Система выпуска отработанных газов.

Система выпуска отработанных газов.

03/10/2019 0 Автор Лысьев Алексей

Одна из самых закрытых для изучения систем в автомобиле — выпуск отработанных газов.  

И дело не в том, что расположены трубы этой системы в труднодоступном месте, а в том, что сведений об элементах выпускного тракта нет ни в руководствах по эксплуатации, ни даже в автомобильных учебниках.

В качестве фундамента для познания окружающего мира природой или высшими силами человеку дано пять чувств. Через зрение, слух, обоняние, осязание и вкус поступает первоначальная информация о любом предмете или явлении действительности, по которой мы можем составить о нем свое мнение.

Но от взгляда многое может ускользнуть – чтобы увидеть все вокруг, надо активно вертеть головой. Пощупать и понюхать на расстоянии вообще не удастся. Попробовать на вкус, находясь в непосредственной близости от объекта исследования, далеко не всегда хочется. Звуковая же составляющая какого-либо процесса порой активно будоражит наши эмоции даже тогда, когда мы и не собирались что-либо изучать.

Наверное, поэтому доработка выпускной системы автомобиля популярна не только у сторонников глубокого тюнинга. Те, кто собирается ограничить работы над машиной лишь внешними штрихами, также в немалой степени озабочены вопросами выбора спортивной системы выпуска отработанных газов.

 

atmospheric_engine
В атмосферных моторах значение выхлопной системы особенно велико.

Сложности выбора.

Полистав массу автомобильной литературы по ремонту, содержанию и тюнингу, в лучшем случае можно набраться знаний о способах крепления выпускного тракта к кузову. Еще эти книжки, в изобилии представленные на прилавках магазинов автозапчастей, поведают о вариантах конструкций соединения деталей магистрали для выхлопных газов. Даже производители нестандартных выпускных систем особо не утруждают себя сопроводительной информацией об особенностях своей продукции.

Нередко можно наблюдать картину, как озадаченный выбором покупатель докучает утомленному продавцу вопросами о параметрах того или иного образца глушителя, что вывешены на стендах или представлены в каталогах.

В первую очередь перед покупкой большинство интересуется, конечно же, звучанием потенциального приобретения. Внешность оконечных «банок» тоже имеет значение, несмотря на то, что глушитель лишь чуть-чуть выглядывает из-под заднего свеса машины. Неискушенному начинающему тюнеру буквально снится, как он проносится по улицам, оглушая окрестности мощнейшим ревом прямотока.

Впоследствии добрая половина и тех и других, наслушавшись рева прямоточных глушителей в ежедневных поездках по городу, умеряют свой пыл. Такой звук утомляет физически. Даже те длинноволновые колебания, что не слышит ухо, на человека действуют угнетающе.

Слегка приглушенный звук машины хорош, только когда хочется оторваться на покатушках. Практика иметь разные машины для повседневной эксплуатации и для отжига по полной программе на какой-нибудь специально отведенной для этих целей трассе стала распространенным явлением в мире. Тем не менее, подбор элементов системы выпуска отработанных газов не становится менее актуальным при подготовке повседневных тюнинговых тачек. Ведь дело не ограничивается поиском негромкого, но благородного звучания для авто, использующегося каждый день. После доработки мотора его повысившийся потенциал требует как лучшего дыхания на впуске, так и иных параметров выхлопной системы. И даже когда с мотором ничего не делали, кроме установки воздушного фильтра нулевого сопротивления, очень соблазнительно получить еще несколько лошадиных сил путем замены внешних компонентов и узлов, не залезая в нутро двигателя.

В последнем случае немаловажен эмоциональный фон. Поначалу многих цепляет голос прямотока, а обещанная им мощь мотора просто завораживает перспективами и вводит в заблуждение. Вера в силы техники, подтвержденные соответствующим аудиорядом, рисует в глазах владельцев прибавку на 5-10 л.с. И без корректных дорожных и стендовых замеров этих лошадиных фантомов не убить. Но далеко не всегда автомобиль, слышимый за несколько кварталов, преодолевает путь вдоль этих кварталов быстрее своих тихих попутчиков. Непосредственность сама громкость не является показателем правильно подобранного, а тем более настроенного выпускного тракта.

exhaust_system (3)

Система выпуска отработанных газов состоит из нескольких компонентов.  Каждый из них (по отдельности и во взаимодействии друг с другом) в разной степени оказывают влияние на показатели мощности, шума и чистоты выхлопа.

Внешние ограничения.

Описание практически всех узлов и агрегатов автомобиля можно начинать с повествования о конструкторских компромиссах. Но как нигде эти самые компромиссы сильны при разработке выпускного тракта. Правильной работе системы отвода отработавших газов мешает все. Компоновка подкапотного пространства не позволяет разместить должным образом приемные трубы, или так называемые пауки. Их геометрия (лучшая с точки зрения эффективности работы) проиграет спор за пространство либо рычагам подвески и рулевого управления, либо щиту, ограничивающему моторный отсек в угоду пассажирам.

Да и под днищем кузова развернуться особо негде. Тоннель из-за тех же пассажиров особо увеличивать в размерах некуда. У заднеприводных автомобилей там к тому же проходит еще и карданный вал. Понятно, кому в стесненных условиях отдадут проектировщики предпочтение – естественно, не трубам, отводящим выстрел. Ну а кто позволит снизить возможности задней подвески, вместимость бензобака и багажника ради глушителя.

Даже окончание этой системы, где выхлопные газы выходят в атмосферу, из соображений дизайна и удобства эксплуатации автомобиля порой располагается не в самом удачном для дыхания мотора месте. Нечасто встретишь на машинах находящийся в зоне наибольшего разрежения выходных труб глушитель. Диффузоры же в заднем бампере располагаются только на спорткарах, да и те рассчитаны, прежде всего, на общую аэродинамику автомобиля, а не на снижение противодавления выпускного тракта.

Такой остаточный принцип, результатом которого является сложная пространственная конфигурация труб, тормозящая поток газов, наводит на мысль о вынужденном удушении мотора еще на стадии разработки машины. Прибавим ко всему перечисленному и то, что многие производители странным образом выбирают систему выпуска отработанных газов в качестве основного кандидата по экономии средств на технологической оснастке. Отсюда – низкое качество исполнения. Гофры на внутренних радиусах загибов, острые углы емкостей глушителей, изломов труб и дефекты от сварочных швов на внутренних поверхностях деталей ухудшают отвод выхлопных газов от двигателя. А поверхность каналов литых коллекторов вообще противоречит самому понятию качества.

exhaust_system (2)
Геометрия выпускного тракта для инженера задача творческая.

Немаловажным ограничивающим аспектом для наилучшей конфигурации выхлопа служат также экологические законы и требования по уровню шума.  Регламентируются они цифрами в государственных стандартах, соблюдение которых прописано в правилах дорожного движения многих стран.

Но это внешние факторы, вынуждающие конструкторов идти на компоновочный и технологический компромисс с ущербом для функционирования системы выпуска отработанных газов. Такие решения нередки в автостроении, а их влияние тем меньше, чем дороже и больше машина. Но существуют и внутренние противоречия в работе выпускного тракта. И они тем сильнее, чем быстроходнее автомобиль и выше обороты его двигателя.

Внутренние противоречия.

Диаметр выпускного трубопровода напрямую влияет на скорость прохождения потока и на сопротивление этому движению. Чем меньше площадь сечения трубы, тем выше скорость газа и больше сопротивление. Увеличение диаметра снижает противодавление системы в ущерб скорости выхлопа. А ведь оба параметра процесса отвода отработавших газов влияют на моментную характеристику мотора.

Но не только диаметр труб оказывает действие на скорость и сопротивление прохождению газов по системе. Выхлоп, попадающий в газоотводные каналы и трубопроводы системы после открытия выпускного клапана, имеют высокую скорость, давление и температуру. В этих условиях газовая среда проявляет свойства вязкости, сжимаемости и протекания ударных процессов, схожие с жидкими и даже твердыми телами. Причем движение газа происходит неравномерно под действием сразу нескольких факторов.

В начале такта выпуска велика разница давлений в цилиндре и выпускном канале, и по мере приближения такта выпуска к концу эта разница уменьшается. К тому же сам поршень, выталкивающий отработанную смесь, движется с непостоянной скоростью. Находясь около верхней и нижней мертвых точек, он замедляет свое движение вдоль стенок цилиндра в следствии кинематики кривошипно-шатунного механизма.

Любое механическое препятствие на пути выхлопа увеличивает сопротивление потоку. Причем препонами движению могут быть не только изгибы и дефекты внутренних поверхностей каналов, но и их сужение. Каждое резкое изменение геометрии и диаметра сечения труб приводит к возрастанию противодавления системы выпуска. Даже ступенчатое расширение становится помехой из-за резкого торможения потока. Поэтому прямой выброс в атмосферу тоже препятствие.

После закрытия выпускного клапана нелинейность течения процесса только увеличивается. Удаляющаяся полна выхлопа оставляет за собой зону пониженного давления, стремящуюся остановить и вернуть назад уходящий фронт напора, тем самым еще более усугубляя потерю им скорости. Причем эта волна возвращается к клапану и по причине отражения от препятствия влияет на смесеобразование в цилиндре в начале такта впуска. Это тем ощутимее, чем больше фаза перекрытия клапанов. А действие этой волны зависит от того, в какой стадии – высокого или низкого давления – она вернется обратно. Это зависит от большого количества факторов. И диаметр труб, и их дина, и количество оборотов коленвала, и объем мотора, и размер клапанов имеют значение. Кроме того, на движение волн оказывает влияние и направление изменения (набор или сброс) оборотов двигателя.

И все это происходит отнюдь не плавно. Одной из главной составляющей работы выпускного тракта является ударный характер волновых процессов течения газовой среды в трубопроводе. Так что выбор параметров выпускного тракта – это целый клубок компромиссов, сотканный из множества инерционных и волновых явлений. Решение задачи зависит от конкретных целей конструирования. Поскольку в ежедневной эксплуатации от двигателя требуется, прежде всего, устойчивая работа в широком диапазоне оборотов (эластичность), именно на гашение колебаний направленно большинство решений в выхлопных системах стандартных серийных автомобилей. Этим достигается и снижение шума, и более равномерное распределение моментных характеристик мотора в широком диапазоне оборотов коленвала. Правда, делается это в ущерб максимальным значениям крутящего момента и мощности.

Система выпуска отработанных газов уже является настроенной.

Вопреки общепринятому выражению, систему выпуска отработанных газов на любом, не только спортивном или тюнингованном, автомобиле можно назвать настроенной.  Особенно если брать во внимание все большее количество автомобилей с двигателями, где применена регулировка фаз газораспределения. Просто настройка серийных машин преследует цель добиться наилучшей эластичности мотора, а заряженные аппараты заставляют выдавать максимум возможностей, превращая кривую момента на графике в узкий пик, тем самым перекладывая на голову гонщика часть конструкторских компромиссов и превращая их в компромиссы ездовые.

Методики расчета и настройки всех выхлопных систем независимо от того, на что они настраиваются (на спорт или на трудовые будни), схожи. Ведь и для повседневной эксплуатации, и для соревнований существуют требования по соблюдению норм по шуму и токсичности.  Ну а сам выпускной тракт на всех автомобилях, как правило, состоит из одинаковых компонентов. Исключения редки и связаны в основном с численностью средств передвижения. На некоторых гоночных машинах, изготовленных в единичных экземплярах для установления рекордов скорости, и тех, чьи состязания не превратились в массовое увлечение по всему миру, можно встретить упрощенную систему отвода выхлопа.  Для остальных, наборы элементов почти подобны друг другу. Выпускной коллектор и приемная труба, несколько глушителей и, конечно, соединительные трубопроводы – вот типичный список составных частей. Поставленные перед конструкторами (и, кстати, перед технологами тоже) задачи приводят к некоторой модифицированности этого перечня.  Так в автомобилях, претендующих на более высокие показатели мощности, литой коллектор с приемной трубой составляют единую деталь, которую на техническом жаргоне называют пауком.

Технологические, конструктивные и производственные особенности влияют на расположение катализатора. Он может быть как отдельной деталью, так и входить в состав дополнительного глушителя, иногда именуемого резонатором. Основной же глушитель находится в самом окончании системы, перед самым выбросом отработанных газов в атмосферу; на гоночных автомобилях может и вовсе отсутствовать.