопной системы (Очень приблизительно):
По лошадиным силам: В среднем система прокачивает 1,5 CFM (2,55 Метра кубических) на одну лошадиную силу. С Учетом расширения воздуха выхлопная система должна прокачивать 2.2 CFM (3,74 Метра кубических) на одну лошадиную силу. Так же следует учесть что наполнение целиндров падает более чем в 2 раза при увеличении оборотов двигателя (В зависимости от фаз впуска выпуска и перекрытия клапанов)

По объему двигателя: Количество оборотов коленчатого вала RPM умножаем на Объем двигателя делим на 2 (для 4-ех тактного двигателя 4-ех целиндрового двигателя).

Расчетная таблица. Подбор диаметра выхлопной системы 4-1, 4-2-1 исходя из нижеуказанной таблицы

Расчетный внутренний Диаметр трубы (мм) Объем прокачиваемого воздуха (метров кубических) Лошадиных сил (Max).
38 мм 290,7 155
41 мм 345,1 185
44 мм 406,3 217
51 мм 540,6 289
57 мм 693,6 371
64 мм 865,3 463
69 мм 1057,4 566
76 мм 1269,9 679
82 мм 1499,4 802
89 мм 1749,3 935
ПРИМЕЧАНИЕ: Цифры являются приблизительными базирующиеся на максимальную мощность Двигателя. Таблица не учитывает особенности Газо-распределительного механизма (Фаза впуска и выпуска, перекрытие итп)

В приведенной выше таблице, мы выяснили, что атмосферному двигателю с 155 л.с. требуется 40-овая труба. К примеру на автомобиль Лада Приора, Калина, Четырка, Десятка с мощностью менее 150 лошадиных сил — установка 50 трубы пойдет во вред.

Необходимо учитывать — что для турбированных моторов — совсем другой подход к расчету выхлопной системы

Источник

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

Источник

Выхлопные системы. Атмо Ч3

Извините, что долго не писал. Заработался, выходные с машиной, вообще некогда. Да и тема деликатная, инфы с испытаниями нет, на пиндосовских сайтах есть кое что, но фиг разберёшь… Да и расчёт выхлопа сложен, так как сделать то сделаешь, а с доказательной базой проблема большая. Редко кто захочет испытывать на своём авто разные диаметры, длины выхлопа, финансово затратно, неудобно. Так что тут будет физика и есть кое какие формулы для подсчёта.

Параметры выпускных систем на атмосферном двигателе напрямую связаны с валами, конкретно с шириной фазы выпуска и фазы перекрытия. И без параметров распредвалов никак нельзя подходить к проекту. Будем рассматривать на примере двс SR20VE, 4 цилиндра, 4 такта, всё как у большинства других моторов. Естественно на высоких кулачках.
Тем кто считать не хочет, листать вниз до следующего жирного шифра
Пока не выведены точные формулы, которые бы описывали явления, происходящие в выпуск­ных трубопроводах. В связи с этим расчет элементов вы­пускных систем весьма затруднен, а их размеры подби­раются по результатам стендовых испытаний. Существу­ют, однако, эмпирические формулы, которые позволяют определить начальные размеры при доводке выпускных систем.

L1=A·S·D²/140·d²
где L1— расчетная длина первичной трубы, дюймы;
A — величина фазы выпуска, градусы поворота ко­ленчатого вала;
S — ход поршня, дюймы;
D — диаметр цилиндра, дюймы;
d — диаметр выпускного окна, дюймы;
1400 — эмпирический числовой коэффициент.

Поскольку эта формула, как и следующая далее, по­лучена не математическим, а эмпирическим путем, раз­мерность ее левой части не соответствует размерности правой.
Первичной трубой принято называть трубу, начина­ющуюся от выпускного окна головки цилиндров. При расчетах L1 включает в себя также длину выпускного канала в головке блока lк. Таким образом рассчитывает­ся длина от выпускного клапана до зоны расширения.
Предполагается, что эта формула наиболее пригодна для расчета систем, работающих с глушителем, где зо­ной расширения газов считается выход трубы в глуши­тель.
Для расчета свободного выхлопа применяют формулу несколько иного вида:
L1=5100·φ/n·6
где L1 — длина первичной трубы плюс длина канала в головке цилиндра, дюймы;
φ — опережение открытия выпускного клапана до нижней мертвой точки, градусы поворота ко­ленчатого вала плюс 180°;
n — частота вращения, при которой желательно по­лучать максимальный эффект настройки, мин­¹;
5100 и 6 — эмпирические коэффициенты.
Для определения диаметра первичной трубы исходят из тех соображений, что объем, заключенный в ней, дол­жен быть равен двум рабочим объемам цилиндра Vцил. В таком случае диаметр первичной трубы определяется выражением:
D=√2·Vцил/ L1·3,14
Диаметр вторичной трубы, которая получается в ре­зультате объединения первичных труб, находится из та­кого расчета, что длина L2=L1, а объем, заключенный в ней, должен быть равен четырем рабочим объемам ци­линдра, поскольку речь идет о четырехцилиндровом дви­гателе. Это будет Vn. Следовательно, диаметр вторичной трубы можно выразить такой формулой:
D=2·√ Vn / L1·3,14

Честно говоря, я не знаю кто придумал эту **е*ень… наверно наши инженеры, но испытывалось это на ваз 2105. Может кому нить и поможет для расчёта. Пиндосы, чтобы не считать по этим эмпирическим коэффициентам, сделали готовую таблицу, которую можно найти в литературе «Performance Tuning in Theory & Practice». Так что советую использовать её, и сам варил по этой таблице.

находим величину запаздывания закрытия выпускного клапана для выбранного распредвала (колонка «зап» в таблице, если
данные по своему распредвалу найти не смогли, ориентируемся на фазы выпуска, они примерно указаны для нескольких
величин рядом со значением запаздывания). по аналогии со впуском, выбираем обороты максимальной наполняемости
(строка «об»). на пересечении находим длину каналов в см от седла клапана до соединения труб 2-в-1 или 4-в-1. длины
каналов в головках примерно 6-8см.

таким образом мы можем найти некоторые основные параметры впуска, выпуска, распредвалов.

Выделенным обозначены желаемый пик крутящего момента и фазы выпуска, на пересечении видим 91мм. Расстояние до соединения труб в 1 общую. Не путайте, это не макс мощность, а момент, то есть на этих оборотах обеспечивается максимальное наполнение и улучшение характеристик распредвала, который (см. по таблице) настроен на эти обороты

фаза впуска_____1л______1,3л______1,6л_______2л
270________2500-6500_2000-6500_2000-6000_1500-5500
280________3000-7000_2500-6800_2500-6500_2000-6000
290________4000-7200_3000-7000_3000-6700_2500-6500
300________5000-7500_4000-7200_4000-7000_3000-6700
310________6000-8500_5000-7500_4500-7200_4000-7000
320________6500-9500_6000-8000_5000-7800_5000-7200
330_________________ 7000-9000_6500-8700_5500-7500

Значит на графике увидим резкий подъём кривой момента, это создаст ощущение пинка под зад. А если рассчитать трубу на обороты 4500 — 5000 и тот же распредвал увидим на графике уже не резкий, а плавный подъём, что создаст ощущение плавного разгона.

Что касается диаметра. труба должна обеспечить лучшую пропускную способность выходящего газа, но малый диаметр увеличит скорость потока, а большой замедлит, следовательно момент резонанса может смещаться по оборотам, более того его сила может возрастать и обеспечивать больший подъём момента в узком диапазоне, а также уменьшение по силе обратной волны меньший подъём момента, но в широком диапазоне оборотов.
Для 2х литрового двигателя и широкой фазы 40-50 мм, в зависимости от того кто какой эффект хочет получить. Во вторичных трубах идёт тот же диаметр.

Моё личное мнение по выпуску.
В итоге стоит ли уделять ему такое большое значение в автоспорте? Конечно стоит… Но в наших условиях в России крайне трудно. Без диностенда, как идти вслепую! продаются множество комплектов от разных производителей, конечно нельзя сказать, что они тупо спроектированы от балды, они настроены в основном на сток. Или спортивные на доработанные авто. Брать или нет?
Каждый решает сам, потому как варить самому тоже пальцем в небо. Мой совет, сварить или купить выхлоп, установить и смириться с тем на какие обороты он настроен. Главное, чтобы он был настроен на какие то обороты, а не на сумбур в рабочем диапазоне. Лучше доводить другие моменты, такие как впуск, валы, объём, R/S и трансмиссию, которые улучшат ситуацию или сгладят в сторону расширения полку момента.

Источник

Выхлопные системы. Атмо Ч1

ПОЧЕМУ ВЫПУСКНОЙ ТРАКТ ВЛИЯЕТ НА РАБОТУ МОТОРА.

ДВС иначе можно назвать воздушным насосом. Мощность мотора зависит от количества воздуха напрямую, топлива можно запихать сколько угодно. Чем больше пройдёт кислорода за единицу времени, тем больше мощности, а точнее крутящего момента будет.

Задаёмся вопросом каким образом в атмомотор запихать кучу воздуха?! Ведь атмо ДВС засосёт столько сколько ему нужно, и никто ему насильно, как в турбо, нагнетать не станет.
Важно понимать — нужен нам не воздух в общем, а сам кислород. Плотность воздуха как и любого газа зависит от температуры, больше температура — больше расстояние между молекулами, следовательно в одном объёме меньше кислорода, а это сказывается на мощности. Чем холоднее воздух тем лучше.
Основная цель выпускной системы на спортивном авто или на любом гражданском от которого мы хотим больше отдачи — это обеспечение лучшего наполнения смесью, а как это должно быть сейчас расскажу.
Кто то думает, чем больше диаметр трубы, тем меньше сопротивление газам, а значит нет подпора и движок может переработать больше воздуха. Оно конечно так, если бабушка у подъезда заткнёт вам в глушак картошку, чтобы не тарахтел, конечно тачка нифига не повалит =) Но наполнение цилиндра можно ещё больше улучшить!

ГДЕ “СПРЯТАНА” ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ?

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. Про давление понятно, заткнём картошку в глушак, выпускные газы отразятся от неё и пойдут обратно к выпускным клапанам, потом опять к картошке, пока не заполнят весь тракт, потом картошка вылетит бабке по лбу, если ржавых дырок нет, или движка заглохнет. Как поняли нас интересует разряжение. Откуда оно берётся?
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. Тут вспоминается как пацаном сливали с шохи соседа дятла бенз для мотака. За шоху не переживайте, она всё равно стояла комом третий год из за лопнувшего блока. А дятел потому что, нефиг зимой воду забывать сливать… Принцип разряжения похож, суём шланг в бак, создаём разряжение, и быстро отплёвываясь бензом, пытаемся попасть в горлышко канистры. Тогда меня удивляло, как это он сам льётся не переставая. Догнал наконец то =)
Ну так вот про нужное место и время. Место это выпускной клапан. Тут как раз и нужно создать разрежение, то есть область давления ниже чем атмосферное давление.

Когда давление в цилиндре уже упало почти до атмосферного. Поршень находится около ВМТ, значит, объем над поршнем минимален. Да еще и впускной клапан уже приоткрыт. Называется это фазой перекрытия где собственно и осуществляется процесс продувки, когда все отработавшие газы должны вытянуться разряжением, да ещё и подтянуть часть свежего воздуха в цилиндр и даже в выпускной тракт.

Получается это разряжение по следующей причине. При сгорании смеси в цилиндре образуется огромное давление, которое в момент открытия выпускного клапана устремляется с большой скоростью по одной из 4х каналов в выпускном коллекторе. (если 4х цил двигатель).

В схеме с приёмной трубой в 2 трубы, этот поток проходит дальше к месту соединения 2 труб в 1 большую, где происходит рассеивание потока и уменьшение скорости. Отражения нет, тут и возникает разряжение во всём канале коллектора и приёмной трубы, но до того места где трубы сходятся в одну. Получается с одной стороны хорошо, перекрытие есть, смесь продувается, а с другой газы уменьшают скорость, останавливаются и обратно… Плохо когда эти газы опять входят в цилиндр, а такое происходит на малой частоте вращения.
Как вы понимаете существует только небольшой диапазон оборотов где из за продувки обеспечивается хорошее наполнение, а следовательно наибольший крутящий момент. И этот диапазон по оборотам мы можем двигать, на высокие или средние обороты, низкие нам не интересны. А двигать его возможно изменением длины выпускного коллектора до места входа в одну большую трубу. Но об этом во 2ой части =)

Писал я эту статью, если можно так сказать, своими словами, чтобы было понятно каждому сразу. Упущены некоторые детали, которые для общего понимания на начальном уровне не нужны.

Источник