Доведення вихлопної системи атмосферних ДВС
Конструкція вихлопної системи для двигунів без турбокомпресора (так званих «атмосферников») дещо відрізняється від конструкції вихлопної системи для турбованих двигунів, причому більша частина відмінностей відноситься до «головного» частини вихлопної системи і зокрема до випускного колектора.
Мета вихлопної системи «атмосферников» така ж, як і у турбированних двигунів - з максимально можливою швидкістю і зі створенням мінімального протитиску відвести ОГ в атмосферу, але на цьому все схожість закінчується. Далі починаються компроміси, необхідні для дотримання вимог щодо шумності, екологічності та компонуванні, причому деякі з цих компромісів неминуче призводять до певних втрат потужності.
Конструкція випускного колектора надає найбільш істотний вплив як на мощностную характеристику двигуна, так і на що розвивається їм максимальну потужність. «Правильність» конструкції випускного колектора визначається величезною кількістю чинників. Важливим фактором є конструкція ділянки злиття потоків ОГ, що відводяться від окремих циліндрів. Існує два варіанти конструкції таких ділянок для чотирициліндрового двигуна: «421» і «41». У варіанті «421» два первинних випускних трубопроводу об'єднуються в один вторинний, після чого два отриманих вторинних трубопроводу об'єднуються між собою. У варіанті «41» чотири первинних випускних трубопроводу сходяться в одній точці. Обидва варіанти мають свої переваги, але у варіанті «41» імпульси вихлопів взаємодіють один з одним таким чином, що досягається максимальний крутний момент. Нижче наведено схематичне зображення обох варіантів:
Діаметр первинних випускних трубопроводів
При невеликому обсязі відводяться ОГ зменшення діаметра первинних випускних трубопроводів дозволяє збільшити швидкість протікання по ним потоку ОГ. Чим більше передбачуваний обсяг відведених ОГ, тим більше повинен бути діаметр первинних випускних трубопроводів.
Обсяг відводяться ОГ залежить від робочого об'єму, частоти обертання валу і навантаження двигуна. Чим більше обсяг кожного циліндра, тим більше повинен бути діаметр відходить від цього циліндра первинного випускного трубопроводу.
Сказане дійсно і для частоти обертання валу двигуна: чим більше ця частота, тим більший обсяг ОГ випускається з циліндра за одиницю часу і тим більшим має бути діаметр відвідного ці ОГ первинного випускного трубопроводу. Обсяг випущених з циліндра ОГ збільшується і зі збільшенням навантаження двигуна.
Таким чином, оптимальні розміри первинних випускних трубопроводів визначаються в кожному конкретному випадку як компроміс між потребою збільшити швидкість протікання потоку ОГ і потребою збільшити пропускну здатність трубопроводу.
При надмірно великому діаметрі первинного випускного трубопроводу неможливо забезпечити необхідну швидкість протікання потоку ОГ. Зниження швидкості цього потоку призводить до зниження крутного моменту, причому значно знизився рівень цієї швидкості призводить також і до зниження розвивається двигуном максимальної потужності.
Розумний компроміс між швидкістю і пропускною спроможністю дозволяє забезпечити як хороший крутний момент на малих обертах, так і достатню тягу на високих оборотах.
Довжина первинних випускних трубопроводів
Довжина первинних випускних трубопроводів справляє помітний вплив на характеристики потужності двигуна. Збільшення цієї довжини покращує тягу на низьких оборотах, в той час як її зменшення покращує тягу на високих оборотах. Зазначена залежність пояснюється тією залежить від довжини випускних трубопроводів різницею в часі, з якої ударні хвилі, що поширюються в випущених з циліндра ОГ, відображаються і повертаються назад в циліндр. Ці ударні хвилі виникають в первинному випускному трубопроводі в момент відкриття випускного клапана, причому, пройшовши по всьому трубопроводу, ці хвилі відбиваються від випускного колектора і частково повертаються назад в циліндр. Повернувшись в циліндр, такі хвилі сприяють видаленню з циліндра ОГ і всмоктуванню в циліндр повітря. Збільшення кількості повітря і палива в циліндрі призводить до збільшення що розвивається двигуном потужності. Даний ефект також відомий як ефект (резонансної) продувки циліндра, причому забезпечення такого ефекту є однією з основних задач правильно спроектованого випускного колектора. Виконання всіх первинних випускних трубопроводів мають однакову довжину дозволяє надати цьому ефекту велику регулярність. В результаті підсмоктування повітря в циліндри стає більш рівномірним і додатково посилюється за рахунок резонансних ефектів. При цьому газообмін в циліндрі і зокрема видалення з нього ОГ і впуск повітря здійснюється не тільки за рахунок ходу поршня, а й за рахунок описаного вище ефекту продувки циліндра. При розробці «налаштованих» випускних колекторів для «Субару» нерідко забувають про те, що довжина випускного каналу циліндра фактично також відноситься до випускного трубопроводу, і враховувати потрібно саме сумарну довжину трубопроводу і цього каналу. Питання ускладнюється тим, що різні випускні канали автомобілів «Субару» мають різну довжину. Небажання враховувати ці відмінності призводить до неможливості повною мірою скористатися перевагами, які здатний забезпечити правильно спроектований «настроєний випуск».
Нижче схематично показані випускні канали циліндрів «Субару». Як видно на малюнку, канали А довше каналів Б.
Як стає очевидно з вищесказаного, основні витрати часу при випробуваннях бувають пов'язані з правильним підбором довжини первинних випускних трубопроводів, в ході якого доводиться враховувати довжину випускних каналів циліндрів.
У випускному колекторі первинні випускні трубопроводи об'єднуються в основний трубопровід вихлопної системи. Відомі найрізноманітніші варіанти виконання відповідної ділянки колектора - від простих і недорогих у виготовленні до вельми складних і витратних. Найпростіший спосіб об'єднання первинних випускних трубопроводів показаний в лівій частині наведеної нижче ілюстрації.
В даному варіанті в центрі, між сходяться трубопроводами, утворюється застійна область, в якій виникають сильні загальмовують потік ОГ завихрення. Відсутність такої області є основною перевагою більш досконалих колекторів. Варіант виконання такого колектора показаний в правій частині наведеної вище ілюстрації. Як видно на малюнку, в даному варіанті первинні випускні трубопроводи сходяться воєдино без освіти застійної області. Даний варіант порівняно недорогий у виготовленні і забезпечує непогані результати. При цьому ефект досягається просто за рахунок відповідної деформації сходяться кінцевих ділянок труб.
Однак найбільш досконалим технічним рішенням є показаний нижче колектор, виконаний у вигляді окремої деталі, в яку вставляються кінцеві ділянки первинних випускних трубопроводів. Показаний нижче зразок виробництва фірми «Burns Stainless» є одним з кращих доступних у продажу випускних колекторів. Зверніть увагу на те, як виконано ділянку злиття потоків ОГ, що надходять з первинних випускних трубопроводів.
Довжина колектора також впливає на мощностную характеристику двигуна. Зазвичай зі збільшенням довжини колектора пік потужності зміщується в бік високих обертів. У будь-якому випадку, довжина колектора повинна бути достатньою для зведення до мінімуму завихрень, що виникають в ході взаємного злиття потоків ОГ, що надходять з первинних випускних трубопроводів. Недостатня довжина відповідної ділянки колектора призводить до виникнення завихрень, здатних серйозно загальмувати потік ОГ. Однак у колектора існує й інший важливий параметр, підбір якого неможливий без великих випробувань. Цим параметром є внутрішній обсяг колектора, від якого теж багато в чому залежить потужності характеристики двигуна.
Ширина (або внутрішній об'єм) колектора в основному визначає характер взаємодій, що виникають між окремими вихлопами або імпульсами вихлопу. Занадто велика ширина колектора перешкоджає виникненню між такими імпульсами бажаних взаємодій, що призводять до виникнення описаного раніше ефекту резонансної продувки циліндра, а також призводить до зниження швидкості витікання ОГ. Недостатня ширина колектора, навпаки, здатна ускладнити вільне витікання ОГ за рахунок створення занадто високого протитиску. «Правильна» в кожному конкретному випадку ширина колектора визначається лише шляхом випробувань.
Очевидно, що чим менше кут конусності випускного колектора, і в загальному випадку чим плавніше будь-яка зміна прохідного перетину будь-якого елементу вихлопної системи, тим краще. Однак саме в випускному колекторі кут конусності, під яким прохідний перетин цього колектора переходить в прохідний перетин основного трубопроводу вихлопної системи, є одним з найважливіших чинників. Будь-яке різке звуження випускного колектора здатне сильно перешкодити процесу вільного закінчення ОГ.
Прохідний діаметр кожного з ділянок, на яких первинні випускні трубопроводи вливаються в головне внутрішній простір випускного колектора, повинен якомога точніше відповідати діаметру випускних каналів циліндрів. В іншому випадку в випускному колекторі неминуче виникнуть додаткові небажані завихрення. Не можна забувати, що завихрення в випускному колекторі роблять більший негативний вплив на перебіг потоку ОГ, ніж завихрення в будь-який інший частини вихлопної системи. За даними багатьох заслуговуючих довіри фахівців, зменшити виникають в колекторі завихрення можна шляхом ступінчастої зміни площі прохідного перетину випускного колектора. Однак це призводить до ускладнення і подорожчання колектора.
Крім того, істотні обмеження на конструкцію колектора накладає компоновка підкапотного простору автомобіля. Те, що випускні канали циліндрів двигунів «Субару» розташовані з протилежних сторін двигуна, істотно ускладнює завдання конструювання випускного колектора для цих автомобілів. Для двигунів з горизонтальним оппозитним розташуванням циліндрів складність зміни довжини первинного випускного трубопроводу можна порівняти зі складністю виготовлення нового випускного колектора, внаслідок чого при випробуваннях процес визначення правильної довжини цих трубопроводів займає дуже багато часу. Зробити так, щоб довжина всіх первинних випускних трубопроводів з урахуванням належних до них випускних каналів циліндрів була строго однакова, а самі ці трубопроводи при цьому прийнятним чином вписалися в компоновку підкапотного простору, є непростим завданням, а ще складніше завдання тонкої настройки випуску для оптимізації ефекту резонансної продувки циліндрів, для чого довжини трубопроводів індивідуально модифікуються з кроком 0,5 - 1 дюйм, і зовсім вимагає від конструктора великого таланту.
Каталітичні нейтралізатори ОГ
Наявність власного динамометричного стенду дозволяє проводити порівняльне тестування оснащених і не оснащених каталітичними нейтралізаторами ОГ вихлопних систем «атмосферних» автомобільних двигунів. За результатами випробувань можна стверджувати, що відсутність каталітичного нейтралізатора не здатна принести істотного виграшу в порівнянні з присутністю у вихлопній системі правильно спроектованого каталітичного нейтралізатора ОГ.
ажним фактором, що визначає, наскільки серйозна перешкода на шляху потоку ОГ буде являти собою каталітичний нейтралізатор, є кут конусності його корпусу. Оскільки прохідний перетин корпусу каталітичного нейтралізатора істотно перевищує прохідний перетин входять і виходять з цього корпусу вихлопних трубопроводів, занадто різка зміна цього прохідного перетину здатне істотно загальмувати потік ОГ.
Сказане рівною мірою відноситься до каталітичного нейтралізатора як турбированних двигунів, так і «атмосферников». Крім того, необхідно забезпечити проходження надходять всередину корпусу каталітичного нейтралізатора ОГ крізь весь робочий перетин активних елементів цього нейтралізатора. У разі, коли потоком ОГ використовується не вся площа перетину цих активних елементів, каталітичний нейтралізатор ОГ не працюватиме з належною ефективністю. За названою причини плавне розширення корпусу каталітичного нейтралізатора на вході навіть важливіше плавного звуження цього корпусу на виході.
Частина вихлопної системи, розташована після каталітичного нейтралізатора по ходу потоку ОГ
Розробити «правильну» частина вихлопної системи, розташовану після каталітичного нейтралізатора по ходу потоку ОГ, простіше, ніж розробити «правильний» випускний колектор. Основним завданням залишається підтримання максимально можливої швидкості витікання ОГ. Занадто широка труба призводить до зниження швидкості потоку ОГ і втрати частини крутного моменту на малих обертах. Занадто вузька труба призводить до зниження максимальної потужності (потужності на високих оборотах). Оптимальне в кожному конкретному випадку рішення є, як завжди, результатом компромісу. Важливо забезпечити гладку внутрішню поверхню трубопроводів і правильно використовувати технологію гнуття труб. Глушник повинен створювати якомога менший опір потоку ОГ і одночасно з цим в достатній мірі знижувати гучність вихлопу. Власне кажучи, все «хитрощі» конструювання задньої частини вихлопної системи обмежуються вищесказаним. Очевидно, що ця частина вихлопної системи дійсно помітно простіше випускного колектора.