О настроенном выхлопе

Едва ли не самая известная тема во всех “курилках”, так или иначе связанных с тюнингом автомашин, - выпускные системы двигателей. По крайней мере, я чаще отзываюсь на вопросы о выхлопе, чем о клапанах, головках, коленвалах и прочих составляющих установки двигателей. Причем охват вопросов примерно следующий: от “скажите. а как применить формулу для вычисления резонансной частоты (приводится соотношение для резонатора Гельмгольца) к четырех дроссельному впуску?” до “мне друг подарил “паук” со своего спортивного “гольфа”. Сколько прибавится лошадиных сил. Если я его поставлю на свой автомобиль?” или “ я строю себе мотор. Какой глушитель приобрести, чтобы было больше мощности?”, или “сколько лошадиных сил прибавится, если я вместо катализатора поставлю резонатор?”. Причем во всех задачах красной линией проходит добавочная мощность.

ТАК ДАВАЙТЕ ДЛЯ НАЧАЛА ОСМЫСЛИМ, ГДЕ ЖЕ НАХОДИТСЯ ЭТА ДОБАВОЧНАЯ МОЩНОСТЬ. И ПОЧЕМУ ВЫПУСКНОЙ ТРАКТ ДЕЙСТВУЕТ НА РАБОТУ МОТОРА.
Катализатор

Если мы все дружно разбираемся, что мощность есть произведение вращающего момента на скорость вращения коленчатого вала (обороты), то понятно, что мощность - зависимая от скорости величина. Проанализируем чисто теоретический двигатель (не важно, электрический он, внутреннего сгорания или турбореактивный). Который дает постоянный вращающий момент на оборотах от 0 до бесконечности, (кривая 2 на рис. ^) Тогда его мощность будет линейно увеличиваться с оборотами от О до бесконечности (кривая 1 на рис. ^). Предмет нашего внимания четырехтактные многоцилиндровые двигатели внутреннего сгорания в силу конструкции и процессов, в них происходящих, располагают рост момента с увеличением оборотов до его максимальной величины, и с дальнейшим увеличением оборотов момент снова падает (кривая 3 на рис. ^). Тогда и мощность будет иметь аналогичный вид (кривая 4 на рис. ^).

Значимым обстоятельством для осознания функций выпускной системы является связь вращающего момента с коэффициентом наполнения цилиндра. Давайте себе покажем процесс, происходящий в цилиндре в фазе впуска. Допустим, коленчатый вал двигателя крутится настолько медленно, что мы можем замечать движение топливовоздушной смеси в цилиндре и в любой момент времени натиск во впускном трубопроводе и цилиндре успевает выравниваться. Допустим, что в верхней мертвой точке (ВМТ) давление в камере сгорания одинаково атмосферному. Тогда при движении поршня из ВМТ в нижнюю мертвую точку (НМТ) в цилиндр попадет количество новой топливовоздушной смеси, точно равное объему цилиндра. Заявляют, что в таком случае коэффициент наполнения равноправен единице. Допустим, что в вышеописанном процессе мы закроем впускной клапан в положении поршня, соответствующем 80% его хода. Тогда мы заполним цилиндр только на 80% его объема, и масса заряда составит надлежащим образом 80%. Коэффициент наполнения в таком случае будет 0.8. Иной случай, Пусть некоторым образом нам удалось во впускном коллекторе образовать давление на 20% выше атмосферного. Тогда в фазе впуска мы сможем заполнить цилиндр на 120% по массе заряда, что будет соответствовать коэффициенту наполнения 1.2. Так, теперь самое основное. Вращающий момент двигателя совершенно точно на кривой момента соответствует коэффициенту наполнения цилиндра. То есть вращающий момент там выше, где коэффициент наполнения выше, и точно во столько же раз, если, конечно, мы не учитываем внутренние потери в двигателе, которые повышаются со скоростью вращения. Из этого ясно, что кривую момента и, соответственно, кривую мощности находит зависимость коэффициента наполнения от оборотов. У нас есть вероятность влиять в некоторых пределах на зависимость коэффициента наполнения от скорости вращения двигателя с помощью модификации фаз газораспределения. В общем случае, не вдаваясь в тонкости, можно сказать, что чем шире фазы и чем в более раннюю по взаимоотношению к коленчатому валу область мы их сдвигаем, тем на больших оборотах будет достигнут максимум вращающего момента. Абсолютное значение максимального момента при этом будет немного меньше, чем с более узкими фазами (кривая 5 на рис. ^). Существенное значение располагает так называемая фаза перекрытия. Дело в том, что при высокой скорости вращения определенное влияние проявляет инерция газов в двигателе. Для оптимального наполнения в конце фазы выпуска выпускной клапан надо закрывать несколько позже ВМТ, а впускной открывать намного раньше ВМТ. Тогда у двигателя возникает состояние, когда в районе ВМТ при минимальном объеме над поршнем оба клапана открыты и впускной коллектор передается с выпускным через камеру сгорания. Это очень значимое состояние в смысле воздействия выпускной системы на работу двигателя.

Сейчас, я думаю, пора разобрать функции выпускной системы, Сразу скажу, что в выпускной системе присутствует три процесса. Первый - с демпфированное в той или иной степени истечение газов по трубам. Второй - гашение акустических волн с целью понижения шума. И третий - распространение ударных волн в газовой сфере. Любой из перечисленных процессов мы будем разбирать с позиции его влияния на коэффициент наполнения. Строго говоря, нас интересует давление в коллекторе у выпускного клапана в момент его открытия. Понятно, что чем меньше давление, а лучше даже ниже атмосферного, удастся приобрести, тем больше будет перепад давления от впускного коллектора к выпускному, тем больший заряд приобретет цилиндр в фазе впуска.

Начнем с достаточно явных вещей. Выпускная труба предназначается для отвода выхлопных газов за пределы кузова автомашины. Совершенно понятно, что она не обязана оказывать существенного сопротивления потоку. Если по какой-то причине в выпускной трубе оказался посторонний предмет, закрывающий поток газов (например, соседи пошутили и запихнули в выхлопную трубу картошку), то давление в выпускной трубе не будет успевать падать, и в момент раскрытия выпускного клапана давление в коллекторе будет противодействовать очистке цилиндра. Коэффициент наполнения опустится, так как оставшееся немалое количество отработанных газов не разрешит наполнить цилиндры в прежней степени свежей смесью. Подобающим образом, двигатель не сможет вырабатывать прежний вращающий момент. Весьма важно разуметь, что размеры трубы и конструкция глушителей шума в серийном автомобиле достаточно хорошо соответствуют числу отработанных газов, вырабатываемых двигателем в единицу времени. Как только серийный двигатель подвергся модификациям с целью увеличения мощности (будь-то увеличение рабочего объема или увеличение момента на высоких оборотах), сразу усиливается 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 ответить, что тут главное не потерять, прибрести же ничего невозможно. Из практики могу ответить, что для двигателя объемом 1600 куб. см имеющего неплохой вращающий момент до 8000 об/мин, вполне хватит трубы диаметром 52 см.

Как только мы высказываем о сопротивлении в выпускной системе, нужно упомянуть о таком существенном элементе, как глушитель шума. Так как в любом случае глушитель формирует сопротивление потоку, то можно сказать, что оптимальный глушитель - полное его отсутствие. К сожалению, для дорожной автомашины это могут себе позволить только отчаянные наглецы. Борьба с гулом - это, как ни верти, забота о нашем с вами здоровье. Не только в будничной жизни, но и в автоспорте работают ограничения на шум, производимый двигателем автомашины. Должен сказать, что в большинстве классов спортивных автомашин шум выпуска ограничен уровнем 100 дБ. Это достаточно лояльные условия, но без глушителя ни одна автомашина не будет соответствовать техническм требованиям и не сможет быть пропущенным к соревнованиям. Поэтому выбор глушителя - всегда компромисс между его способностью поглощать звук и низким отпором потоку.