Forum Oficjalnego Klubu Mitsubishi - MitsuManiaki

[Hubeeert]

Dzięki zgodzie Pana Grzegorza Grabowskiego z Firmy GMS mam możliwośc zamieszczenia na Naszym Forum jego wypowiedzi na temat tuningu układów wydechowych z Forum streetracing.pl

"To co dotychczas napisałem w tym wątku o konstruowaniu sportowych układów wydechowych - skasowałem. Było to dość chaotyczne i mi się nie podobało. Spróbuję napisać to jeszcze raz, być może tym razem będzie lepiej. Przedsięwzięcie jest o tyle skomplikowane, że aby choć powierzchownie wyjaśnić podstawowe zagadnienia - tekst musi być ( siłą rzeczy ) bardzo obszerny. Ponadto dla lepszego zrozumienia, powinien być bogato ilustrowany oraz przedstawiany w odpowiedniej kolejności. Dlatego też bedę go pisał z podziałem na rozdziały, które ( jak znam życie ) i tak będę co chwila poprawiał.

Oczywiście, wszystkich Forumowiczów zainteresowanych problematyką sportowych układów wydechowych, proszę o pytania i uwagi. Pomogą mi one w tej radosnej twórczości.

Część I

Na początek kilka uwag natury ogólnej, otóż:

1. Zadaniem układu wydechowego jest odprowadzać spaliny poza obrys samochodu, tłumić hałas oraz poprzez właściwe opory przepływu, a także wykorzystanie zjawisk dynamicznych i falowych - wspomagać wymianę ładunku i zgodnie z życzeniem konstruktora wpływać na charakterystykę silnika.

2. Początkiem układu wydechowego jest zawór wydechowy, a końcem wylot spalin do atmosfery.

3. Kompletny układ wydechowy składa się więc z części wewnętrznej, czyli kanału wydechowego w głowicy oraz części zewnętrznej, czyli układu przykręcanego do głowicy.

4. Do całkowicie seryjnego silnika niemal zawsze najlepszy jest całkowicie seryjny układ wydechowy.

5. We wszystkich układach wydechowych działają te same prawa fizyki i zależności matematyczne, jednak ze względu na przeznaczenie silnika ( wyczyn, sport, dupowóz ), a tym samym jego konstrukcję - układy te muszą się różnić od siebie.

6. Modyfikacje układu wydechowego powinny być wykonywane jednocześnie ze stosownymi modyfikacjami układu ssącego. W przeciwnym wypadku efekty będą zbliżone jedynie do pierwiastka kwadratowego z efektów możliwych.



Każda ( za przeproszeniem ) rura, nawet rynna z dachu może być zewnętrznym układem wydechowym, z którym każdy silnik będzie pracował. Mało tego, każdy silnik będzie pracował również bez zewnętrznego układu wydechowego. Do pracy wystarczą mu kanały wydechowe w głowicy. Oczywiście charakterystyka silnika pozbawionego zewnętrznego układu wydechowego będzie bardzo kiepska, ponieważ będzie kształtowana niemal wyłącznie przez układ ssący - ale jechać się da.
Jednak pomimo faktu, że silnik będzie pracował na każdym układzie wydechowym, to tylko na jednym będzie pracował doskonale, gwarantując maksymalne wykorzystanie konstrukcji silnika. Aby tak było ów układ wydechowy musi być skonstruowany na podstawie precyzyjnych obliczeń, do wykonania których potrzebne są wymiary gniazd zaworowych, zaworów i ich wzniosów oraz czasy wałka rozrządu, a także zakres obrotów, w których układ wydechowy ma wspomagać wymianę ładunku.

Podstawowe wymiary układu wydechowego to:

1. średnica wewnętrzna rur
Dla osiągania maksymalnych mocy, pole przekroju pojedynczej rury wydechowej jednego cylindra powinno być równe polu powierzchni szczeliny zaworowej zaworu ssącego lub zaworów ssących ( jeżeli są dwa lub więcej ) przy maksymalnym ich otwarciu. Średnica ta jest bardzo ważnym wymiarem w wyczynowym układzie wydechowym i z reguły nie występuje w przyrodzie jako gotowa średnica rury handlowej. Z tego powodu niemal wszystkie prawdziwie wyczynowe układy wydechowe robione na świecie mają rury ze szwem, czyli zwijane z blachy i spawane lub rury przeciągane na potrzebny wymiar na tzw. przeciągarce.

Pole powierzchni szczeliny zaworowej jednego zaworu oblicza się ze wzoru na powierzchnię boczną stożka ściętego S=Pi*L*(R+r), przy czym R jest średnicą zewnętrzną przylgni zaworowej w gnieździe ssącym, r jest średnicą wewnętrzną przylgni zaworowej zaworu ssącego, L jest tworzącą stożka ściętego obliczaną ze wzoru L=((maksymalny wznios zaworu-luz roboczy-(R-r))^2+(R-r)^2)^0,5
Oczywiście jeżeli są dwa zawory ssące, obliczone S należy pomnożyć przez 2
Wynika z tego, że wzór na optymalną ( dla uzyskania maksymalnej mocy ) średnicy pojedynczej rury wydechowej jednego cylindra będzie D=2*(S/Pi)^0,5

2. długość rur
Wzór ogólny wygląda następująco L=K/n*2125 cm gdzie
L= długość pojedynczej rury ( mierzona od gniazda zaworu ),
K= kąt między początkiem otwarcia zaworu wydechowego, a początkiem otwarcia zaworu ssacego ( mierzony na wale wykorbionym ). W przypadku gdy krzywki ssące są takie same jak wydechowe, jest to po prostu kąt między osiami krzywek.
n= obroty, od których zacząć się ma działanie falowe wydechu.

Dla przykładu załóżmy, że czasy rozrządu w naszym silniku, to 40/80 80/40. Wałek taki ma długość 40+80+180=300 stopni, a kąt między osiami krzywek wynosi 80-40+180=220. Musimy pamiętać, że do obliczeń potrzebny nam jest kąt między osiami krzywek mierzony na wale korbowy, a nie na wałkach rozrządu ( na wałkach będzie bowiem dwa razy mniejszy ).
Załóżmy teoretycznie, że naszym marzeniem jest aby ów wydech zaczął działać falowo od 4000 obr/min. Cztery tysiące obrotów na minutę, to 4000/60=66,66 obrotów na sekundę, a ponieważ jeden obrót ma 360 stopni, to jednocześnie 66,66*360=24000 stopni/sek. Jeżeli w ciągu 1 sekundy nasz wał wykorbiony pokonuje kąt 24000 sek, to obliczmy w ciągu jakiego czasu pokona kąt 220 stopni, czyli nasz kąt między osiami krzywek. Aby to obliczyć wystarczy 220/24000=0,00917 sek.
I teraz, fala w wydechu porusza się z prędkością 510 m/sek, obliczmy zatem jaką drogę przebędzie w czasie 0,00917 sek. Aby to obliczyć wystarczy 510*0,00917=4,6767 m. No proszę, fala pokona drogę 467,67 cm. Ponieważ ma to być droga tam i z powrotem, długość rury ( od gniazda do końca ) musi wynosić połowę tej wartości, czyli 467,67/2=233,84 cm.
Obliczyliśmy właśnie długość potrzebnej nam rury wydechowej dla wałka 300 stopni z kątem między osiami 220 stopni dla początku działania falowego wydechu od 4000 obr/min i dla tzw. pierwszego odbicia, tzn. leci raz do końca, raz się odbija zmieniając znak i raz wraca. Co prawda impuls podciśnienia z pierwszego odbicia jest największy, jednak wykonanie kolektora wydechowego z rurami o długości 233,84 cm byłoby trochę skomplikowane jeżeli nie niemożliwe. Dlatego też powszechnie i praktycznie układ oblicza się dla drugiego odbicia, a wtedy potrzebna nam rura musi mieć połowę obliczonej pierwej długości, czyli 233,84/2=116,92 cm. Po odliczeniu długości kanału wydechowego w głowicy, ( zakładając, że ma on akurat długość 16,92 cm ), potrzebna nam rura przykręcana do głowicy, będzie musiała mieć długość 1 m.

3. pojemność układu
Wbrew pozorom, ma ona duże znaczenie,. Jest tu pewna analogia do instrumentów muzycznych i ich pudeł rezonansowych. Duża pojemność wzmacnia niskie częstotliwości, mała pojemność wysokie.
O ile długość rur obliczamy dla drugiego odbicia, o tyle pojemność wydechu dla odbicia pierwszego. Z wyliczanki zrobionej powyżej, wyszło nam, że dla założonych warunków wstępnych, rura powinna mieć dla pierwszego odbicia długość 233,84 cm. Z kolei na początku mojego tekstu przedstawiłem sposób obliczania optymalnej średnicy pojedynczej rury wydechowej dla uzyskania maksymalnych mocy.
Optymalną zaś pojemnością całkowitą dla układu wydechowego będzie suma pojemności poszczególnych rur o wyliczonej długości dla pierwszego odbicia przy wyliczonej ich średnicy zgodnie z przedstawionym przeze mnie wzorem.

4. średnica wylotu spalin do atmosfery
Zdławienie na wylocie puszki pojemnościowej jest najczęściej potrzebne aby puszka rezonansowa, czy rozprężna ( jak kto woli ) mogła działać na podobieństwo sprężyny o potrzebnej twardości, stwarzając odpowiednie przeciwciśnienie w układzie. Zapobiegając wylatywaniu do rury wydechowej ładunku świeżej mieszanki, który w trakcie współ-otwarcia zaworów został zassany do cylindra po czym za spalinami - wyssany do rury wydechowej. Jeżeli z tej rury nie wróci, to jest bezpowrotnie stracony i jedyną z niego korzyścią może być efektowny płomień ( jeżeli od rozgrzanych rur się zapali ). Wielkość zdławieni zależy od kąta zamknięcia zaworu wydechowego.

Cześć II

W każdym układzie wydechowym przy pracującym silniku występują zjawiska falowe i dynamiczne. I jedne i drugie, właściwie wykorzystane, mogą wspomagać napełnianie cylindra.

Działania falowe w układach wydechowych przebiegają w następujący sposób.

Podczas pracy silnika w chwili otwarcia zaworu wydechowego powstaje fala nadciśnienia, która z prędkością 510 m/sek przemieszcza się od gniazda zaworowego do końca rury ( 510 m/sek to średnia prędkość dźwięku przy ciśnieniach i temperaturach panujących w wydechu ).
Na końcu rury na skutek różnicy ciśnień następuje odbicie fali i zmienia ona znak. Z fali nadciśnienia staje się falą podciśnienia i jako taka wraca do gniazda wydechowego. W czasie podróży fali do końca rury i z powrotem, wał korbowy silnika wykonuje pewien kąt obrotu, zależny od chwilowej prędkości obrotowej silnika oraz od długości rury. Pamiętajmy, że silnik się rozpędza, więc nieustannie zwiększa prędkość obrotową, natomiast fala leci z prędkością stałą i pokonuje ciągle tą samą drogę ( bo rura ma stałą długość ).

Z tych powodów w miarę zwiększania się obrotów silnika, jego wał korbowy wykonuje coraz większy kąt w czasie przemieszczania się fali. I teraz, dopóki powracająca fala podciśnienia wraca do gniazda, ( a w sumie do cylindra, ponieważ jest otwarty zawór wydechowy ) zanim otworzy się zawór ssący początkując fazę współ-otwarcia zaworów - działanie powracającej fali podciśnienia jest niewielkie. Wraca sobie bowiem gdy trwa sów wydechu i jest otwarty wyłącznie zawór wydechowy, a w cylindrze panuje nadciśnienie wytwarzane przez poruszający się ku górze, wypychający spaliny tłok. Nadciśnienie to powoduje, że w chwili otwarcia zaworu ssącego ( zapoczątkowującego tzw. współotwarcie zaworów ), wypychane z cylindra spaliny natychmiast wtłaczane są do powiększającej się szczeliny zaworu ssącego i dalej do kanałów i kolektora ssącego. Dopiero po przejściu tłoka przez GMP ( górny martwy punkt ), pojawia się w cylindrze podciśnienie, które w początkowej fazie ssania powoduje zassanie do cylindra znajdujących się w układzie ssącym, dopiero co wtłoczonych tam gorących spalin, a dopiero potem zassanie świeżego i zimnego powietrza. Wszystko to razem powoduje, że silnik pracuje niechętnie i z bardzo małą mocą.

Sytuacja ulega radykalnej zmianie na lepsze w momencie gdy w trakcie podróży fali wzdłuż rury tam i z powrotem - silnik zdąży wykonać kąt obrotu równy odległości kątowej od otwarcia zaworu wydechowego do otwarcia zaworu ssącego ( w przypadku rozrządu gdzie krzywka ssąca i wydechowa jest identyczna, ten kąt to po prostu kąt między osiami krzywek ).
Teraz w momencie otwarcia się szczeliny w zaworze ssącym, w cylindrze pojawia się podciśnienie powracające z rury wydechowej. Spaliny już nie są wtłaczane do układu ssącego, a wręcz odwrotnie. Pomimo fazy wydechu, z układu ssącego już jest zasysane świeże i zimne powietrze, a przy okazji trwa intensywne odsysanie spalin co powoduje, że następuje gwałtowna poprawa napełnienia, a tym samym zwiększenie momentu i mocy.

Co się dzieje dalej. Silnik nadal się rozpędza i to coraz żwawiej, a fala nadal się przemieszcza w rurze ze stała prędkością. W związku z tym, powracająca fala podciśnienia, która w fazie początkowej wróciła na początek otwierania się zaworu ssącego, zaczyna wracać coraz później, przy coraz większym jego otwarciu. Powoduje to również coraz większy efekt działania falowego, który swe maksimum osiąga w momencie gdy fala wróci w okolicy GMP. Działanie falowe się kończy z chwilą gdy powracająca fala podciśnienia wróci za późno i zastanie zamknięty zawór wydechowy. Wtedy odbije się od niego nie zmieniając znaku i nadal jako fala podciśnienia poleci z powrotem.
Jak więc widzimy, działanie falowe wydechu zaczyna się w momencie gdy powracająca fala podciśnienia wróci do cylindra na samym początku otwarcia zaworu ssącego, a kończy, gdy powracająca fala wróci do cylindra na końcu zamknięcia zaworu wydechowego. Tak więc o zakresie działania falowego wydechu decydują wyłącznie czasy wałka rozrządu.

Oczywiście jak wszystko w silniku, tak i zakres działania wydechu można obliczyć. Oblicza się go dzieląc całkowitą długość krzywki wydechowej przez kąt miedzy osiami krzywek ( oczywiście jeżeli krzywka ssąca i wydechowa są identyczne ). Np. jeżeli krzywki wydechowa i ssąca mają po 314 stopni, a kąt między osiami krzywek wynosi 220 stopni, to zakres działania falowego wydechu wyniesie 314/220=1,427.
Cóż to oznacza? Oznacza to, że jeżeli wydech zacznie działać falowo przy X obrotów, to zakończy działanie przy X*1,427 czyli jeżeli zacznie działać np. przy 4000 obr/min, to zakończy przy 4000*1,427=5708 obr./min , a jeżeli zacznie przy 3000 obr/min, to zakończy przy 3000*1,427=4281 obr/min. Naturalnie, to my decydujemy od jakich obrotów wydech ma zacząć działać falowo, ponieważ obroty te zależą od długości rur, a długość rur potrafimy już obliczyć.

No, skoro już wiemy w jaki sposób oblicza się zakres działania falowego wydechu, obliczmy ćwiczebnie ten zakres dla statystycznego, seryjnego, współczesnego silnika 16 zaworowego. Czasy rozrządu takiego silnika z reguły oscylują w granicach 5/40 40/5 tzn. Zawór ssący otwiera się 5 stopni przed GMP ( górnym martwym punktem ) i zamyka 40 stopni po DMP ( dolnym martwym punkcie ) i analogicznie zawór wydechowy otwiera 40 stopni przed DMP i zamyka 5 stopni po GMP. Zatem całkowity kąt otwarcia krzywki wynosi 5+40+180=225 stopni, a kąt współ-otwarcia zaworów 225-10=215 stopni. Zakres działania falowego wydechu na tak krótkim wałku, wynosił będzie 225/215=1,046. Jeżeli wydech ten zacznie działać falowo przy np. 4000 obr/min, to skończy działać przy 4000*1,046=4186 obr/min, a jeżeli zacznie przy 3000, to skończy przy 3000*1,046=3138 obr/min. Gołym, nieuzbrojonym okiem widać, że tak mały zakres obrotów w których wydech będzie wykorzystywał zjawiska falowe - jest bez sensu. Dlatego też robienie wydechu działającego falowo dla krótkich, seryjnych wałków rozrządu jest właśnie bez sensu i z tego powodu nikt kto zna się na działaniu układów wydechowych - takich wydechów nie robi. Robienie sportowych układów wydechowych działających falowo, zaczyna nabierać sensu dopiero przy krzywkach o długościach zbliżonych do 300 stopni lub dłuższych i kątach współ-otwarcia zaworów mniejszych niż 210 stopni na wale korbowym, czyli mniejszych od 105 stopni na rozrządzie. Reasumując, im dłuższe krzywki i mniejszy kąt między osiami krzywek, tym większy zakres działania falowego wydechu, co oczywiście nie oznacza, że należy stosować najdłuższe wałki jakie występują w przyrodzie.

W silnikach wyczynowych zakres działania falowego wydechu powinien być równy najbardziej niekorzystnemu przełożeniu w skrzyni biegów. Chodzi bowiem o to, aby zakres ten wspomagał wymianę ładunku w całym zakresie użytkowym. Nie może być tak, że silnik zakręcony do maksymalnych obrotów na jednym biegu, po zmianie biegu na wyższy, spadnie na obroty, których działanie falowe wydechu jeszcze nie obejmuje - ponieważ taki silnik się nie pozbiera.
W dobrze skonstruowanym silniku wyczynowym, wszystko musi do siebie idealnie pasować. Nieco inaczej wygląda sprawa w dupowozie, ponieważ niejako z definicji ma on tak szeroko i różnie zestopniowane biegi, że dobranie do niego potrzebnego zakresu działania falowego wydechu jest w większości przypadków niemożliwe. Dlatego w przypadku dupowozu, należy wybrać jedynie zakres obrotów, który jest możliwy do ogarnięcia.


Tu jako ciekawostkę chciałbym podać, że równocześnie do akcji falowej w układzie wydechowym, bardzo podobna akcja powinna zachodzić po stronie ssania. Z tą różnicą, że z powodu niższego ciśnienia i temperatury, prędkość fali wynosi 340 m/sek, a nie jak w wydechu 510 m/sek. Bowiem w doskonałym silniku wyczynowym układ ssący idealnie współpracuje z układem wydechowym. Nie będę zaczynał o układach ssących bo wtedy, to już będzie „czeski film”. Powiem tylko tyle, że konstrukcja układu ssącego powinna być ściśle powiązana z konstrukcją układu wydechowego aby i dynamicznie i falowo mogły się nawzajem wspomagać, a nie jak to często bywa – przeszkadzać W doskonałym silniku wyczynowym układ ssący zaczyna działanie falowe dokładnie w tym samym momencie co układ wydechowy z tą jeszcze różnicą, że w chwili powrotu do cylindra z układu wydechowego fali podciśnienia, z układu ssącego wraca do cylindra fala nadciśnienia.