Расчет выхлопной системы 4 цилиндрового двигателя

Это перевод, мной, не профессионалом, отрывка из книги Performance Tuning in Theory & Practice автором которой является A. Graham Bell.

Видимая часть выхлопной системы может ввести в заблуждение. Она может визуально впечатляет своей формой, но для многих это пучок труб, которые направляют горячий газ из цилиндров. Информированные тюнеры прекрасно понимают, важность настройки выхлопной системы для повышения производительности. Как и во всех других направлениях форсирования мотора, выхлопная система не может рассматриваться сама по себе; реализация системы, влияет на другие области, поэтому она должна рассматриваться как часть целого. Мы стремимся к тому, что бы цилиндры были полностью очищены от выхлопных газов. На всех гоночных двигателях выхлопная система настроена таким образом, чтобы импульс выхлопных газов и волны давления на самом деле "сосал" свежий заряд в цилиндр. Таким образом, цилиндр может фактически быть переполнен, т.е. иметь объемную эффективность 101-105%. Перекрытие распредвала тоже оказывает свою роль на втягивания заряда.

Прежде чем обсуждать черную магию настройки импульса, мы будем смотреть на то, что можно сделать, чтобы эффективно отводить из цилиндра выхлопные газы самотёком или по инерции. Принцип инерционной настройки основан на том, что выхлопные газы имеют вес, поэтому, как только мы получим «движение» он будет продолжать течь даже после закрытия выпускного клапана. Это создаёт разряжение, которые мы можем использовать, чтобы очистить цилиндр. Двигателям нужно использовать это действие всасывания для быстрого опустошения цилиндра от выхлопных газов. Очевидно, что если мы имеем давление газа 20psi в выпускном коллекторе, когда открывается выпускной клапан, то это приведет к ограничению поток газа из этого цилиндра. С другой стороны, если давление в коллекторе от -5 до 0psi ограничение потока будет значительно меньше. По этой причине мы используем выпускной коллектор с отдельными трубами, а не общий. Основная идея заключается в расчёте трубы так, что выхлопные газы из одного цилиндра не будут оказывать влияние на другой цилиндр. Например, посмотрите на то, что происходит в четырёх цилиндровом двигателе, где все цилиндры разделяют общий коллектор .

Порядок зажигания примем 1-3-4-2. В конце своего хода выпуска 2, как правило, оказывает давление на 1. 4 оказывать давление на 3 и так далее. По этой причине замена распредвала пустая трата времени, если этот тип коллектора останется. На протяжении многих лет гоночные моторы использовали отдельные трубы для каждого цилиндра, но теперь хорошо установленный факт, что в большинстве случаев соединение отдельных труб вместе более выгодно, в один коллектор, которой мы продолжаем либо прямой выхлопной трубой, любо рупором. Такое расположение поднимает мощность и в качестве дополнительного бонуса улучшает диапазон мощности.

Показаны различные конструкции пауков для шести и восьми цилиндровых двигателей. Выхлоп шести и восьми цилиндровых двигателей всегда должен быть разделен на две отдельные системы, в то время как четырехцилиндровый двигатель, будь то линейным, V-образным или оппозитным работает, лучше с отдельными трубами, собранные в одну.

Обратите внимание, что существует две основные конструкций коллекторов для четырех цилиндровых двигателей. Лучшую мощность предоставляет система 4-1, где четыре основных трубы собираются в одну выхлопную трубу. Однако есть и недостатки! Этот тип весит больше. Как правило, является проблемой разместить четыре выхлопные трубы между двигателем и рулевым механизмом. Другой фактор, который следует рассматривать, с системой 4-1, ограниченный диапазон мощности. Если требуется хорошая отдача в среднем диапазоне, то система 4-2-1, при этом максимальная мощность может быть ниже, усреднено, на 5-7% по сравнению с системой 4-1.

Две другие конструкции для 4-х цилиндровых двигателей типа BMC, со спаренным центральным каналом. Паук с длинной центральной трубой is the one use as the increase in volume tends to keep the pulse frequency of the centre pipe in tune with the other two branches. Вторая конструкция подходит только, если используется распредвал с небольшими кулачками.
Двигатели V8 создают проблемы потому что большинство использует двухплоскостной коленчатый вал (cross-plane) с развалом в 90гр. Соединение патрубков с распределением импульсов в180гр. даст больше мощности, но разместить такое под капотом среднестатистического авто проблематично. По этой причине система 4 -1 с каждой стороны используется в большинстве случаев. Для балансировки необходима ещё одна труба. Она должна быть в 1,5 раза больше в диаметре первичной трубы и соединять оба коллектора.
Теперь мы посмотрим на конструкцию трубопровода выпускного коллектора, что бы воспользоваться преимуществом инерции выхлопных газов, нам необходимо определить диаметр и длину каждой трубы. Именно здесь «настройка импульса» или «акустическая настройка» появляется на сцене. Отработанный газ выходит из цилиндра со скоростью от 60 до 100 метров в секунду, но пульсации давления со скоростью 450-510 метров в секунду . Понимая поведение этих волн, мы можем использовать их для улучшения очистки цилиндра и увеличить наполнение цилиндров с топливной/воздушной смесью.
Начальный всплеск выходящего из цилиндра газа в выхлопную систему создает волну избыточного давления, которая распространяется со скоростью звука через объём трубы. При выходе в атмосферу, положительные волны рассеиваются, и создают волны отрицательного давления (волны всасывания), которые возвращается по выхлопной трубе в цилиндр. Давление свежего заряда ниже давления газа в цилиндре, что приводит к ухудшению наполняемости. Искусство настройки выхлопа, определить длину и размер выхлопной трубы для всасывания избытка обратной волной, в течение периода перекрытия клапанов.
Формула расчёта длинны основной трубы в дюймах:

Где rpm = обороты двигателя
ED = 180 плюс численное количество градусов открытия выпускного клапана перед НМТ
Для того, чтобы задача была проще, я подготовил таблицу. Таким образом первичная длина может быть найдена с ходу.

Как правило, дорожные моторы потребует коллектор, настроенный на работу при максимальных оборотах крутящего момента. Гоночные двигатели используют коллекторы, настроенные на работу как на обороты максимальной мощности, так между максимальным моментом и максимальной мощностью.

Правильно сконструированная выхлопная система может дать прирост мощности 18-20 %. Увеличения наполнения и мощности двигателя можно добиться за счёт использования колебаний давлений в выпускном коллекторе. Для этого нужно изменять амплитуду, форму волны или сдвигать волну давления по фазе выпуска, что и означает настройку выхлопной системы. Именно настройкой получают такое протекание колебаний давлений в выпускном коллекторе, при котором в период открытия выпускного клапана за клапаном создается наименьшее давление. От этого увеличивается наполнение двигателя в результате более лучшей очистки цилиндра от продуктов сгорания.

Конструкция выпускного коллектора 4-2-1 (паук 4-2-1) продумана так чтобы выпускные трубы цилиндров были соединены попарно от цилиндров, работающих через промежутки, равные удвоенному углу поворота коленчатого вала между тактами выпуска, а затем на некотором расстоянии от двигателя эти пары снова объединяются в общую выпускную трубу. Смысл настройки такого коллектора заключается в том, чтобы волна давления, возникающая в выпускном коллекторе во время выпуска из одного цилиндра, не мешала выпуску из следующего по порядку работающему цилиндру. Паук 4-2-1 наиболее простой способ настройки выпускного коллектора и может дать прирост крутящего момента в более широком диапазоне оборотов.

Как уже и говорилось основная цель настройки выпускного коллектора – это получение минимального давления за выпускным клапаном в момент его открытия. Но нужно также понимать, что конструкция выпускного коллектора (паука) должна давать возможность получать минимальное давление как можно в более широком диапазоне оборотов двигателя.

Рассмотрим три конструкции выпускного коллектора:

1. Четыре отдельные трубы от каждого цилиндра.

2. Конструкция паука 4-2-1

3. Конструкция паука 4-1

Первая конструкция дает максимальную амплитуду колебания давления-разряжения, но при этом диапазон оборотов, в котором происходит нужный нам эффект отрицательного давления очень узкий, из этого следует, что разрежение очень быстро перейдет в давление и затруднит выхлоп. В связи с этим от такой конструкции давно отказались. Вторая и третья конструкция коллектора (паук 4-2-1, паук 4-1) имеют гораздо ниже амплитуду колебания давления-разряжения чем первая конструкция, но работают в более широком диапазоне оборотов. Конструкция паука 4-2-1 имеет самый широкий диапазон оборотов при самой меньшей амплитуде давления-разряжения, поэтому конструкция лучше всего подходит для использования на гражданских автомобилях. Конструкция паука 4-1 дает возможность получения более высоких показателей, но в более узком диапазоне оборотов.

Точных формул описывающих явления в выпускных коллекторах не существует, поэтому расчет выпускных коллекторов очень сложен и окончательную доводку осуществляют на моторных стендах. Есть формулы которые помогают получить начальные размеры труб при конструировании выпускного коллектора.

Длинна первичной трубы плюс длинна канала в головке равна (5100 * ЕТ)/RPM*6, Где 5100 и 6 – эмпирические коэффициенты. ЕТ – опережение открытия выпускного клапана до нижней мертвой точки в градусах поворота коленчатого вала плюс 180 градусов.

RPM – обороты, при которых желательно получить максимальный эффект настройки. Диаметр первичной трубы берется из соображений, что ее объем должен быть равен двум рабочим объемам одного цилиндра, поэтому диаметр первично трубы рассчитывается по формуле: Диаметр первичной трубы равен 2*корень квадратный из (2*объем цилиндра)/(длинна первичной трубы *3,14) Диаметр вторичной трубы, в которой соединяются первичные трубы рассчитывается с учетом таких показателей, что ее длинна равна длине первичной трубы, а ее объем должен быть равен четырем рабочим объемам цилиндра. Рассчитывается по формуле: Диаметр вторичной трубы равен 2*корень квадратный из объем четырех цилиндров двигателя / (длина первичной трубы*3.14).

Эти формулы используются для первичного расчета коллектора, окончательная доводка выпускного коллектора (паука 4-2-1) ведется на мощностном стенде.

Правильно собранная система выхлопа даже в стоковом автомобиле может дать прирост мощности до 20%, а это с учетом общего количества лошадиных сил не мало. Увеличить наполнение цилиндров, а, следовательно, и максимальную мощность двигателя можно за счет правильного колебания давления на выпуске. Чтобы добиться такого прироста мощности необходимо создать минимальное давление за выпускным клапаном при его открытии, чтобы не было подпора газов, научными словами это значит поменять амплитуду и форму волны выхлопных газов. В результате таких манипуляций и улучшается наполнение цилиндра, ведь элементы сгорания смеси уходят быстрее и без остатка попадают в трубу.

Коллектор, а в народе «паук» представляет собой конструкцию, когда четыре трубы сначала сходятся в пары (в одной паре выхлопных труб два цилиндра работают поочередно), а затем подходят к общей трубе, и получается система 4 в 2 в 1. Суть такой конструкции выхлопа в том, чтобы газы в процессе прохождения в коллекторе не подпирали друг друга, не стыкались. И в итоге каждый цилиндр получает свободный ход в трубе (без давления со стороны других цилиндров) для волны газов. Установка паука 4 в 2 в 1 это один из самых простых способов усовершенствования выхлопной системы, несложный способ получить более высокий крутящий момент для расширенного диапазона рабочих оборотов.

В общем, вся суть усовершенствованного выхлопа — это сделать минимальным давление выхлопных газов после клапана в тот момент, когда он открывается. Еще важно знать, что сама конструкция сделана так, чтобы уменьшить давление в максимально широком рабочем диапазоне мотора.

Конструкция выхлопных коллекторов располагает несколькими видами: Первый – когда к каждому цилиндру подведена отдельная выхлопная труба; Второй — паук с конструкцией 4 в 2 в 1; Третий — паук с конструкцией 4 в 1.

Первый вариант позволяет получить наименьшее давление выхлопных газов. Но, диапазон оборотов, когда разряжение или минимальное давление внутри труб очень узкий, и при повышении оборотов давление значительно увеличится, и будет мешать свободному прохождению газов. Именно по этой причине такой тип выхлопных коллекторов не используется. Варианты двух других конструкций имеют более низкую амплитуду колебаний, но они созданы для работы в большем рабочем диапазоне. Вариант паука 4 в 2 в 1 имеет самый больший из всех рабочий диапазон, хотя и очень заниженную амплитуду. Паук 4 в 1 имеет высокую амплитуду, выше, чем у 4 в 2 в 1, но в значительно меньшем рабочем диапазоне.

Найти готовые формулы, которые расшифровывают проход и давление газов в выпускном коллекторе, не представляется возможным, ввиду их отсутствия, потому рассчитать конструкцию коллектора сложно. Конечная доводка выхлопа производится на специальных стендах.

Если к длине начальной трубы добавить длину канала в ГБЦ, получаем 5100 * ЕТ/RPM*6, где 5100 и 6 – рассчитанные опытным коэффициенты. ЕТ – это опережение для открытия клапана (выпускного) до НТМ в градусах поворота коленвала и добавить 180 градусов.

RPM — обороты коленвала, в диапазоне которых планируется получение максимальной продуктивности от выхлопной системы.

В начальной трубе большую роль играет её диаметр, он находится исходя из того, что труба должна вмещать в себе два объема одного цилиндра.

Учитывая все эти характеристики, получим следующую формулу: Х1 = 2 * √((2*Y)) / (Х2 * π).

Вторичная выхлопная труба, в которую входят две начальные создается в расчете, что она должна иметь длину как у начальной, но больший объем (4 объема цилиндра).

В виде формулы: Длина вторичной трубы = 2 * √((4 *Y)) / (Х2 * π).

Х1 – Диаметр начальной трубы;

Х2– Длина начальной трубы;

Y – Значение, равное одному объему цилиндра.

Такие формулы используют, чтобы получить только начальные расчеты по созданию коллектора, конечная настройка паука должна производиться только на стенде!

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *