Zwiększanie mocy silników
DODi - 2006-02-21, 13:21
" />Zwiększanie mocy silników
© prawa autorskie - Grzegorz Grabowski
Przystępując do modyfikacji seryjnego silnika, jesteśmy w znacznie lepszej sytuacji niż gdybyśmy go mieli konstruować od podstaw. Tak więc najcięższą robotę teoretyczną i praktyczną, wykonali już za nas konstruktorzy silnika. My mamy jedynie zwiększyć jego moc i przystosować charakterystykę do naszych potrzeb. Znamy konstrukcję silnika i to w najdrobniejszych szczegółach, jak również osiągi, które z niej wynikają. Jeżeli wiemy co chcemy osiągnąć, to do realizacji zamierzeń wystarczy nam już tylko wiedza, jak obliczyć i wykonać potrzebne modyfikacje. I właśnie tę wiedzę chciałbym przekazać przy pomocy niniejszego samouczka.
Niestety, samouczek jest w trakcie pisania, więc jeszcze przez jakiś czas będzie niekompletny. Prezentowane już treści, a także te, które dopiero napiszę, z pewnością będę wielokrotnie uzupełniał i poprawiał. Z tego powodu proszę ich nie traktować jako ostatecznych i co jakiś czas aktualizować.
Informacje ogólne
W konstruowaniu silników spalinowych, podobnie jak w konstruowaniu mostów, domów, statków itp. obowiązują pewne zasady, których omijać nie należy. W dobrze skonstruowanych silnikach nie ma wymiarów przypadkowych, lecz wszystkie są wynikiem stosownych obliczeń. Twierdzenie, że silnik, to żywioł możliwy do opanowania jedynie na drodze długotrwałych i żmudnych eksperymentów jest prawdziwe jedynie dla tych, którzy nie potrafią go obliczać.
Silnik spalinowy można podzielić umownie na "silnik ssący" i "silnik wydechowy". "Silniki" te połączone są ze sobą wspólnym układem tłokowo-korbowym.
"silnik ssący", to: filtr powietrza, rura ssąca, kolektor ssący, kanał ssący z gniazdem ssącym w głowicy, zawór ssący i krzywka ssąca wałka rozrządu ( wznios i czasy )
"silnik wydechowy", to: krzywka wydechowa wałka rozrządu ( wznios, czasy ), zawór wydechowy, gniazdo wydechowe i kanał wydechowy w głowicy, kolektor wydechowy i układ wydechowy
układ korbowo-tłokowy, to: wał korbowy, tłoki i cylindry z komorą spalania
Każdy z tych "silników" tworzy własną charakterystykę napełnienia wspólnych cylindrów. Zewnętrzna charakterystyka silnika, to wypadkowa nałożenia na siebie charakterystyk "silnika ssącego" i "silnika wydechowego". O wymiarach "silnika" wydechowego decydują wymiary "silnika" ssącego i odwrotnie.
W silnikach samochodów do jazdy na co dzień, tzw. dupowozach, charakterystyki te są od siebie możliwie mocno oddalone na osi obrotów, co powoduje, że charakterystyka wypadkowa jest co prawda niska, ale szeroka ( płaska ). W efekcie takiej charakterystyki silniki dupowozów są bardzo elastyczne, ale ze stosunkowo niewielką mocą z litra pojemności. W silnikach sportowych, charakterystyki te są zdecydowanie bliżej siebie. Charakterystyka wypadkowa jest znacznie węższa i znacznie bardziej szpiczasta niż w dupowozach. W efekcie, silniki sportowe legitymują się znacznie mniejszą elastycznością, ale znacznie większą mocą jednostkową. W silnikach wyczynowych, charakterystyki te dokładnie się pokrywają. Charakterystyka wypadkowa jest bardzo wąska i bardzo szpiczasta ( wysoka ). W efekcie, silniki wyczynowe są bardzo mało elastyczne, ale posiadają bardzo wysoką moc z litra pojemności.
Z racji większej intensywności przepływu w układach wydechowych, pierwszą charakterystyką na osi obrotów, jest charakterystyka układu wydechowego. Oznacza to, że wszystkie samochody z dobrze skonstruowanymi silnikami, zaczynają jechać układem wydechowym, a kończą jechać układem ssącym. Wyjątkiem są samochody z silnikami wyczynowymi, ponieważ zaczynają jechać jednocześnie układem wydechowy i ssącym.
Zwiększenie mocy silnika można zrealizować przez:
1. zwiększenie stopnia sprężania
Stopień sprężania, to stosunek pojemności cylindra z pojemnością komory spalania do pojemności komory spalania.
stopień sprężania E=(Vc+Vks)/Vks
gdzie:
Vc =pojemność jednego cylindra
Vks=pojemność komory spalania
Stopień sprężania to zależność geometryczna, określająca zmianę pojemności wynikającą z ruchu tłoka od Dolnego Martwego Punktu do GMP. Co prawda silnik nie pracuje na stopniu sprężania, lecz na ciśnieniu sprężania, ale stopień sprężania ma na to ciśnienie bezpośredni wpływ. Najczęściej zwiększanie stopnia sprężania odbywa się przez zmniejszanie pojemności komory spalania, przy niezmienionej pojemności skokowej cylindra. W takim przypadku, najczęściej wystarcza samo splanowanie głowicy, rzadziej wymaga wymiany tłoków na bardziej wypukłe.
Zwiększenie stopnia sprężania występuje również w przypadku zwiększania pojemności skokowej cylindra, przy niezmienionej pojemności komory spalania ( sytuacja taka występuje gdy zwiększamy średnicę lub skok tłoka, lub i jedno i drugie ). Tak czy tak, zwiększanie stopnia sprężania powoduje wzrost ciśnienia sprężania, a to z kolei powoduje wzrost mocy.
Niestety zwiększanie stopnia sprężania, nie jest nieograniczone. Ogranicza je skutecznie liczba oktanowa paliwa, która decyduje o odporności paliwa na spalanie detonacyjne. Przekroczenie dla stosowanego paliwa dopuszczalnej wartości ciśnienia sprężania, powoduje wystąpienie bardzo szkodliwego spalania detonacyjnego, a to z kolei powoduje spadek mocy, wzrost temperatury i w krótkim czasie może być powodem poważnej awarii silnika.
Wzór na przyrost mocy ze wzrostu stopnia sprężania
nowa moc=stara moc*(E2/E1)^(0,365*n)
gdzie:
E1 = stary stopień sprężania
E2 = nowy stopień sprężania
n = ilość cylindrów
Wynik jest prawdziwy, jeżeli skład mieszanki i maksymalny kąt wyprzedzenia zapłonu pozostają bez zmian oraz nie występuje spalanie detonacyjne.
Jak widać ze wzoru, im więcej cylindrów, tym większy przyrost mocy z takiego samego przyrostu stopnia sprężania. Między innymi z tego powodu najmocniejsze wolnossące silniki wyczynowe, to najczęściej silniki 12 cylindrowe.
2. zwiększenie obrotów mocy maksymalnej - zwiększając tzw. czaso-przekroje czyli wydłużając czasy rozrządu, zwiększając średnice i wzniosy zaworów. Przesuwanie mocy maksymalnej na wyższe obroty, zwiększa ją proporcjonalnie do stopnia przesunięcia obrotów
3. zwiększenie pojemności skokowej - zwiększając średnice tłoków, skok tłoków lub jedno i drugie. Zwiększanie pojemności skokowej podnosi moc, ale... O ile nie połączone jest z innymi modyfikacjami, przesuwa charakterystykę w zakres niższych obrotów i podnosi stopień sprężania ( co nie zawsze jest pożądane ). Stopień przesunięcia obrotów mocy jest proporcjonalny do stopnia zmiany pojemności skokowej
4. zwiększenie napełnienia - przez wykorzystanie zjawisk falowych i dynamicznych w układzie wydechowym i ssącym, obniżenie temperatury zasysanego lub wtłaczanego ładunku, ciśnienia doładowania
5. zmniejszenie oporów tarcia pomiędzy współpracującymi elementami - przez stosowanie odpowiednich luzów i pasowań oraz olejów, a także poprzez stosowne zmiany konstrukcyjne.
Dążąc do uzyskania maksymalnej mocy, wszystkie w/w sposoby należy ze sobą łączyć.
Przystępując do modyfikacji silnika należy odpowiedzieć sobie na następujące pytania:
jakim celom ma służyć? ( rajdy, wyścigi, rallycross, inne )
jakie modyfikacje dopuszcza regulamin sprzętu dla klasy, w której silnik ma być użyty?
jakie mogą być maksymalne, dopuszczalne obroty zmodyfikowanego silnika?
jakie będą przełożenia skrzyni biegów? ( interesuje nas szczególnie przełożenie najbardziej niekorzystne )
Podstawową sprawą są maksymalne, dopuszczalne obroty silnika. Ich głównym ograniczeniem jest wytrzymałość mechaniczna części, przede wszystkim korbowodów i tłoków.
Układy wydechowe
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. We wszystkich układach wydechowych, niezależnie od przeznaczenia silnika ( wyczyn, sport, dupowóz ), działają te same prawa fizyki i zależności matematyczne. Jednak ze względu na różnice w konstrukcjach silników oraz stawiane im wymagania, wyczynowe układy wydechowe bardzo się różnią od układów wydechowych samochodów seryjnych.
4. Układy wydechowe mogą działać wyłącznie dynamicznie lub dynamicznie i falowo.
5. W każdym układzie wydechowym powyżej pewnej prędkości przepływu gazów wydechowych, występują zjawiska dynamiczne oraz przy wszystkich prędkościach, występują zjawiska falowe. I jedne i drugie, właściwie wykorzystane, mogą wspomagać napełnianie cylindra z tym, że o ile wykorzystanie zjawisk dynamicznych jest możliwe w każdym silniku o tyle wykorzystanie zjawisk falowych tylko w silnikach z odpowiednio długimi czasami rozrządu.
6. Każda 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 kiepska, ponieważ będzie kształtowana niemal wyłącznie przez układ ssący - ale jechać się da.
Jednak pomimo faktu, że silnik będzie pracował na każdym układzie wydechowym, tylko na jednym będzie pracował doskonale, gwarantując maksymalne wykorzystanie konstrukcji silnika. Aby tak było ów układ wydechowy musi być skonstruowany na podstawie stosownych obliczeń.
Występujące w układach wydechowych zjawiska 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 chwilowej prędkości tłoka, który jak wiemy, zatrzymuje się w GMP i DMP ( górnym i dolnym martwym punkcie ), a największą prędkość osiąga w połowie skoku. Po przekroczeniu pewnej prędkości obrotowej, a tym samym pewnej intensywności i prędkości przepływu, poruszający się w rurze słup gazu przestaje naśladować prędkość poruszającego się tłoka i skutkiem swej bezwładności ( wszak posiada pewną masę ) zaczyna poruszać się z dużą prędkością nawet wtedy gdy tłok zwalnia i już go nie wypycha - powodując powstawanie za sobą podciśnienia. Podciśnienia to zaczyna intensywnie odsysać z cylindra pozostałe gazy spalinowe, a jednocześnie w fazie współ-otwarcia zaworów zasysać świeże powietrze z układu ssącego, zanim jeszcze tłok przejdzie przez GMP i swoim ruchem w dół, wymusi powstanie 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 prowadząc samochód. Najlepiej jest ruszyć z II lub III biegu z wolnych obrotów, wciskając następnie gwałtownie pedał gazu do oporu. Początkowo samochód będzie bardzo słabo przyspieszał, jednak po przekroczeniu pewnych obrotów nastąpi wyraźna i dość gwałtowna poprawa dynamiki, będąca skutkiem powstania i zadziałania zjawisk dynamicznych w układzie wydechowym.
Efektywność działania zjawisk dynamicznych zależy od 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 w rurze, zależy więc od jej średnicy. Jej zmniejszenie spowoduje przesunięcie efektu w zakres niższych obrotów, a zwiększenie w zakres obrotów wyższych.
Działania falowe
W chwili otwarcia zaworu wydechowego wydostające się spaliny tworzą falę nadciśnienia, która przemieszcza się od gniazda wydechowego do końca rury. Na końcu rury, na skutek różnicy ciśnień, fala się odbija zmieniając znak i już jako fala podciśnienia, wraca do gniazda wydechowego. Średnia prędkość przemieszczania się fali wynosi 510 m/sek ( jest to średnia prędkość dźwięku przy ciśnieniu i temperaturze w wydechu ). W czasie gdy wspomniana fala beztrosko sobie leci tam i z powrotem, wał korbowy silnika wykonuje pewien kąt obrotu. Ten kąt obrotu zależy od chwilowej prędkości obrotowej silnika oraz od długości rury.
Im krótsza rura, tym fala wróci wcześniej, a wał korbowy zdąży się obrócić o mniejszy kąt. Im szybsze obroty silnika tym w trakcie podróży fali w rurze, wał korbowy zdąży obrócić się o większy kąt. Pamiętajmy, że w rozpatrywanym przez nas przypadku silnik się rozpędza, więc nieustannie zwiększa prędkość obrotową, natomiast fala porusza się z prędkością stałą w określonej długości rurze.
Dopóki powracająca z wydechu fala podciśnienia wraca do cylindra zanim zacznie otwierać się zawór ssący, początkując 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 ssącego spalin w początkowej fazie otwierania się zaworu ssącego. Pamiętajmy, że tłok jest jeszcze przed GMP i wypycha spaliny.
Sytuacja ulega zmianie gdy powracająca z wydechu fala podciśnienia pojawi się w cylindrze w początkowym momencie otwierania się zaworu ssącego, rozpoczynając okres działania falowego wydechu. Od tego momentu pomimo powiększającej się szczeliny w zaworze ssącym, spaliny już nie są wtłaczane do układu ssącego. Pomimo fazy wydechu, z układu ssącego jest zasysane świeże i zimne powietrze przy jednoczesnym odsysaniu spali do wydechu. W sumie występuje gwałtowna poprawa napełnienia i tym samym wzrost 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 maksymalnego współotwarcia zaworów. Przy dalszym wzroście obrotów, fala podciśnienia zaczyna wracać po GMP. Działanie falowe się kończy z chwilą gdy powracająca fala podciśnienia wróci za późno i zastanie zamknięty zawór wydechowy. Odbije się od niego bez zmiany znaku i wróci jako fala podciśnienia.
Siła odbicia fali zależy od różnicy ciśnień i ilości odbić. Najmocniejsze jest pierwsze odbicie, a każde następne słabsze o ok. 12%. Z tego powodu należy obliczać długość rur dla możliwie najmniejszej liczby odbić. Praktycznie w większości przypadków możliwe jest stosowanie rur obliczonych dla 2 odbicia.
Jeżeli zaś chodzi o siłę odbicia fali wynikającą z różnicy ciśnień, to najskuteczniejszym rozwiązaniem jest wprowadzenie rur z poszczególnych cylindrów do wspólnej puszki pojemnościowej lub w przypadku braku możliwości zastosowania puszki, do wspólnej rury zbiorczej o odpowiedniej średnicy.
Zakres działania falowego wydechu
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 się, gdy wróci na końcu zamknięcia zaworu wydechowego. Tak więc o zakresie działania falowego wydechu decydują czasy wałka rozrządu. Oczywiście jak wszystko w silniku, tak i zakres działania wydechu można obliczyć, dzieląc całkowitą długość krzywki wydechowej przez mierzony na wale korbowym kąt między osiami krzywek.
Dla przykładu obliczmy ów zakres dla dwóch wałków rozrządu, sportowego i seryjnego i porównajmy je.
Wałek sportowy niech ma kąt całkowitego otwarcia zaworu 300 stopni, a kąt między osiami krzywek 210 stopni. Zakres działania falowego wydechu będzie wynosił 300/210 czyli 1,428.
Cóż to oznacza? Oznacza to, że jeżeli nasz wydech ( skutkiem obliczonej długości rur ) zacznie działać falowo przy X obrotów, to zakończy działanie przy X*1,428. Jeżeli więc zacznie działać np. przy 4000 obr/min, to skończy przy 4000*1,428 = 5712 obr./min.
Wykonajmy teraz takie same obliczenia dla przeciętnego, seryjnego wałka rozrządu, którego całkowity kąt otwarcia zaworu wynosi 225 stopni, a kąt między osiami krzywek 220 stopni. Teraz zakres działania falowego wydechu wyniesie 225/220 a więc zaledwie 1,022. Jeżeli więc zacznie działać falowo również przy 4000 obr/min, to zakończy przy 4000*1,022 czyli już przy 4088 obr/min.
Jak widzimy, na przykładowym, sportowym wałku rozrządu, układ wydechowy działa falowo w zakresie od 4000 do 5712 obr/min, a na wałku seryjnym od 4000 do zaledwie 4088 obr/min.
Powyższy przykład pokazuje, że stosowanie układów wydechowych ( wykorzystujących zjawiska falowe ), do silników z krótkimi czasami rozrządu - nie ma sensu, bo ich kąty współotwarcia zaworów umożliwiają wykorzystanie tych zjawisk w tak wąskim zakresie obrotów, że dla osiągów silnika praktycznie bez znaczenia.
Dlatego do silników z krótkimi czasami rozrządu ( większość silników seryjnych ), konstruuje się układy wydechowe działające wyłącznie dynamicznie. Oczywiście należy je obliczać tak, jak dla działania falowego, ale z wyników obliczeń brać pod uwagę i stosować jedynie obliczoną średnicę rur, pojemność całkowitą i średnicę wylotu spalin do atmosfery. Długości rur kolektora wydechowego mogą być znacznie krótsze od obliczonych i nie muszą mieć równej długości.
Poniżej wykres przedstawiający w rozwinięciu czasy rozrządu 40/80 80/40. Fala nadciśnienia (+), powstająca w momencie otwarcia wydechu ( w tym wypadku 80 stopni przed DolnymMartwymPunktem tłoka ), przemieszcza się do końca rury ( pozioma linia na dole ), odbija się na różnicy ciśnień i już jako fala podciśnienia (-) wraca do gniazda wydechowego. W miarę wzrostu obrotów jej powrót następuje w coraz większym oddaleniu kątowym od punktu powstania ( bo fala porusza się z prędkością stałą, a silnik przyspiesza ). Przy określonych dla konkretnej długości rury obrotach, powracająca fala podciśnienia trafia na początek otwarcia zaworu ssącego i jest to początek działania falowego wydechu. W miarę wzrostu obrotów, powrót fali podciśnienia wraca coraz później. Mija GMP (maksymalne działanie fali ) i przy określonych obrotach, wynikających z wielkości kąta współotwarcia zaworów, trafia na moment zamknięcia zaworu wydechowego 40 stopni po GMP i jest to koniec działania falowego wydechu.
W samochodach do sportu lub wyczynu, w których mamy możliwość zmiany przełożeń skrzyni biegów i dopasowania ich do charakterystyki silnika, zakres działania wydechu jest wyłącznie wynikiem obliczeń silnika i jest z jego charakterystyką ściśle związany.
W pozostałych samochodach, zakres działania falowego wydechu z reguły dobierany jest do najbardziej niekorzystnego przełożenia. Chodzi bowiem o to, aby działanie falowe wydechu wspomagało wymianę ładunku w całym zakresie obrotów użytkowych. Tak, aby silnik zakręcony do maksymalnych obrotów na jednym biegu, po zmianie biegu na wyższy, nie spadł na obroty, których działanie falowe wydechu jeszcze nie obejmuje.
Ważne wymiary układu wydechowego to:
1. średnica wewnętrzna rur
Dla uzyskania maksymalnej 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 ich maksymalnym otwarciu. Obliczona w ten sposób średnica wewnętrzna rury, najczęściej nie występuje w przyrodzie jako gotowa średnica rury handlowej. Z tego powodu niemal wszystkie prawdziwie wyczynowe układy wydechowe muszą być budowane z rur o średnicach robionych na zamówienie. Czasami są to rury ze szwem, czyli zwijane z blachy i spawane, lecz najczęściej rury przeciągane na potrzebny wymiar na tzw. przeciągarce.
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 w mm
R = promień zewnętrznej przylgni zaworowej w gnieździe ssącym w mm
r = promień wewnętrznej przylgni zaworowej zaworu ssącego w mm
H = maksymalny wznios zaworu w mm
i = ilość zaworów ssących w cylindrze
Obliczona w w/w sposób średnica rury, jest optymalna zarówno do układów działających falowo/dynamicznie jak również dla układów wydechowych działających wyłącznie dynamicznie.
2. długość rur
Długość rur decyduje o obrotach silnikach, od których rozpocznie się działanie falowe wydechu. Załóżmy dla przykładu, 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 jednej sekundy nasz wał wykorbiony pokonuje kąt 24000 stopni, to na pokonanie kąta 220 stopni, potrzebuje 220/24000=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, czyli 467,67 cm. Ponieważ jest to droga od gniazda wydechowego do końca rury i z powrotem, długość rury 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.
Niezależnie od tego, czy konstruowany układ wydechowy ma działać falowo/dynamicznie, czy wyłącznie dynamicznie, niezbędne jest obliczenie potrzebnej długości rur. Z tym, że jak już wcześniej pisałem:
jeżeli konstruowany układ wydechowy ma działać falowo/dynamicznie, to wyliczoną długość rury musimy wykonać w praktyce
jeżeli konstruowany układ wydechowy ma działać tylko dynamicznie, to obliczona długość rur potrzebna jest nam wyłącznie do obliczenia pojemności całego układu. W praktyce, długość rur może być znacznie krótsza od obliczonych i nie muszą mieć one równej długości. Wyliczona pojemność musi jednak pozostać bez zmian, tak więc pojemność stracona przez skrócenie rury, musi być zrekompensowana przez większą średnicę puszek.
Długość rury dla drugiego odbicia fali, obliczamy ze wzoru:
L=K/n*2125 ( cm )
A ponieważ nie zawsze długość rur obliczamy dla 2 obicia, poniżej wzór na długość rury dla dowolnego ( x ) odbicia fali:
L=K*4250/(n*x) ( cm )
gdzie
L = długość pojedynczej rury w cm ( mierzona od gniazda zaworu )
K = kąt między osiami krzywek ( mierzony na wale korbowym )
n = obroty początku działania falowego wydechu
x = odbicie fali
3. pojemność układu
Pojemność układu wydechowego ma bardzo duże znaczenie, ponieważ potęguje działanie rur. Podobnie jak w instrumentach muzycznych pudła rezonansowe potęgują działanie strun i podobnie jak w instrumentach muzycznych, duża pojemność wzmacnia niskie częstotliwości, a mała pojemność wysokie.
Wzór na pojemność całego układu wydechowego, od gniazd wydechowych do końca:
V=K*13351,77*(D/2)^2*C/n cm3
gdzie
V = całkowita pojemność układu w cm3
C = ilość cylindrów
K = kąt między osiami krzywek
D = obliczona średnica rury w cm !!!
n = obroty początku działania falowego wydechu
Jak już wspomniałem na wstępie, wszystkie samochody z dobrze skonstruowanymi silnikami, zaczynają jechać układem wydechowym, a kończą jechać układem ssącym. Wyjątkiem są samochody z silnikami wyczynowymi, ponieważ zaczynają jechać jednocześnie układem wydechowy i ssącym. Tak więc jedynie dla silników wyczynowych, długość rur i pojemność całkowitą układu wydechowego obliczamy dla tych samych obrotów co długość rur i pojemność całkowitą układu ssącego. Uzyskamy w ten sposób najwyższą moc, ale niestety najmniejszą elastyczność.
Chcąc zwiększyć elastyczność silnika, musimy długość rur i pojemność całego układu wydechowego obliczać dla znacznie niższych obrotów. Niestety, poprawa elastyczności będzie wiązała się ze spadkiem mocy maksymalnej.
4. średnica wylotu spalin do atmosfery
Zdławienie na wylocie układu wydechowego lub puszki pojemnościowej potrzebne jest, aby stwarzać odpowiednie przeciwciśnienie umożliwiające działanie pojemności układu na podobieństwo sprężyny o potrzebnej twardości. Przeciwciśnienie ma również zapobiegać wylatywaniu do rury wydechowej ładunku świeżej mieszanki, który w trakcie współotwarcia zaworów został zassany do cylindra po czym za spalinami wyssany do rury wydechowej.
W silnikach wyczynowych przekrój wylotu spalin do atmosfery jest obliczany w zależności od kąta zamknięcia zaworu wydechowego. W silnikach niewysilonych powinien być równy najwęższemu przekrojowi w układzie ssącym.
Reasumując:
o obrotach początku działania falowego wydechu decydują długości rur
o zakresie działania falowego wydechu decydują czasy rozrządu
o obrotach początku działania dynamicznego wydechu decydują średnice rur
o skuteczności działania dynamicznego, decyduje pojemność układu i średnica wylotu
Wydechy do turbo
Konstrukcje układów wydechowych do turbo, to maszyny proste w porównaniu do wyrafinowanych konstrukcji kolektorów i układów wydechowych w silnikach wolnossących. Dlatego rozwiązanie, które jest wystarczająco dobre do turbo jest często nie do przyjęcia w silnikach wolnossacych.
Wynika to z kilku powodów. Po pierwsze w silnikach z turbo, turbosprężarka powinna być możliwie jak najbliżej zaworów wydechowych, co niejako z definicji narzuca konieczność stosowania bardzo krótkich rur wydechowych i zwartej konstrukcji kolektora wydechowego. Ta bliskość turbosprężarki od zaworów wydechowych gwarantuje dużą energię spalin oraz ich właściwą temperaturę. Po drugie, układy wydechowe do turbo działają niemal wyłącznie dynamicznie więc ważna jest tylko średnica rur i pojemność układu. Po trzecie, poprawę napełnienia, którą w silnikach wolnossących uzyskuje się przez wykorzystywanie zjawisk falowych, dynamicznych i małe opory przepływu – w silnikach doładowanych z ogromna łatwością uzyskuje się przez stosowne ciśnienie doładowania.
Wszystko to sprawia, że dobrym, a w każdym bądź razie wystarczająco dobrym rozwiązaniem kolektora do turbo są tzw. kolektory skrzynkowe lub podobne. Posiadają bowiem krótkie, równej długości rury ( bo tylko w głowicy silnika ), przeważnie właściwą średnicę oraz niezbędną pojemność umiejscowioną w puszce, czy skrzynce ( jak kto woli ). Nie da się ukryć, że są brzydkie jak przysłowiowy kwit na węgiel, ale robią w turbo to co robić powinny. Pewną poprawę ich wyglądu powoduje wykonanie ich ze stali nierdzewnej lub po prostu pochromolenie. Gotowe kolektory wydechowe do turbo oferowane przez różne światowe firmy bardzo często mają w istocie właśnie konstrukcję skrzynkową tyle, że są odlane z żeliwa i posiadają zaokrąglone rogi i kanty.
Oczywiście nie ma obowiązku stosowania kolektorów skrzynkowych. Zresztą ja również często robiłem do turbo kolektory rurowe. Jednak moja wieloletnia praktyka pokazała, że właściwie skonstruowane i wykonane są wystarczająco dobrym rozwiązaniem do turbo. Jeżeli jest taka możliwość dobrym rozwiązaniem do turbo jest również wykorzystanie kolektora seryjnego. Co się zaś tyczy części układu wydechowego za turbosprężarką, to jest to z reguły rura o odpowiednim przekroju i długości praktycznie wymuszonej przez długość samochodu z zamontowanym jednym tłumikiem absorpcyjnym o potrzebnej pojemności. Ponieważ turbosprężarka robi również za tłumik, hałas z reguły nie jest zbyt wysoki.
Średnica pojedynczej rury za turbosprężarką nie powinna być mniejsza niż średnica otworu wylotowego turbiny. Nie może być też zbyt duża, bo spowoduje utratę momentu w zakresie niskich obrotów silnika. Wszystko zasadza się na opisanym wyżej działaniu dynamicznym, a cały układ wydechowy do turbo jest szczególnym przypadkiem układu X w 1, gdzie X jest ilością cylindrów. Tym samym każda pojedyncza rura przed turbosprężarką pracuje z X-krotnie mniejszą częstotliwością niż pojedyncza rura zbiorcza za turbosprężarką. A ponieważ rury są niewidome, to rura zbiorcza za turbosprężarką, traktuje wylot z turbosprężarki jak gniazdo zaworu wydechowego jednocylindrowego silnika, pracującego z prędkością X razy większą od rzeczywistej. ( x= ilość cylindrów ).
Układy ssące
Wymiary układów ssącego i wydechowego są ze sobą ściśle powiązane. Wynika to z faktu, że obydwa układy obsługują ten sam ładunek.
1. średnica wewnętrzna rur
Dla uzyskania maksymalnej mocy pole przekroju pojedynczej rury ssącej jednego cylindra, powinno być równe polu powierzchni szczeliny zaworowej zaworu wydechowego lub zaworów wydechowych ( jeżeli są dwa ) przy ich maksymalnym otwarciu.
D=2*(i*((H-(R-r))^2+(R-r)^2)^0,5*(R+r))^0,5 ( mm )
gdzie
D = średnica wewnętrzna rury w mm
R = promień zewnętrznej przylgni zaworowej w gnieździe wydechowym w mm
r = promień wewnętrznej przylgni zaworowej zaworu wydechowego w mm
H = maksymalny wznios zaworu w mm
i = ilość zaworów ssących w cylindrze
Układy rozrządu
Czasy oraz wzniosy krzywek wałków rozrządu mają bardzo duży, choć oczywiście nie jedyny wpływ na moc i charakterystykę silnika.
W doborze wałków rozrządu do doładowanego silnika, zasadniczo można kierować się tymi samymi "regułami" co w doborze wałków rozrządu do silnika NA. Wynika to z faktu, że silnik "nie widzi" turbo, więc reaguje na zmiany wałków rozrządu tak jak gdyby turbo nie było. Dla silnika ciśnienie wynikające z doładowania jest szczególnym przypadkiem ciśnienia atmosferycznego.
Dobór wałków rozrządu i ich ustawienie, w profesjonalnym tuningu wynika wyłącznie z obliczeń. W tuningu amatorskim wynika wyłącznie z przypadku lub widzimisię "tunera".
Tak więc przy braku znajomości "reguł", czyli znajomości sposobów obliczania wałków i ich ustawienia, należy stosować zasadę: jak najmniejszy przyrost kątów przy jak największym możliwym przyroście wzniosu. Zaś kąt między osiami krzywek, decydujący o kącie współotwarcia zaworów:
- seryjny lub większy dla dupowozów oraz zastosowań półsportowych
- seryjny lub mniejszy dla zastosowań wyczynowych.
Im większy kąt między osiami krzywek, tym mniejszy kąt współotwarcia zaworów.
Małe kąty współotwarcia zaworów powodują łagodne przejście charakterystyki z niejedzie do jedzie i małe problemy regulacyjne, a wiec łatwość opanowania regulacji nawet przez tunerów amatorów. Jednak zdecydowanie pogarszają chłodzenie denek tłoków i grzybków zaworów przez przedmuchiwane przez komorę spalania powietrze lub mieszankę w trakcie współotwarcia.
Duże kąty współotwarcia - odwrotnie.
Podstawową sprawą jest więc znajomość czasów i wzniosów seryjnego wałka rozrządu. Bez ich znajomości, nie wiemy który wałek będzie od seryjnego dłuższy, a który krótszy. Sprawa wzniosów z reguły nie nastręcza problemów, ale sprawa kątów nie jest tak prosta, jak by się pozornie wydawało. Nie wystarczy bowiem znajomość czasów rozrządu podanych w książce serwisowej. Te służą do sprawdzenia ustawienia rozrządu i bardzo rzadko pokrywają się z czasami rozrządu "widzianymi" przez silnik.
Podobnie wygląda sprawa z czasami rozrządu deklarowanymi przez różnych producentów wałków sportowych. Niestety nie ma jednego obowiązującego sposobu określania czasów wałków rozrządu i producenci określają je tak jak chcą, przy różnych tzw. luzach kontrolnych, służących jak sama nazwa wskazuje, do kontroli. W efekcie wałek, który przy określonych luzach kontrolnych ma np. 300 stopni, przez silnik może być bardzo różnie "widziany", jako np. 280 lub np. 315 stopni.
Aby poznać te "widziane" przez silnik czasy, należy je zmierzyć. Pomiar nie jest może zbyt skomplikowany, ale mocno upierdliwy i wymaga doświadczenia. Bez znajomości seryjnych czasów rozrządu "widzianych" przez silnik, jakiekolwiek wyliczanki i dobieranie sportowych wałków rozrządu - jest trochę bez sensu, a w każdym bądź razie jest w dużym stopniu loterią.
W kwestii wałków rozrządu w silnikach turbo, mamy głównie większe pole manewru jeżeli chodzi o czasy wydechu. Ponieważ doładowanie załatwia nam wymagany stopień napełnienia, możemy bardziej swobodnie manipulować np. kątem otwarcia zaworu wydechowego, a tym samym tzw. kątem pracy. Kąt otwarcia zaworu wydechowego decyduje o kącie pracy, tzn. o kącie w trakcie którego ciśnienie spalin działa na tłok. Im kąt otwarcia zaworu wydechowego jest mniejszy, tym kąt pracy jest większy, czyli dłużej ona ( praca ) trwa. Można przyjąć, że w silniku seryjnym, dobrany do konstrukcji silnika kąt otwarcia zaworu wydechowego jest optymalny. Jeżeli więc w silniku seryjnym będziemy go zwiększać, to zmniejszając w ten sposób kąt pracy, będziemy również zmniejszać moc.
Jeżeli jednak do silnika seryjnego NA zamontujemy turbo, to stratę mocy wynikającą ze zwiększenia kąta otwarcia zaworu wydechowego ( zmniejszenia kąta pracy ) możemy z łatwością zrekompensować doładowaniem. Zaś większa energia spalin wynikająca z wcześniejszego otwarcia zaworu wydechowego, przy dużo niższych obrotach silnika, będzie wystarczająca do napędzenia turbosprężarki i zmniejszenia np. turbodziury. Między innymi z tego powodu niekiedy krzywki wydechowe do turbo są inne niż krzywki ssące.
W profesjonalnym tuningu, to znaczy w tuningu w którym to tuner, a nie przypadek decyduje jaka ma być moc i charakterystyka silnika po tuningu, najczęściej potrzebne wałki rozrządu robi się na zamówienie. Wynika to z faktu, że przeważnie potrzebne wałki nie występują w przyrodzie jako gotowce. Dotyczy to szczególnie wałków do silników jednowałkowych. Rzadziej robi się silnik pod konkretne wałki rozrządu występujace w ofercie, którejś z renomowanych firm je produkujących.
W tuningu amatorskim, w którym do końca modyfikacji nie wiadomo co z tego wyjdzie i czy w ogóle coś wyjdzie, wałki kupuje się "z kapelusza" wg ogólnej zasady "uda się, albo się nie uda". Jeżeli się uda, silnik odpali i da się nim jechać, to już po badaniu na hamowni możemy dowiedzieć się co wyszło.
© prawa autorskie - Grzegorz Grabowski gms@grabowski.com.pl
mariusz 123 - 2006-02-23, 19:41
" />a kto ma wymiary przylegni zaworow wewnatrz i zewnatrz i dlugosc otwarcia zaworu,bo juz szukam tydzien i nikt niema,w manualu niema tak dokladnego opisuzanotowane.pl doc.pisz.pl pdf.pisz.pl ilemaszlat.htw.pl
DODi - 2006-02-21, 13:21
" />Zwiększanie mocy silników
© prawa autorskie - Grzegorz Grabowski
Przystępując do modyfikacji seryjnego silnika, jesteśmy w znacznie lepszej sytuacji niż gdybyśmy go mieli konstruować od podstaw. Tak więc najcięższą robotę teoretyczną i praktyczną, wykonali już za nas konstruktorzy silnika. My mamy jedynie zwiększyć jego moc i przystosować charakterystykę do naszych potrzeb. Znamy konstrukcję silnika i to w najdrobniejszych szczegółach, jak również osiągi, które z niej wynikają. Jeżeli wiemy co chcemy osiągnąć, to do realizacji zamierzeń wystarczy nam już tylko wiedza, jak obliczyć i wykonać potrzebne modyfikacje. I właśnie tę wiedzę chciałbym przekazać przy pomocy niniejszego samouczka.
Niestety, samouczek jest w trakcie pisania, więc jeszcze przez jakiś czas będzie niekompletny. Prezentowane już treści, a także te, które dopiero napiszę, z pewnością będę wielokrotnie uzupełniał i poprawiał. Z tego powodu proszę ich nie traktować jako ostatecznych i co jakiś czas aktualizować.
Informacje ogólne
W konstruowaniu silników spalinowych, podobnie jak w konstruowaniu mostów, domów, statków itp. obowiązują pewne zasady, których omijać nie należy. W dobrze skonstruowanych silnikach nie ma wymiarów przypadkowych, lecz wszystkie są wynikiem stosownych obliczeń. Twierdzenie, że silnik, to żywioł możliwy do opanowania jedynie na drodze długotrwałych i żmudnych eksperymentów jest prawdziwe jedynie dla tych, którzy nie potrafią go obliczać.
Silnik spalinowy można podzielić umownie na "silnik ssący" i "silnik wydechowy". "Silniki" te połączone są ze sobą wspólnym układem tłokowo-korbowym.
"silnik ssący", to: filtr powietrza, rura ssąca, kolektor ssący, kanał ssący z gniazdem ssącym w głowicy, zawór ssący i krzywka ssąca wałka rozrządu ( wznios i czasy )
"silnik wydechowy", to: krzywka wydechowa wałka rozrządu ( wznios, czasy ), zawór wydechowy, gniazdo wydechowe i kanał wydechowy w głowicy, kolektor wydechowy i układ wydechowy
układ korbowo-tłokowy, to: wał korbowy, tłoki i cylindry z komorą spalania
Każdy z tych "silników" tworzy własną charakterystykę napełnienia wspólnych cylindrów. Zewnętrzna charakterystyka silnika, to wypadkowa nałożenia na siebie charakterystyk "silnika ssącego" i "silnika wydechowego". O wymiarach "silnika" wydechowego decydują wymiary "silnika" ssącego i odwrotnie.
W silnikach samochodów do jazdy na co dzień, tzw. dupowozach, charakterystyki te są od siebie możliwie mocno oddalone na osi obrotów, co powoduje, że charakterystyka wypadkowa jest co prawda niska, ale szeroka ( płaska ). W efekcie takiej charakterystyki silniki dupowozów są bardzo elastyczne, ale ze stosunkowo niewielką mocą z litra pojemności. W silnikach sportowych, charakterystyki te są zdecydowanie bliżej siebie. Charakterystyka wypadkowa jest znacznie węższa i znacznie bardziej szpiczasta niż w dupowozach. W efekcie, silniki sportowe legitymują się znacznie mniejszą elastycznością, ale znacznie większą mocą jednostkową. W silnikach wyczynowych, charakterystyki te dokładnie się pokrywają. Charakterystyka wypadkowa jest bardzo wąska i bardzo szpiczasta ( wysoka ). W efekcie, silniki wyczynowe są bardzo mało elastyczne, ale posiadają bardzo wysoką moc z litra pojemności.
Z racji większej intensywności przepływu w układach wydechowych, pierwszą charakterystyką na osi obrotów, jest charakterystyka układu wydechowego. Oznacza to, że wszystkie samochody z dobrze skonstruowanymi silnikami, zaczynają jechać układem wydechowym, a kończą jechać układem ssącym. Wyjątkiem są samochody z silnikami wyczynowymi, ponieważ zaczynają jechać jednocześnie układem wydechowy i ssącym.
Zwiększenie mocy silnika można zrealizować przez:
1. zwiększenie stopnia sprężania
Stopień sprężania, to stosunek pojemności cylindra z pojemnością komory spalania do pojemności komory spalania.
stopień sprężania E=(Vc+Vks)/Vks
gdzie:
Vc =pojemność jednego cylindra
Vks=pojemność komory spalania
Stopień sprężania to zależność geometryczna, określająca zmianę pojemności wynikającą z ruchu tłoka od Dolnego Martwego Punktu do GMP. Co prawda silnik nie pracuje na stopniu sprężania, lecz na ciśnieniu sprężania, ale stopień sprężania ma na to ciśnienie bezpośredni wpływ. Najczęściej zwiększanie stopnia sprężania odbywa się przez zmniejszanie pojemności komory spalania, przy niezmienionej pojemności skokowej cylindra. W takim przypadku, najczęściej wystarcza samo splanowanie głowicy, rzadziej wymaga wymiany tłoków na bardziej wypukłe.
Zwiększenie stopnia sprężania występuje również w przypadku zwiększania pojemności skokowej cylindra, przy niezmienionej pojemności komory spalania ( sytuacja taka występuje gdy zwiększamy średnicę lub skok tłoka, lub i jedno i drugie ). Tak czy tak, zwiększanie stopnia sprężania powoduje wzrost ciśnienia sprężania, a to z kolei powoduje wzrost mocy.
Niestety zwiększanie stopnia sprężania, nie jest nieograniczone. Ogranicza je skutecznie liczba oktanowa paliwa, która decyduje o odporności paliwa na spalanie detonacyjne. Przekroczenie dla stosowanego paliwa dopuszczalnej wartości ciśnienia sprężania, powoduje wystąpienie bardzo szkodliwego spalania detonacyjnego, a to z kolei powoduje spadek mocy, wzrost temperatury i w krótkim czasie może być powodem poważnej awarii silnika.
Wzór na przyrost mocy ze wzrostu stopnia sprężania
nowa moc=stara moc*(E2/E1)^(0,365*n)
gdzie:
E1 = stary stopień sprężania
E2 = nowy stopień sprężania
n = ilość cylindrów
Wynik jest prawdziwy, jeżeli skład mieszanki i maksymalny kąt wyprzedzenia zapłonu pozostają bez zmian oraz nie występuje spalanie detonacyjne.
Jak widać ze wzoru, im więcej cylindrów, tym większy przyrost mocy z takiego samego przyrostu stopnia sprężania. Między innymi z tego powodu najmocniejsze wolnossące silniki wyczynowe, to najczęściej silniki 12 cylindrowe.
2. zwiększenie obrotów mocy maksymalnej - zwiększając tzw. czaso-przekroje czyli wydłużając czasy rozrządu, zwiększając średnice i wzniosy zaworów. Przesuwanie mocy maksymalnej na wyższe obroty, zwiększa ją proporcjonalnie do stopnia przesunięcia obrotów
3. zwiększenie pojemności skokowej - zwiększając średnice tłoków, skok tłoków lub jedno i drugie. Zwiększanie pojemności skokowej podnosi moc, ale... O ile nie połączone jest z innymi modyfikacjami, przesuwa charakterystykę w zakres niższych obrotów i podnosi stopień sprężania ( co nie zawsze jest pożądane ). Stopień przesunięcia obrotów mocy jest proporcjonalny do stopnia zmiany pojemności skokowej
4. zwiększenie napełnienia - przez wykorzystanie zjawisk falowych i dynamicznych w układzie wydechowym i ssącym, obniżenie temperatury zasysanego lub wtłaczanego ładunku, ciśnienia doładowania
5. zmniejszenie oporów tarcia pomiędzy współpracującymi elementami - przez stosowanie odpowiednich luzów i pasowań oraz olejów, a także poprzez stosowne zmiany konstrukcyjne.
Dążąc do uzyskania maksymalnej mocy, wszystkie w/w sposoby należy ze sobą łączyć.
Przystępując do modyfikacji silnika należy odpowiedzieć sobie na następujące pytania:
jakim celom ma służyć? ( rajdy, wyścigi, rallycross, inne )
jakie modyfikacje dopuszcza regulamin sprzętu dla klasy, w której silnik ma być użyty?
jakie mogą być maksymalne, dopuszczalne obroty zmodyfikowanego silnika?
jakie będą przełożenia skrzyni biegów? ( interesuje nas szczególnie przełożenie najbardziej niekorzystne )
Podstawową sprawą są maksymalne, dopuszczalne obroty silnika. Ich głównym ograniczeniem jest wytrzymałość mechaniczna części, przede wszystkim korbowodów i tłoków.
Układy wydechowe
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. We wszystkich układach wydechowych, niezależnie od przeznaczenia silnika ( wyczyn, sport, dupowóz ), działają te same prawa fizyki i zależności matematyczne. Jednak ze względu na różnice w konstrukcjach silników oraz stawiane im wymagania, wyczynowe układy wydechowe bardzo się różnią od układów wydechowych samochodów seryjnych.
4. Układy wydechowe mogą działać wyłącznie dynamicznie lub dynamicznie i falowo.
5. W każdym układzie wydechowym powyżej pewnej prędkości przepływu gazów wydechowych, występują zjawiska dynamiczne oraz przy wszystkich prędkościach, występują zjawiska falowe. I jedne i drugie, właściwie wykorzystane, mogą wspomagać napełnianie cylindra z tym, że o ile wykorzystanie zjawisk dynamicznych jest możliwe w każdym silniku o tyle wykorzystanie zjawisk falowych tylko w silnikach z odpowiednio długimi czasami rozrządu.
6. Każda 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 kiepska, ponieważ będzie kształtowana niemal wyłącznie przez układ ssący - ale jechać się da.
Jednak pomimo faktu, że silnik będzie pracował na każdym układzie wydechowym, tylko na jednym będzie pracował doskonale, gwarantując maksymalne wykorzystanie konstrukcji silnika. Aby tak było ów układ wydechowy musi być skonstruowany na podstawie stosownych obliczeń.
Występujące w układach wydechowych zjawiska 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 chwilowej prędkości tłoka, który jak wiemy, zatrzymuje się w GMP i DMP ( górnym i dolnym martwym punkcie ), a największą prędkość osiąga w połowie skoku. Po przekroczeniu pewnej prędkości obrotowej, a tym samym pewnej intensywności i prędkości przepływu, poruszający się w rurze słup gazu przestaje naśladować prędkość poruszającego się tłoka i skutkiem swej bezwładności ( wszak posiada pewną masę ) zaczyna poruszać się z dużą prędkością nawet wtedy gdy tłok zwalnia i już go nie wypycha - powodując powstawanie za sobą podciśnienia. Podciśnienia to zaczyna intensywnie odsysać z cylindra pozostałe gazy spalinowe, a jednocześnie w fazie współ-otwarcia zaworów zasysać świeże powietrze z układu ssącego, zanim jeszcze tłok przejdzie przez GMP i swoim ruchem w dół, wymusi powstanie 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 prowadząc samochód. Najlepiej jest ruszyć z II lub III biegu z wolnych obrotów, wciskając następnie gwałtownie pedał gazu do oporu. Początkowo samochód będzie bardzo słabo przyspieszał, jednak po przekroczeniu pewnych obrotów nastąpi wyraźna i dość gwałtowna poprawa dynamiki, będąca skutkiem powstania i zadziałania zjawisk dynamicznych w układzie wydechowym.
Efektywność działania zjawisk dynamicznych zależy od 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 w rurze, zależy więc od jej średnicy. Jej zmniejszenie spowoduje przesunięcie efektu w zakres niższych obrotów, a zwiększenie w zakres obrotów wyższych.
Działania falowe
W chwili otwarcia zaworu wydechowego wydostające się spaliny tworzą falę nadciśnienia, która przemieszcza się od gniazda wydechowego do końca rury. Na końcu rury, na skutek różnicy ciśnień, fala się odbija zmieniając znak i już jako fala podciśnienia, wraca do gniazda wydechowego. Średnia prędkość przemieszczania się fali wynosi 510 m/sek ( jest to średnia prędkość dźwięku przy ciśnieniu i temperaturze w wydechu ). W czasie gdy wspomniana fala beztrosko sobie leci tam i z powrotem, wał korbowy silnika wykonuje pewien kąt obrotu. Ten kąt obrotu zależy od chwilowej prędkości obrotowej silnika oraz od długości rury.
Im krótsza rura, tym fala wróci wcześniej, a wał korbowy zdąży się obrócić o mniejszy kąt. Im szybsze obroty silnika tym w trakcie podróży fali w rurze, wał korbowy zdąży obrócić się o większy kąt. Pamiętajmy, że w rozpatrywanym przez nas przypadku silnik się rozpędza, więc nieustannie zwiększa prędkość obrotową, natomiast fala porusza się z prędkością stałą w określonej długości rurze.
Dopóki powracająca z wydechu fala podciśnienia wraca do cylindra zanim zacznie otwierać się zawór ssący, początkując 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 ssącego spalin w początkowej fazie otwierania się zaworu ssącego. Pamiętajmy, że tłok jest jeszcze przed GMP i wypycha spaliny.
Sytuacja ulega zmianie gdy powracająca z wydechu fala podciśnienia pojawi się w cylindrze w początkowym momencie otwierania się zaworu ssącego, rozpoczynając okres działania falowego wydechu. Od tego momentu pomimo powiększającej się szczeliny w zaworze ssącym, spaliny już nie są wtłaczane do układu ssącego. Pomimo fazy wydechu, z układu ssącego jest zasysane świeże i zimne powietrze przy jednoczesnym odsysaniu spali do wydechu. W sumie występuje gwałtowna poprawa napełnienia i tym samym wzrost 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 maksymalnego współotwarcia zaworów. Przy dalszym wzroście obrotów, fala podciśnienia zaczyna wracać po GMP. Działanie falowe się kończy z chwilą gdy powracająca fala podciśnienia wróci za późno i zastanie zamknięty zawór wydechowy. Odbije się od niego bez zmiany znaku i wróci jako fala podciśnienia.
Siła odbicia fali zależy od różnicy ciśnień i ilości odbić. Najmocniejsze jest pierwsze odbicie, a każde następne słabsze o ok. 12%. Z tego powodu należy obliczać długość rur dla możliwie najmniejszej liczby odbić. Praktycznie w większości przypadków możliwe jest stosowanie rur obliczonych dla 2 odbicia.
Jeżeli zaś chodzi o siłę odbicia fali wynikającą z różnicy ciśnień, to najskuteczniejszym rozwiązaniem jest wprowadzenie rur z poszczególnych cylindrów do wspólnej puszki pojemnościowej lub w przypadku braku możliwości zastosowania puszki, do wspólnej rury zbiorczej o odpowiedniej średnicy.
Zakres działania falowego wydechu
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 się, gdy wróci na końcu zamknięcia zaworu wydechowego. Tak więc o zakresie działania falowego wydechu decydują czasy wałka rozrządu. Oczywiście jak wszystko w silniku, tak i zakres działania wydechu można obliczyć, dzieląc całkowitą długość krzywki wydechowej przez mierzony na wale korbowym kąt między osiami krzywek.
Dla przykładu obliczmy ów zakres dla dwóch wałków rozrządu, sportowego i seryjnego i porównajmy je.
Wałek sportowy niech ma kąt całkowitego otwarcia zaworu 300 stopni, a kąt między osiami krzywek 210 stopni. Zakres działania falowego wydechu będzie wynosił 300/210 czyli 1,428.
Cóż to oznacza? Oznacza to, że jeżeli nasz wydech ( skutkiem obliczonej długości rur ) zacznie działać falowo przy X obrotów, to zakończy działanie przy X*1,428. Jeżeli więc zacznie działać np. przy 4000 obr/min, to skończy przy 4000*1,428 = 5712 obr./min.
Wykonajmy teraz takie same obliczenia dla przeciętnego, seryjnego wałka rozrządu, którego całkowity kąt otwarcia zaworu wynosi 225 stopni, a kąt między osiami krzywek 220 stopni. Teraz zakres działania falowego wydechu wyniesie 225/220 a więc zaledwie 1,022. Jeżeli więc zacznie działać falowo również przy 4000 obr/min, to zakończy przy 4000*1,022 czyli już przy 4088 obr/min.
Jak widzimy, na przykładowym, sportowym wałku rozrządu, układ wydechowy działa falowo w zakresie od 4000 do 5712 obr/min, a na wałku seryjnym od 4000 do zaledwie 4088 obr/min.
Powyższy przykład pokazuje, że stosowanie układów wydechowych ( wykorzystujących zjawiska falowe ), do silników z krótkimi czasami rozrządu - nie ma sensu, bo ich kąty współotwarcia zaworów umożliwiają wykorzystanie tych zjawisk w tak wąskim zakresie obrotów, że dla osiągów silnika praktycznie bez znaczenia.
Dlatego do silników z krótkimi czasami rozrządu ( większość silników seryjnych ), konstruuje się układy wydechowe działające wyłącznie dynamicznie. Oczywiście należy je obliczać tak, jak dla działania falowego, ale z wyników obliczeń brać pod uwagę i stosować jedynie obliczoną średnicę rur, pojemność całkowitą i średnicę wylotu spalin do atmosfery. Długości rur kolektora wydechowego mogą być znacznie krótsze od obliczonych i nie muszą mieć równej długości.
Poniżej wykres przedstawiający w rozwinięciu czasy rozrządu 40/80 80/40. Fala nadciśnienia (+), powstająca w momencie otwarcia wydechu ( w tym wypadku 80 stopni przed DolnymMartwymPunktem tłoka ), przemieszcza się do końca rury ( pozioma linia na dole ), odbija się na różnicy ciśnień i już jako fala podciśnienia (-) wraca do gniazda wydechowego. W miarę wzrostu obrotów jej powrót następuje w coraz większym oddaleniu kątowym od punktu powstania ( bo fala porusza się z prędkością stałą, a silnik przyspiesza ). Przy określonych dla konkretnej długości rury obrotach, powracająca fala podciśnienia trafia na początek otwarcia zaworu ssącego i jest to początek działania falowego wydechu. W miarę wzrostu obrotów, powrót fali podciśnienia wraca coraz później. Mija GMP (maksymalne działanie fali ) i przy określonych obrotach, wynikających z wielkości kąta współotwarcia zaworów, trafia na moment zamknięcia zaworu wydechowego 40 stopni po GMP i jest to koniec działania falowego wydechu.
W samochodach do sportu lub wyczynu, w których mamy możliwość zmiany przełożeń skrzyni biegów i dopasowania ich do charakterystyki silnika, zakres działania wydechu jest wyłącznie wynikiem obliczeń silnika i jest z jego charakterystyką ściśle związany.
W pozostałych samochodach, zakres działania falowego wydechu z reguły dobierany jest do najbardziej niekorzystnego przełożenia. Chodzi bowiem o to, aby działanie falowe wydechu wspomagało wymianę ładunku w całym zakresie obrotów użytkowych. Tak, aby silnik zakręcony do maksymalnych obrotów na jednym biegu, po zmianie biegu na wyższy, nie spadł na obroty, których działanie falowe wydechu jeszcze nie obejmuje.
Ważne wymiary układu wydechowego to:
1. średnica wewnętrzna rur
Dla uzyskania maksymalnej 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 ich maksymalnym otwarciu. Obliczona w ten sposób średnica wewnętrzna rury, najczęściej nie występuje w przyrodzie jako gotowa średnica rury handlowej. Z tego powodu niemal wszystkie prawdziwie wyczynowe układy wydechowe muszą być budowane z rur o średnicach robionych na zamówienie. Czasami są to rury ze szwem, czyli zwijane z blachy i spawane, lecz najczęściej rury przeciągane na potrzebny wymiar na tzw. przeciągarce.
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 w mm
R = promień zewnętrznej przylgni zaworowej w gnieździe ssącym w mm
r = promień wewnętrznej przylgni zaworowej zaworu ssącego w mm
H = maksymalny wznios zaworu w mm
i = ilość zaworów ssących w cylindrze
Obliczona w w/w sposób średnica rury, jest optymalna zarówno do układów działających falowo/dynamicznie jak również dla układów wydechowych działających wyłącznie dynamicznie.
2. długość rur
Długość rur decyduje o obrotach silnikach, od których rozpocznie się działanie falowe wydechu. Załóżmy dla przykładu, 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 jednej sekundy nasz wał wykorbiony pokonuje kąt 24000 stopni, to na pokonanie kąta 220 stopni, potrzebuje 220/24000=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, czyli 467,67 cm. Ponieważ jest to droga od gniazda wydechowego do końca rury i z powrotem, długość rury 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.
Niezależnie od tego, czy konstruowany układ wydechowy ma działać falowo/dynamicznie, czy wyłącznie dynamicznie, niezbędne jest obliczenie potrzebnej długości rur. Z tym, że jak już wcześniej pisałem:
jeżeli konstruowany układ wydechowy ma działać falowo/dynamicznie, to wyliczoną długość rury musimy wykonać w praktyce
jeżeli konstruowany układ wydechowy ma działać tylko dynamicznie, to obliczona długość rur potrzebna jest nam wyłącznie do obliczenia pojemności całego układu. W praktyce, długość rur może być znacznie krótsza od obliczonych i nie muszą mieć one równej długości. Wyliczona pojemność musi jednak pozostać bez zmian, tak więc pojemność stracona przez skrócenie rury, musi być zrekompensowana przez większą średnicę puszek.
Długość rury dla drugiego odbicia fali, obliczamy ze wzoru:
L=K/n*2125 ( cm )
A ponieważ nie zawsze długość rur obliczamy dla 2 obicia, poniżej wzór na długość rury dla dowolnego ( x ) odbicia fali:
L=K*4250/(n*x) ( cm )
gdzie
L = długość pojedynczej rury w cm ( mierzona od gniazda zaworu )
K = kąt między osiami krzywek ( mierzony na wale korbowym )
n = obroty początku działania falowego wydechu
x = odbicie fali
3. pojemność układu
Pojemność układu wydechowego ma bardzo duże znaczenie, ponieważ potęguje działanie rur. Podobnie jak w instrumentach muzycznych pudła rezonansowe potęgują działanie strun i podobnie jak w instrumentach muzycznych, duża pojemność wzmacnia niskie częstotliwości, a mała pojemność wysokie.
Wzór na pojemność całego układu wydechowego, od gniazd wydechowych do końca:
V=K*13351,77*(D/2)^2*C/n cm3
gdzie
V = całkowita pojemność układu w cm3
C = ilość cylindrów
K = kąt między osiami krzywek
D = obliczona średnica rury w cm !!!
n = obroty początku działania falowego wydechu
Jak już wspomniałem na wstępie, wszystkie samochody z dobrze skonstruowanymi silnikami, zaczynają jechać układem wydechowym, a kończą jechać układem ssącym. Wyjątkiem są samochody z silnikami wyczynowymi, ponieważ zaczynają jechać jednocześnie układem wydechowy i ssącym. Tak więc jedynie dla silników wyczynowych, długość rur i pojemność całkowitą układu wydechowego obliczamy dla tych samych obrotów co długość rur i pojemność całkowitą układu ssącego. Uzyskamy w ten sposób najwyższą moc, ale niestety najmniejszą elastyczność.
Chcąc zwiększyć elastyczność silnika, musimy długość rur i pojemność całego układu wydechowego obliczać dla znacznie niższych obrotów. Niestety, poprawa elastyczności będzie wiązała się ze spadkiem mocy maksymalnej.
4. średnica wylotu spalin do atmosfery
Zdławienie na wylocie układu wydechowego lub puszki pojemnościowej potrzebne jest, aby stwarzać odpowiednie przeciwciśnienie umożliwiające działanie pojemności układu na podobieństwo sprężyny o potrzebnej twardości. Przeciwciśnienie ma również zapobiegać wylatywaniu do rury wydechowej ładunku świeżej mieszanki, który w trakcie współotwarcia zaworów został zassany do cylindra po czym za spalinami wyssany do rury wydechowej.
W silnikach wyczynowych przekrój wylotu spalin do atmosfery jest obliczany w zależności od kąta zamknięcia zaworu wydechowego. W silnikach niewysilonych powinien być równy najwęższemu przekrojowi w układzie ssącym.
Reasumując:
o obrotach początku działania falowego wydechu decydują długości rur
o zakresie działania falowego wydechu decydują czasy rozrządu
o obrotach początku działania dynamicznego wydechu decydują średnice rur
o skuteczności działania dynamicznego, decyduje pojemność układu i średnica wylotu
Wydechy do turbo
Konstrukcje układów wydechowych do turbo, to maszyny proste w porównaniu do wyrafinowanych konstrukcji kolektorów i układów wydechowych w silnikach wolnossących. Dlatego rozwiązanie, które jest wystarczająco dobre do turbo jest często nie do przyjęcia w silnikach wolnossacych.
Wynika to z kilku powodów. Po pierwsze w silnikach z turbo, turbosprężarka powinna być możliwie jak najbliżej zaworów wydechowych, co niejako z definicji narzuca konieczność stosowania bardzo krótkich rur wydechowych i zwartej konstrukcji kolektora wydechowego. Ta bliskość turbosprężarki od zaworów wydechowych gwarantuje dużą energię spalin oraz ich właściwą temperaturę. Po drugie, układy wydechowe do turbo działają niemal wyłącznie dynamicznie więc ważna jest tylko średnica rur i pojemność układu. Po trzecie, poprawę napełnienia, którą w silnikach wolnossących uzyskuje się przez wykorzystywanie zjawisk falowych, dynamicznych i małe opory przepływu – w silnikach doładowanych z ogromna łatwością uzyskuje się przez stosowne ciśnienie doładowania.
Wszystko to sprawia, że dobrym, a w każdym bądź razie wystarczająco dobrym rozwiązaniem kolektora do turbo są tzw. kolektory skrzynkowe lub podobne. Posiadają bowiem krótkie, równej długości rury ( bo tylko w głowicy silnika ), przeważnie właściwą średnicę oraz niezbędną pojemność umiejscowioną w puszce, czy skrzynce ( jak kto woli ). Nie da się ukryć, że są brzydkie jak przysłowiowy kwit na węgiel, ale robią w turbo to co robić powinny. Pewną poprawę ich wyglądu powoduje wykonanie ich ze stali nierdzewnej lub po prostu pochromolenie. Gotowe kolektory wydechowe do turbo oferowane przez różne światowe firmy bardzo często mają w istocie właśnie konstrukcję skrzynkową tyle, że są odlane z żeliwa i posiadają zaokrąglone rogi i kanty.
Oczywiście nie ma obowiązku stosowania kolektorów skrzynkowych. Zresztą ja również często robiłem do turbo kolektory rurowe. Jednak moja wieloletnia praktyka pokazała, że właściwie skonstruowane i wykonane są wystarczająco dobrym rozwiązaniem do turbo. Jeżeli jest taka możliwość dobrym rozwiązaniem do turbo jest również wykorzystanie kolektora seryjnego. Co się zaś tyczy części układu wydechowego za turbosprężarką, to jest to z reguły rura o odpowiednim przekroju i długości praktycznie wymuszonej przez długość samochodu z zamontowanym jednym tłumikiem absorpcyjnym o potrzebnej pojemności. Ponieważ turbosprężarka robi również za tłumik, hałas z reguły nie jest zbyt wysoki.
Średnica pojedynczej rury za turbosprężarką nie powinna być mniejsza niż średnica otworu wylotowego turbiny. Nie może być też zbyt duża, bo spowoduje utratę momentu w zakresie niskich obrotów silnika. Wszystko zasadza się na opisanym wyżej działaniu dynamicznym, a cały układ wydechowy do turbo jest szczególnym przypadkiem układu X w 1, gdzie X jest ilością cylindrów. Tym samym każda pojedyncza rura przed turbosprężarką pracuje z X-krotnie mniejszą częstotliwością niż pojedyncza rura zbiorcza za turbosprężarką. A ponieważ rury są niewidome, to rura zbiorcza za turbosprężarką, traktuje wylot z turbosprężarki jak gniazdo zaworu wydechowego jednocylindrowego silnika, pracującego z prędkością X razy większą od rzeczywistej. ( x= ilość cylindrów ).
Układy ssące
Wymiary układów ssącego i wydechowego są ze sobą ściśle powiązane. Wynika to z faktu, że obydwa układy obsługują ten sam ładunek.
1. średnica wewnętrzna rur
Dla uzyskania maksymalnej mocy pole przekroju pojedynczej rury ssącej jednego cylindra, powinno być równe polu powierzchni szczeliny zaworowej zaworu wydechowego lub zaworów wydechowych ( jeżeli są dwa ) przy ich maksymalnym otwarciu.
D=2*(i*((H-(R-r))^2+(R-r)^2)^0,5*(R+r))^0,5 ( mm )
gdzie
D = średnica wewnętrzna rury w mm
R = promień zewnętrznej przylgni zaworowej w gnieździe wydechowym w mm
r = promień wewnętrznej przylgni zaworowej zaworu wydechowego w mm
H = maksymalny wznios zaworu w mm
i = ilość zaworów ssących w cylindrze
Układy rozrządu
Czasy oraz wzniosy krzywek wałków rozrządu mają bardzo duży, choć oczywiście nie jedyny wpływ na moc i charakterystykę silnika.
W doborze wałków rozrządu do doładowanego silnika, zasadniczo można kierować się tymi samymi "regułami" co w doborze wałków rozrządu do silnika NA. Wynika to z faktu, że silnik "nie widzi" turbo, więc reaguje na zmiany wałków rozrządu tak jak gdyby turbo nie było. Dla silnika ciśnienie wynikające z doładowania jest szczególnym przypadkiem ciśnienia atmosferycznego.
Dobór wałków rozrządu i ich ustawienie, w profesjonalnym tuningu wynika wyłącznie z obliczeń. W tuningu amatorskim wynika wyłącznie z przypadku lub widzimisię "tunera".
Tak więc przy braku znajomości "reguł", czyli znajomości sposobów obliczania wałków i ich ustawienia, należy stosować zasadę: jak najmniejszy przyrost kątów przy jak największym możliwym przyroście wzniosu. Zaś kąt między osiami krzywek, decydujący o kącie współotwarcia zaworów:
- seryjny lub większy dla dupowozów oraz zastosowań półsportowych
- seryjny lub mniejszy dla zastosowań wyczynowych.
Im większy kąt między osiami krzywek, tym mniejszy kąt współotwarcia zaworów.
Małe kąty współotwarcia zaworów powodują łagodne przejście charakterystyki z niejedzie do jedzie i małe problemy regulacyjne, a wiec łatwość opanowania regulacji nawet przez tunerów amatorów. Jednak zdecydowanie pogarszają chłodzenie denek tłoków i grzybków zaworów przez przedmuchiwane przez komorę spalania powietrze lub mieszankę w trakcie współotwarcia.
Duże kąty współotwarcia - odwrotnie.
Podstawową sprawą jest więc znajomość czasów i wzniosów seryjnego wałka rozrządu. Bez ich znajomości, nie wiemy który wałek będzie od seryjnego dłuższy, a który krótszy. Sprawa wzniosów z reguły nie nastręcza problemów, ale sprawa kątów nie jest tak prosta, jak by się pozornie wydawało. Nie wystarczy bowiem znajomość czasów rozrządu podanych w książce serwisowej. Te służą do sprawdzenia ustawienia rozrządu i bardzo rzadko pokrywają się z czasami rozrządu "widzianymi" przez silnik.
Podobnie wygląda sprawa z czasami rozrządu deklarowanymi przez różnych producentów wałków sportowych. Niestety nie ma jednego obowiązującego sposobu określania czasów wałków rozrządu i producenci określają je tak jak chcą, przy różnych tzw. luzach kontrolnych, służących jak sama nazwa wskazuje, do kontroli. W efekcie wałek, który przy określonych luzach kontrolnych ma np. 300 stopni, przez silnik może być bardzo różnie "widziany", jako np. 280 lub np. 315 stopni.
Aby poznać te "widziane" przez silnik czasy, należy je zmierzyć. Pomiar nie jest może zbyt skomplikowany, ale mocno upierdliwy i wymaga doświadczenia. Bez znajomości seryjnych czasów rozrządu "widzianych" przez silnik, jakiekolwiek wyliczanki i dobieranie sportowych wałków rozrządu - jest trochę bez sensu, a w każdym bądź razie jest w dużym stopniu loterią.
W kwestii wałków rozrządu w silnikach turbo, mamy głównie większe pole manewru jeżeli chodzi o czasy wydechu. Ponieważ doładowanie załatwia nam wymagany stopień napełnienia, możemy bardziej swobodnie manipulować np. kątem otwarcia zaworu wydechowego, a tym samym tzw. kątem pracy. Kąt otwarcia zaworu wydechowego decyduje o kącie pracy, tzn. o kącie w trakcie którego ciśnienie spalin działa na tłok. Im kąt otwarcia zaworu wydechowego jest mniejszy, tym kąt pracy jest większy, czyli dłużej ona ( praca ) trwa. Można przyjąć, że w silniku seryjnym, dobrany do konstrukcji silnika kąt otwarcia zaworu wydechowego jest optymalny. Jeżeli więc w silniku seryjnym będziemy go zwiększać, to zmniejszając w ten sposób kąt pracy, będziemy również zmniejszać moc.
Jeżeli jednak do silnika seryjnego NA zamontujemy turbo, to stratę mocy wynikającą ze zwiększenia kąta otwarcia zaworu wydechowego ( zmniejszenia kąta pracy ) możemy z łatwością zrekompensować doładowaniem. Zaś większa energia spalin wynikająca z wcześniejszego otwarcia zaworu wydechowego, przy dużo niższych obrotach silnika, będzie wystarczająca do napędzenia turbosprężarki i zmniejszenia np. turbodziury. Między innymi z tego powodu niekiedy krzywki wydechowe do turbo są inne niż krzywki ssące.
W profesjonalnym tuningu, to znaczy w tuningu w którym to tuner, a nie przypadek decyduje jaka ma być moc i charakterystyka silnika po tuningu, najczęściej potrzebne wałki rozrządu robi się na zamówienie. Wynika to z faktu, że przeważnie potrzebne wałki nie występują w przyrodzie jako gotowce. Dotyczy to szczególnie wałków do silników jednowałkowych. Rzadziej robi się silnik pod konkretne wałki rozrządu występujace w ofercie, którejś z renomowanych firm je produkujących.
W tuningu amatorskim, w którym do końca modyfikacji nie wiadomo co z tego wyjdzie i czy w ogóle coś wyjdzie, wałki kupuje się "z kapelusza" wg ogólnej zasady "uda się, albo się nie uda". Jeżeli się uda, silnik odpali i da się nim jechać, to już po badaniu na hamowni możemy dowiedzieć się co wyszło.
© prawa autorskie - Grzegorz Grabowski gms@grabowski.com.pl
mariusz 123 - 2006-02-23, 19:41
" />a kto ma wymiary przylegni zaworow wewnatrz i zewnatrz i dlugosc otwarcia zaworu,bo juz szukam tydzien i nikt niema,w manualu niema tak dokladnego opisu