Фотогалерея

, Гость!

Ник:
Пароль:


Войти через другие сервисы. Самый удобный и проверенный способ моментально стать пользователем нашего портала.

Статистика

Понедельник468
Вторник1411
Среда539
Четверг635
Пятница41
Суббота502
Воскресенье461
Сейчас online:29
Было всего:4998503
Рекорд:4870

Кто онлайн:

Рейтинг сайта

УралWeb Рейтинг@Mail.ru

Яндекс.Метрика

HotLog Яндекс цитирования

Интересно

^^^Здесь может быть ваше фото^^^


Поиск
Поиск

Одна из самых популярных тем во всех “курилках”, так или иначе связанных с тюнингом авто, – выпускные системы двигателей.

По крайней мере, я чаще отвечаю на вопросы о выхлопе, чем о клапанах, головках, коленвалах и прочих составляющих настройки двигателей. Причем диапазон вопросов примерно следующий: от “скажите, а как применить формулу для вычисления резонансной частоты (приводится соотношение для резонатора Гельмгольца) к четырехдроссельному впуску?” до “мне друг подарил “паук” со своего спортивного “гольфа”. Сколько прибавится лошадиных сил, если я его установлю на свой автомобиль?” или “ я строю себе мотор. Какой глушитель купить, чтобы было больше мощности?”, или “сколько лошадиных сил прибавится, если я вместо катализатора установлю резонатор?”. Причем во всех вопросах красной линией проходит добавочная мощность.

выпускная система


ТАК ДАВАЙТЕ ДЛЯ НАЧАЛА РАЗБЕРЕМСЯ, ГДЕ ЖЕ ЛЕЖИТ ЭТА ДОБАВОЧНАЯ МОЩНОСТЬ. И ПОЧЕМУ ВЫПУСКНОЙ ТРАКТ ВЛИЯЕТ НА РАБОТУ МОТОРА.

Если мы все дружно понимаем, что мощность есть произведение вращающего момента на скорость вращения коленчатого вала (обороты), то понятно, что мощность – зависимая от скорости величина. Рассмотрим чисто теоретический двигатель (не важно, электрический он, внутреннего сгорания или турбореактивный), который отдает постоянный вращающий момент на оборотах от 0 до бесконечности. (кривая 2 на рис. 1) Тогда его мощность будет линейно расти с оборотами от 0 до бесконечности (кривая 1 на рис. 1). Предмет нашего интереса – четырехтактные многоцилиндровые двигатели внутреннего сгорания в силу конструкции и процессов, в них происходящих, имеют рост момента с увеличением оборотов до его максимальной величины, и с дальнейшим увеличением оборотов момент сновападает (кривая 3 на рис. 1). Тогда и мощность будет иметь аналогичный вид (кривая 4 на рис. 1). Важным обстоятельством для понимания функций выпускной системы является связь вращающего момента с коэффициентом наполнения цилиндра. Давайте себе представим процесс, происходящий в цилиндре в фазе впуска. Предположим, коленчатый вал двигателя вращается настолько медленно, что мы можем наблюдать движение топливовоздушной смеси в цилиндре и в любой момент времени давление во впускном трубопроводе и цилиндре успевает выравниваться. Предположим, что вверхней мертвой точке (ВМТ) давление в камере сгорания равно атмосферному. Тогда при движении поршня из ВМТ в нижнюю мертвую точку (НМТ) в цилиндр попадет количество свежей топливовоздушной смеси, точно равное объему цилиндра. Говорят, что в таком случае коэффициент наполнения равен единице. Предположим, что в вышеописанном процессе мы закроем впускной клапан в положении поршня, соответствующем 80% его хода. Тогда мы наполним цилиндр только на 80% его объема и масса заряда составит соответственно 80%. Коэффициент наполнения в таком случае будет 0.8. Другой случай. Пусть некоторым образом нам удалось во впускном коллекторе создать давление на 20% выше атмосферного. Тогда в фазе впуска мы сможем наполнить цилиндр на 120% по массе заряда, что будет соответствовать коэффициенту наполнения 1.2. Так, теперь самое главное. Вращающий момент двигателя совершенно точно на кривой момента соответствует коэффициенту наполнения цилиндра. То есть вращающий момент там выше, где коэффициент наполнения выше, и ровно во столько же раз, если, конечно, мы не учитываем внутренние потери в двигателе, которые растут со скоростью вращения. Из этого понятно, что кривую момента и, соответственно, кривую мощности определяет зависимость коэффициента наполнения от оборотов. У нас есть возможность влиять в некоторых пределах на зависимость коэффициента наполнения от скорости вращения двигателя с помощью изменения фаз газораспределения. В общем случае, не вдаваясь в подробности, можно сказать, что чем шире фазы и чем в более раннюю по отношению 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. 1). Существенное значение имеет так называемая фаза перекрытия. Дело в том, что при высокой скорости вращения определенное влияние оказывает инерция газов в двигателе. Для лучшего наполнения в конце фазы выпуска выпускной клапан надо закрывать несколько позже ВМТ, а впускной открывать намного раньше ВМТ. Тогда у двигателя появляется состояние, когда в районе ВМТ при минимальном объеме над поршнем оба клапана открыты и впускной коллектор сообщается с выпускным через камеру сгорания. Это очень важное состояние в смысле влияния выпускной системы на работу двигателя. Теперь, я думаю, пора рассмотреть функции выпускной системы. Сразу скажу, что в выпускной системе присутствует три процесса. Первый – сдемпфированное 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 мы будем рассматривать с позиции его влияния на коэффициент наполнения. Строго говоря, нас 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. Начнем с достаточно очевидных вещей. 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 (например, соседи пошутили и засунули в выхлопную трубу картошку), то давление в выпускной трубе не будет успевать падать, и в момент открытия выпускного клапана давление 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. 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 сказать, что тут главное не потерять, прибрести же ничего невозможно. Из практики могу сказать, что для двигателя объемом 1600 куб. см, имеющего хороший вращающий момент до 8000 об./мин., вполне достаточно трубы диаметром 52 мм. Как только мы говорим 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. К сожалению, для дорожного автомобиля это могут себе позволить только отчаянные хамы. Борьба с шумом – это, как ни верти, забота о нашем с вами здоровье. Не только в повседневной жизни, но и в автоспорте действуют ограничения на шум, производимый двигателем автомобиля. Должен сказать, что в большинстве классов спортивных автомобилей шум выпуска ограничен уровнем 100 дб. Это довольно лояльные условия, но без глушителя ни один автомобиль не будет соответствовать техтребованиям и не сможет быть допущенным к соревнованиям. Поэтому выбор глушителя – всегда компромисс между его способностью поглощать звук и низким сопротивлением потоку.

ТЕПЕРЬ, НАВЕРНОЕ, СЛЕДУЕТ ПРЕДСТАВИТЬ СЕБЕ, КАКИМ ОБРАЗОМ ЗВУК ГАСИТСЯ В ГЛУШИТЕЛЕ.

Акустические волны (шум) несут в себе энергию, которая возбуждает наш слух. Задача глушителя состоит в том, чтобы энергию колебаний перевести в тепловую. По способу работы глушители надо разделить начетыре группы. Это ограничители, отражатели, резонаторы и поглотители.

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


ОТРАЖАТЕЛЬ
выпускная системаВ 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 мы заставим также газовый поток менять направление, то все равно создадим некоторое сопротивление выхлопным газам. Такая конструкция чаще всего применяется в оконечных глушителях стандартных систем.

РЕЗОНАТОР
выпускная системаГлушители резонаторного типа используют замкнутые полости, расположенные рядом с трубопроводом и соединенные с ним рядом отверстий. Часто в одном корпусе бывает два не равных 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
выпускная системаСпособ работы поглотителей заключается в поглощении акустических волн неким пористым материалом. Если мы звук направим, например, в стекловату, то он вызовет колебания волокон ваты и трение волокон друг о друга. Таким образом, звуковые колебания будут преобразованы в тепло. Поглотите ли 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. Надо сказать, что серийные выпускные системы используют в большинстве случаев различные комбинации всех приведенных способов. Глушителей в системе бывает два, а иногда и больше. Следует обратить внимание на особенность конструкций глушителей, которая в случае самостоятельного изготовления не позволяет достичь эффективного снижения шума, хотя кажется, что все сделано правильно. Если внутри глушителя у его стенок нет поглощающего материала, то источником звука становятся стенки корпуса. 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. Есть еще одно обстоятельство, которое нельзя обойти вниманием в статье о тюнинге. Это 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 за дача 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.

ТЕПЕРЬ МОЖНО ПЕРЕЙТИ К ВОПРОСУ,НАИБОЛЕЕ ПОПУЛЯРНОМУ И БОЛЕЕ СЛОЖНОМУ. КАКИМ ОБРАЗОМ ДВИГАТЕЛЬ БЛАГОДАРЯ НАСТРОЙКЕ ВЫПУСКНОЙ СИСТЕМЫ МОЖЕТ ПОЛУЧИТЬ ДОПОЛНИТЕЛЬНУЮ МОЩНОСТЬ?

Как мы уже уяснили, 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, спросите вы. 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 нас больше всего. Нужно только сделать так, чтобы он был в нужном месте в нужное время. Место нам 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 для нас 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. Помните? Такое состояние (фаза перекрытия) характеризуется тем, что впускной коллектор через камеру сгорания сообщается с выпускным. Вот теперь, если фронт раз режения достигнет выпускного клапана, мы сможем 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 себе, что как только все отработанные газы покинут цилиндр, а разрежение достигнет свое го максимального значения, выпускной клапан закроется, мы сможем 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. Осталась сущая мелочь. Нужно такой процесс организовать.

Первым необходимым условием дозарядки цилиндров с помощью ударных волн надо назвать существование достаточно широкой фазы перекрытия. Строго говоря, нас 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.
выпускная системаВторое 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 мы договорились, что различные элементы, уменьшающие сечение, нам 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 или даже Ауди А6 длиной 4,8 метра возможно разместить такую систему. Опять же, глушитель все-таки нужен. Тогда мы должны 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.

Короче, 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 нашим автомобильным двигателям. Сократить геометрические размеры выпускной системы, настроенной на те же 6000 об/мин, вполне можно, если мы будем 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 восьмицилиндрового - через 90. Соответственно, интервал времени, а следовательно, и длина отводящей от выпускного окна трубы пропорционально уменьшается и для, например, 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 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.

Тут надо сказать, что 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, на уровень и тембр шума мы уже обсудили. Чем ниже избыточное давление они обеспечат, тем лучше.

выпускная система


Итак, мы уже рассмотрели 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. 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. Один из часто встречающихся вопросов, на которые приходится отвечать, это какой "паук" предпочесть. Сразу скажу, что ответить на этот вопрос однозначно нельзя. 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 мы можем использовать, тем лучше наполним цилиндры и, соответственно, получим прибавку момента. Так как добротность - энергетическая характеристика, то она неразрывно связана с шириной резонансной зоны. Не вдаваясь в подробности, можно сказать, что если мы получим 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 рис 2 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.
выпускная системаПервый. Так как вращающий момент пропорционален перепаду давления, то наибольший прирост даст высокодобротная система номер один. Однако в узком диапазоне оборотов. Настроенный двигатель с такой системой будет иметь ярко выраженный в зоне резонанса. И совершенно никакой на других оборотах. Так называемый однорежимный или мотор. Такой двигатель, скорее всего, потребует многоступенчатую трансмиссию. Реально такие системы в автомобилях не применяются. Система второго типа имеет более характер, используется в основном для кольцевых гонок. Рабочий диапазон оборотов гораздо шире, провалы меньше. Но и прирост момента меньше. Таким образом настроенный двигатель тоже не подарок, об эластичности и мечтать не приходится. Однако если главное - высокая скорость при движении, то под такой режим будет подстроена и трансмиссия, и пилот освоит способы управления. Система третьего типа еще ровнее. Диапазон рабочих оборотов достаточно широкий. Плата за такую покладистость - еще меньшая добавка момента, которую можно получить при правильной настройке. Такие системы используются для ралли, в тюнинге для дорожных автомобилей. То есть для тех автомобилей, которые ездят с частой сменой режимов движения. Для которых важен ровный вращающий момент в широком диапазоне оборотов.
выпускная системаВторой. Как всегда, бесплатных пряников не бывает. На вдвое меньших от резонансной частоты оборотах фаза отраженной волны повернется на 180 градусов, и вместо скачка разрежения в фазе перекрытия к выпускному клапану будет приходить волна давления, которая будет препятствовать продувке, то есть сделает желаемую работу наоборот. В результате на вдвое меньших оборотах будет провал момента, причем чем большую добавку мы получим вверху, тем больше потеряем внизу. И никакими настройками системы управления двигателем невозможно скомпенсировать эту потерю. Останется только мириться с этим фактом и эксплуатировать мотор в том диапазоне, который можно признать "рабочим".

Однако человечество придумало несколько способов борьбы с этим явлением. Один из них - электронно-управляемые заслонки около выходных отверстий в головке. Суть их работы состоит в том, что на низкой кратной частоте заслонка перегораживает частично выхлопной канал, препятствуя распространению ударных волн и тем самым разрушая ставший вредоносным резонанс. Выражаясь более точно, во много раз уменьшая добротность. Уменьшение сечения из-за прикрытых заслонок на низких оборотах не столь важно, так как генерируется небольшое количество выхлопных газов. Второй способ - применение так называемых коллекторов . Их работа состоит в том, что они оказывают небольшое сопротивление потоку, когда давление в коллекторе меньше, чем у клапана, и увеличивают сопротивление, когда ситуация обратная.

выпускная система Третий способ - несовпадение отверстий в головке и коллекторе. Отверстие в коллекторе большего размера, чем в головке, совпадающее по верхней кромке с отверстием в головке и не совпадающее примерно на 1 - 2 мм по нижней. Суть та же, что и в случае с конусом. Из головки в трубу - "по шерсти", обратно - "против шерсти". Два последних варианта нельзя считать исчерпывающими ввиду того, что "по шерсти" все-таки несколько хуже, чем гладкие трубы. В качестве лирического отступления могу сказать, что несовпадение отверстий - стандартное простое решение для многих серийных моторов, которое почему-то многие "тюнингаторы" считают дефектом поточного производства.

Третий. Следствие второго. Если мы настроим выпускную систему на резонансную частоту, например 4000 об/ мин, то на 8000 об/мин получим вышеописанный "провал, если на этих оборотах система окажется работоспособной.

Немаловажный аспект при рассмотрении работы настроенного выпуска - это требования к его конструкции с точки зрения акустических свойств. Первое и самое важное - в системе не должно быть других отражающих элементов, которые породят дополнительные резонансные частоты, рассеивающие энергию ударной волны по спектру. Это значит, что внутри труб должны отсутствовать резкие изменения площади сечения, выступающие внутрь углы и элементы соединения. Радиусы изгиба должны быть настолько большими, насколько позволяет компоновка мотора в автомобиле. Все расстояния по средней линии трубы от клапана до места соединения должны быть по возможности одинаковыми.

Второе важное обстоятельство состоит в том, что ударная волна несет в себе энергию. Чем выше энергия, тем большую полезную работу мы можем от нее получить. Мерой энергии газа является температура. Поэтому все трубы до места их соединения лучше теплоизолировать. Обычно трубы обматывают теплостойким, как правило, асбестовым материалом и закрепляют его на трубе с помощью бандажей или стальной проволоки.

Раз уж сейчас говорим о конструкции выпускной системы, нужно упомянуть о таком элементе конструкции, как гибкие соединения. Дело в том, что для переднеприводных автомобилей с поперечно расположенным силовым агрегатом существует проблема компенсации перемещений мотора относительно кузова. Так как опоры двигателя при такой компоновке принимают на себя весь реактивный момент от приводных валов ведущих колес, крены силового агрегата относительно кузова в продольном направлении могут иметь значительную величину. Конечно, величина отклонения сильно зависит от жесткости опор, однако нередко перемещения головки блока достигают величины 20 - 50 мм при переходе от торможения двигателем к разгону на низших передачах. В случае, если мы не позволим выпускной системе свободно изгибаться и сделаем ее абсолютно жесткой, конец глушителя должен будет совершать колебания вверх-вниз с амплитудой 500 - 600 мм, что определенно превышает разумную величину дорожного просвета значительной части автомобилей. Если мы попытаемся в таком случае закрепить трубу за кузов, то подвеска глушителя начнет играть роль дополнительной опоры силового агрегата и принимать на себя реактивный момент ведущих колес. В результате или непрерывно будут рваться подвесные элементы выпускной системы, или ломаться трубы. Для того чтобы избавиться от такого нежелательного явления, применяют гибкие соединения между трубами выпускной системы, позволяя приемной трубе перемещаться вместе с мотором, а всей остальной системе оставаться параллельной кузову. Есть несколько конструкций, позволяющих решить эту задачу. Две самые распта окажутся перегруженными и позволят двигателю в подкапотном пространстве с размахом, вполне вероятно превышающим разумные пределы.

выпускная система


Теперь, после того как стали ясны процессы, происходящие в выпускной системе, вполне можно перейти к практическим рекомендациям по настройке выпускных систем. Сразу скажу, что в такой работе нельзя полагаться на свои ощущения и необходимо измерительной системой. Измерять она должна прямым или косвенным методом обязательно как минимум два параметра - вращающий момент и обороты двигателя. Совершенно понятно, что лучший прибор - динамометрический стенд для двигателя. Обычно поступают следующим образом. Для подготовленного к испытаниям двигателя изготавливают экспериментальную выпускную систему. Так как мотор на стенде и нет ограничений в конфигурации труб из-за отсутствующего кузова, самые простые формы вполне применимы. Экспериментальная система должна быть удобной и максимально гибкой для изменения ее состава и длин труб. Хороший и быстрый результат дают различного рода телескопические вставки, позволяющие менять длины элементов в разумных пределах. Если вы хотите добиться от вашей силовой установки максимальных параметров, вы должны быть готовы выполнить значительное количество экспериментов. Математический расчет и "попадание в яблочко" с первого раза исключите из рассмотрения, как событие чрезвычайно маловероятное. Его можно использовать как "приземление в заданном районе". Некоторую уверенность в том, что вы недалеко от истины, дают опыт и предыдущие эксперименты с аналогичными по характеристикам моторами, у которых были получены хорошие результаты.

Тут, вероятно, надо остановиться и ответить на вопрос, а на какую частоту надо настраивать выпускную систему. Для этого надо определить цель. Постольку, поскольку в самом начале статьи мы решили, что будем добиваться максимальной мощности, то лучший в этом смысле вариант, если мы получим прирост момента на том участке моментной кривой, где коэффициент наполнения, а следовательно, и момент начинают существенно падать из-за высокой скорости вращения, т.е. мощность перестанет расти. Тогда небольшое приращение момента даст существенный выигрыш в мощности. См. рис. 3. Для того чтобы узнать эту частоту, необходимо как минимум иметь моментную кривую двигателя с ненастроенным выхлопом, т.е., например, со стандартным коллектором, открытым в атмосферу. Конечно, такие эксперименты весьма шумные и, извините за грубое слово, вонючие, однако необходимые. Некоторые меры по защите органов слуха и хорошая вентиляция позволят получить необходимые данные. Затем, когда нам станет известна частота настройки, нагружаем двигатель так, чтобы обороты стабилизировались в нужной точке кривой при на 100% открытом дросселе.

Теперь можно начинать экспериментировать с различными приемными трубами. Цель - подобрать такую приемную трубу или "паук", а точнее ее длину, чтобы получить прирост момента на нужной частоте. При попадании в нужную точку динамометр сразу отзовется увеличением измеряемой силы. Быстрее всего результат будет получен, если использовать телескопические трубы и менять длину на работающем и нагруженном двигателе. Меры безопасности будут нелишними, так как присутствует вероятность ожога, да и работающий с полной нагрузкой двигатель опасен в смысле разрушения. Известны случаи, когда при аварии обломки блока цилиндров пробивали кузов автомобиля и влетали в кабину водителя. После того как будет найдена конфигурация "паука", можно приступать к настройке вторичной трубы аналогичным образом. Как я уже говорил, влияние всех остальных элементов выпускной системы сводится к тому, чтобы не потерять уже достигнутого. Поэтому достаточно планируемые к установке в автомобиль трубы и глушителъ пристыковать к найденным и настроенным первым двум элементам и убедиться, что настройки сохранились или существенно не ухудшились. Далее можно уже приступать к проектированию и изготовлению рабочей системы, которая будет соответствовать автомобилю и разместится в предназначенном для нее туннеле кузова. Должен сказать, что работа очень большая и маловероятно, что может быть выполнена без специального оборудования. Кроме того, необходимо иметь в виду, что на параметры настройки выпускной системы оказывают влияние многие факторы. Известный авторитет в области спортивных моторов в США Smokey Yunick считает, что совместной настройке подлежит выпускная система, впускные и выпускные каналы головки, форма камеры сгорания, фазы газораспределения (распредвал), фазировка двигателя, впускной коллектор, система питания и система зажигания. Он утверждает, что любое изменение в одной из названных компонент обязательно влечет за собой перенастройку всех остальных для того, чтобы в худшем случае не навредить, а в лучшем достичь большей эффективности мотора. Как минимум понятно, что в фазе перекрытия, когда настроенная выпускная система выполняет полезную работу, мы имеем дело со сквозным потоком газов из впускного в выпускной коллектор через камеру сгорания. Впускной коллектор точно так же, как и выпускная система, может рассматриваться как колебательная акустическая система со своими резонансными свойствами. Так как цель настройки состоит в получении максимального перепада давления, роль впускного коллектора, а точнее его геометрии, очевидна. Ее влияние для моторов с широкой фазой перекрытия может оказаться меньше, чем от выпуска в силу меньшей энергетики, однако совместная настройка категорически необходима. Для узкофазных моторов (читай - серийных) настройка впускного коллектора, пожалуй, единственный способ получить резонансный наддув.

Пару слов хотелось бы сказать о разнице в настройке впрыскного и карбюраторного моторов.
Во-первых, у впрыскного мотора конструкция впускного коллектора может быть любая, так как мы не связаны с конструктивными особенностями карбюратора, а значит, возможности настройки гораздо шире.
Во-вторых, у него на кратных частотах отрицательное влияние обратного перепада давления существенно ниже. Карбюратор на любое движение воздуха в диффузоре распыляет топливо. Поэтому для кратных частот характерно переобогащение смеси из-за того, что один и тот же объем воздуха сначала движется через карбюратор из камеры сгорания к фильтру, а затем в том же такте обратно. В случае электронной системы впрыска количество топлива может быть строго отрегулировано с помощью программы управления. Также программируемый угол опережения зажигания может помочь уменьшить на этих оборотах вредное влияние обратной волны, не говоря уже об управлении теми заслонками на выхлопе, которые уже упоминались.
И, в-третьих, требование качественного приготовления смеси на низких оборотах диктует необходимость применять сужающееся сечение в карбюраторе, известное как диффузор, что создает дополнительное сопротивление потоку на высоких оборотах.

Ради справедливости надо сказать, что горизонтальные сдвоенные карбюраторы Вебер, Деллорто или Солекс частично решают эту проблему, позволяя каждому цилиндру дать трубу необходимой длины с целью настройки на нужные обороты, иметь достаточно большое сечение, но с переобогащением все равно бороться не в силах.

Есть еще один прием, позволяющий повысить эффективность выпускной системы. Применяется он в основном в тюнинге, так как при определенных эстетических наклонностях конструктора позволяет создать броский внешний вид автомобиля. Где-нибудь, как минимум на фотографиях авто американских любителей, вы наверняка видели автомобили с поднятыми из-под заднего бампера чуть ли не до крыши концами выпускных труб. Идея такой конструкции состоит в том, что при движении за задним срезом автомобиля создается "воздушный мешок", или зона разрежения. Если найти то место, где разрежение максимально, и конец выхлопной трубы поместить в эту точку, то уровень статического давления внутри выпускной системы мы понизим. Соответственно статический уровень давления у выпускного клапана упадет на ту же величину. Постольку, поскольку коэффициент наполнения тем выше, чем ниже давление у выпускного клапана, такое решение можно считать удачным.

В заключение хочу сказать, что при кажущейся простоте установка другой, отличной от серийной выпускной системы, как бы она ни была похожа на то, что применяется в спорте, вовсе не гарантирует вашему автомобилю дополнительных лошадиных сил. Если у вас нет возможности провести настройки для вашего конкретного варианта мотора, то самый разумный путь состоит в том, что вы купите полный комплект комплектующих для доработки мотора у того, кто эти испытания уже выполнил и заранее знает результат. Вероятно, комплект должен включать в себя как минимум распредвал, впускной и выпускной коллекторы и программу для вашего блока управления двигателем.

Александр Пахомов
журнал "Тюнинг" Санкт-Петербург

Среди процессов, происходящих в двигателе, ключевую роль играет сгорание рабочей смеси. Если оно протекает неэффективно или с отклонениями от нормы, то неизбежно ухудшаются мощностные и экономические показатели двигателя, а в иных случаях возможно и аварийное разрушение его деталей.

О сущности процесса горения и его аномалиях, о возможности диагностировать эти явления и делать необходимые выводы рассказывает кандидат технических наук В. БАСС.

Как протекает горение.
Нормальный процесс сгорания топливного заряда в цилиндре происходит следующим образом. Поршень приближается к верхней мертвой точке, рабочая смесь (пары бензина, воздух и какое-то количество остаточных продуктов горения) сжата. В нужный момент между электродами свечи проскакивает искра, и здесь образуется первичный очаг воспламенения объемом несколько кубических миллиметров, энергия которого складывается из энергии искры и энергии сгоревшего в этой зоне топлива.

От первичного очага пламя начинает распространяться на окружающую рабочую смесь; фронт этого пламени имеет вид ламинарного (ровного, незавихренного) слоя толщиной меньше миллиметра, движущегося вначале с небольшой скоростью. Однако она быстро нарастает, поскольку остающиеся за фронтом сгоревшие газы, имеющие температуру около 2000°К, расширяются. Удаляясь от свечи, где рабочая смесь относительно спокойна (пристеночная зона), и приближаясь к центру камеры сгорания, пламя достигает турбулизованной (завихренной) зоны топливного заряда. Здесь фронт пламени начинает дробиться и приобретает ячеистую структуру, где участки горения перемежаются со свежей смесью и продуктами сгорания. Толщина такого турбулентного слоя становится равной нескольким сантиметрам, а скорость его распространения измеряется десятками метров в секунду, находясь в прямой зависимости от скорости движения газов внутри камеры.

Нужно заметить, что нормальная работа двигателя в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала обеспечивается именно тем, что скорость турбулентного пламени возрастает пропорционально увеличению скорости движения поршня. Когда же пламя проходит через весь объем камеры, горение в ней постепенно прекращается, а образовавшиеся горячие газы начинают расширяться, перемещая поршень вниз и тем самым, совершая полезную работу. Чем выше температура и давление этих газов, тем больше отдача мощности.

Этот процесс обеспечивает наибольшую эффективность двигателя, расчетный уровень расхода топлива и токсичности отработавших газов. Но, к сожалению, так бывает не всегда. При определенных условиях ход процесса может нарушаться, вызывая разные по тяжести последствия - от неприятных ощущений у водителя до серьезного повреждения двигателя.

Что влияет на процесс горения.


Прежде всего, конечно, бензин, его характеристики, соответствие данному двигателю. Современный товарный бензин представляет собой сложную смесь разных углеводородов, а также специальных присадок. Кроме основного свойства — стойкости к детонации, что определяется октановым числом, бензин должен обладать и другим — не иметь склонности (разумеется, в определенных условиях и пределах) к самовоспламенению и калильному зажиганию, к нагарообразованию.

Процесс сгорания существенно зависит от состава горючей смеси. Общая зависимость (при наивыгоднейшем опережении зажигания) такова: наибольшая температура и давление газов в камере сгорания достигаются при слегка обогащенной смеси. Дальнейшее ее обогащение и обеднение снижает температуру.

Отклонение угла опережения зажигания от оптимальной величины тоже оказывает прямое влияние. Увеличение угла повышает температуру внутри камеры и может довести ее до уровня, опасного для расположенных там деталей. При позднем зажигании температура в камере снижается, но на выпуске - возрастает. Это, в частности, ужесточает тепловой режим работы выпускного клапана.

Любой перегрев деталей, расположенных в камере сгорания, может нарушить нормальное протекание процесса горения топлива.

Детонация.


Появление детонации происходит по следующей схеме. При распространении фронта пламени несгоревшая рабочая смесь подвергается сжатию : сгоревшие газы позади фронта пламени действуют на нее подобно поршню. Если при этом давление и температура превысят критические для данного топлива величины, создаются условия для самовоспламенения, которое называют детонационным. Его характерный признак - взрывная скорость распространения пламени. Принято считать, что это явление связано с образованием перекисей в каких-то участках камеры сгорания под действием высокого давления и температуры. Данный химический процесс требует определенного времени, поэтому, как правило, он происходит в зонах, наиболее удаленных от свечи и дольше всего подвергающихся действию сильного давления. Способствует этому, и прогрев рабочей смеси горячими стенками камеры, что сильнее всего сказывается в узких щелях. Понятно также, что детонация тем вероятнее, чем выше степень сжатия. Когда часть заряда детонирует, образуются ударные волны, которые распространяются со скоростью до 1000 м/с и "бьют" в стенки камеры сгорания. Напрямую разрушить их они не могут, но передают часть своей кинетической энергии, вызывая местные перегревы и вибрацию. Если детонационное сгорание происходит достаточно долго, обгорают или разрушаются металлические детали, чаще всего поршень, свеча или клапан.

Детонация наиболее вероятна, когда двигатель работает с полностью открытой дроссельной заслонкой, а частота вращения коленчатого вала мала. В этом случае наполнение цилиндров свежей смесью максимальное, остаточных газов мало, а время, в течение которого отдаленные от свечи части заряда подвергаются воздействию давления и температуры, наиболее велико и достаточно для образования перекисей. Наглядное проявление этого положения знакомо каждому водителю. Если во время разгона с малой начальной скорости при полностью открытой дроссельной заслонке отчетливо слышны звонкие детонационные стуки, то это лишь вначале, а при достижении определенной скорости они пропадают. Или наоборот, когда автомобиль движется на подъем с замедлением (дроссельная заслонка опять-таки полностью открыта), то вначале детонации нет, а при падении скорости до какой-то величины она может появиться. В подобных случаях для прекращения стуков достаточно прикрыть дроссель (уменьшить наполнение цилиндров) или перейти на пониженную передачу (ускорить вращение коленчатого вала).

Характерными внешними признаками детонации являются повышенное дымление двигателя - черный дым из выхлопной трубы и падение его мощности из-за того, что горение протекает не лучшим образом.

Калильное зажигание.


В разговорах автомобилисты нередко путают его с детонацией, но это два совершенно разных явления. При калильном зажигании рабочая смесь воспламеняется накаленной поверхностью какой-то детали в камере сгорания. Теоретически различают два случая калильного зажигания: до возникновения искры в свече и после. Но дальше речь пойдет только о первом, поскольку именно с ним мы имеем дело на практике и именно он представляет реальную опасность для двигателя.

При калильном зажигании горение протекает нормально, но преждевременно; это равносильно тому, что угол опережения самопроизвольно увеличился по отношению к оптимальному. А такое положение, как мы уже говорили, ведет к недопустимому росту температуры деталей в камере сгорания. Вследствие этого фактический момент зажигания становится еще более ранним, иными словами, процесс самоускоряется. При появлении калильного зажигания мощность двигателя внезапно и резко падает и , если не отреагировать на это снижением нагрузки, перегретые детали будут повреждены.Наиболее вероятно калильное зажигание от перегретой свечи; это бывает, когда свеча по тепловой характеристике не соответствует данному двигателю. Источником этого неприятного явления также могут быть выпускной клапан или поршень; им достаточна меньшая температура, чем у свечи, поскольку поджигающая способность зависит не только от степени нагрева, но и от величины поверхности детали. Чем больше площадь ее контакта со смесью, тем при меньшей температуре возникает калильное зажигание.

Самые благоприятные условия для появления калильного зажигания - режим максимальной мощности, когда дроссель полностью открыт, а обороты предельные. Но для обычной эксплуатации это нетипично, с таким режимом в основном имеют дело спортсмены.

Факторами, способствующими повышенному нагреву деталей в камере сгорания и , следовательно, возникновению калильного зажигания, являются: чрезмерно раннее искрообразование; мощностной, обогащенный состав рабочей смеси; плохое охлаждение цилиндров. Здесь же нужно упомянуть о вреде заусенцев в камере сгорания, особенно на электродах свечи.

Вспышки при выключенном зажигании.


Если калильное зажигание присуще работе двигателя в режиме максимальной мощности, то совершенно очевидно, что этим явлением нельзя объяснить его самопроизвольную работу в течение некоторого времени после выключения зажигания. В данном случае имеет место самовоспламенение топлива, подобно тому, как это происходит в дизелях. Наиболее характерна следующая цепочка обстоятельств. Автомобиль двигался в условиях, способствующих повышенному нагреву деталей двигателя.

После остановки дроссельную заслонку закрыли, зажигание выключили. Коленчатый вал по инерции еще поворачивается, и в один из цилиндров попадает рабочая смесь, которая при медленном сжатии успевает прогреться до температуры самовоспламенения. За этим, естественно, следует рабочий ход, который вызывает протекание такого же цикла в другом цилиндре. Подобная медленная и дерганая, неравномерная работа двигателя продолжается от нескольких секунд до двух-трех минут (такие предельные сроки наблюдались), то есть до тех пор, пока остывание мотора не ликвидирует условия для самовоспламенения топливного заряда.

Только ли нагрев камеры сгорания повинен в возникновении этого "дизельного процесса"? Нет, большую роль здесь играют нагретые отработавшие газы, в изобилии остающиеся в цилиндре от предыдущего цикла, ибо при очень небольшой частоте вращения очистка цилиндров крайне плоха. Эти газы смешиваются со свежей смесью, и сильно прогревают ее, способствуя самовоспламенению. Кстати, столь большое разбавление заряда остаточными газами исключает появление детонации, поэтому описываемый процесс, несмотря на всю свою неупорядоченность, для мотора безопасен. Но на водителя, как мы знаем, производит гнетущее впечатление.

Радикальный способ борьбы с данным явлением - установка в карбюраторе электромагнитного клапана, отключающего подачу топлива через систему холостого хода при выключенном зажигании. Такие клапаны серийно устанавливаются на многих моделях "Жигулей". Другие, более простые способы основаны на самой сути процесса. Так, если после выключения зажигания ненадолго и глубоко нажать на педаль газа, то в цилиндры поступит полновесный заряд свежей смеси, который охладит стенки и устранит условия самовоспламенения. Примерно того же эффекта иногда достигают изменением регулировки холостого хода, но при этом нельзя отклоняться от пределов, обеспечивающих нормы токсичности выхлопных газов при обычной работе двигателя на холостом ходу.

Влияние нагара.


Все было бы достаточно просто, если бы аномалии, о которых говорилось, существовали каждая сама по себе. Однако тот факт, что на стенках камеры сгорания в той или иной степени всегда есть нагар, существенно искажает "классическую" картину.

Дело в том, что отложения на стенках, во-первых, ухудшают теплообмен, а во-вторых - увеличивают фактическую степень сжатия. Иными словами, создают более благоприятные условия для срыва нормального процесса горения. Более того, нагар может оказывать известное каталитическое действие и вызывать самовоспламенение рабочей смеси, а это во многом затрудняет диагностирование аномалий.

И еще. При переходных режимах работы двигателя нагар иногда начинает разрыхляться и расслаиваться; тогда частицы, потерявшие плотный контакт со стенкой, легко перегреваются и могут провоцировать калильное зажигание. Бывает и так, что чешуйки нагара отрываются, но какое-то время не выносятся из камеры сгорания, а остаются в ней. Они легко нагреваются и поджигают рабочую смесь в самый неопределенный момент даже на впуске. Так порождаются; "дикие" стуки, не поддающиеся никакой логике и классификации. Правильно учитывать все эти явления могут помочь только опыт и вдумчивый подход к вопросу.

Для борьбы с отложениями (нагаром) в мировой практике получили широкое распространение специальные добавки к бензину, которые периодически вливают в бак. Ведется работа по созданию такой добавки и у нас. Пока же наиболее доступным средством борьбы с нагаром без разборки мотора остается "прожигание" камер сгорания при форсированном движении по автомагистрали. В качестве профилактической меры полезно строить свои повседневные маршруты так , чтобы городская езда чередовалась со скоростным шоссе.

Что следует из теории.


Вряд ли есть необходимость в каких-то развернутых выводах - они естественно следуют из самой сути рассмотренных положений. Но, видимо, краткое и пусть несколько упрощенное резюме все же может быть полезным. Оно сводится к следующему.

Если во время форсированной езды по автомагистрали в двигателе прослушиваются какие-то непонятные стуки - это не детонация. Логичнее объяснить их самовоспламенением топлива из-за перегрева двигателя или обильного нагара в камерах сгорания.

Если стуки появляются на переменных режимах, скажем, при городской езде, то не калильное зажигание тому виной.

И, наконец, не нужно панически бояться вспышек в моторе после выключения зажигания. Но и терпимо относиться к ним не следует, способы прекратить их, были перечислены в тексте.=====================
vaz.ee

Когда в 1999 году мы начали публикацию серии статей, посвященных форсированию двигателей (№№ 7-9/1999), специализированные мастерские (сейчас их называют тюнинговые ателье)

способные выполнить такую работу, можно было пересчитать по пальцам. За какие-то три года спрос на эти работы настолько возрос, что тюнинг двигателя теперь стал обыденным явлением.

Желая повысить мощность двигателя, любой владелец автомобиля без труда найдет не один десяток адресов (как крупных центров, так и обычных СТО), где можно «оттюнинговать» двигатель. Конечно, такая доступность должна радовать. Но настораживает то, что технически сложные работы по изменению конструкции двигателя (а именно в этом суть настоящего тюнинга) сегодня проводятся повсеместно. Да и более близкое знакомство с работой механиков, смело улучшающих двигатели посредством тюнинга, наводит на размышления.

Мода на... тюнинг?

Что, в самом деле, означает массовость тюнинга двигателя? Доступность услуги - это, понятное дело, хорошо. А вот ее качество? Тут возникает масса вопросов. Давайте разберемся.

Тюнинг двигателя предполагает, в первую очередь, вмешательство в конструкцию двигателя, худо-бедно, но уже отработанную производителем. Изменение конструкции мотора, как известно, иногда приводит и к отрицательным результатам. За примерами далеко ходить не приходится. На рост токсичности выхлопных газов обычно принято закрывать глаза. И хотя отечественные нормы токсичности весьма «мягкие», но даже и они нарушаются «по жизни» без стеснения. В этом же ряду и повышенный расход топлива. А если двигатель «тюнингуется» по максимуму, то вопрос об экономичности звучит наивно и, как правило, даже не обсуждается.

Хуже, когда изменения, повышающие мощность двигателя, негативно сказываются на его ресурсе и надежности. Обычно такая опасность возрастает с ростом степени форсирования, т.к. чем более мощным становится двигатель, тем больший объем изменений вносится в его конструкцию, и приходится использовать большое количество нестандартных комплектующих.

Картина получается безрадостная. Но, к счастью, такую работу делают не «на каждом углу». В тюнинговый «бум» вмешивается экономика. Действительно, специальные детали и узлы для тюнинга двигателя - вещи весьма и весьма дорогостоящие, их цена во много раз превышает цену стандартных аналогов. К тому же работы по доводке или, как стало модно говорить, «тюнингованию» двигателя тем дороже, чем больше их объем.

В результате имеем следующую ситуацию на рынке «тюнинговых» услуг: наибольшее распространение получил относительно «безопасный» тюнинг - самый дешевый, не требующий серьезного вмешательства в двигатель. Количество специальных комплектующих для такой работы также минимально.

Очевидно, что для проведения этих работ персонал высокой квалификации не нужен. В самом деле, установить новый распределительный вал с измененными фазами газораспределения - не слишком большая премудрость. А потому такую работу для самых распространенных у нас ВАЗовских моторов легко проделают (и не «задорого») в любой мастерской или СТО, в списке услуг которой значится слово «тюнинг». Хотя, справедливости ради, заметим: даже эту, самую простую работу сделать непросто, и механик без соответствующей подготовки может с ней не справиться.

Но не каждый заказчик согласен с таким минимумом. А тогда - и детали дороже, и работа сложнее. Вот и выходит, что дальнейшее движение к «тюнинговому Олимпу», т.е. максимальному форсированию двигателя, идет не без «потерь» - количество мастерских, предлагающих сложные работы, плавно уменьшается с ростом сложности переделок. В конце концов, это количество переходит в качество буквально: для желающих «выжать» из своего мотора максимум - выбор невелик.

Причина очевидна. Серьезные работы требуют глубоких знаний процессов, происходящих в двигателе, чувства «металла», когда механик, как говорят, «нутром чует» особенности работы каждого узла или детали. Специалистов такого класса немного, и их работа не имеет ничего общего с массовой «тюнингацией».

В подавляющем большинстве обычных мастерских глубоко в процессы работы двигателя не вникают. Раз мода рождает спрос, то за предложением дело не станет. А что предлагают? Все, что пожелаете. Хотите распредвал? Пожалуйста, прибавим 20% мощности. Доработать головку блока цилиндров? Нет проблем, еще 10%. Карбюратор, чип? Еще 10%, только платите.

Такая ситуация напоминает происходивщее лет 10-15 назад. Вспомните «бум», связанный с экономией топлива. Чего только тогда не предлагали! И подход был тот же: хочешь сэкономить 20% бензина - поставь вот такое устройство, еще 10% - вот это, а такая «примочка» даст еще... Кто-то даже посчитал, что если все эти способы реализовать одновременно, то бензин должен течь не из бака в двигатель, а наоборот.

Но в двигателе все сложнее - в нем с бешеной скоростью вращаются детали, текут потоки газов, и возникают огромные нагрузки. И все взаимосвязано: изменил что-то здесь - получил разницу там. А потому без серьезной подготовки трудно рассчитывать на успех мероприятия, называемого «тюнинг двигателя».

По нашему мнению, заказчику, желающему форсировать двигатель, не следует оставаться в стороне от технических проблем. Необходимо четко определиться в своих требованиях. Иначе велика опасность обратиться «не туда» и получить «не то», что хотелось.Короче говоря, прежде чем вторгаться в конструкцию двигателя, желательно не один раз подумать, осмыслить технические подробности способов его форсирования. А потому нелишне узнать, о чем говорит теория.

Мощность или момент?

Стремление многих водителей увеличить мощность двигателя своего автомобиля вполне объяснимо. И дело, конечно же, не только в русском характере, который «любит быструю езду».

Более мощный двигатель делает машину более маневренной, а при правильном управлении и более безопасной. Но вот вопрос: что такое мощность? С чем ее «едят», как ее почувствовать?

Может быть, более мощный двигатель - это тот, который лучше «тянет»? В смысле, позволяет автомобилю быстрее разогнаться? Что ж, посмотрим...

Вот самый обычный двигатель - ничего примечательного. А вот - похожий, но только его максимальная мощность вдвое больше. Пробуем разгон с места: с первым - все ясно, а со вторым - проблема: не тянет! То есть отпускаем, как обычно, педаль сцепления, нажимаем на «газ» и... ничего. Прямо «керогаз» какой-то, не разгоняется!

Ничего удивительного в этом нет: форсированный двигатель, в данном случае имеющий вдвое большую максимальную мощность, не работает на низких оборотах, к которым привык водитель. Его сначала нужно разогнать - увеличить обороты тысяч до четырех, не меньше. Только там, «на верхах», т.е. на высоких оборотах, реализуются все преимущества такого мотора. А теперь попробуйте с такими оборотами покататься по городу, где и светофоры, и пробки!

Парадокс и только: в нашем примере двигатель слабый, а «тянет» лучше! Значит, мощность - это еще не все. Иными словами, значение максимальной мощности еще не говорит о преимуществах, эту величину необходимо как-то реализовать на практике.

Почему же «слабый движок» лучше тянет? Все просто - его крутящий момент оказался выше в большей части диапазона числа оборотов. Более того, значение крутящего момента у него имеет пологую характеристику, т.е. слабо изменяется по частоте вращения. А это сразу чувствует водитель - не надо «газовать», машина послушно отзывается на педаль акселератора.

Получается, что величина крутящего момента более значима в обычных условиях дорожного движения.

Попробуем охарактеризовать влияние крутящего момента двигателя на разгонную динамику автомобиля. Ускорение автомобиля (a) можно оценить, используя известный закон Ньютона. Пренебрегая в первом приближении силами трения, сопротивления и инерции вращающихся масс, запишем:

F= m•a , (1)

где F - сила «тяги», ускоряющая автомобиль; m - его масса.

В свою очередь, сила F связана с крутящим моментом Mк ведущего колеса следующим соотношением:

F = 2 MкDк ,

где Dк - диаметр колеса.

Крутящие моменты двигателя Me и колеса Mк связывает простое соотношение:

Mк = iт Me 2 ,

где iт - передаточное число трансмиссии. Подставляя значения F и Mк в уравнение (1), находим значение ускорения автомобиля:

a = MeiтmDк . (2)

Таким образом, чем выше значение крутящего момента двигателя, тем больше ускорение автомобиля. Если учесть, что величина крутящего момента не постоянна, а зависит от многих факторов (к примеру, от частоты вращения), то при разгоне ускорение автомобиля также будет изменяться.

А как же быть с мощностью? Этот параметр, по нашему мнению, более нагляден, когда нужно определить максимальную скорость, до которой способен разогнаться автомобиль. В этом случае мощность двигателя Ne идет на преодоление аэродинамического сопротивления Na, сил трения качения колес Nк и сопротивления в трансмиссии Nm:

Ne=Na+Nк+Nm . (3)

Другими словами, чем выше мощность двигателя, тем при прочих равных условиях может быть выше максимальная скорость автомобиля. При этом не следует забывать, что мощность двигателя, в свою очередь, зависит от частоты вращения коленвала и связана с величиной крутящего момента простой зависимостью:

Ne = Men9550 ,

где n - частота вращения коленвала (об/мин).

Крутящий момент и мощность двигателя передаются на колеса через трансмиссию. Очевидно, что разгонная динамика и максимальная скорость автомобиля зависят от передаточных чисел в КПП и в главной передаче. Эти параметры чрезвычайно важны для реализации всех потенциальных возможностей двигателя. Правильно подобранные передачи в трансмиссии способны значительно повысить эксплуатационные свойства автомобиля, а ошибки в их подборе могут нивелировать результат всех усилий по форсированию двигателя.

Так или иначе, а любая реконструкция двигателя с целью повышения его мощности - работа комплексная, основанная на четком представлении о том, что все-таки мы хотим получить, как это сделать и можно ли это сделать вообще. Здесь без знания рабочих процессов, протекающих в двигателе, никак не обойтись.

О чем говорит теория?

Чтобы окончательно разобраться с моментом и мощностью двигателя, обратимся непосредственно к теории его работы. При работе двигателя давление в его цилиндрах изменяется от минимума на такте впуска до максимума при сгорании топлива в начале рабочего хода. Характер изменения давления в цилиндре можно изобразить графически, связав его с текущим объемом цилиндра, который меняется от минимума, равного объему камеры сгорания (Vкс) в верхней мертвой точке (ВМТ), до максимума - полного объема цилиндра (Vкс+Vh) в нижней.

Это известная индикаторная диаграмма - зависимость давления в цилиндре Р от его текущего объема V В таких координатах, гласит теория, площадь под кривой представляет собой работу, совершенную в данном цикле.

Верхняя часть индикаторной диаграммы, ограниченная кривыми процессов сжатия и расширения (рабочего хода) в цилиндре, - это так называемая индикаторная работа цикла Li, т.е. работа, вычисленная по индикаторной диаграмме. Нижняя часть - под кривыми впуска и выпуска - работа насосных ходов Lнх. Если вычесть из полезной работы Li работу насосных ходов Lнх, а также работу Lм, затраченную на преодоление сил трения и механического сопротивления (в том числе, на привод агрегатов), то получим эффективную работу цикла двигателя:

Le=Li-Lнх-Lм . (4)

Величина работы не наглядна и мало что может рассказать о процессах, протекающих в двигателе. Поэтому в теории часто оперируют удельными параметрами. К примеру, если работу, совершенную за цикл, отнести к объему цилиндра Vh, можно получить удельный параметр, удобный для сравнения разных двигателей. Это - так называемое среднеэффективное давление цикла двигателя:Ре = LeVh . (5)

Далее легко вычислить значения крутящего момента Me:

Me =79,6 iVh Pe (6)

и мощности двигателя Ne:

Ne = Men9550 = iVh Pen120 , (7)

где i - число цилиндров.

Итак, некоторые зависимости получены, попробуем их проанализировать.

С точки зрения практики

Первое, что бросается в глаза: крутящий момент явно не зависит от частоты вращения коленвала, а определяется лишь объемом двигателя iVh и среднеэффективным давлением Pe. Очевидно, имеются два пути повышения Me: увеличение объема двигателя и повышение его Pe.

С объемом все понятно - чем больше, насколько позволяет конструкция двигателя, тем лучше. С параметром Pe «бороться» сложнее. Но индикаторная диаграмма подсказывает, что параметр Pe - это давление, которое можно повысить, увеличив степень сжатия. Правда, резервов тут немного - возможности этого способа ограничены детонацией.

Можно подойти и с другой стороны. Чем больше топливовоздушной смеси мы «загоним» в двигатель, тем, очевидно, больше тепла выделится при сгорании топлива в цилиндре и тем выше будет давление в нем.

Улучшить наполнение цилиндра смесью можно путем увеличения проходных сечений и изменения формы впускных каналов, клапанов и седел, доработки камеры сгорания, а также расширением фазы (продолжительности) впуска. Положительно повлияют и мероприятия, направленные на снижение гидравлического сопротивления впускного тракта: ликвидация «уступов» и острых углов в местах стыка деталей, установка воздушного фильтра с низким сопротивлением.

Кардинальным средством повышения наполнения, а следовательно, и давления в цилиндре следует признать наддув. Однако этот способ сложно реализовать в «тюнинговой» практике, т.к. он связан с большим объемом переделок в двигателе.

Значительное влияние на величину Pe оказывает работа выпускной системы. «Неправильный» выхлоп может «задавить» двигатель, повысив давление в цилиндре на такте выпуска, что, согласно индикаторной диаграмме, приведет к росту работы насосных ходов. Кроме того, большое сопротивление выхлопной системы препятствует наполнению цилиндра смесью, поскольку не все выхлопные газы успеют покинуть цилиндр и займут часть объема свежей смеси. В этой связи не менее важны проходные сечения выпускных каналов, размеры и форма тарелок и седел клапанов, а также продолжительность (фаза) выпуска.

Снова обратимся к формуле (4) работы цикла двигателя. Очевидно, работа, затрачиваемая на преодоление механических потерь, - «вещь» вредная, поскольку уменьшает значения Pe, Me и Ne. Но и тут есть резервы. Можно снизить потери на преодоление сил трения в цилиндропоршневой группе целым рядом мероприятий: снижением массы поршней и шатунов, уменьшением размера юбки поршней и толщины поршневых колец, переносом места фиксации шатуна от осевого смещения в бобышки поршня и др. Кроме того, имеет значение и снижение разбрызгивания масла коленвалом путем специального направления масла, сливаемого из головки блока, установки маслоотражающих экранов и т.д. Правда, эти мероприятия, в основном, эффективны на высоких оборотах, когда потери на преодоление трения особенно велики.

Перечень возможных переделок можно продолжать, однако не стоит надеяться, что отдельно доработанный узел или деталь сразу даст прибавку мощности или крутящего момента процентов этак на ...дцать. Простой пример: увеличиваем объем цилиндров на 20%. Согласно формуле (6), это должно привести к пропорциональному повышению значения крутящего момента. Но не приведет! В двигателе все взаимосвязано - оставленные без изменения системы впуска, выпуска и управления не обеспечат хорошего наполнения, сгорания топлива и очистки (продувки) цилиндров увеличенного объема. В результате снизится значение Pe, и реальная прибавка крутящего момента окажется раза в полтора-два меньше, да и то лишь на малых и средних оборотах.

Кстати, о системе управления. Так называемый «чип-тюнинг» обеспечивает прибавку мощности всего на 5-7%. В то же время после «глубокого» тюнинга механической части двигателя настройка системы управления может дать намного больший эффект.

Итак, пути повышения мощности двигателя определены. Кажется, осталось запастись соответствующими деталями и - к двигателю. Однако не будем торопиться - сделать это мы всегда успеем.

Еще немного теории

Как мы уже отметили, в двигателе все взаимосвязано. На практике это означает, что изменение в одном узле ведет к перемене всего рабочего процесса: от воздухозаборника до среза выхлопной трубы. Причем на разных режимах любое вмешательство оказывает различное воздействие. Более того, то, что хорошо на одном режиме, может оказаться плохо на другом.

Проведем такой эксперимент: разгон автомобиля от оборотов холостого хода двигателя до максимальных. Реально это выглядит следующим образом: скорость 30 км/час, 4-я передача, «газ в пол». Вначале «тяги» почти нет - автомобиль едва разгоняется. Затем ускорение увеличивается, достигая максимума, и снова уменьшается, пока вблизи максимальных оборотов двигатель не «зависает».

Что это? На практике мы повторили испытания так называемой внешней скоростной характеристики двигателя - зависимости Me и Ne от частоты вращения коленвала при полностью открытой дроссельной заслонке.

Заметили, что наибольшая «тяга» - где-то на средних оборотах? Максимум крутящего момента находится здесь же. А вот при уменьшении или увеличении частоты вращения момент падает. Почему?

Причин этого явления несколько. Отметим, что максимумы значений Pe и Me в области средних оборотов не случайны, поскольку это - наиболее часто используемые в эксплуатации режимы: конструкторы намеренно «настраивают» все системы двигателя именно на средние обороты.

Что такое «настройка»? Попробуем объяснить. Периодичность (1 раз за 2 оборота коленвала) процессов впуска и выпуска в цилиндре вызывает значительные колебания давления и скорости газа в каналах двигателя. Поток газа, движущегося по каналу, обладает частотой собственных колебаний, зависящей от температуры газа и геометрии канала. Так вот, можно подобрать геометрию каналов, в первую очередь, их длину (т.е. настроить системы впуска-выпуска) таким образом, чтобы в период впуска повысить давление перед впускным клапаном, снизив его в цилиндре, а в период выпуска снизить давление на выпуске за выпускным клапаном.

В результате наполнение цилиндров увеличится (это явление называется газодинамическим наддувом), одновременно улучшится и очистка цилиндров от остаточных газов в конце выпуска.

Кроме того, на диапазон средних оборотов одновременно «настраивают» и фазы газораспределения: опережение открытия относительно мертвых точек впускного и выпускного клапанов, их перекрытие (длительность одновременного открытия) и продолжительность впуска и выпуска по углу поворота коленвала. Именно фазы газораспределения в сочетании с правильно подобранной геометрией каналов и дают максимум наполнения цилиндров в выбранном, однако довольно узком, диапазоне частоты вращения.

Естественно, отклонение в сторону меньших оборотов делает продолжительность фаз «избыточной»: возникает заброс выхлопных газов во впускную систему, ухудшается очистка и наполнение цилиндров. При повышении же оборотов фазы оказываются слишком «узкими» и ограничивают как очистку, так и наполнение цилиндров. Результат - значения Pe и Me падают как при уменьшении, так и при увеличении числа оборотов. Причем в области больших частот вращения величина Me дополнительно снижается за счет быстрого роста механических потерь.

Мощность двигателя Ne, также как и его момент Me, имеет максимумы, которые за счет влияния частоты вращения (см. формулу 7) сдвинуты в сторону повышенных оборотов.

Теперь, зная характер изменений значений Me и Ne от частоты вращения, попробуем изменить «настройки». В первую очередь «расширим» фазы газораспределения. Максимумы значений Me и Ne переместятся в область более высоких оборотов, при этом заметно увеличится максимальное значение Ne. Именно этот эффект и лежит в основе форсирования двигателя по частоте вращения: так строят, к примеру, все спортивные моторы.

От идеи до практики

Итак, основные закономерности мы выяснили. Попробуем теперь выбрать схему, по которой можно форсировать двигатель.

Очевидно, первое, что надо решить, - насколько необходимо увеличить объем цилиндров. Если поставлена цель - достичь максимального эффекта при форсировании, то объемом пренебрегать нельзя, даже если в нашем распоряжении не так много возможностей: повышение мощности и момента прямо пропорционально объему цилиндров.

Следующее по значимости - это фазы газораспределения. Необходимо сделать выбор: «строим» ли мы «скоростной» двигатель, который будет «раскручиваться» на высоких оборотах, или «моментный», для работы на средних оборотах. Это, без сомнения, зависит от темперамента водителя и стиля езды. На этом этапе предстоит выбор распределительного вала для нашего мотора - именно параметры вала определяют характер изменения момента и мощности по частоте вращения коленвала.

Затем все узлы и детали двигателя «настраиваются» на объем двигателя, но главное, на соответствие выбранному распределительному валу. Другими словами, весь клапанный механизм, каналы впуска и выпуска, цилиндропоршневая группа - все «подстраивается» под характеристики распределительного вала.

Какой бы мотор ни получился в результате - это будет уже новый, другой мотор. И им надо по-другому управлять. То есть по-иному, но точно регулировать состав топливно-воздушной смеси и угол опережения зажигания. Поэтому следующий этап работы - настройка системы управления двигателем. Без этого новый двигатель не только не «выдаст» всех своих возможностей, но может проиграть своему стандартному аналогу. Особенно это касается двигателей с электронными системами впрыска топлива.

И, наконец, трансмиссия. Ее, возможно, придется дорабатывать, к примеру, изменять передаточные числа главной передачи или отдельных передач. Ведь двигатель, какой бы хороший он ни получился, работает не сам по себе, а вращает колеса автомобиля.

Реализация на практике всех этих этапов - задача непростая, и ее сложность возрастает прямо пропорционально росту мощности и крутящего момента, которые мы хотели бы получить. Чтобы добиться хороших результатов, необходимы опыт и знания, специальный инструмент и приспособления, станочная база, детали и комплектующие. Кроме того, результаты работы необходимо проконтролировать не субъективно, по ощущениям водителя, а объективно, испытав двигатель на специальном стенде.

Обо всем этом, а также об экономической стороне вопроса, мы постараемся подробно рассказать в наших будущих материалах.
==================
vaz.ee
По вопросам организации обращайтесь по телефону: 8-902-269-09-37 (Сергей)
По вопросам создания сайтов в Екатеринбурге и области: 8-965-508-13-38 (Александр)
The release is prepared by exstrim-bog.ru target="index">Екстремальные гонки
The release is prepared by exstrim-bog.ru target="index">Екстремальные гонки