Прямоток

Материал из Jc Wiki
Перейти к: навигация, поиск

Содержание

Функции выпускной системы

Toky 1.jpg


В выпускной системе присутствует три процесса. Первый - с демпфированное 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 рассматривается с позиции его влияния на коэффициент наполнения. 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.


Pramotok 1.jpg


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, то давление в выпускной трубе не будет успевать падать, и в момент открытия выпускного клапана давления 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.

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.

Как только говорится 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. Не только в повседневной жизни, но и в автоспорте действуют ограничения на шум, производимый двигателем автомобиля. В большинстве классов спортивных автомобилей шум выпуска ограничен уровнем 100 дб.

По способу работы глушители надо разделить на четыре группы. Это ограничители, отражатели, резонаторы и поглотители.


Ограничитель

Pramotok 2.jpg

Принцип его работы прост. В корпусе глушителя имеется существенное за ужение диаметра трубы, некое акустическое сопротивление, а за ним сразу большой объем, аналог емкости. Продавливая через сопротивление звук, колебания сглаживаем объемом. Энергия рассеивается в дросселе, нагревая газ. Чем больше сопротивление (меньше отверстие), тем эффективней сглаживание. Но тем больше сопротивление потоку. Однако в качестве предварительного глушителя в системе - довольно распространенная конструкция.


Отражатель

Pramotok 3.jpg

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 заставить также газовый поток менять направление, то все равно создаётся некоторое сопротивление выхлопным газам. Такая конструкция чаще всего применяется в оконечных глушителях стандартных систем.


Резонатор

Pramotok 4.jpg

Глушители резонаторного типа используют замкнутые полости, расположенные рядом с трубопроводом и соединенные с ним рядом отверстий. Часто в одном корпусе бывает два неравных 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.


Поглотитель

Pramotok 5.jpg

Способ работы поглотителей заключается в поглощении акустических волн неким пористым материалом. Если звук направить, например, в стекловату, то он вызовет колебания волокон ваты и трение волокон друг о друга. Таким образом, звуковые колебания будут преобразованы в тепло. Поглотители 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.

Серийные выпускные системы используют в большинстве случаев различные комбинации всех приведенных способов. Глушителей в системе бывает два, а иногда и больше. 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.


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 задача 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.

Каким образом двигатель, благодаря настройке выпускной системы, может получить дополнительную мощность?

Как уже выяснилось, 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. 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 больше всего. Нужно только сделать так, чтобы он был в нужном месте в нужное время. Место 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 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. Такое состояние (фаза перекрытия) характеризуется тем, что впускной коллектор через камеру сгорания сообщается с выпускным. Вот теперь, если фронт разрежения достигнет выпускного клапана, можно 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, что как только все отработанные газы покинут цилиндр, а разрежение достигнет своего максимального значения, выпускной клапан закроется, можно 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.


Pramotok 6.jpg


Первым необходимым условием дозарядки цилиндров с помощью ударных волн надо назвать существование достаточно широкой фазы перекрытия. 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.













Виды настроенных коллекторов

  • первичная труба
  • вторичная труба


Второе условие уже определили. Это необходимость вернуть к выпускному клапану ударную волну. Причем в многоцилиндровых двигателях вовсе необязательно возвращать ее в тот цилиндр, который ее сгенерировал. Более того, выгодно возвращать ее, а точнее, использовать в следующем по порядку работы цилиндре. Дело в том, что скорость распространения ударных волн в выпускных трубах - есть скорость звука. Для того чтобы возвратить ударную волну к выпускному клапану того же цилиндра, предположим, на скорости вращения 6000 об/мин, надо расположить отражатель на расстоянии примерно 3,3 метра.

Путь, который пройдет ударная волна за время двух оборотов коленчатого вала при этой частоте, составляет 6,6 метра. Это путь до отражателя и обратно. Отражателем может служить, например, резкое многократное увеличение площади трубы. Лучший вариант - срез трубы в атмосферу. Или, наоборот, уменьшение сечения в виде конуса, сопла Лаваля или, совсем грубо, в виде шайбы. Однако как обговаривалось, что различные элементы, уменьшающие сечение, неинтересны.


Таким образом, настроенная на 6000 об/мин выпускная система предполагаемой конструкции для, например, четырехцилиндрового двигателя будет выглядеть как четыре трубы, отходящие от выпускных окон каждого цилиндра, желательно прямые, длиной 3,3 метра каждая.


У такой конструкции есть целый ряд существенных недостатков. Во-первых, маловероятно, что под кузовом, например, Гольфа длиной 4 метра. Опять же, глушитель все-таки нужен. Тогда нужно концы четырех труб ввести в банку достаточно большого объема, с близкими к открытой атмосфере акустическими характеристиками. Из этой банки надо вывести газоотводную трубу, которую необходимо оснастить глушителем.

Такого типа система для автомобиля не подходит. Хотя справедливости ради надо сказать, что на двухтактных четырехцилиндровых мотоциклетных моторах для кольцевых гонок она применяется. Для двухтактного мотора, работающего на частоте выше 12 000 об/мин, длина труб сокращается более чем в четыре раза и составляет примерно 0,7 метра, что вполне разумно даже для мотоцикла.

Вернемся к автомобильным двигателям. Сократить геометрические размеры выпускной системы, настроенной на те же 6000 об/мин, вполне можно, если можно использовать ударную волну следующим по порядку работы цилиндром. Фаза выпуска в нем наступит для трехцилиндрового мотора через 240 градусов поворота коленчатого вала. Для четырехцилиндрового - через 180 градусов, для шестицилиндрового - через 120 и для восьми цилиндрового - через 90.

Соответственно, интервал времени, а, следовательно, и длина отводящей от выпускного окна трубы пропорционально уменьшается и, на пример, четырехцилиндрового двигателя сократится в четыре раза, что составит 0,82 метра. Стандартное в таком случае решение - всем известный и желанный паук.


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 паука 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.


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. Чем ниже избыточное давление они обеспечат, тем лучше.


Рассмотрено 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.

Устройство

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. 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 можно использовать, тем лучше наполним цилиндры и, соответственно, получим прибавку момента. Так как добротность - энергетическая характеристика, то она неразрывно связана с шириной резонансной зоны.

Можно сказать, что если получить 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 рисунке 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.




http://www.toyota-club.by/articles/prjamotok.php

Личные инструменты
Пространства имён
Варианты
Действия
Навигация
Рекламная сеть Dadu.ru




Инструменты
Rambler's Top100