Заметки о резонансных выпускных системах двухтактных двигателей.

Двухтактные ДВС, обладающие чрезвычайно высокими мощностными характеристиками, сложнейшей газодинамикой с интенсивными потоками топливовоздушной смеси и продуктов сгорания (выхлопных газов), достигли к началу 21 века наивысшей степени совершенства.

NSR500: легендарная серия, мотоцикл с двухтактным двигателем 500 см.куб., развивавшим свыше 200 л.с. и побеждавший на "прямых" болиды F1. Фото из архива Алана Каткарта, журнал "Моторевю" http://motoreview.ru

Рассматривая схемы и конструкции 2т-двс, нельзя не заметить, что за годы развития и совершенствования этих моторов инженеры выработали некоторые основополагающие, общепринятые взгляды, принципы и нормы построения 2т двигателей. Сюда относятся и схемы продувки, и системы впуска с лепестнковыми клапанами, форма камеры сгорания, конфигурация поршня, геометрия окон, углы входа-выхода каналов впуска, продувки, перепуска, выпуска.

В этой статье будет рассмотрена система резонансного выпуска, играющая чрезвычайно важную роль в работе 2т двигателя и влияющая практически на все его характеристики.

(Автор, приступая к изучению данной темы, поначалу склонен был недооценивать влияние Exhaust System на работу двигателя. Однако теперь следует признать - не только экономичность и качество продувки, но и высокие мощностные характеристики, эффективный "дозаряд" камеры сгорания, существенное повышение фактической степени сжатия - все это обеспечивает "правильная" выпускная система.)

Роль и влияние системы выпуска настолько велики, что бессмысленно говорить о двигателях, сопоставлять различные их модели, не учитывая различия в комплектации выпускными системами. Предприятия - изготовители всегда подразумевают наличие неких "стандартных выпускных систем", в связке с которыми только и имеют смысл такие характеристики двигательных установок, как мощность, момент вращения, экономичность, и т.д и т.п.

(Как следствие: применяя "нестандартные" системы выпуска, можно существенно изменить характеристики двигательной установки, "перевести" ее, например, на высокооктановое топливо - и все это без всякого вмешательства непосредствнно в двигатель.)

За прошедшие десятки лет развития ДВС внимание двигателистов к системам выпуска то ослабевало, то усиливалось. Немалый стимул к исследованиям (прежде всего за рубежом) был получен с внедрением вичислительной техники, особенно мини-эвм семейств PDP и VAX (производства Digital Equipment Corp.) в 70-х - 80-х годах 20 века. Вычислительные методы расчета потоков и волн нашли с тех пор применение и в моторостроении двухтактников.

Именно тогда были в основном сформированы представления о выпускных системах с экспоненциальными диффузорами, исследованы и закреплены схемы и методы расчета, ставшие классическими.

К сожалению, в СССР возможности и ресурсы исследователей в этой области были крайне скудны, а сами исследования проводились не слишком систематично и полно. Однако достигнутые результаты свидетельствуют о том, что работы такие велись и были окончательно прекращены лишь в конце 80-х годов.

К тому времени на Западе сложились существенно отличные от принятых в нашем мотопроме схемы, конфигурации и методы расчета выпускных систем (см. книги Григорьева.) . В книгах Блэра описываются непривычные нам подходы к конструированию резонаторов, однако именно такие резонаторы мы видим практически на всех импортных мотоциклах с двухтактными двигателями.

(Заметим, что "другие" - еще не значит "лучшие" или "худшие". Зачастую решающую роль играет не абсолютное качество, а удобство расчетов, наличие методик испытания, подгонки размеров и доводки конструкции. Однако познакомиться с вошедшими в практику во всем мире "другими" - полезно.)

Вернемся же к теме. К сожалению, автор не располагает изданными SAE в 90-х годах книгами - первоисточниками г-на Блэра, профессора университета Белфаста, академика... Но все же некоторые полезные обобщения и комментарии удалось сделать на имеющемся материале.

Итак, каковы основные постулаты схематики резонатора "по Блэру"?

По Блэру, предполагается, что двигатель спроектирован по достаточно определенным канонам. То есть размеры и форма выпускного окна, профиль канала от окна до фланца, - все это соответствует некоторым общепринятым нормам.

Именно с этим вопросом прежде всего и сталкивается самодеятельный конструктор выпускной системы. Например, по Блэру, диаметр фланца должен быть одним, а в реальном цилиндре - он другой. Как поступить, какие размеры корректировать и подгонять - этого не сказано. Несколько позже мы попытаемся найти решение этого.

Все расчеты опираются на Среднее Эффективное Машинное Давление ( Brake Mean Effective Pressure, BMEP) . Именно эта величина определяет все диаметры выпускных резонансных труб. В свою очередь, с BMEP тесно связан такой параметр, как температура выхлопных газов, оказывающий непосредственное влияние на скорость звуковых волн и определяющая, наряду с другими параметрами, длину всего акустико-резонансного комплекса выпускной системы.

Экспоненциальный диффузор

При ближайшем рассмотрении формул Блэра становится ясно, что и двух-, и трех- ступенчатый диффузоры являются упрощенными вариантами некоей более общей схемы. Так, двухступенчатый диффузор практически соответствует трехступенчатому с коэффициентом Kh, равным 1,33 (при установленных границах от 1 до 2). Далее, излишняя на первый взгляд сложность расчетных формул (их можно упростить, и намного) наводит на мысль о существовании более общего, "идеального" варианта геометрии диффузора. Так оно и есть: все формулы сводятся к экспоненциальному виду зависимости диаметра сечения от расстояния.

Специалист в области физической акустики сразу насторожится: "экспоненциальный" ?! Так это же... ... Аналогичнаяя реакция будет и у радиотехника, сведущего в фидерах и передающих линиях. В самом деле, экспоненциальные сопряжения труб разного диаметра и коаксиальных линий передачи радиочастотных электромагнитных колебаний - широко известны.

Не вдаваясь в подробности, отметим: основное свойство экспоненциальных переходов - это минимальное отражение "назад". То есть, в нашем контексте, звуковая волна, вошедшая в экспоненциальный раструб, испытает минимальное отражение и почти целиком перейдет в следующую, широкую "трубу". Другие профили диффузоров (рупоров) обладают бОльшим отражением, условно говоря - потерями энергии волны.

На основании этого факта можно сделать вывод: в современных резонаторах принято обеспечивать минимальные потери энергии волны на пути к основной резонансной камере. (Это относится в равной степени и к волнам давления, и к волнам разрежения).

Примеры выпускных систем реальных мотоциклов:

( Трудно переоценить старания и упорство человека ( borg ) , выполнившего измерения и зарисовки схем. Его труд заслуживает благодарности и уважения. На его странице вы найдете немало интересного: http://home.nyc.rr.com/borgnsr/NS400R/ )

Обратный пересчет размеров по модели Блэра показывает, что BMEP указанных на схемах двигательных установок составляет от 10,12 до 10,66.
(Заметим в скобках, что формулы и коэффициенты, на которых основываются расчеты, содержали и, воможно, еще содержат ошибки и опечатки. Поэтому к результатам вычислений следует относиться с осторожностью, пока не получено подтверждений их правильности.)
Блэр опирается на результаты множества экспериментов, давая свои формулы. Следовательно, должны существовать и реальные мотоциклы, снабженные выпускными системами таких же размеров, как получается по Блеру.)

К сожалению, рассматриваемые методы расчета не могут ничем посмочь в вопросах: "что будет, если изменить пропорции длин? Как изменятся характеристики системы, если диаметр выпускного патрубка отличается от рекомендуемого? Каковы методы подгонки размеров, что к чему следует подгонять? (Например, в случае несоответствия - можно либо изменить размер патрубка, расточить или сделать вкладыш, либо расточить окно в цилиндре, со всеми вытекающими перерасчетами.)

Если двигатель старой модели, то проблемы несоответсвия обостряются. В более новых конструкциях (пример: двигатели Ковровского Завода имени Дегтярева - "Восход 3м-01", "Сова", "Курьер", 50сс "Пилот") размеры оказываются достаточно близкими к современным требованиям - однако для этих двигателях обнаруживается несоотвествие заложенной схемы и выбранного конструкторами мощностного режима. Двигатели дефорсированы, их цилиндро-поршневая группа не рассчитана на нагрузки, предполагаемые для такого класса двигателей.

Кроме всего прочего, необходимо переосмыслить старинные методы доводки, настройки, форсирования двигателей. Общеизвестное предостережение: не рекомендуется увеличивать степень сжатия, "подрезать" головку цилиндра или уменьшать камеру сгорания иным способом. Задача повышения фактической степени сжатия более "правильно" решается установкой нужной "трубы".
"Поднять выпускное окно" для повышения оборотов и мощности - тоже сомнительный по современным представлениям способ. Внимательный конструктор заметит, что это эквивалентно укорочению резонатора, и вероятно многим и многим мотомеханикам всегда было проще распилить окно, чем переваривать/менять резонатор...

Общие зависимости в эмпирических формулах Блэра