Глушитель — настроенный выхлоп

Одна из самых популярных тем среди автолюбителей, а также среди тех, кто знает хоть что-то об автомобилях, это выпускные системы движков. По крайней мере, мне чаще всего, приходится давать ответы, на иногда даже несколько нелепые вопросы о выхлопе. О коленвалах, клапанах, и тому подобных запчастях двигателя, меня спрашивают несколько реже. Во всех вопросах, касающихся автодвигателей, интересует людей один и тот же вопрос — как увеличить мощность двигателя. Спрашивают, можно ли установить резонатор вместо катализатора, и станет ли двигатель от этого мощнее. Еще в топовой десятке, вопрос о том, сколько прибавится «конячек» если поставить «паук» от спортивного автомобиля себе на машину, ну и множество других подобных вопросов. Сейчас попробую дать ответы, если не на все, то хотя бы на основные вопросы. Для начала давайте разберемся, что это за зверь такой — добавочная мощность, а так же по какой причине выпускной тракт, так радикально влияет на работу двигателя. Я надеюсь, что никому не нужно объяснять, что мощность двигателя — это произведение от вращающего момента к скорости оборотов коленвала, и соответственно мощность — это величина, зависящая от скорости (в нашем случае от вращающего момента). Представим, что перед нами двигатель, выдающий вращающий момент до бесконечности. Какой он, нас в данный момент не интересует, пускай он будет хоть и турбореактивный, или вообще электрический. Стает понятно, что мощность этого двигателя будет расти пропорционально оборотам, начиная с нуля и до бесконечности. В данный момент нас интересует четырехтактные двигатели внутреннего сгорания, которые в силу своей конструкции, а так же в силу происходящих в них процессов, имеют повышение крутящего момента, а так же увеличение оборотов двигателя до максимума, а при дальнейшем увеличении оборотов, со снова падающим, крутящим моментом. Одним из важных обстоятельств, для полного понимания различных функций выпускной системы, является связь вращающего момента с коэффициентом наполнения цилиндра. Представим себе процесс, который происходит в цилиндре во время впрыска топлива. Если коленвал вращается так медленно, что мы можем увидеть, как движется топливовоздушная смесь в цилиндре, то мы видим, как давление в трубопроводе для впрыска, и в цилиндре выравнивается. Давайте предположим, что давление в верхней мертвой точке, равно атмосферному, тогда получается, что во время движения поршня из этой точки, в нижнюю точку, в цилиндре оказывается равное объему цилиндра количество топливно-воздушной смеси. Обычно говорят, что коэффициент наполнения цилиндра в таком случае равен единице. Представим, что в том процессе, который мы описали выше, закрыть впускной клапан, при этом «поймав» поршень на отметке восемьдесят процентов, от его хода. Соответственно цилиндр наполнится топливом на восемьдесят процентов. Коэффициент наполнения будет равен ноль целых восемь десятых. Представим другую ситуацию: скажем, что у нас получилось создать давление во впрыскном коллекторе, которое превысит атмосферное, на двадцать процентов. Тогда получается, что мы можем наполнить цилиндр на сто двадцать процентов, а это будет равно коэффициенту наполнения одна целая две десятых. Переходим к самому главному. Вращающий момент двигателя соответствует тому, насколько наполнен цилиндр. То есть чем выше коэффициент наполнения, тем больше вращающий момент, мощность двигателя соответственно стает больше. В некоторых пределах, мы можем влиять на коэффициент наполнения топливом при помощи регулировки фаз газораспределения. Если не вдаваться в подробности, можно сделать вывод, что максимум вращающего момента будет достигнут при более широкой фазе. Фаза перекрытия так же имеет существенное значение, так как при высокой скорости вращения, очень сильно влияет инерция газов, происходящая в двигателе. Для наиболее оптимального наполнения при окончании фазы впрыска топлива, выпускной клапан следует закрывать не значительно позже верхней мертвой точки, а клапан для впрыска следует открывать значительно раньше, этой самой точки. Если произвести все эти действия правильно, то получится, что при минимальном объеме над поршнем, оба клапана будут открыты, и коллектор будет сообщаться с выпускным клапаном через камеру сгорания. Как видно исходя из выше написанного, данное состояние является очень важным для максимальной эффективности работы двигателя. Рассмотрим функции выпускной системы. В ней происходят три процесса. Процесс первый демпфированное истечение газов по трубам (в той или иной степени). Процесс второй с целью снижения шума при работе двигателя акустические волны гасятся. И процесс третий — это распространение в газовой среде ударных волн. Давайте рассматривать эти процессы со стороны их влияния на коэффициент наполнения. Если быть еще более точным, то нас интересует давление у выпускного клапана в момент его открытия в коллекторе. Чем меньше давление (в идеале ниже атмосферного) удастся получить, тем большим будет перепад от впускного коллектора до выпускного, и заряд соответственно цилиндр в фазе впрыска, получит больший. Начнем с самого очевидного. Труба для выпуска предназначена для того, что бы отводить выхлопные газы наружу. Также понятно, что данная труба не должна сопротивляться потоку газа. Если выпускной трубе появляется посторонний предмет, например банан в выхлопной трубе, то давление не будет успевать падать, что приведет к тому, что в момент открытия клапана давление в коллекторе не позволит очиститься цилиндру. В общем, к чему это приведет, и так всем понятно. Двигатель не сможет поддерживать необходимый крутящий момент, и автомобиль просто не поедет. Важно также понимать, что конструкция шумопонижающих устройств, а также размеры трубы в серийных автомобилях довольно таки хорошо соответствуют количеству газов вырабатываемых автомобильным двигателем за одну единицу времени. Когда серийный движок подвергается модификациям для увеличения мощности, то сразу же увеличивается количество отработанных газов, которые должны успевать пропускаться через выхлопную трубу. Исходя из того что мы увидели в первом процессе, можно сделать вывод о том, что размер труб вполне удовлетворителен. Так же понятно, что увеличивать сечение труб для двигателя, абсолютно бессмысленно, Так как производительность двигателя от этого не увеличится. Далее отвечаю на вопрос, где же все-таки мощность. Честно говоря здесь более важным является то, чтобы не потерять мощность. Так как приобрести практически нечего невозможно. На собственном опыте, я убедился, что если двигатель имеет объем тысячу шестьсот кубических сантиметров, и имеет вращающий момент до восьми тысяч оборотов в минуту, то трубы имеющие диаметр пятьдесят два миллиметра вполне достаточно. Что касается сопротивления в выпускной системе, то здесь нужно упомянуть об устройстве, для понижения шума. Глушитель, конечно же, оказывает сопротивление потоку выхлопных газов, так что со стороны производительности можно смело сказать, что самый лучший глушитель, это полное отсутствие такового. Вот только нужно быть абсолютно отчаянным хамом, чтобы кататься в автомобиле без глушителя, да и для собственного слуха, это тоже неслабое испытание. В некоторых странах можно даже схлопотать штраф, за то что ваш автомобиль превысил допустимый шумовой порог. Большинство спортивных автомобилей имеют ограничение на шумовой порог составляющее сто децибел. Без глушителя даже самый маленький автомобильчик с малюсеньким объемом двигателя, превысит этот порог, и не будет допущен к соревнованиям, поэтому без глушителя не обойтись никак. Если вы выбираете глушитель, то вам в любом случае придется выбирать между поглощением шума, и сопротивлением газовому потоку. Давайте представим себе, каким образом в глушителе снижается уровень звука. Глушитель состоит из четырех групп: отражатели, ограничители, резонаторы и поглотители.

1) Ограничитель. Принцип работы понятен и прост. В глушителе имеется зауженный диаметр трубы, а за ним сразу место, которое имеет большой объем. Когда звук попадает в узкое пространство, а потом резко оказывается в свободном, звуковые колебания сглаживаются. Именно по этой причине сопротивление газовому потоку увеличивается. В качестве основного глушителя такое устройство не эффективно, однако прекрасно подходит для предварительного глушителя в выхлопной системе.

2) Отражатель. В глушителе создается множество акустических зеркал, от которых отражаются звуковые волны. При каждом подобном отражении, часть энергии тратится на разогрев зеркала. Когда звук проходит по целому лабиринту подобных зеркал, вся энергия рассеивается, и наружу попадает только малая часть звука. К слову сказать, пистолетные глушители построены по такому же принципу. У этого устройства один недостаток: газовый поток, также проходит по всему этому лабиринту из акустических зеркал, из-за чего сопротивление газовому потоку имеет место почти также как и в первом случае.

3) Резонатор. Замкнутые полости, которые расположены рядом с трубопроводом, а также соединены с ним рядом отверстий называются резонаторными глушителями. В одном корпусе довольно часто бывают два различных объема, которые разделены перегородкой. Каждое отверстие в паре с замкнутой полостью являются резонатором который возбуждает колебание своей частоты. Условия распространения этой частоты резко меняются, и она гасится благодаря трению частиц газа в отверстии. Подобные глушители гасят низкие частоты очень эффективно, но только в малых количествах, поэтому применяются чаще всего как предварительные. Сопротивление потоку они практически не оказывают.

4) Поглотитель. Работа поглотителей заключается в том, чтобы поглощать акустические волны пропуская их через некий пористый материал. После направления звука к примеру в стекловату, этот звук приведет к колебанию волокон ваты, а также к трению их друг об друга. Таким образом эти колебания преобразуются в тепло. Построив конструкцию глушителя данного вида можно не уменьшая сечения трубопровода без изгибов. Достаточно просто окружить трубу с прорезанными в ней отверстиями поглощающими материалами. Глушитель данного вида имеет минимальное сопротивление к газовому потоку, но шум он снижает незначительно.

В серийном производстве обычно используются различные комбинации этих видов глушителей, для того чтобы достичь максимального шумопонижения, и при этом избежать снижения пропускной способности выхлопных газов.

Не могу не упомянуть о том, что многие авто владельцы обращаются в мастерские занимающиеся авто тюнингом, для того, чтобы сменить шум двигателя на более «благородные», посредством смены глушителя. Задача подобного рода существенно упрощается, если дело касается только изменения «голоса» двигателя, так как тогда ненужно беспокоиться о производительности двигателя. Для подобного рода тюнинга, достаточно глушителя поглотительного типа. Придать бархатистость звуку двигателя можно при помощи практически любой мягкой набивки. Глушителями резонаторного типа. Тоже можно регулировать «вокальные» данные двигателя, для этого нужно просто варьировать размеры глушителя, а также набор элементов находящихся в нем.

Ну и наконец, переходим к наиболее сложному вопросу нашей сегодняшней статьи. Итак вопрос. Как путем настройки выпускной системы, можно получить дополнительную мощность двигателя. Мы уже знаем, что мощность двигателя, зависит от коэффициента наполнения, и вращающего момента, который в свою очередь, зависят от того, насколько сильно перепад давления между впускным и выпускным коллектором в фазе продувке. Можно построить выпускную систему так, что ударные волны, которые распространяются в трубах, и отражаются от различных элементов системы, будут попадать к выпускному клапану в виде разрежения, или же скачка давления. Напрашивается вопрос: откуда берется разрежение? Дело в том, что в силу инерции газов, всегда следует фронт разрежения, сразу после скачка давления. Нужно сделать так, чтобы этот фронт был в нужное время и в нужном месте, а точнее в выпускном клапане. Период фазы выпуска состоит из двух частей. Первая, это когда открывается клапан. В этой части происходит большой перепад давления, а газы активным потоком попадают в выпускной коллектор, после чего покидают цилиндр. Если в момент открытия клапана волна разряжения достигает выпускного клапана, то вероятность что эта волна повлияет на процесс очистки, ничтожно мала. Нас в данный момент гораздо более сильно интересует конец выпуска газов. В этот момент давление в цилиндре падает почти до атмосферного. Поршень находится где-то в районе верхней мертвой точки, а это означает, что над поршнем в данный момент объем является минимальным. Как мы помним, выпускной клапан, в этот момент уже приоткрыт. Вот теперь и получается, что если фронт разрежения успеет достичь выпускного клапана, коэффициент наполнения существенно увеличится, а следовательно и производительность двигателя. Если представить, что когда разрежение достигнет максимальной отметки, а отработанные газы в этот момент уже покинут цилиндр, мы сможем во время впуска получить больший заряд, чем если бы просто очистили цилиндр до атмосферного давления. Вот в принципе и закончилось описание того, как можно увеличить мощность двигателя, осталось только воплотить это все в жизнь.


Партнеры: