Главная » Все новости » Увеличение мощности автомобиля.

Увеличение мощности автомобиля.

17.01.2014

Увеличение мощности двигателя автомобиля *

 

Использование настроенных выпускных коллекторов («пауков») позволяет значительно увеличивать мощность двигателя в заданных диапазонах вращения.

Влияние настроенного выпускного коллектора, на повышение мощности двигателя можно рассмотреть на примере двигателя автомобиля ВАЗ-2105. Применяемая при этом методика может использоваться для предварительного расчёта настроенного выпускного коллектора для двигателей других марок.

Физика процесса

 

Показатели двигателей автомобилей можно повышать путем волновой настройки выпускного трубопровода.

Механизм использования волновых явлений с некоторым упрощением рассмотрим на примере одноцилиндрового двигателя. Его выпускной трубопровод мож­но рассматривать как трубу, один конец которой за­крыт выпускным клапаном, а другой открыт в атмо­сферу.

В зоне выпускного клапана в начальный период сво­бодного выпуска образуется волна давления, распростра­няющаяся к открытому концу трубопровода. Здесь она отражается в виде волны разрежения, которая распро­страняется обратно к закрытому концу трубы для повтор­ного отражения. В дальнейшем этот процесс повторяет­ся. При перемещении волны вдоль трубопровода проис­ходит последовательное уменьшение ее амплитуды.

Если длина трубопровода достаточно велика, то вол­на разрежения от первого отражения возвращается к выпускному клапану значительно позже окончания про­цесса выпуска и поэтому на условия выпуска не влияет. При коротком трубопроводе отраженная волна разреже­ния приходит к выпускному клапану до окончания про­цесса выпуска. В результате действия прямой и отражен­ных волн в выпускной системе возникают собственные колебания с постепенным их затуханием, пока новый им­пульс, связанный с последующим открытием выпускного клапана, не наложится на существующие колебания дав­лений. Суммарная амплитуда колебаний, получающаяся в результате сложения волн от данного и предшествую­щих колебаний, постепенно увеличивается, достигая по­стоянной величины после нескольких циклов.

Все вышеизложенное справедливо не только для одноцилиндрового двигателя, но и для многоцилиндрового, имеющего индивидуальные выхлопные трубы для каждого цилиндра.

Если выпускной коллектор выполнен по обычной схе­ме, то есть все выхлопные патрубки объединены в один общий коллектор, колебания давления газовых столбов, взаимно нарушаются. При учете влияния затухающих колебаний от предшествующих циклов данного и дру­гих цилиндров двигателя получается картина наложения множества прямых и отраженных волн. Периодически возникающие колебания давления газа в выпускной си­стеме карбюраторного (не дизельного*) двигателя могут быть использо­ваны для увеличения наполнения и мощности двигате­ля, так как они, то есть колебания, накладываясь на имеющийся перепад давлений у выпускных клапанов, увеличивают или уменьшают давление за клапаном и, таким образом, влияют на величину коэффициента на­полнения.

Увеличения наполнения и мощности двигателя за счет использования колебаний давлений в выпускном трубопроводе можно добиться, изменяя амплитуду и форму волны или сдвигая волну давлений по фазе выпус­ка, что и составляет существо настройки системы. На­стройкой выпускной системы получают такое протекание колебаний давления и выпускных патрубков цилиндров, при котором в период открытия выпускного клапана и, особенно, в конце такта выпуска за клапаном создается наименьшее давление. Это приводит к повышению на­полнения двигателя в результате более полной очистки цилиндра от продуктов сгорания.

 

Методика расчёта

 

Простейшей и наиболее распространенной формой использования настройки является применение сдвоен­ной системы выпуска. Такой системой обладает большин­ство современных быстроходных карбюраторных двига­телей, в том числе и двигатели ВАЗ.

 

Рис. 14. Изменение времени перемещения волн давления в выпускном трубопроводе в зависимости от числа оборотов: τп — время перекрытия фаз выпуска; τв – время выпуска.

 

В сдвоенных системах сначала попарно соединяют выпускные патрубки цилиндров, работающих через про­межутки, равные удвоенному углу поворота коленчатого вала между тактами выпуска, а затем на некотором рас­стоянии от двигателя эти пары снова объединяют в об­щую выпускную трубу.

Основной смысл настройки сдвоенного выпуска по­добного типа заключается в том, чтобы волна давления, возникающая в выпускном трубопроводе во время вы­пуска из одного цилиндра, не мешала выпуску из сле­дующего по порядку работы цилиндра. На рис. 14 пред­ставлен график изменения времени перемещения волн давления и времени перекрытия фаз выпуска в зависи­мости от числа оборотов в выпускном трубопроводе сов­ременного двигателя. Из графика видно, что уменьшение времени перекрытия фаз выпуска при увеличении числа оборотов происходит более интенсивно, чем уменьшение времени, необходимого для прохождения волнами давле­ния расстояния от выпускного клапана следующего по порядку работы цилиндра до выпускного клапана рас­сматриваемого цилиндра. Вследствие этого выпускная система, настроенная для какой-либо низкой частоты вращения двигателя (в данном случае 3250 мин-1), ока­зывается также настроенной и для всех частот враще­ния, больших расчетной. Таким образом, в диапазоне оборотов от nрасч до nнаиб (область Б) выпускная система с данной длиной сдвоенного участка обеспечивает полное устранение вредного влияния перекрытия волн давления, приходящих от следующих по порядку работы цилиндров.

Это наиболее простой вид настройки выпускного тру­бопровода, исключающий вредное действие волн давле­ния в объединенном выпускном трубопроводе разверну­того двигателя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 15. Влияние системы выпуска на колебания и величину давления в зо­не выпускного                                       клапана

Некоторые исследователи полагают, что если выпускной трубопровод сконструирован таким образом, чтобы волна разрежения имела максималь­ные значения у выпускного клапана в момент перекрытия клапанов, то это улуч­шает условия впуска. В этом случае настройка впускной и выпускной систем при достаточно широком перекры­тии клапанов (68—80°) положительно влияет на условия впуска и может дать прирост мощности на 18—20 %.

Однако на практике такая настройка представляет более сложный и трудоемкий процесс. Здесь играет роль не только длина, но и объем элементов выпускной систе­мы, поэтому диапазон такой настройки по оборотам дви­гателя значительно уже.

В свое время большинство двигателей гоночных авто­мобилей оборудовалось выпускной системой с раздель­ными патрубками на каждый цилиндр. Такая система сравнительно просто настраивается, однако диапазон ее настройки по оборотам чрезвычайно узок.

На рис. 15 изображен график, показывающий возмож­ность настройки выпускных систем разных типов. По оси ординат условно изображено давление-разрежение в зо­не выпускного клапана, по оси абсцисс — частота вра­щения двигателя. Кривая 1 изображает колебания дав­ления в выпускном трубопроводе, состоящем из отдель­ных патрубков, кривая 2 характеризует сдвоенную систему, кривая 3 - систему, в которой четыре выхлоп­ных патрубка объединены в одну трубу. Из графика сле­дует, что наибольшей амплитуды колебания давления-разрежения достигают в случае раздельных патрубков, но при этом диапазон оборотов, в котором происходит нужный эффект отрицательного давления, весьма узок и при переходе этих границ разрежение сменяется давле­нием, что затрудняет выпуск и соответственно снижает эффективные показатели двигателя.

Рассматривая кривые 2 и 3, следует отметить более выгодную по сравнению с кривой / форму протекания процесса «давление-разрежение» в зависимости от оборотов, причем режим, выраженный кривой 3, имеющей несколько большую амплитуду, чем кривая 2, дает пре­имущество в меньшем диапазоне оборотов.

Этот график несколько упрощенно отражает явления, происходящие в выпускных трубопроводах. В действи­тельности они намного сложнее, особенно в объединен­ных трубопроводах. Пока не выведены точные формулы, которые бы описывали явления, происходящие в выпуск­ных трубопроводах. В связи с этим расчет элементов вы­пускных систем весьма затруднен, а их размеры подби­раются по результатам стендовых испытаний. Существу­ют, однако, эмпирические формулы, которые позволяют определить начальные размеры при доводке выпускных систем, например формула Пайпера:

L1=A·S·D²/140·d²

где L1— расчетная длина первичной трубы, дюймы;

      A — величина фазы выпуска, градусы поворота ко­ленчатого вала;

      S — ход поршня, дюймы;

      D — диаметр цилиндра, дюймы;

      d — диаметр выпускного окна, дюймы;

      1400 — эмпирический числовой коэффициент.

 

Поскольку эта формула, как и следующая далее, по­лучена не математическим, а эмпирическим путем, раз­мерность ее левой части не соответствует размерности правой.

Первичной трубой принято называть трубу, начина­ющуюся от выпускного окна головки цилиндров. При расчетах L1 включает в себя также длину выпускного канала в головке блока lк. Таким образом рассчитывает­ся длина от выпускного клапана до зоны расширения.

Предполагается, что эта формула наиболее пригодна для расчета систем, работающих с глушителем, где зо­ной расширения газов считается выход трубы в глуши­тель.

Для расчета свободного выхлопа применяют формулу несколько иного вида:

L1=5100·φ/n·6

где L1 — длина первичной трубы плюс длина канала в головке         цилиндра, дюймы;

        φ — опережение открытия выпускного клапана до нижней мертвой точки, градусы поворота ко­ленчатого вала плюс 180°;

       n — частота вращения, при которой желательно по­лучать максимальный эффект настройки, мин­¹;

       5100 и 6 — эмпирические коэффициенты.

Для определения диаметра первичной трубы исходят из тех соображений, что объем, заключенный в ней, дол­жен быть равен двум рабочим объемам цилиндра Vцил. В таком случае диаметр первичной трубы определяется выражением:

D=√2·Vцил/ L1·3,14

Диаметр вторичной трубы, которая получается в ре­зультате объединения первичных труб, находится из та­кого расчета, что длина L2=L1, а объем, заключенный в ней, должен быть равен четырем рабочим объемам ци­линдра, поскольку речь идет о четырехцилиндровом дви­гателе. Это будет Vn. Следовательно, диаметр вторичной трубы можно выразить такой формулой:

D=2·√ Vn / L1·3,14

Используя эти выражения, можно в первом прибли­жении определить все параметры выпускного трубопро­вода. Окончательный подбор длины элементов, как уже отмечалось, проводится при стендовых испытаниях дви­гателей.

Подавляющее число спортсменов, подготовив двига­тель к соревнованиям, проверяют его в дорожных усло­виях, замеряя время разгона с места на определенной дистанции и максимальную скорость автомобиля на ров­ном участке шоссе. Однако более высокие результаты мо­гут быть получены при предварительной доводке двига­теля на моторном стенде. Естественно, что после стендо­вой доводки двигателя целесообразно провести ходовые испытания автомобиля, в процессе которых будут учте­ны особенности работы двигателя на переходных режи­мах при спусках, подъемах и поворотах и в условиях вибрации двигателя, в том числе вызванной неровностя­ми дороги.

Рассмотрим результаты стендовых испытаний пол­ностью подготовленного двигателя ВАЗ-2105 с различ­ными вариантами выпускной системы для автомобилей «багги» по первой группе. Были испытаны четыре варианта выхлопных систем, схемы которых приведены на рис. 16.

Первый вариант отличается от второго лишь разме­рами элементов и представляет собой последовательное объединение патрубков по два в один. Общим для этих вариантов является также использование стандартного выпускного коллектора двигателя ВАЗ. Третий вариант предусматривает четыре раздельных патрубка равной длины от каждого цилиндра двига­теля. По четвертому варианту четыре раздельных патруб­ка равной длины были объединены в одну общую трубу.

Рис. 16. Схемы вариантов выпускных трубопроводов:

/„ — длина выпускного канала в головке блока;

А\, А2, А3, А„ В\, В2 — эле­менты первичной трубы;

С — вторичная труба

        

 

Рис. 17. Внешняя скоростная характеристика

 двигателя с различны­ми выпускными системами

 

Для того чтобы исключить влияние изменения атмос­ферных условий, сравнительные испытания всех вариан­тов выпускных систем, заключающиеся в снятии внешних скоростных характеристик, были проведены на одном двигателе и в один день. Температурный режим двига­теля и температура в помещении поддерживались по­стоянными.

Анализируя кривые крутящего момента и мощности, представленные на рис. 17, можно сделать следующие выводы:

-         первый и второй варианты довольно близки между собой по максимальным показателям, однако форма кривых мощности и момента имеет некоторые различия. Максимум мощности у первого варианта смещен в об­ласть более высоких оборотов по сравнению со вторым вариантом. С другой стороны, в зоне оборотов примерно от 5000 до 6000 мин­¹ мощностные показатели двигателя со вторым вариантом выпускного трубопровода несколь­ко выше. Длина, первичных труб для обоих вариантов почти одинакова, но вторичных заметно отличается. Учи­тывая это, можно предположить, что при сдвоенной вы­пускной системе длина первичных труб оказывает су­щественное влияние на величину максимальной мощно­сти и момента, а длина вторичной трубы при свободном выпуске (без глушителя) влияет лишь на частоту вра­щения при максимальной мощности и максимальном моменте;

-         третий вариант дает наихудшие результаты как по максимальным значениям момента и мощности, так и по характеру протекания кривой момента. В диапазоне обо­ротов от 5000 до 6500 мин­¹ наблюдается резкое падение крутящего момента. Можно предположить, что при бо­лее точной настройке максимальные значения показа­телей двигателя могут быть увеличены, но это возмож­но в очень узком диапазоне оборотов, что весьма невы­годно для гонок по пересеченной местности;

-         рассматривая четвертый вариант, нужно отметить ха­рактерную форму кривых мощности и момента. Видно, что довольно резкий подъем внешней скоростной харак­теристики в зоне оборотов от 5500 до 6200 мин­¹ вызван благоприятным протеканием явления в выпускном тру­бопроводе. Это позволяет надеяться, что при более точ­ном подборе параметров выпускная система четвертого варианта дает возможность получения более высоких по­казателей, чем предыдущие, хотя и в более узких преде­лах частоты вращения. Такая система приемлема для двигателей гоночных автомобилей (при условии получе­ния достаточной мощности), а системы первого и вто­рого вариантов, будучи намного проще и дешевле в из­готовлении, вполне отвечают требованиям, которые предъявляются к двигателям автомобилей «багги».

 

От редакции

 

Статья была подготовлена на основе фотокопии, найденной в архиве редакции.

* - примечании редакции.

Редакции не располагает данными о происхождении статьи и её авторе. Редакция не несёт ответственности за достоверность изложенного в ней материала и за негативные последствия, которые могут возникнуть при выполнении рекомендаций автора.  

Комментарии к этой записи в блоге

Написать свой комментарий

    Заказы онлайн

    Если Вы не уверены в выборе или сомневаетесь, то наши специалисты бесплатно проконсультируют Вас по любым вопросам, связанным с нашими предложениями

    Вы всегда можете задать вопрос по телефону:


    Рабочие дни: 8:00-16:00
    Выходные дни: 9:00-18:00


    (048) 716-12-18

    (050) 834-38-68

    (097) 733-25-08