Использование настроенных выпускных коллекторов («пауков») позволяет значительно увеличивать мощность двигателя в заданных диапазонах вращения.

Влияние настроенного выпускного коллектора, на повышение мощности двигателя можно рассмотреть на примере двигателя автомобиля ВАЗ-2105. Применяемая при этом методика может использоваться для предварительного расчёта настроенного выпускного коллектора для двигателей других марок.

 Методика расчёта глушителя

Рис. 14. Изменение времени перемещения волн давления в выпускном трубопроводе в зависимости от числа оборотов: τп — время перекрытия фаз выпуска; τв – время выпуска.

В сдвоенных системах сначала попарно соединяют выпускные патрубки цилиндров, работающих через про­межутки, равные удвоенному углу поворота коленчатого вала между тактами выпуска, а затем на некотором рас­стоянии от двигателя эти пары снова объединяют в об­щую выпускную трубу.

Основной смысл настройки сдвоенного выпуска по­добного типа заключается в том, чтобы волна давления, возникающая в выпускном трубопроводе во время вы­пуска из одного цилиндра, не мешала выпуску из сле­дующего по порядку работы цилиндра. На рис. 14 пред­ставлен график изменения времени перемещения волн давления и времени перекрытия фаз выпуска в зависи­мости от числа оборотов в выпускном трубопроводе сов­ременного двигателя. Из графика видно, что уменьшение времени перекрытия фаз выпуска при увеличении числа оборотов происходит более интенсивно, чем уменьшение времени, необходимого для прохождения волнами давле­ния расстояния от выпускного клапана следующего по порядку работы цилиндра до выпускного клапана рас­сматриваемого цилиндра. Вследствие этого выпускная система, настроенная для какой-либо низкой частоты вращения двигателя (в данном случае 3250 мин-1), ока­зывается также настроенной и для всех частот враще­ния, больших расчетной. Таким образом, в диапазоне оборотов от nрасч до nнаиб (область Б) выпускная система с данной длиной сдвоенного участка обеспечивает полное устранение вредного влияния перекрытия волн давления, приходящих от следующих по порядку работы цилиндров.

Это наиболее простой вид настройки выпускного тру­бопровода, исключающий вредное действие волн давле­ния в объединенном выпускном трубопроводе разверну­того двигателя.

 
Рис. 15. Влияние системы выпуска на колебания и величину давления в зо­не выпускного                                       клапана

Некоторые исследователи полагают, что если выпускной трубопровод сконструирован таким образом, чтобы волна разрежения имела максималь­ные значения у выпускного клапана в момент перекрытия клапанов, то это улуч­шает условия впуска. В этом случае настройка впускной и выпускной систем при достаточно широком перекры­тии клапанов (68—80°) положительно влияет на условия впуска и может дать прирост мощности на 18—20 %.

                           Настройка выхлопной системы

Однако на практике такая настройка представляет более сложный и трудоемкий процесс. Здесь играет роль не только длина, но и объем элементов выпускной систе­мы, поэтому диапазон такой настройки по оборотам дви­гателя значительно уже.

В свое время большинство двигателей гоночных авто­мобилей оборудовалось выпускной системой с раздель­ными патрубками на каждый цилиндр. Такая система сравнительно просто настраивается, однако диапазон ее настройки по оборотам чрезвычайно узок.

На рис. 15 изображен график, показывающий возмож­ность настройки выпускных систем разных типов. По оси ординат условно изображено давление-разрежение в зо­не выпускного клапана, по оси абсцисс — частота вра­щения двигателя. Кривая 1 изображает колебания дав­ления в выпускном трубопроводе, состоящем из отдель­ных патрубков, кривая 2 характеризует сдвоенную систему, кривая 3 - систему, в которой четыре выхлоп­ных патрубка объединены в одну трубу. Из графика сле­дует, что наибольшей амплитуды колебания давления-разрежения достигают в случае раздельных патрубков, но при этом диапазон оборотов, в котором происходит нужный эффект отрицательного давления, весьма узок и при переходе этих границ разрежение сменяется давле­нием, что затрудняет выпуск и соответственно снижает эффективные показатели двигателя.

Рассматривая кривые 2 и 3, следует отметить более выгодную по сравнению с кривой / форму протекания процесса «давление-разрежение» в зависимости от оборотов, причем режим, выраженный кривой 3, имеющей несколько большую амплитуду, чем кривая 2, дает пре­имущество в меньшем диапазоне оборотов.

Этот график несколько упрощенно отражает явления, происходящие в выпускных трубопроводах. В действи­тельности они намного сложнее, особенно в объединен­ных трубопроводах. 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, например формула Пайпера:

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

Используя эти выражения, можно в первом прибли­жении определить все параметры выпускного трубопро­вода. Окончательный подбор длины элементов, как уже отмечалось, проводится при стендовых испытаниях дви­гателей.

Подавляющее число спортсменов, подготовив двига­тель к соревнованиям, проверяют его в дорожных усло­виях, замеряя время разгона с места на определенной дистанции и максимальную скорость автомобиля на ров­ном участке шоссе. Однако более высокие результаты мо­гут быть получены при предварительной доводке двига­теля на моторном стенде. Естественно, что после стендо­вой доводки двигателя целесообразно провести ходовые испытания автомобиля, в процессе которых будут учте­ны особенности работы двигателя на переходных режи­мах при спусках, подъемах и поворотах и в условиях вибрации двигателя, в том числе вызванной неровностя­ми дороги.

Рассмотрим результаты стендовых испытаний пол­ностью подготовленного двигателя ВАЗ-2105 с различ­ными вариантами выпускной системы для автомобилей «багги» по первой группе. Были испытаны четыре варианта выхлопных систем, схемы которых приведены на рис. 16.

Первый вариант отличается от второго лишь разме­рами элементов и представляет собой последовательное объединение патрубков по два в один. Общим для этих вариантов является также использование стандартного выпускного коллектора двигателя ВАЗ. Третий вариант предусматривает четыре раздельных патрубка равной длины от каждого цилиндра двига­теля. По четвертому варианту четыре раздельных патруб­ка равной длины были объединены в одну общую трубу.

Рис. 16. Схемы вариантов выпускных трубопроводов:

/„ — длина выпускного канала в головке блока;

А, А2, А3, А„ В, В2 — эле­менты первичной трубы;

С — вторичная труба

 Рис. 17. Внешняя скоростная характеристика

 двигателя с различны­ми выпускными системами

Для того чтобы исключить влияние изменения атмос­ферных условий, сравнительные испытания всех вариан­тов выпускных систем, заключающиеся в снятии внешних скоростных характеристик, были проведены на одном двигателе и в один день. Температурный режим двига­теля и температура в помещении поддерживались по­стоянными.

Анализируя кривые крутящего момента и мощности, представленные на рис. 17, можно сделать следующие выводы:

-         первый и второй варианты довольно близки между собой по максимальным показателям, однако форма кривых мощности и момента имеет некоторые различия. Максимум мощности у первого варианта смещен в об­ласть более высоких оборотов по сравнению со вторым вариантом. С другой стороны, в зоне оборотов примерно от 5000 до 6000 мин­¹ мощностные показатели двигателя со вторым вариантом выпускного трубопровода несколь­ко выше. Длина, первичных труб для обоих вариантов почти одинакова, но вторичных заметно отличается. Учи­тывая это, можно предположить, что при сдвоенной вы­пускной системе длина первичных труб оказывает су­щественное влияние на величину максимальной мощно­сти и момента, а длина вторичной трубы при свободном выпуске (без глушителя) влияет лишь на частоту вра­щения при максимальной мощности и максимальном моменте;

-         третий вариант дает наихудшие результаты как по максимальным значениям момента и мощности, так и по характеру протекания кривой момента. В диапазоне обо­ротов от 5000 до 6500 мин­¹ наблюдается резкое падение крутящего момента. Можно предположить, что при бо­лее точной настройке максимальные значения показа­телей двигателя могут быть увеличены, но это возмож­но в очень узком диапазоне оборотов, что весьма невы­годно для гонок по пересеченной местности;

-         рассматривая четвертый вариант, нужно отметить ха­рактерную форму кривых мощности и момента. Видно, что довольно резкий подъем внешней скоростной харак­теристики в зоне оборотов от 5500 до 6200 мин­¹ вызван благоприятным протеканием явления в выпускном тру­бопроводе. Это позволяет надеяться, что при более точ­ном подборе параметров выпускная система четвертого варианта дает возможность получения более высоких по­казателей, чем предыдущие, хотя и в более узких преде­лах частоты вращения. Такая система приемлема для двигателей гоночных автомобилей (при условии получе­ния достаточной мощности), а системы первого и вто­рого вариантов, будучи намного проще и дешевле в из­готовлении, вполне отвечают требованиям, которые предъявляются к двигателям автомобилей «багги».

От редакции

Статья была подготовлена на основе фотокопии, найденной в архиве редакции.

* - примечании редакции.

Редакции не располагает данными о происхождении статьи и её авторе. Редакция не несёт ответственности за достоверность изложенного в ней материала и за негативные последствия, которые могут возникнуть при выполнении рекомендаций автора.  

 Копирование статьи только с разрешением администратора и установленной обратной ссылки.