многа букаффф
qblpku BblX-na
Автору статьи «Больше - ни капли!»
http://www.drive-class.ru/drive.php?id=178 был задан вопрос о влиянии дырявости выпускной системы на экономичность. Ответ был настолько нестандартен, что я не могу не поделиться им с Вами, сохранив естественно орфографию и пунктуацию.
Привет Юрий Кириллович!
Во-первых строках спешу тебе сообщить, что твои вопросительные знаки я
понял с первого раза (что не всегда случается), но до праздников не было
времени ответить тебе лично, а сегодня решил подождать, не задаст ли
кто-либо такой же вопрос через сайт. Не дождался, но не потому, что ты
один не знаешь, а все остальные знают, а потому, что у нас сеть не
работает. Так что пишу тебе личный ответ и не знаю, когда ты его прочтешь.
Надеюсь, что скоро. В конце концов, если от нас е-письмо не уйдет, то
должна сработать диагностика, а если до тебя не дойдет, то сработаешь ты,
не постеснявшись снова задать вопрос. Не обессудь.
Во-вторых строках сообщаю тебе тайну великую буржуинскую, по которой
автомобиль с дырявым глушителем потребляет больше того народного
достояния, окончание которого сулит красным гибель позорную и мрачную.
Для того, чтобы понять причину того, почему дырявая выпускная система
приводит к перерасходу топлива, нужно вспомнить те самые такты, которыми
отличается двигатель внутреннего сгорания. Сегодня вряд ли встретишь
характерный звук мотоциклетного двухтактного двигателя, который применялся
и на автомобилях вплоть до 1980-х годов. Теперь сплошное "четырехтактное
царство", которое дает возможность с помощью различных точных
механических и электронных устройств обеспечивать высокую экологическую
чистоту выхлопа. В этом жестоком отборе фактически проиграли и роторы-Ванкели,
которые еще держатся усилиями Mazda (а второй фирмой, создавашей серийные
роторные двигатели, до недавнего времени был ВАЗ), и уходящие в Лету все
двухтактные двигатели и газовые турбины, которыми полвека назад надеялись
оснащать дальнемагистральные автобусы и грузовики.
Первым тактом считается впуск, вторым - сжатие, третьим - рабочий ход и
четвертым - выпуск. На самом деле такты располагаются не особняком, а
плавно переходят один в другой. Таинственные для многих "перекрытия фаз
газораспределения" объясняются просто: не может "кусок воздуха с топливом"
целиком влететь внутрь цилиндра в такте впуска, чтобы далее быть сжатым,
произвести рабочий ход и затем, с моральным облегчением за выполненную
полезную работу, вылететь в систему выхлопа. Такты перетекают друг в друга
непрерывно. Проследим эти переходы.
К концу первого такта - такта впуска - воздух вблизи клапанов (или
топливо-воздушная смесь в двигателе, не имеющего непосредственного
впрыска, что не важно для понимания) еще входит через плавно закрывающийся
впускной клапан, а где-то далеко в цилиндре уже начал неотвратимо
подниматься вверх могучий поршень, сжимая ранее влетевший воздух. Для него
уже начался такт сжатия. Свежие только что влетевшие молекулы воздуха об
этом еще не подозревают.
Заканчивается второй такт, т.е. такт сжатия. Поршень еще двигается вверх,
сжимая смесь примерно в 10-20 раз, а та ее часть, что прилегает к свече
зажигания (или к форсунке дизеля) уже начала гореть, т.е. расширяться,
совершая рабочий ход - третий такт. Помните такие слова "опережение
зажигания"? Они как раз сообщают, что рабочий ход начинается до окончания
такта сжатия. Формально такт сжатия оканчивается, когда поршень замрет
вблизи клапанов в верхней мертвой точке (ВМТ). Но на самом деле, как часто
бывает в жизни, не дождавшись прихода поршня в ВМТ, смесь начинает гореть.
Почему? Потому, что ее много, она распределена внутри пусть не высокой, но
широкой камеры сгорания. Смеси придется гореть долго, чтобы она сгорела
полностью, отдав весь свой жар на радость водителю, топчущего педаль
акселлератора. В один миг такого подвига не совершить даже самой
стехиометрической смеси. Вот потому загораться надо заранее, иначе
недобрая половина тепла уйдет впустую.
Горящая смесь создает давление, отталкивающее поршень, который только рад
уходить дальше от клапанов, в свою очередь толкая шатун, что в наклонах
туда-сюда вращает коленчатый вал. Все это могучее колеблющееся хозяйство,
называемое кривошипно-шатунным механизмом (КШМ), постоянно испытывает
знакопеременные нагрузки и именно его, КШМ-ное сопротивление создает
примерно 3/4 потерь на трение внутри двигателя. Это сопротивление мы еще
вспомним.
Разгоряченная смесь, превращаясь в отработавшие газы, продолжает упорно
преследовать удаляющийся поршень, как вдруг в противоположной стороне
цилиндра предательски отворяется щель между выпускным клапаном и его
седлом, открывая темное пространство выпускного тракта: коллектора,
приемной трубы, глушителя и, по современной моде, катализаторов, манящих
платиной и другими драгоценностями. Самые шустрые горячие отработавшие
газы пренебрегают полезным трудом отталкивания поршня и, юркнув в
выпускной коллектор, навсегда покидают опостылевший цилиндр. Они полагают,
что навсегда. Начинается такт выпуска, хотя рабочий ход еще не закончен.
Идет время. Вот уже самые трудолюбивые газы обессиленно развернулись у
замершего поршня, обреченно прижавшегося почти к самому коленчатому валу в
нижней мертвой точке (НМТ). Формально лишь с момента НМТ начинается такт
выпуска, но поток отработавших газов уже давно уходит в выпускной
коллектор. Снова поршень начал двигаться вверх, пиная застоявшиеся газы,
поскольку такт выпуска в самом разгаре. Их дружная горячая струя
выскакивает все быстрее, но последние из них успевают заметить, что
впускной клапан уже открылся и внутрь цилиндра мчится холодная бодрая
новая порция воздуха (либо топливо-воздушной смеси, простите за
нелирическое уточнение). Начинается новый такт впуска, хотя выпуск пока не
закончен.
Кстати, небольшая доля недальновидных отработавших газов имеет шанс снова
принудительно залететь в цилиндр в процессе впуска. Такой процесс называют
рециркуляцией и применяют для снижения токсичности некоторых режимов
работы двигателя. В момент рециркуляции на выпускном коллекторе открывается
тайное окошко, соединенное со впускным коллектором, и в новый воздух,
молодцевато стремящийся в цилиндр, подло подмешиваюся отработавшие газы.
Как метко подметил один умный человек - словно пукнуть себе в нос.
Процессы, при которых смежные такты происходят одновременно, называются
фазами перекрытия. Зачем они нужны?
Они нужны, как ранее было упомянуто, для того, чтобы в условиях инерции
газовой смеси произошла ее полная "обработка" в каждом такте. Приходится
мириться с тем, что в конце такта впуска начинается такт сжатия и, таким
образом, небольшая часть свежей смеси вытолкнется назад, едва влетев.
Часть горячих газов вылетит в конце рабочего хода, не произведя полезной
работы во время перекрытия третьего и четвертого тактов. А во время
перекрытия четвертого и первого такта часть свежей смеси вообще
бесполезно пролетит в выпускную систему. Сейчас не будем анализировать
термические процессы, безусловно важные для нормального длительного
функционирования двигателя; заметим лишь, что перекрытия фаз
газораспределения играют в них заметную и хорошую роль.
Важно понять, что же такое "холостые обороты" двигателя. Так называют
самые малые обороты, на которых он может работать. Почему же двигатель не
работает на еще более малых оборотах? Потому, что вся сгоревшая энергия от
топлива тратится на внутренние потери двигателя, главным образом КШМ плюс
вращение навесных агрегатов (генератора, насосов масла и охлаждающей
жидкости, проклятого кондиционера и усилителя руля). На холостых оборотах
дроссельная заслонка прикрыта, топлива поступает мало - и энергии
получается мало. Если количество топлива еще уменьшить, двигатель не
провернет сам себя и заглохнет.
Поскольку для бытовых (не спортивных) целей двигатель должен иметь малый
расход топлива, холостые обороты стараются сделать поменьше. Все-таки
работа на холостом ходу занимает довольно продолжительное время обычной
эксплуатации автомобиля. На малых оборотах ВРЕМЯ, в течение которого
открыты клапана, становится большим, а низкие обороты двигателя создают
малую СКОРОСТЬ смеси при впуске и выпуске. Лениво летящая смесь плохо
засасывается и плохо выхлапывается. Надо бы уменьшить фазу перекрытия
клапанов.
Однако, чтобы получить достаточную мощность на высоких оборотах, газовая
смесь должна успеть вылететь-влететь в цилиндры, т.е. необходимо немалое
перекрытие фаз выпуска и впуска. Налицо противоречие: ведь на холостых
оборотах большое перекрытие плохо всасывает смесь и позволяет свежей смеси
"насквозь" проскочить в выпускной тракт. Как преодолеть противоречие? Один
из понятных, но пока редко реализуемых способов - сделать изменяемые фазы
газораспределения; здесь проблемы технологическая, т.е. такую конструкцию
не в каждом Китае умеют сделать работоспособной и надежной. А второй, но
весьма давно применяемый способ - динамический газовый подпор. Это
почти ругательное понятие означает создание специального волнового
процесса, при котором вылетевшие из цилиндра отработавшие газы вскоре
стукаются о летящие навстречу газы предыдущих порций и частично
возвращаются назад. Тем самым создается волна, которая частично запихивает
назад свежую смесь, дуриком пролетевшую мимо цилиндра. Хорошо подобранная
(в двухтактном мире ее называли "настроенная") выпускная система может
иметь такой подпор в довольно широком диапазоне малых оборотов, пока смеси
летают медленно. Наоборот, при больших оборотах колебания в выпускном
тракте дополнительно "тащат" за собой выхлопные газы, облегчая очистку
цилиндра (как говорят - продувку).
С одной стороны, процессы колебаний воздуха вокруг впускных и выпускных
каналов двигателя стали понятнее. С другой стороны, хотелось бы лично
пощупать этот воздух. Оценить, как говорил Игорь Васильевич Курчатов, "по
рабоче-крестьянски", какой объем воздуха движется во время работы
двигателя.
Для примера возьмем средний двигатель с рабочим объемом 2 литра и пусть
его максимальные обороты составят 6000 оборотов в минуту. Количество
цилиндров для нас пока неинтересно, также совершенно не важно и
присутствие турбонаддува. Какое двигатель потребляет топливо - абсолютно
не существенно, поскольку оно будет гореть только при наличии кислорода,
имеющегося в окружающей атмосфере. Турбонаддув сожмет воздух только
после того, как он пролетит через воздушный фильтр. Мы же оцениваем
"размер" воздуха до самого первого входного отверстия в двигатель.
Чтобы все 4 такта произошли в таком двигателе на максимальных оборотах, он
поглотит 50 раз в секунду как раз 2 литра воздуха. Не пугайтесь, из
выхлопа вылетит практически столько же воздуха, хотя изрядно обедненного
кислородом и обогащенного вредными примесями (закисями CO, NO, окислами
углерода и азота, несгоревшими углеводородами и очень мн. пр.). Пусть
диаметр впускной системы равен 40 мм. Для простоты - пусть такой же
диаметр имеет кончик выпускной трубы. Легко сосчитать, что каждый рабочий
цикл заставляет проходить через такое отверстие 1,6 метра воздушной
"колбасы". Итого: в секунду наш двигатель переваривает 80 метров
тонкой "колбаски" воздуха диаметром 4 см. На холостых оборотах - примерно
на порядок меньше, т.е. 8 метров.
Из этой оценки, кстати, ясно, зачем нужен наддув и почему автомобиль не
может заглотить побольше воздуха даже на большой скорости, просто шире
разевая "рот".
Для одноцилиндрового двигателя указанного объема такая "колбаса" воздуха
всасывается за один присест. Если цилиндров больше, то каждая порция
пропорционально меньше: в 4-х цилиндровый воздух заглатывается порциями по
20 метров в секунду (на холостом ходу - по 2 метра). Точно такого же
размера невидимые воздушные экскременты выскакивают в выхлопную систему,
где раскаленные стенки, переборки и отверстия дробят их, словно мясорубка
рубит мясо на фарш, который проходит через все колена глушителя и
непрерывно и почти беззвучно вываливается из дивной симпатичной насадки
на оконечном отверстии выхлопной трубы. В процессе блуждания в темноте и
жаре приемной трубы, натыкаясь на стенки и перегородки глушителя и вслепую
возвращаясь назад, одна "колбаска" воздуха толкает или тянет другую и тем
самым улучшает процесс наполнения цилиндров. Понятно, что для такой
взаимопомощи размеры внутренних полостей выпускной системы должны
соответствовать размерам образующихся "колбасок".
Теперь, думаю, стало ясно, что дырявая выпускная система теряет свои
полезные газодинамические качества, конечно, если она их конструктивно
имела. Между прочим, даже на старых "Волговских" моторах максимальная
скорость снижалась километров на 10 при свободном, т.е. без глушителя
выхлопе. Те счастливчики, кто слышал захлебывающийся клокочущий выхлоп
спортивного двигателя, работающего на низких оборотах, могут сообразить,
то отладка режима холостого хода для них не является важной. Впрочем, это
тоже не всегда: на льду пушечный двигатель хуже гибкого. Надеюсь, Вы меня
правильно понимаете?
Почему же появилась иллюзия, что чем больше "дыра", тем легче двигателю?
Мне видится, что причин тому несколько.
Первая - интуитивное антропологическое ощущение, что через шланг дышать
легче, чем, через соломинку. А если наступить на шланг, то кхе-кхе-кхе...
Вторая - на заре автомобилестроения занимались только проблемой снижения
шума выхлопа (иначе лошади боялись самобеглой коляски, да и пешеходы
рубежа XIX-XX веков тоже). Вопрос выбора правильного динамического подпора
(да еще во всем диапазоне оборотов двигателя) вообще не стоял и, вполне
вероятно, рассупонивание каких-то доморощенных выхлопов давало явный
прирост скорости ввиду технической неграмотности, когда исправная система
создавала обратный подпору эффект.
Третья - психологическая. Мол "как ревет - какая мощь"! Впрочем, Томас
Алва Эдисон как-то заметил, что шум при работе механизма - признак
варварства.
KKK
P.S. Это был лапидарный ответ, извини. Вопрос был таков:
> Забыл, объясни про дырявый глушитель. Я не понял....
Мы наблюдаем не мир как таковой, а мир плюс воздействие наблюдателя. Бр. Стругацкие.
спёрто с форума "Авторевю"
Внимание! Размещение заведомо ложной информации (п.4.2(й) правил форума) будет наказываться в 2х кратном размере.