Конструкция выпускного коллектора

Конструкция выпускного коллектора

Возьмем, к примеру, обычный четырехцилиндровый двигатель с порядком зажигания 1–2–3–4. Как видно на рис. 16.6, в конце такта выпуска цилиндр №1 будет пытаться втянуть выхлопные газы, которые выходят под высоким давлением из цилиндра №3 на такте выпуска, при условии использования короткого чугунного выпускного коллектора, который соединяет все четыре выпускных канала вместе. Естественно, цилиндр №3 будет втягивать газы из цилиндра №4, цилиндр №4 будет втягивать газы из цилиндра №2 и т.д. Чтобы устранить эту проблему, необходимо использовать трубчатый выпускной коллектор или коллектор с ответвлениями от 254 до 306 мм в длину при условии использования кулачков для уличных гонок.

Рис. 16.6. Когда выпускной коллектор объединяет все выпускные каналы четырехцилиндрового двигателя, выхлопные газы, выходящие из одного цилиндра, могут попасть в другой цилиндр, разбавляя топливовоздушную смесь.

В различных конструкциях коллекторов ответвления могут соединяться по принципу «4–1» или «4–2–1». В четырехцилиндровых двигателях, работающих при частоте вращения менее 8000об/мин, можно получить лучшие результаты, если говорить о расширении диапазона мощности, при использовании принципа соединения «4–2–1» (рис. 16.7). Если важнее увеличить пиковую мощность, стоит остановить свой выбор на конструкции «4–1», однако для этого придется посвятить больше времени испытаниям на динамометрическом стенде, чтобы правильно подобрать диаметр идлину выхлопных труб.

Рис. 16.7. В четырехцилиндровых двигателях могут использоваться трубчатые коллекторы типа «4–1» или «4–2–1».

Для двигателей V8 с распредвалами, предназначенными для уличных гонок, я предпочитаю использовать чугунные выпускные коллекторы, кпримеру центральные отводящие трубопроводы в форме бараньих рогов компании Chevrolet с трубчатым коллектором типа «4–2–1», так как это позволяет значительно расширить рабочее пространство вокруг двигателя. С кулачками больших размеров тип конструкции «4–1» всегда будет эффективнее. Главное, о чем не стоит забывать в случае с двигателями V8, то, что выхлопные трубы левого и правого ряда цилиндров должны соединяться в один трубопровод длиной от 254 до 306мм. Скорее всего, вы сможете сделать это на участке около коробки передач. Если оказалось, что вы не можете пустить две трубы параллельно, чтобы затем соединить их в один трубопровод, стоит использовать балансирующий трубопровод, соединяющий их (рис. 16.8). Его диаметр должен быть таким же, как диаметр основных трубопроводов. К сожалению, балансирующий трубопровод не обеспечивает Конструкция выпускного коллектора и обычно работает эффективно только в нижней части диапазона частоты вращения. С другой стороны, муфта 254–306 мм часто позволяет увеличивать мощность в два раза по сравнению с балансирующим трубопроводом на всем диапазоне частоты вращения.

Рис. 16.8. Выпускные коллекторы типа «4–2–1» и балансирующий трубопровод.

Заводские выпускные коллекторы для шестицилиндровых двигателей можно разделить на две категории: очень хорошие и просто ужасные. Ксчастью, лишь в нескольких рядных шестерках используются чугунные коллекторы, которые соединяют все выпускные каналы вместе ивыпускают выхлопные газы через одно выпускное отверстие. Подобные коллекторы создают слишком высокое обратное давление выхлопных газов, и во время фазы перекрытия каждый цилиндр будет втягивать выхлопные газы из двух остальных цилиндров во время такта выпуска. Вдвигателях V6, конечно же, это не проблема. К тому же в современных рядных шестерках используются коллекторы с разделителем, которые соединяют цилиндры 1, 2, 3 в одну выхлопную трубу, а цилиндры 4, 5, 6 – во вторую.

Наверно, самой серьезной проблемой в системах выпуска отработанных газов двигателей V6 является способ объединения трубопроводов различных рядов в один трубопровод. Тип соединения может разрушить поток выхлопных газов и создать высокое обратное давление. На рис. 16.9 показан пример правильного объединения двух трубопроводов в один. Однако, как и в случае с двигателями V8, многие V-образные шестерки демонстрируют Конструкция выпускного коллектора при соединении двух трубопроводов на длине 254–306 мм около коробки передач, а затем при повторном рассоединении, что позволяет сформировать две отдельные выхлопные трубы.

Рис. 16.9. Когда выхлопные трубопроводы в двигателях V6 и V8 соединяются, необходимо предпринять все возможные меры, чтобы создать Y-образное соединение между двумя трубопроводами.

Определение размеров коллектора

Как упоминалось ранее, при увеличении фаз газораспределения кулачков и периода перекрытия клапанов придется уточнить необходимые размеры коллектора. Отчасти это необходимо сделать потому, что при определенной частоте вращения могут происходить нежелательные явления, и мы можем выполнить некоторые модификации системы выпуска отработанных газов, чтобы устранить или свести к минимуму возможные негативные последствия. Также мы можем заставить систему выпуска отработанных газов работать вместе с кулачками, особенно при более высокой частоте вращения, чтобы увеличить объем удаляемых из цилиндров выхлопных газов, а также ускорить наполняемость цилиндров топливовоздушной смесью.

Это означает, что нам не только придется подсоединить выхлопные трубопроводы в определенном порядке, но и подобрать выхлопные трубы подходящего диаметра и длины. Конечно же, все эксперименты лучше всего проводить на динамометрическом стенде, однако вы можете добиться неплохих результатов, если поймете принципы всех модификаций, которые выполняются в системе выпуска отработанных газов, и будете делать выбор, опираясь на основные правила.

Первое, что необходимо учитывать: выхлопные газы выходят из цилиндров со скоростью примерно 61–91 м/с, но импульсы давления, проходящие сквозь поток, могут составлять 457–518 м/с. Если вы поймете принципы распространения этих волн, вы сможете использовать их, чтобы оптимизировать процесс удаления выхлопных газов из цилиндров и таким образом увеличить наполняемость цилиндров топливовоздушной смесью. На самом деле, когда первая порция сгоревших газов из цилиндра попадает в выхлопные трубы, создается волна положительного давления, которая перемещается со скоростью звука сквозь поток газа до самого конца трубопровода. При выходе в атмосферу волна положительного давления рассеивается, и создается волна отрицательного давления, которая возвращается по выхлопной трубе в цилиндр. Так как это давление намного ниже, чем давление в цилиндре, около выпускного клапана образуется своего рода втягивающая сила. Высший пилотаж ввыполнении модификации системы выпуска отработанных газов – сделать так, чтобы эта волна возвращалась в цилиндр во время периода перекрытия клапана, а также при такой частоте вращения двигателя, которая позволит извлечь максимальную выгоду для кривой мощности.

Диаметр трубопроводов выпускного коллектора определяет скорость перемещения потока выхлопных газов через трубопровод. Трубопровод большого диаметра относительно размера цилиндра сократит скорость перемещения потока. Так как двигатели обычно производят максимальный крутящий момент при высокой скорости потока, около 76м/с, диаметр трубопроводов будет влиять на частоту вращения, при которой мы получим максимальный крутящий момент. Следовательно, использование выхлопных труб большего диаметра смещает максимальный крутящий момент выше по кривой диапазона частоты вращения.

При изменении длины трубопроводов кривая мощности может резко пойти вверх около точки максимального крутящего момента. Увеличение длины выхлопных труб увеличивает мощность при низкой и средней частоте вращения двигателя, при этом на максимальной частоте вращения мощность несколько сократится. Более короткие выхлопные трубы увеличивают мощность при высокой частоте вращения за счет снижения мощности при средней частоте вращения двигателя. Однако значение пикового крутящего момента или частоты вращения двигателя, при которых это будет происходить, незначительно изменится (рис. 16.10).

Рис. 16.10. На этом графике показано, как диаметр и длина выхлопных труб влияют на форму кривой мощности.

Учитывая все эти факторы, для начала ознакомьтесь с таблицей16.4 независимо от того, собираетесь ли вы устанавливать уже готовый выпускной коллектор или пытаетесь сконструировать его самостоятельно. Для четырехцилиндровых двигателей автомобилей, использующихся в условиях городского движения или для гонок, которые работают при частоте вращения менее 8000об/мин, я всегда выбираю выпускные коллекторы стипом соединения труб «4–2–1». Учтите, что длина вторичного трубопровода также включает длину первичного трубопровода. Во всех двигателях, предназначенных для уличных гонок, независимо от количества цилиндров и типа коллектора, будут использоваться наименьшие значения диаметра выхлопных труб. В двигателях, предназначенных для гонок Hill Climb, обычно используются средние значения диаметра выхлопных труб. В большинстве случаев только высокомощные двигатели предназначены для использования выхлопных труб большого диаметра.

Таблица 16.4. Размеры выхлопных труб для двигателей с нагнетателями испортивными или гоночными распредвалами

^*В четырехцилиндровых двигателях используются выхлопные трубы диаметром на 0,125–0,25 дюйма больше.

Примечание:
Все значения длины указаны для цилиндров объемом 250см³ и включают длину от выпускного клапана до края выпускного канала. Длина вторичных трубопроводов также включает длину первичного трубопровода. В таблице указаны значения внешнего диаметра трубопроводов.

Как упоминалось ранее, для двигателей с кулачками, предназначенными для уличных гонок, более важны характеристики потока выхлопных газов, чем регулировка импульсов. Поэтому стоит выбирать диаметры трубопроводов, которые будут обеспечивать соответствующую интенсивность потока, при этом длина труб должна препятствовать возникновению обратного потока выхлопных газов от одного цилиндра кдругому. Как вы видите в таблице16.5, выбор для выпускных коллекторов достаточно широк. Однако для двигателей, предназначенных для уличных гонок, я бы выбрал выпускные коллекторы наименьшего диаметра при использовании центробежных нагнетателей, особенно если двигатель относительно маленький по сравнению с массой автомобиля.

Таблица 16.5. Размер выхлопных труб для двигателей с нагнетателями ираспредвалами для уличных гонок

^*В четырехцилиндровых двигателях используются выхлопные трубы диаметром на 0,125дюйма больше.

⁺В двигателях V6 используются выхлопные трубы диаметром на 0,125дюйма больше.

Примечание:
Все значения длины указаны для цилиндров объемом 250см³. Длина вторичных трубопроводов также включает длину первичного трубопровода. В таблице указаны значения внешнего диаметра трубопроводов.

Влияние выпускного коллектора

Независимо от типа выпускного коллектора, который используется, в большинстве случаев отдельные выхлопные трубы будут соединяться в один трубопровод посредством коллектора. Главным результатом этого объединения будет увеличение крутящего момента при частоте вращения, когда крутящий момент не будет максимальным. Как только частота вращения максимального значения крутящего момента будет достигнута, коллектор не будет влиять на кривую мощности.

В общем, мы хотим увеличить крутящий момент двигателя там, где это возможно. Однако при некоторых обстоятельствах слишком высокий крутящий момент при низкой частоте вращения может стать помехой, которая на самом деле приведет к снижению технических характеристик. Следовательно, в некоторых классах дрэг-гонок выхлопные трубы от отдельных цилиндров не будут объединяться коллектором, так как любое увеличение крутящего момента при низкой частоте вращения только осложнит ситуацию с тяговым усилием. То же можно наблюдать вспринтерских гонках. Если в определенной серии гонок нет ограничений относительно шума двигателя, а тяговое усилие ограничено, иногда вавтомобилях не устанавливают коллектор, чтобы избавиться от ненужного крутящего момента. В автомобилях для спринтерских гонок нагнетатели не устанавливаются, но все указанные принципы все равно применимы.

Конструкция коллектора с перегородкой

На рис. 16.11 показана конструкция стандартного коллектора, который я предпочитаю называть «коллектором с перегородкой». В данной конструкции первичные трубопроводы резко впадают в открытую коническую камеру, которая переходит в заднюю выхлопную трубу. При подобной конструкции первичных трубопроводов волна давления поднимается вверх по первичному трубопроводу. Теперь, если волна отрицательного давления возвращается в выпускной канал при следующем открытии выпускного клапана, она будет работать сообща сразрежением, создающимся движением выхлопных газов, обеспечивая эффективное удаление выхлопных газов из цилиндров, а также втягивая впускной заряд. Кроме того, в зависимости от длины первичных трубопроводов при определенной частоте вращения двигателя положительная волна давления будет подходить к выпускному клапану, когда он будет практически закрыт, чтобы предотвратить попадание впускного заряда ввыхлопные трубы во время периода перекрытия клапанов благодаря импульсу выхлопных газов.

Рис. 16.11. Выпускной коллектор с перегородкой.

Это положительный аспект этого типа выпускных коллекторов. Недостатком является то, что при определенной частоте вращения двигателя волна положительного давления будет возвращаться в выпускной канал в начальной стадии периода открытия выпускного клапана, что на самом деле будет препятствовать прохождению потока выхлопных газов из цилиндра в выпускной канал. На других участках диапазона частоты вращения волна отрицательного давления будет подходить к выпускному клапану во время его закрытия, втягивая топливовоздушную смесь в выпускной канал. Конечно же, оба сценария развития событий ведут к снижению мощности и увеличению расхода топлива.

Следовательно, этот тип выпускного коллектора больше подходит для двигателей автомобилей, использующихся в условиях городского движения, а также для двигателей гоночных автомобилей, в которых используются кулачки с закругленным профилем с длительностью открытия клапанов примерно 260°, измеренной при подъеме клапана 12,7мм. В подобных агрегатах коллектор с перегородкой будет работать достаточно эффективно.

В некоторых коллекторах гоночных автомобилей к центру перегородки приварен своеобразный «волнорез», на участке, где заканчиваются первичные трубопроводы. Это приспособление призвано снижать турбулентность потока, но лично я считаю, что во многом это просто маркетинговый ход. В этом случае важно следить за углом сужения коллектора. В общем, после серии исследований я пришел к выводу, что оптимальным будет угол сужения в 7° или 8° (с прилежащим углом 14° или 16°). Однако некоторые двигатели будут отлично работать при большем угле сужения (9° или даже 10°). Угол сужения менее 7° не будет эффективен, скорее всего, потому, что слишком большой объем коллектора будет приводить к возникновению турбулентности потока выхлопных газов.

Конструкция коллектора Merge

Коллектор, который оптимально подходит для использования в высокомощных гоночных двигателях с кулачками, обладающими большой длительностью открытия клапанов и периодом перекрытия, известен как коллектор типа Merge (рис. 16.12). В этой конструкции первичные трубопроводы не заканчиваются резко, а «сливаются» в одну выхлопную трубу. Таким образом снижается интенсивность давления отраженной волны в первичных трубопроводах, что на самом деле помогает устранить негативные аспекты настройки импульсов, о которой говорилось ранее. Конечно же, использование этого типа коллектора означает, что положительные аспекты настройки импульсов также будут потеряны. Однако, так как мы говорим с вами о высокомощных двигателях, работающих в узком диапазоне частоты вращения, механик, занимающийся модификациями, получает больше возможностей для создания коллекторов, которые будут удалять выхлопные газы из цилиндров только благодаря импульсу иинерции выхлопных газов.

Рис. 16.12. Выпускной коллектор Merge.

В конструкциях Merge первичные трубопроводы обычно должны сливаться достаточно резко, чтобы обеспечить угол сужения коллектора примерно в 10°, поэтому чаще всего я начинаю испытания с этого значения. Некоторые высокомощные двигатели работают эффективно даже при большем угле сужения, до 12°, а многие показывают лучшие характеристики при меньшем угле сужения, от 8,5 до 9°.