Система выпуска отработавших газов

Система выпуска отработавших газов

Незначительные модификации системы выпуска отработавших газов могут увеличить мощность автомобиля, при этом, не приводя к уменьшению расхода топлива. На самом деле, чаще всего происходит совсем наоборот, прямоточные системы выпуска отработавших газов обычно снижают расход топлива. В двигателях гоночных автомобилей необходимо провести большое количество тестов, чтобы настроить системы выпуска должным образом. Однако в двигателях автомобилей, использующихся в стандартных дорожных условиях, применение распредвалов с кулачками закругленного профиля и установка глушителей не делает тюнинг системы выпуска точной наукой. Вы можете потратить много денег, покупая детали, совершенно бесполезные для легковых автомобилей с глушителями.

Например, при тестировании автомобиля Holden с двигателем 3,3 л, было решено установить выпускной коллектор типа экстрактор. Владелец хотел увеличить мощность автомобиля, однако возможности были ограничены распредвалом с кулачками V профиля. Поэтому, чтобы не выводить из строя электронные датчики впрыска топлива, пришлось заняться системой выпуска отработавших газов. Заводской распредвал был оснащен выпускным коллектором типа экстрактор, который казался не слишком эффективным. Экстракторы представляли собой тип 6 – 3 – 1 с первичными выхлопными трубами маленького диаметра 35 мм длиной 305- 432 мм. Вторичные выхлопные трубы диаметром 41 мм идентичной длины заканчиваются коллектором с внешним диаметром 50 мм. Порядок зажигания 1 – 5 – 3 – 6 – 2 – 4 был необычным для соединения первичных выхлопных труб. Цилиндры 1 и 4 соединены, как и цилиндры 3 и 5, 2 и 6. Все это казалось очень непрактичным и лишь усложняло работу при установке двигателя.

Прежде всего, необходимо было установить выпускной канал со стандартным прямоточным соединением труб, цилиндры 1, 2 и 3 были соединены вместе, и цилиндры 4, 5 и 6 были соединены вместе. Диаметр первичных труб был маленьким (35 мм), а диаметр вторичных труб составил 44 мм. Теоретически данная система выпуска позволяла получить ту же мощность, что и при использовании заводской системы при частоте вращения 3500 об/мин, однако при более низких оборотах наблюдалась потеря мощности в среднем более 1 л.с. Затем на заказ был изготовлен коллектор, чтобы поэкспериментировать с выхлопными трубами различной длины и диаметра. После нескольких попыток было установлено, что лучше всего подходит система типа 6-3-1 с первичными трубами диаметром 38 мм и длиной 406 мм и вторичными трубами диаметром 44 мм и длиной 500 мм, ведущими к выпускному коллектору, диаметром 64 мм. Первичные выхлопные трубы были соединены условно; цилиндры 1 и 6, 2 и 5, 3 и 4. В конечном итоге, модификации оказались дорогими, при этом мощность увеличилась всего на 2-4 л.с. по сравнению с заводской системой выпуска, которая казалась неэффективной.

Это всего лишь один из примеров бесполезной траты средств. Именно поэтому я считаю, что двигатели с маленькими распредвалами и глушителями, оснащенные нестандартными и на первый взгляд неэффективными трубчатыми выпускными коллекторами, будут работать так же, как и коллекторы наиболее подходящие коллекторы большего диаметра с трубами одинаковой длины. Чугунные глушители иногда не так уж и плохи. Некоторые европейские и японские производители автомобилей отливают довольно качественные выхлопные глушители, также как и трубчатые коллекторы. Цилиндры соединяются в подходящем порядке и литые отводы длиной до 254 - 300 мм, чтобы предотвратить попадание отработавших газов в другие цилиндры.

Локализация выхлопных газов является одной из причин широкого использования трубчатых коллекторов. Основной принцип состоит в том, чтобы подсоединить первичные трубы таким образом, чтобы отработавшие газы из одного цилиндра не создавали давление в другом цилиндре. Рассмотрев пример стандартного четырех цилиндрового двигатель с порядком зажигания 1 – 3 – 4 – 2, можно увидеть, что в конце такта выпуска цилиндр № 1 будет затягивать отработавшие газы из цилиндра № 3, находящиеся под высоким давлением, при использовании стандартного чугунного глушителя, подключенного ко всем 4 выпускным каналам. Естественно цилиндр № 3 в свою очередь будет затягивать отработавшие газы из цилиндра № 4, а цилиндр № 4 – из цилиндра № 2 и т.д. Чтобы исправить это, необходимо использовать трубчатый коллектор или чугунный глушитель с отводами длиной до 254 - 300 мм в двигателях с 4 и 8 цилиндрами при использовании распредвала с кулачками профиля более III.

Выпускной коллектор автомобиля Mustang V8 выглядит не очень эффективным. Используются трубы маленького диаметра и разной длины. Однако при установке распредвала с кулачками закругленного профиля, мощность двигателя будет примерно такой же, как и при использовании трубчатого коллектора с трубами большего диаметра и одинаковой длины.

Точная конструкция выпускного коллектора не так уж важна при использовании экономичного распредвала. Первичные трубы могут быть соединены 4 в 1 или 4 в 2, однако при этом, они должны быть, по крайней мере, 300 мм в длину, чтобы быть эффективными. При использовании распредвала с фазой открытия 240° на подъеме клапанов 1,3 мм, выпускные коллекторы 4-1 обычно показывают большую верхнюю мощность, а коллекторы 4-2-1 более мощные на средних оборотах. В таблице 6.1 указаны размеры труб, которые необходимо использовать при подборе выпускного коллектора. В действительности, я считаю, что при использовании экономичных и высококачественных механизмов более важно подобрать выпускной коллектор подходящей конструкции, чем заботиться о правильном размере труб. Поэтому я предпочитаю использовать выпускные каналы типа 4-2-1 или каналы с короткими трубами тип 4-1, чтобы обеспечить максимальное рабочее пространство вокруг двигателя. Очень часто мне приходится сталкиваться с вычурными конструкциями выпускных коллекторов. Наиболее распространенной проблемой двигателей V8 считается то, что вы не сможете добраться до свечей зажигания, предварительно не сняв коллекторы! Также вы не сможете отрегулировать рулевой механизм, снять масляный фильтр или мотор стартера. Некоторые производители выпускных коллекторов не концентрируют внимание на поддержание безопасного рабочего зазора между трубами коллектора и рулевой сошкой, тепловым экраном, мотором стартера, генератором, компрессором кондиционера и т.д. Снятие выхлопных труб является довольно трудным занятием, а замена электрических компонентов, поврежденных вследствие перегрева, может обойтись дорого.

Когда выпускной коллектор соединяет выпускные каналы 4 цилиндров, отработавшие газы, выходящие из одного цилиндра, могут попасть в другой цилиндр, разбавляя топливовоздушную смесь.

Если 4 трубы соединяются в трубчатом выпускном коллекторе, это помогает предотвратить попадание отработавших газов из одного цилиндра в другой в 4 и 8 цилиндровых двигателях. Однако выпускные коллекторы с длинными трубами могут ограничивать рабочую область вокруг двигателя.

Данный тип выпускного канала предназначен для 4 цилиндровых двигателей. Таким образом можно расширить рабочую область вокруг двигателя. При этом мощность на средних оборотах увеличится.

Соединения труб могут быть различными для выпускных каналов типа 4-2-1 двигателей V8, чем например, для 4 цилиндровых двигателей. Учтите, что соединения для правого и левого ряда цилиндров могут также отличаться. Необходимо установить уравнительный патрубок между выхлопными трубами 6 и 8 цилиндровых двигателей, оснащенных системами раздельного выхлопа.

Таблица 6.1. Размеры труб выпускных каналов для 4 и 8 цилиндровых двигателях.

Примечание:
Имейте в виду, что длина всех труб указана для цилиндров объемом 250 см³, а все указанные диаметры внешние.

В таблице 6.2 указано ожидаемое изменение мощности при использовании различных типов выпускных коллекторов. Для тестирования использовался двигатель V8 305 куб. автомобиля Chevrolet с выпускным трактом. Использовался стандартный четырехкамерный карбюратор Quadrajet и заводской впускной коллектор с прокладкой 2,5 мм с центральным отсечным делителем. Головки блока цилиндров более ранних моделей 307 были расточены для увеличения степени сжатия до 9:1, обработке подверглось седло клапана и сопло. Была выполнена подрезка впускного клапана 46 мм и выпускного клапана 38 мм. Кулачки были обработаны до профиля III и угла развала кулачка 108°, фаза открытия впускного и выпускного клапанов составила 212° при подъеме клапанов до 10,4 мм. Во всех тестах использовались глушители и система выпуска. К обеим выхлопным трубам был подключен уравнительный патрубок длиной 50 мм.

Во время первого тестирования использовались самые простой (с точки зрения технических характеристик) чугунный выпускной коллектор. В данном типе коллектора все 4 трубы соединены и выходят в выхлопную трубу в задней части двигателя. Во время тестирования использовался выпускной коллектор, отлитый в форме «бараньих рогов», выталкивающий отработавшие газы в выхлопные трубы напротив центральных цилиндров. Вследствие улучшения интенсивности потока и предотвращения попадания отработавших газов из одного цилиндра в другой мощность увеличилась при любых оборотах двигателя. Для последнего тестирования использовалось несколько трубчатых выпускных каналов. Каналы типа 4-1 диаметром 1,625 дюймов длиной 28 дюймов привели к снижению мощности при частоте вращения менее 2500 об/мин, а каналы диаметром 1,5 дюймов той же длины, снизили мощность на оборотах ниже 3000 об/мин, при этом на оборотах 5000 об/мин мощность возросла незначительно. Во время тестирования № 3 были использования выпускные каналы типа 4-2-1. Первичные каналы имели диаметр 1,5 дюймов и длину 15 дюймов. Вторичные каналы имели диаметр 1,875 дюймов при длине 20 дюймов. Результаты показали, что мощность по сравнению с каналами типа 4-1 значительно возросла. Как видно, при установке распредвала с кулачками закругленного профиля и глушителей, трубчатые выпускные каналы не обязательно будут более эффективными, чем например, чугунные коллекторы в форме «бараньих рогов» с центральным соединением.

Таблица 6.2. Сравнительное тестирование систем выпуска автомобиля Chevrolet 305.

Тестирование № 1 – выпускной коллектор из чугуна «с задним соединением» Chevrolet.

Тестирование № 2 – выпускной коллектор из чугуна в форме «бараньих рогов» Chevrolet.

Тестирование № 3 – выпускные каналы типа 4-2-1.

Некоторые заводские чугунные выпускные коллекторы довольно эффективны. Например, выпускные коллекторы с центральным соединением в форме «бараньих рогов» намного эффективней, чем коллекторы с задним соединением.

Одним из популярных заблуждений является то, что на малолитражных двигателях с высокими оборотами прежде всего необходимо снять заводской выпускной коллектор, в результате чего можно увеличить мощность на 7- 10 л.с. Действительно, иногда можно наблюдать некоторое увеличение мощности при установке трубчатых выпускных каналов, однако результаты, приведенные в таблице 6.3 на самом деле показывают реальную ситуацию. Следовательно, заводские выпускные коллекторы, устанавливаемые на современных двигателях, довольно эффективны. Двигатель автомобиля Opel, использующийся в данном тестировании, был заводским. Единственной незначительной модификацией была установка головки блока цилиндров с распредвалом с кулачками II профиля при подъеме клапанов 9,4 мм. Выпускной коллектор был расточен, чтобы соответствовать диаметру каналов.

Не сомневаюсь, что вы видели рекламные ролики, утверждающие, что при установке выпускных каналов мощность резко возрастает, возможно вам также показывали графики, демонстрирующие относительную мощность. Не буду утверждать, что данные суждения ошибочны, но обычно сравнения мощности выполняются с использованием стандартного коллектора и стандартными отверстиями маленького объема, чтобы доказать, насколько они неэффективны. Для второго тестирования используются выпускные каналы и отверстия большего диаметра. В некоторых случаях, система выпуска вообще не участвует в тестировании. Конечно же, при таких условиях, выпускные каналы будут наиболее эффективны. Однако, перед проведением подобной модификации необходимо взвесить все «за» и «против», приняв во внимание стоимости тюнинга и неудобства, вызванные установкой выпускных каналов. Я бы не советовал устанавливать их на 4 и 8 цилиндровые двигатели с кулачками I и II профилей, так как выпускные каналы будут эффективно работать только с кулачками профиля IV и выше.

Таблица 6.3. Сравнительное тестирование систем выпуска автомобиля Opel Ecotec с двигателем объемом 1,8 л.

Тестирование № 1 – стандартный выпускной коллектора автомобиля Opel.

Тестирование № 2 – трубчатые выпускные каналы типа 4-1 диаметром 1,625 дюймов и длиной 36 дюймов

Тестирование № 3 – трубчатые выпускные каналы типа 4-2-1 с первичными трубами диаметром 1,625 дюймов и длиной 15 дюймов, и вторичными трубами диаметром 1,75 дюймов и длиной 23 дюйма.

Выпускные коллекторы 6 цилиндровых двигателей могут быть либо очень эффективными, либо просто ужасными. К счастью лишь небольшое количество рядных «шестерок» используют чугунные выпускные коллекторы, соединяющие все выпускные трубы вместе и выводящие отработавшие газы через одно отверстие. Такой тип систем выпуска создает слишком большую обратную тягу, вследствие чего каждый цилиндров будет втягивать отработавшие газы под высоким давлением из двух других цилиндров во время такта выпуска.

Практически во всех современных рядных 6 цилиндровых двигателях используются «сплит» коллекторы, которые соединяют цилиндры 1 – 2 – 3 к одному отверстию и соответственно 4 – 5 – 6 к другому. «Сплит» коллекторы очень эффективны, даже при использовании стандартных распредвалов для легковых автомобилей, так как период перекрытия цикла выпуска очень маленький.. трубчатые выпускные каналы более экономичны, так как поток газов будет более интенсивным, однако мощность возрастет лишь на 1 – 2 л.с. при установке высококачественного распредвала.

В таблице 6.4 показано влияние модификаций выпускного коллектора и системы выпуска на примере автомобиля Chevrolet V6229 куб. двигатель оснащен заводским четырехкамерным карбюратором, заводской головкой блока цилиндров, расточенной, чтобы увеличить степень сжатия до 8,8:1. Выполнена подрезка впускного и выпускного клапанов, установлен распредвал с кулачками профиля IV, с фазой открытия 218° для впускного и выпускного клапана при их подъеме на 11,6 мм, отношение плеч коромысла с роликом составляет 1,52:1.

По результатам тестирования можно увидеть, что при установке выпускных каналов мощность увеличилась незначительно по сравнению с заводским выпускным коллектором. Однако установка двойной прямоточной системы выпуска принесло отличные результаты. Крейсерская скорость автомобиля увеличилась примерно на 8 км/ч, а верхний диапазон мощности увеличился от 10 до 16 л.с. это действительно значительное увеличение мощности для такой легкой и дешевой модификации.

«Сплит» коллекторы достаточно эффективны да 6 цилиндровых двигателях, так как обеспечивают нормальную интенсивность потока. Этот Mercedes производит 162 л.с. мощности с полным выпускным трактом и каталитическим нейтрализатором, что позволяет автомобилю модели 190Е разогнаться до 209 км/ч.

Таблица 6.4. Сравнительное тестирование системы выпуска автомобиля Chevrolet 229.

Тестирование № 1 – чугунный коллектор Chevrolet с одной выхлопной трубой 2,5 дюйма и глушителем.

Тестирование № 2 – чугунный коллектор Chevrolet с двумя выхлопными трубами 2,5 дюйма, глушителями и уравнивающим патрубком.

Тестирование № 3 – трубчатые выпускные каналы типа 3-1 с первичными трубами диаметра 1,626 дюймов и длиной 28 дюймов, одной выхлопной трубой 2,5 дюйма и глушителем.

Тестирование № 4 – трубчатые выпускные каналы типа 3-1 с первичными трубами диаметра 1,626 дюймов и длиной 28 дюймов, двумя выхлопными трубами 2,5 дюйма, глушителями и уравнивающим патрубком.

Практически все двигатели объемом более 3,3 л покажут увеличение мощности на 10- 20 л.с. после установки системы двойного выхлопа. Однако чтобы избежать потери мощности на средних оборотах, необходимо использовать уравнивающий патрубок для соединения двух выхлопных труб. Более разумно устанавливать уравнивающий патрубок около передней раздаточной коробки. По возможности он должен быть как можно короче, а его диаметр должен соответствовать диаметру выхлопных труб. Если появились проблемы с зазором, используйте патрубок наиболее подходящего для данных условий размера.

Из-за ограниченного пространства или необходимости использовать только один каталитический нейтрализатор, возможно, придется использовать одну выхлопную трубу большого диаметра. Это может стать причиной возникновения проблем в двигателях V6 и V8, так как большое количество Y-образных труб сужается в метах соединения. А нам необходимо прямоточное Y-образное соединение.

Однако сейчас совершенно очевидно, что в экономичных мощных двигателях, прежде всего, наше внимание должна привлекать система выпуска, а не выпускной коллектор, так как это поможет увеличить мощность двигателя. Естественно система должна иметь плавные изгибы и отверстия достаточно большого диаметра, чтобы избежать снижения интенсивности потока. В таблице 6.5 указаны необходимые размеры труб. К сожалению, очень трудно найти достаточное пространство в днище кузовов многих современных автомобилей, чтобы установить выхлопные трубы такого диаметра, при этом сохранив необходимый дорожный просвет. Если у вас появилась эта проблема, вполне допустимо сплющить трубы на 6 мм после 152 мм, чтобы закрепить их ближе к поперечинам и т.д. Также можно уменьшать диаметр выхлопной трубы в ее последней части, так как отработавшие газы, проходя по трубам, остывают.

Тип и количество глушителей будет зависеть от того, насколько «бесшумным» вы хотите сделать ваш автомобиль. Лично я предпочитаю тихий, «мелодичный» звук работы двигателя, который не вызывает головной боли во время движения и не привлекает излишнего внимания. Если глушители будут установлены как можно дальше в задней части днища кузова, мощность уменьшится всего на 3-5%. При установке глушителей ближе к двигателю, где температура отработавших газов слишком высокая, интенсивность потока воздуха и мощность уменьшатся.

Существуют глушители различной конструкции, но наиболее подходящими для мощных и экономичных двигателей являются прямоточные и S-поточные глушители. Большинство автолюбителей считает, что прямоточные глушители подходят только для гоночных автомобилей, однако большая часть высококачественных глушителей имеет именно такую конструкцию.

Если необходимо установить систему выпуска с одной выхлопной трубой большого диаметра в двигателях V6 и V8, желательно использовать «Y» образное соединение между двумя трубами, чтобы обеспечить необходимую интенсивность потока.

Я предпочитаю глушители данной конструкции, хотя обычно необходимо устанавливать две выхлопные трубы, чтобы избежать «хлопков» на повышенной передаче. Глушители с наиболее «бесшумной» конструкцией обычно оснащены резонирующей камерой, чтобы предотвратить образование «хлопков». В настоящее время большое количество высококачественных глушителей представляют собой механизмы S-конструкции. Они изготовлены не из шумопоглощающих материалов, поэтому они легче, чем прямоточные глушители. Глушители данного типа могут быть очень «тихими», однако на практике большинство работает шумно. Чаще всего глушители подобной конструкции не допускают образования «хлопков» при движении на повышенной передаче, поэтому достаточно установить один глушители или глушитель с небольшим резонатором.

Таблица 6.5. Размеры выхлопных труб для нормальной интенсивности потока.

Примечание:
Указаны все внешние диаметры труб.

В автомобилях, оснащенных турбонаддувом, системы выпуска обычно малоэффективны. Может показаться, что производители автомобилей не слишком уверены в автолюбителях, именно поэтому они специально «глушат» систему выпуска, чтобы уменьшить мощность двигателя и наддув. Например, один производитель устанавливает на 2 л турбированный двигатель 50 мм системой выпуска, однако перед глушителем устанавливается ограничительная пластина с отверстием 25 мм. Таким образом, турбо наддув не может резко увеличить мощность, следовательно, при удалении ограничительной пластины давление наддува может увеличиться на 10 кПа. Я до конца не разобрался в причинах установки ограничительной пластины, возможно, это было сделано с целью соответствия нормам выброса, или увеличения надежности при использовании неэтилированного топлива.

В таком случае, самой необходимой модификацией, которую стоит выполнить практически для всех автомобилей с турбонаддувом, является установка прямоточной системы выпуска. Если прямоточная система выпуска не будет установлена, все последующие модификации двигателя будут бесполезными, так как обратное давление будет препятствовать созданию необходимого давления наддува. В таблице 6.6 указаны рекомендуемые размеры выхлопных труб для турбированных двигателей. В данной таблице указаны размеры труб нисходящей стороны турбонаддува, так как в мощных экономичных двигателях увеличение размера выхлопной трубы между выпускным коллектором и турбонаддувом приведет к снижению технических характеристик и появлению турбоям. В некоторых механизмах отверстие турбонаддува может превышать необходимый размер выхлопной трубы. В таком случае первые 508 мм выхлопной трубы должны быть больше, чем указанное в таблице значение. В автомобилях с 2,3 и 3 литровыми двигателями установка выхлопных труб большого диаметра может нарушить дорожный просвет. Если возникла подобная проблема, в таком случае, размер выхлопной трубы должен соответствовать указанным значениям на протяжении первых 762 -890 мм, ее можно сплюснуть по длине 150 мм. Также можно разделить выхлопную трубу на систему двойного выхлопа с соблюдением размеров, указанных в таблице, однако на расстоянии не ближе 380 мм к турбо наддуву.

Таблица 6.6. Размер выхлопных труб турбированных двигателей.

Примечание:
В таблице указаны значения внешнего диаметра труб.

Трудно предположить, насколько увеличится мощность при установке выхлопных труб большего диаметра. Если стандартных промежуточный охладитель не соответствует требованиям, а турбонаддув принудительно ограничен, в таком случае увеличение диаметра выхлопных труб не изменит ситуацию. Однако, если размеры промежуточного охладителя подходящие, а турбонаддув соответствует техническим характеристикам «спортивных» автомобилей, тогда увеличение мощности вполне возможно. Например, автомобиль Subaru WRX оснащен двигателем с турбонаддувом, который вырабатывает скорее пиковую мощность, а не мощность на средних оборотах. При установке комбинированной выхлопной системы диаметром 76 мм на заднем мосту и задней выхлопной трубы диаметром 63 мм пиковая мощность увеличилась на 19 л.с. при частоте вращения 5800 об/мин. На средних оборотах увеличение мощности было не таким значимым (примерно 5- 11 л.с. при частоте вращения 3200 - 5000 об/мин).