ABC układu WYDECHowego, zrób to sam obliczenia, cała prawda

[supermajku]

Nie wiem czy to miejsce jest najlepsze moderatorów proszę o ew przeniesienie i usunięcie tego.*

Chciałbym przedstawić kilka prawideł odnośnie wydechów, tak abyśmy mieli swoje obliczenia, z którymi się podzielimy aby mieć dokładnie obliczony wydech w naszych samochodach, przy tym co nam producent zaoferował.

Jeżeli artykuł jest ciekawy proszę o punkty.

Miłej lektury.

Na początek kilka uwag natury ogólnej, otóż: 1. Podstawowym zadaniem układu wydechowego jest wspomaganie wymiany ładunku i zgodnie z życzeniem konstruktora wpływanie na charakterystykę silnika. Ponadto, tłumienie hałasu oraz odprowadzanie spalin poza obrys pojazdu. 2. Początkiem układu wydechowego jest zawór wydechowy, zaś końcem z reguły wylot spalin do atmosfery, lub niekiedy, wylot spalin z puszki pojemności owej do rury odprowadzającej spaliny poza obrys pojazdu. 3. We wszystkich układach wydechowych, niezależnie od przeznaczenia silnika (dupowóz, sport, wyczyn) działają te same prawa fizyki i zależności matematyczne. Jednak ze względu na różnice w konstrukcjach silników oraz stawiane im wymagania, wyczynowe układy wydechowe odbiegają konstrukcją od układów wychechowych pojazdów seryjnych. 4. Układy wydechowe mogą działać wyłącznie dynamicznie, jak ma to miejsce w większości pojazdów seryjnych, lub dynamicznie i fal owo w silnikach sportowych oraz wyczynowych. 5. W każdym układzie wydechowym powyżej pewnej prędkości przepływu gazów wydechowych, występują zjawiska dynamiczne oraz przy każdych prędkościach zjawiska falowe. I jedne i drugie wykorzystane właściwie, mogą wspomagać napełnienie cylindra, z tym, że o ile wykorzystanie zjawisk dynamicznych jest możliwe w każdym silniku, o tyle pełne wykorzystanie zjawisk falowych możliwe jest jedynie w silnikach z odpowiednio dużymi kątami współotwarcia zaworów. 6. Każda rura (nawet dachowa rynna) może być zewnętrznym układem wydechowym, z którym każdy silnik będzie pracował. Mało tego, każdy silnik będzie również pracował bez zewnętrznego układu wydechowego. Do pracy wystarczą mu kanały wydechowe w głowicy. Oczywiście osiągi silnika pozbawionego zewnętrznego układu wydechowego będą pozostawiały wiele do życzenia, ponieważ kształtowane będą niemal wyłącznie przez układ ssący. Niemniej jednak będą wystarczające do tego, aby pojazdem dało się jechać.
Pomimo faktu, że silnik będzie pracował na każdym drożnym układzie wydechowym – tylko na jednym układzie będzie pracował doskonale, gwarantując maksymalne wykorzystanie konstrukcji silnika. Jednak, aby tak było, ów układ wydechowy musi być skonstruowany wg prawideł sztuki, na podstawie stosownych obliczeń. . .
.
W układach wydechowych występują działania dynamiczne i falowe

.
Działania dynamiczne

W miarę wzrostu prędkości obrotowej silnika, wzrasta intensywność i prędkość gazów wydechowych, wypychanych z cylindra do rury wydechowej przez coraz szybciej poruszający się tłok. Początkowo spaliny wypychane są z prędkościami analogicznymi do chwilowych prędkości tłoka, który zatrzymuje się w GMP i DMP (górnym i dolnym martwym punkcie), a największą prędkość osiąga w okolicach połowy skoku. Po przekroczeniu pewnej prędkości obrotowej, a tym samym pewnej intensywności i prędkości przepływu, poruszający się w rurze wydechowej cylindra słup gazu przestaje naśladować prędkość poruszającego się tłoka i skutkiem swej bezwładności (wszak posiada pewną masę) zaczyna poruszać się z dużą prędkością bez względu na chwilową prędkość tłoka – powodując powstawanie za sobą podciśnienia. Podciśnienie to zaczyna intensywnie odsysać z cylindra pozostałe gazy spalinowe, a jednocześnie w fazie współotwarcia zaworów zasysać świeże powietrze z układu ssącego, zanim jeszcze tłok minie GMP i swoim ruchem wymusi powstanie w cylindrze podciśnienia. Wszystko to razem powoduje poprawę napełnienia cylindra świeżym ładunkiem, a tym samym wzrost wartości momentu obrotowego.
Moment rozpoczęcia działania dynamicznego w układzie wydechowym łatwo zauważyć ruszając samochodem z II lub III biegu z wolnych obrotów i gwałtownie wciskając pedał gazu do oporu. Początkowo samochód będzie bardzo słabo przyspieszał, jednak po przekroczeniu pewnych obrotów nastąpi gwałtowna poprawa dynamiki, będąca skutkiem powstania i zadziałania zjawisk dynamicznych w układzie wydechowym. Efektywność działania zjawisk dynamicznych zależy od będącej w ruchu masy słupa gazu, czyli od długości rury. Im krótsza rura tym słabszy efekt. Moment rozpoczęcia działania zjawisk dynamicznych zależy od intensywności i prędkości przepływu gazów spalinowych, a więc od średnicy rury. Zmniejszenie średnicy spowoduje przesunięcie efektu w zakres niższych obrotów, a zwiększenie średnicy w zakres obrotów wyższych.
.

Działania falowe ( tzw. falowe doładowanie)

W chwili otwarcia zaworu wydechowego wydostające się z cylindra spaliny tworzą falę nadciśnienia, która przemieszcza się od gniazda wydechowego do końca rury, gdzie skutkiem różnicy ciśnień fala odbija się zmieniając znak i już jako fala podciśnienia wraca do gniazda wydechowego. Prędkość przemieszczania się fali wynosi ok 510 m/sek (jest to średnia prędkość dźwięku przy panującym w układzie wydechowym ciśnieniu i temperaturze).
W czasie przemieszczania się fali do końca rury i z powrotem, wał silnika wykonuje pewien kąt obrotu, zależny od jego chwilowej prędkości obrotowej oraz od długości rury. Im krótsza rura, tym fala wróci wcześniej, a wał korbowy obróci się o mniejszy kąt. Im szybsze obroty silnika tym w trakcie przemieszczania się fali w rurze wydechowej, wał korbowy zdąży obrócić się o większy kąt. W rozpatrywanym przez nas przypadku silnik się rozpędza, natomiast fala porusza się z prędkością stałą.
Dopóki powracająca z końca rury fala podciśnienia wraca do cylindra zanim zacznie otwierać się zawór ssący rozpoczynając fazę współotwarcia zaworów – jej działanie jest niewielkie. Co prawda wspomaga opróżnianie cylindra z gazów wydechowych, ale nie wspomaga zasysania świeżego ładunku i nie zapobiega wtłaczaniu do kolektora sącego spalin w początkowej fazie otwierania się zaworu ssącego. Pamiętajmy, ze tłok jest jeszcze przed GMP i swoim ruchem wypycha spaliny.
Sytuacja ulega zmianie, gdy obroty silnika osiągną taką wartość, że powracająca z końca rury fala podciśnienia pojawi się w cylindrze w początkowym momencie otwierania się zaworu ssącego – rozpoczynając zakres działania falowego wydechu. Od tego momentu, pomimo powiększającej się szczeliny w otwierającym się zaworze ssącym, spaliny już nie są wtłaczane do układu ssącego. Pomimo trwającej fazy wydechu z układu ssącego jest zasysane świeże i zimne powietrze, przy jednoczesnym odsysaniu spalin do wydechu. w rezultacie następuje gwałtowna poprawa napełnienia skutkująca wzrostem momentu obrotowego i mocy. Co dzieje się dalej? Silnik nadal się rozpędza zwiększając obroty, a fala nadal się przemieszcza w rurze wydechowej ze stałą prędkością. W związku z tym powracająca z końca rury fala podciśnienia, która w fazie początkowej wróciła na początek otwierania się zaworu ssącego, zaczyna wracać coraz później, przy coraz większym jego otwarciu. Powoduje to coraz większy efekt działania falowego, który swe maksimum osiąga w momencie, gdy fala wróci w okolicy maksymalnego współotwarcia zaaworów. Przy dalszym wzroście obrotów fala podciśnienia zaczyna wracać już po GMP tłoka.Zakres działania falowego kończy się, gdy obroty silnika osiągną taka wartość, przy których powracająca fala podciśnienia wróci do komory spalania w końcowym momencie zamykania się zaworu wydechowego.
Siła działania odbitej fali zależy od różnicy ciśnień i ilości odbić. Im większa różnica ciśnień – tym większa siła odbicia fali. Dlatego najbardziej skutecznym rozwiązaniem jest wprowadzenie rur z poszczególnych cylindrów do atmosfery lub wspólnej puszki pojemnościowej o odpowiednio dużej średnicy i zdławieniu na wylocie. Z kolei im mniejsza ilość odbić – tym większa siła odbicia fali. Najmocniejsze jest pierwsze odbicie, a każde następne słabsze o ok. 12%. Z tego powodu wydech należy obliczać dla możliwie najmniejszej liczby odbić.
.
.
Zakres działania falowego

Długość rur wydechowych decyduje jedynie o obrotach początku ich działania falowego. Natomiast zakres działania falowego zależy od czasów rozrządu, a dokładniej, od stosunku całkowitego kąta otwarcia zaworu wydechowego do kąta zawartego pomiędzy początkiem otwarcia zaworu wydechowego, a początkiem otwarcia zaworu ssącego (nigdy odwrotnie). Oczywiście w przypadkach, gdy krzywki ssące są takie same jak wydechowe, zakres działania falowego obliczamy dzieląc całkowity kąt otwarcia krzywki, przez kąt między osiami krzywek.
Poniżej wykres przedstawiający istotę działania falowego oraz jego zakresu na przykładzie wałka rozrządu o czasach 40/80 80/40.

.

Fala nadciśnienia (+) powstająca w momencie otwarcia wydechu ( w tym przypadku 80 stopni przed DMP) przemieszcza się do końca rury (pozioma linia na dole wykresu) gdzie odbija się na różnicy cisnień i już jako fala podciśnienia (-) wraca do gniazda wydechowego. W miarę wzrostu obrotów silnika jej powrót następuje w coraz większym oddaleniu kątowym od punktu powstania. Wynika to z faktu, że fala porusza się ze stałą prędkością. Przy określonych dla konkretnej długości rury obrotach, powracająca fala podciśnienia trafia na początek otwarcia zaworu ssącego, rozpoczynając działanie falowe wydechu. W miarę wzrostu obrotów powrót fali podciśnienia następuje po coraz większym kącie obrotu. Działanie falowe się kończy przy wynikających z wielkości kąta współotwarcia zaworów obrotach, gdy powracajaca fala podciśnienia trafia na moment zamknięcia zaworu wydechowego, w naszym przypadku 40 stopniu po GMP.
W samochodach do sportu lub wyczynu, w których mamy możliwość zmiany przełożeń skrzyni biegów i dopasowania ich do charakterystyki silnika, zakres działania wydechu jest najczęściej wynikiem obliczeń silnika i jest z jego charakterystyką ściśle związany. Siłą rzeczy w pozostałych samochodach, zakres działania falowego wydechu z reguły dobierany jest do najbardziej niekorzystnego przełożenia skrzyni biegów. Chodzi bowiem o to, aby działanie falowe wydechu wspomagało wymianę ładunku w całym użytkowym zakresie obrotów. Tak, aby silnik zakręcony do maksymalnych obrotów na niższym biegu, po zmianie biegu na wyższy nie spadł na obroty, których działanie falowe wydechu jeszcze nie obejmuje.
.
.
Ważne wymiary układów wydechowych:

.
Średnice wewnętrzne rur

Dla uzyskania maksymalnej mocy, pole przekroju pojedynczej rury wydechowej jednego cylindra, powinno być równe polu powierzchni szczeliny zawodowej zaworu ssącego, lub zaworów ssących ( jeżeli w cylindrze są dwa lub trzy), przy ich maksymalnym otwarciu.
Wzór na optymalną średnicę pojedynczej rury wydechowej jednego cylindra:
D=2*(i*((H-(R-r))^2+(R-r)^2)^0,5*(R+r))^0,5 (mm)

gdzie:
D= średnica wewnętrzna rury wydechowej w mm
R= zewnętrzny promień przylgni zaworowej gniazda ssącego w mm
r= wewnętrzny promień przylgni zawodowej zaworu ssącego w mm
H= maksymalny wznios zaworu w mm
i= ilość zaworów ssących w cylindrze
.
Obliczona w w/w sposób wewnętrzna średnica rury wydechowej jednego cylindra, jest optymalna dla osiągania mocy maksymalnej zarówno do układów działających dynamicznie jak i dynamicznie/falowo. Najczęściej nie występuje w przyrodzie jako gotowa średnica rury handlowej. Dlatego zdecydowana większość sportowych/wyczynowych układów wydechowych musi być budowane z rur o średnicach robionych na zamówienie, jako rury zwijanie i spawane lub przeciągane.
.
Długość rur

Optymalna długość rury wydechowej jednego cylindra zależy od obrotów, przy których ma wystąpić początek działania falowego, a także od mierzonego na wale korbowym kąta, zawartego pomiędzy otwarciem zaworu wudechowego i otwarciem zaworu ssącego (nie odwrotnie). W przypadku jednakowych krzywek ssących i wudechowych będzie to kąt między osiami krzywek.
Przyjmijmy dla przykładu, że czasy rozrządu w naszym silniku to 40/80 80/40. Wałek ma długość 40+80+120=300 stopni, zaś mierzony na wale korbowym kąt moędzy osiami krzywek wynosi 220 stopni, bo 80-40+180=220. Załóżmy, że naszym zamiarem jest początek działania falowego przy 4000 obr/min. Czery 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 sek wał obraca się o 24000 stopni, to na pokonanie kąta 220 stopni stopni potrzebuje 220/2400=0,00917 sek. Fala w wydechu porusza się ze średnią prędkością 510 m/sek, zatem w czasie 0,00917 sek przebędzie drogę 510*0,00917=4,6767 m. A ponieważ jest to droga od gniazda wydechowego do końca rury i z powrotem, długość rury musi wynosić połowę tej wartości, czyli 4,6767/2=2,3384 m.
W ten sposób obliczyliśmy długość rury wydechowej dla 300 stopniowego wałka rozrządu z kątem między osiami 220 stopni, dla początku działania falowego przy 4000 obr/min i dla tzw. pierwszego odbicia, czyli: fala raz leci do końca rury, raz się odbija na różnicy ciśnień zmieniając znak i już jako fala podciśnienia, raz do zaworu wydechowego wraca.
Co prawda impuls podciśnienia z pierwszego odbicia jest najsilniejszy, jednak długość rur najdłuższa, co ogromnie komplikuje, a niekiedy wręcz uniemożliwia ich zastosowanie. Dlatego też najczęściej wymaganą długość rur oblicza się dla drugiego odbicia, co w przypadku w/w wyliczanki skraca długość rur o połowie i wynoszą 2,3384/2=1,1692 m.
Oczywiście nie należy zapominać, że wyliczona długość rury liczona jest od zaworu wydechowego, więc część jej długości stanowi kanał wydechowy w głowicy.
Długość rury dla drugiego odbicia fali, obliczamy z wzoru:
L=K/n*2125

Natomiast długość rury dla dowolnego odbicia fali (x)
L=K*4250/(n*x)

gdzie:
L = długość rury mierzona od gniazda wydechowego
K = kąt między osiami krzywek mierzony na wale korbowym
n = obroty początku działania falowego
x = ilość odbicie fali
.
.
Pojemność układu wydechowego

Pojemność układu wudechowego ma duże znaczenie, ponieważ potęguje działanie rur. Podobnie jak w instrumentach muzycznych pudła rezonansowe potęgują działanie strun i podobnoe jak w instrumentach muzycznych duże pojemności wzmacniają niskie częstorliwpści, zaś małe – wysokie.
Dla jednocylindrowego silnika, pojemność układu wydechowego powinna być równa pojemności rury o wyliczonej średnicy i długości dla pierwszego odbicia fali. Oczywiście w silnikach wielocylindrowych pojemność całego układu wydechowego powinna być sumą pojemności rur wyliczonych j/w.
Jednak w praktyce rury obliczamy dla drugiego lub trzeciego odbicia fali, a brakującą wtedy pojemność zawieramy w rurze zbiorczej, puszce pojemnościowej lub tłumikach komorowych. W przypadku stosowania tłumików absorpcyjnych należy uwzględnić pojemność traconą na materiały tłumiące.
Wzór na pojemność całego układu wydechowego ( od gniazd wydechowych )
.
V=K*13351,77*(D/2)^2*C/n

gdzie:
V = całkowita pojemność układu
C = ilość cylindrów
K = kąt między osiami krzywek
D = obliczona średnica rury
n = obroty początku działania falowego wydechu


Średnice rur kolektorów wydechowych

Układy wydechowe silników wielocylindrowe wymagają stosowania tzw. kolektorów wydechowych. W przypadku silników czterocylindrowych, standardowo stosowane są dwa rozwiązania kolektorów wydechowych. Albo o konstrukcji. 4-2-1, albo 4-1. W przypadku konstrukcji 4-2-1 stosunek średnic wewnętrznych rur powinien wynosi 1,189, a w przypadku konstrukcji 4-1 powinien wynosić 1,414.
Jeżeli więc budujemy kolektor wydechowy o konstrukcji 4-2-1 i obliczona średnica wewnętrzna dla każdej z czterech pierwszych rur wynosi przykładowo 34,0 mm, to pierwsze dwie rury zbiorcze powinny mieć średnice wewnętrzną 34*1,1892=40,43, a ostatnia, pojedyncza rura zbiorcza, powinna mieć średnicę wewnętrzną 40,43*1,1892=48,08.
W przypadku silników sześciocylindrowych, układy wydechowe najczęściej budowane są na dwóch kolektorach 3-1, w których stosunek średnic wewnętrznych powinien wynosić 1,26.

.
.
Średnica wylotu spalin

Stosowne zdławienie na wylocie układu wydechowego do atmosfery potrzebne jest aby stwarzać potrzebne przeciwciśnienie, umożliwiające działanie pojemności układu na podobieństwo sprężyny o wymaganej twardości. Przeciwciśnienie ma również zapobiegać wylatywaniu do atmosfery ładunku świerzej mieszanki, który w trakcie współotwarcia zaworów dostał się do układu wydechowego.
W silnikach wyczynowych przekrój wylotu spalin do atmosfery obliczany jest w zależności od kąta zamknięcia zaworów wydechowych. W pozostałych silnikach niewysilonych, powinien być równy najwęższemu przekrojowi w układzie ssącym.
cdn.

autor Grzegorz Grabowski

[Wujek]

Było.