Тюнинг - выпускная система

ТЮНИНГ. «Модное» слово среди мотоциклистов, обязательно употребляемое в любой беседе, затрагивающей вопросы ремонта и модернизации двухколесной техники.
Но – мало кто помнит его исходное значение!
В переводе с английского, «Tuning» означает – «настройка, регулировка». То есть, доведение всех ходовых качеств мотоцикла до уровня, необходимого владельцу.
Это может быть повышение мощности двигателя мотоцикла, или изменение его характеристик (например – прибавить момент на низких, либо наоборот – высоких оборотах), модернизация трансмиссии и подвески. 
Модификация одного узла обязательно влечет за собой необходимость регулировки других механизмов, ведь в мотоцикле все взаимосвязано.
А так как 99.(9)% владельцев мототехники не достаточно хорошо владеют информацией о физических принципах процессов, скажем – в двигателе – то они не могут предусмотреть все последствия выполненных модификаций. По этому – с уверенностью можно сказать, что «Hand-made» тюнинг всегда является компромиссом. Характеристику одного узла или процесса – улучшили, а про остальные – «забыли».

Рассмотрим, к примеру – какие «компромиссы» присутствуют в системе, под названием – настроенный выхлоп.
Действительно - первое, что приходит на ум при желании увеличить мощность двигателя – снизить сопротивление выхлопа, установить так называемый «прямоток». Рассмотрим плюсы и минусы этой конструкции.
Для начала – несколько слов о том, что такое выхлопная система, как она работает, и почему выпускной тракт влияет на мощность двигателя.

Выпускная система служит для отвода выхлопных газов от двигателя, за пределы конструкции мотоцикла. Очевидно, что она должна оказывать минимальное сопротивление движению потока, но тут мы пересекаемся со второй задачей – снижение уровня шума.
Забудем на время про «морально-этические» проблемы эксплуатации двигателя с высоким уровнем шума (будем считать что мотоцикл эксплуатируется исключительно на закрытом треке) и остановимся только лишь на оптимальной газодинамике.
Глушитель – всегда увеличивает сопротивление выпуска, но значит ли что его отсутствие - улучшит характеристики ДВС?

Выпускной коллектор – оказывает влияние на наполнение цилиндров топливо-воздушной смесью, так же, как и на очистку их от отработавших газов.
Строго говоря – в патрубках коллектора, присутствуют одновременно 3 процесса:
1)Течение газа по трубе, демпфированное в той или иной степени в зависимости от диаметра. По мере удаления от цилиндра – газ остывает (передача тепла на стенки и потери на трение), и его энергия уменьшается. Оптимальная скорость течения – порядка 40 м/сек.
2)Распространение ударных волн в газовой среде. Упрощая, можно сказать, что ударная волна представляет собой перемещающуюся зону сжатия, за сферическим фронтом которой находится зона низкого давления. Волны, перемещаясь в коллекторе - могут отражаться или гасить друг друга.
3)Гашение колебаний акустического диапазона (уменьшение шума)

В теории - конструкция должна удовлетворять простому критерию - импульсы давления, возникающие в результате работы одного цилиндра – не должны создавать сопротивление (противодавление) для газа из другого цилиндра. Казалось бы – достаточное условие, в теории – коллектор большого диаметра с низким сопротивлением.
На практике, куда большее значение имеют другие процессы.
Так, в большинстве мотоциклетных двигателей – присутствует положительная фаза перекрытия – момент в диаграмме газораспределения, когда впускной и выпускные клапана открыты одновременно, и впускной тракт оказывается соединенным напрямую с выхлопом – через камеру сгорания. Это важный и необходимый момент для дозарядки цилиндра при помощи ударных волн.
Чем меньше давление возле выпускного клапана в момент его открытия – тем лучше продувка, и цилиндр получит больший заряд в фазе впуска – что, разумеется - увеличит мощность ДВС.
Вспомним, что в коллекторе присутствуют ударные волны – перепады положительного и отрицательного давления. При помощи простых вычислений – не сложно определить такую форму коллектора, чтобы зона разряжения ударной волны, отразившись от неоднородности – вернулась обратно к открытому выпускному клапану. Тогда давление возле него будет ниже атмосферного, что создаст эффект «наддува» - принудительного увеличения наполнения цилиндра.

Разместим в коллекторе посторонний предмет – перегородку. Результат – 2 процесса:
1) давление в коллекторе не успевает падать, и в момент открытия выпускного клапана оно будет противодействовать очистке цилиндра. Мощность – меньше.
2) Ударная волна отражается от перегородки и двигается в обратную сторону, к клапану – создавая разряжение.
Упростив, будем считать что волна движется в коллекторе со скоростью звука. (на самом деле – скорость звука в коллекторе не является константой, зависит от плотности газа, а плотность от температуры. Температура уменьшается по мере удаления от цилиндра - и плотность газа меняется.). Тогда, при RPM=6000 чтобы вернуть волну к клапану – нужно разместить отражатель на расстоянии 3,3 метра (пройденный путь составит 6,6 м).
Отражателем может являться любое резкое изменение сечения трубы, как в меньшую сторону (перегородка), так и в большую (срез в атмосферу) – но менее эффективно.
Уменьшать сечение (и увеличивать противодавление) – нельзя, поэтому прямоточный настроенный на 6000 об/мин выхлоп, умозрительно – будет представлять 4 трубы длиной 3.3 метра каждая диаметром около 0.45d цилиндра для обеспечения оптимальной скорости потока (например для ДВС с цилиндром d=79мм,
диаметр патрубка составит 35-38мм).
Сократить оптимальную длину трубы можно, настроив ее на более высокие обороты - или возвращая ударную волну не в этот же цилиндр, а в следующий (по диаграмме работы двигателя). Так, фаза перекрытия на 4х цилиндровом моторе наступит в следующем цилиндре через 180 градусов поворота коленчатого вала – что означает уменьшение интервала времени, отведенного для возвращения ударной волны - в 4 раза. 3.3м / 4 = 0.82м – что более чем приемлемо для габаритов мотоцикла.
Стандартное решение – коллектор 4 в 1 – плавный сход 4х труб от каждого цилиндра в общий «паук», расположенный на расстоянии 0.82м от выпускного окна – для коллектора, настроенного на 6000RPM.
После «паука» - размещается выходная труба и «банка». Суть настройки выходной трубы – избежать перекрытия в пауке импульсов давления от ДВС и отраженных волн от среза выходной трубы, атмосферы. В этом же месте – для уменьшения уровня шума может ставится «банка».
Не зависимо от используемой банки, суммарная длина коллектора выбирается в зависимости от оборотов, на которых мы хотим получить максимальную «отдачу» выхлопа.

Вывод первый. Не всегда «громкий» выпуск лучше «тихого», в плане мощности. Он вполне может быть не настроен на нужные обороты, например – если он не от этого мотоцикла, или при его проектировании такими вопросами просто никто не озадачивался.
«Идеальный» выхлоп будет иметь выходную трубу с открытым в атмосферу срезом, без глушителя. Выходная труба будет иметь плавно расширяющуюся, коническую форму – для сохранения нужных скоростей потока по мере остывания газа. Так называемый «Moto GP» выхлоп. Надо сказать, что «в магазине» купить такой коллектор невозможно – он никогда не пройдет сертификацию на уровень шума и большая часть таких систем во всем мире - делается под заказ и настраивается на обороты максимального момента у отдельно взятого двигателя.
В продаже существует множество «MotoGP» подобных систем – но при детальном рассмотрении – 99% изделий - это классический глушитель поглощающего типа с необычным внешним видом.

Недостаток настроенного выхлопа – на вдвое меньших, чем резонансные, оборотах – фазы давления в коллекторе оказываются развернутыми на 180 градусов. То есть, вместо разряжения на клапан попадает – давление. Получаем плохое наполнение – и «провал» в характеристике мощности.
Вывод второй. Если выпуск увеличивает мощность на высоких оборотах – «на низах» он только лишь создает потери. И чем более эффективный коллектор – тем сильнее будет «провал», и никакими настройками он не лечится. Это законы физики. Но существуют методы уменьшить влияние ударных волн:

EXUP. Управляемый клапан.
Многие производители мотоциклов размещают в коллекторе механизм управления геометрией выпуска – заслонку, управляемую сервоприводом. На низкой частоте вращения – заслонка перекрывает часть тракта, предотвращая распространение волн – и разрушая ставшие вредными, резонансные явления.
Уменьшение сечения на низких оборотах не так важно, объем газа генерируемый мотором не велик – и даже на почти закрытой заслонке очищение цилиндров достаточно.
Еще один компромисс – даже полностью открытый клапан остается в трубе и создает небольшое сопротивление, плюс механизм с сервоприводом имеет массу как минимум 0.5кг. Поэтому в «Top-end» гоночных коллекторах никаких заслонок нет – мотоциклы просто не эксплуатируются на низких оборотах.

Вывод третий. Коллекторы без EXUPа – исключительно однорежимные, рассчитанные как правило - на высокие рабочие обороты. Установив такой коллектор – не стоит хотеть от него хороших характеристик на низких оборотах.

«Дефекты литья на производстве» или еще одно заблуждение.
Внимательные механики – при замене выхлопа, неоднократно замечали так называемые «огрехи серийного производства» на деталях головки блока. А именно – ступеньку, не совпадение выпускного окна ГБЦ и приемной трубы коллектора на несколько миллиметров. В некоторых случаях – доходило до применения бормашинки, для «устранения заводских дефектов».
Мало кто задумывается – что несовпадение труб сделано специально. Поток газа из камеры сгорания беспрепятственно проходит в коллектор – а вот ударная волна, на обратном пути – встречает ступеньку.
Убрав ступеньку и обеспечив идеальное совпадение выпускного окна с коллектором – мы получим незначительную прибавку на оборотах основного резонанса коллектора, и значительное ухудшение его характеристик, на половине от этих оборотов.

Про процессы в выпускной системе – можно написать не одну книгу. В завершение – можно сказать, что совершенно недопустимо рассматривать выхлоп – отдельно от механизмов газораспределения двигателя (например - подумайте, как поведет себя резонансный выхлоп – в паре с распредвалами с нулевым, либо отрицательным перекрытием?) и впуска. Ведь, мотор – это механизм, работающий по законам газодинамики – и все его части полностью взаимосвязаны между собой.

x