А вот установка других распредвалов,
„ПАУК" И РЕЗОНАТОР, НАСТРОЕННЫЕ НА КОНФИГУРАЦИЮ МОТОРА, СУЛЯТ МАКСИМУМ ЭФФЕКТА ОТ ДОРАБОТОК
увеличение рабочего объема двигателя и тем более установка наддува уже потребуют вмешательства в конструкцию выпускного тракта. Причем заменой штатного глушителя и расширением оконечных труб в этих случаях не ограничиться.
Про турбомоторы разговор особый. Здесь все процессы в выхлопной трубе, влияющие на наполняемость цилиндров, перемалываются словно в мясорубке крыльчаткой турбины. Поэтому у них важен лишь диаметр сечения трубопровода. У атмосферников же изменение конфигурации выпускного коллектора, труб и резонаторов весомо сказывается на работе двигателя. Именно эти части выпускной системы при их согласованной геометрии с параметрами мотора позволяют достичь максимума отдачи на определённых оборотах данной конфигурации двигателя.

УДАРНАЯ ВОЛНА
В момент открытия выпускного клапана после рабочего такта энергия истекающих из цилиндра отработав¬ших газов порождает ударную волну, распространяющуюся в газовой среде в направлении от выпускного клапана. Ударная волна — это фронт практически мгновенного скачкообразного изменения плотности, давления, скорости и температуры среды. Некорректно считать эти волны звуковыми: звуком они становятся, лишь вырождаясь. С простейшим примером этого явления — гидроударом — столкнулись строители первых закрытых водопроводов, когда резкое перекрытие заслонкой потока воды приводило к нагрузкам, разрывающим трубы. Ударная волна также помогает выплеснуть кетчуп из бутылки, когда ударяют по донышку: отраженный от дна, этот всплеск энергии, добежав до горлышка, выбрасывает на тарелку порцию соуса.
Ударная волна представляет собой не только фронт повышенного давления. За закрывшимся выпускным клапаном в среде газа возникает зона ударного же разряжения. Получается, что в пульсирующем потоке выхлопа на области повышенного и пониженного давления, возникающие вследствие инерции, накладываются скачки давления ударно-волновой природы. В действительности полная картина происходящего в выпускном тракте по сложности своей не уступает механизму протекания горения топливовоздушной смеси в цилиндрах, расчет которой возможен только через систему дифференциальных уравнений. Упрощенная же описательная схема процессов показывает принцип взаимодействия явлений.
Когда ударные волны доходят до первого препятствия, которым может быть любое колено, изменение диаметра сечения трубопровода, специальная шайба или обыкновенный наплыв от некачественной сварки, они отражаются и, потеряв часть своей энергии, стремятся возвратиться к выпускному клапану. От того, в какой момент такта выпуска и каким из своих фронтов отраженная волна подойдет к выпускному клапану зависит многое.
В работе газораспределительного механизма четырехтактных двигателей существует момент, когда и выпускной, и впускной клапаны находятся в открытом положении. Для предотвращения негативного влияния инерции газовой среды горючей и отработавшей смесей впускной клапан открывается раньше достижения поршнем верхней мертвой точки, тогда как выпускной клапан закрывается позже. Эта так называемая фаза перекрытия клапанов оказывает существенное влияние на повышение наполняемости цилиндров свежей горючей смесью. И чем выше обороты двигателя, тем весомее необходимость увеличения фазы перекрытия. Именно в момент фазы геометрия выпускного тракта оказывает наибольшее воздействие на процесс наполняемости цилиндров и, как следствие, на величину крутящего момента, а также на распределение ее значений по диапазонам оборотов. Впрочем, это влияние может быть сознательно снижено.
С одной стороны, подведя фронт разряжения к открытию выпускного клапана, можно было бы надеяться на его помощь в отводе отработавших газов и поступлению свежего заряда в цилиндр. Но в этом случае он лишь частично погасит новый ударный фронт, а подошедшая следом отлаженная волна повышения давления „убьет" инерционную продувку цилиндра в фазе перекрытия клапанов. Кто муже такой встречный волновой процесс становится неустойчивым, с постоянно сбиваемой цикличностью.
Если же в момент начала открытия выпускного клапана подвести ударный фронт, то он не сможет препятствовать отводу отработанных газов из цилиндра, вследствие того что сразу после рабочего такта давление в цилиндре гораздо выше энергии отраженной волны в выпускном коллекторе. В конце фазы перекрытия, когда истечение отработавших газов идет за счет их инерции, ударный фронт в выпускном тракте, сменяясь таким же ударным падением давления, способствует дозарядке цилиндра свежей рабочей смесью. При таком цикле волновые процессы в газовой среде становятся устойчивыми, что подразумевает возможность настройки выхлопной системы под определённые обороты двигателя.
Как правило, установившийся режим синхронной работы ГРМ с волновыми явлениями в выпускном тракте называют резонансной дозарядкй цилиндров. По механизму протекания этого процесса действительно устойчивость цикличности волн близка к резонансу, хотя не входит в стадию бесконечного увеличения амплитуды колебаний (в данном случае величины давления ударной волны). Иначе нагрузка бы росла до бесконечности, разрушая детали двигателя и выпускного тракта. Устоявшийся волновой процесс, пожалуй, можно сравнить с раскачиванием качелей человеком, который стоит рядом и импульсными подталкиваниями поддерживает постоянный ритм раскачки.
Однако при проектировании выпуск¬ной системы стандартного автомоби¬ля с этим явлением чаще стараются бороться, нежели использовать его преимущества. Дело в том, что повышение момента достигается лишь на определенных частотах оборотов двигателя, причем этот выигрыш оборачивается провалом моментной ха-ктеристики на частотах вращения коленвала, например вдвое меньших. Борьба эта ведется в нескольких направлениях. Некоторое уменьшение диаметра выпускного трубопровода за счет понижения давления потока газа при увеличении скорости этого потока способствует угасанию колебаний в среде. На это идут несмотря на возрастание сопротивления в выхлопной системе. Такой метод используется все реже.
За счет искусственно созданных препятствий, встречающихся на пути отраженной волны, снижается ее энергия. Это приводит к уменьшению влияния волнового фактора на очистку цилиндров. Методика решения такой задачи довольно проста: канал в выпускном коллекторе делается несколько больше по диаметру, нежели в головке блока цилиндров. Образованной таким образом ступенькой отсекается часть отраженной волны.
Часто за счет игры на разности длин промежуточных трубопроводов и конфигурации резонаторов добиваются гашения колебаний, тем самым сознательно убирая эффект резонансной дозарядки. Все это делается ради устойчивой работы мотора во всем диапазоне оборотов. Без подхватов, но и без провалов. Просто гораздо результативней на коэффициенте наполнения цилиндров отражается применение системы изменения фаз газораспределения. А улучшать еще и ее работу с помощью резонанса ударных волн — значит строить выпускной тракт с изменяемой геометрией. Этого, возможно, мы не увидим никогда. Ведь расчет обычной серийной системы отвода отработанных газов — долгий процесс моделирования математической модели потока через множество точек местных сопротивлений. Параллельно моделированию идет отладка и согласование параметров работы мотора по 100-150 показателям, учитывающим длину и диаметр каналов коллекторов, диаметр и количество цилиндров, ход поршня, конструкцию камеры сгорания, количество клапанов, их подъем, ширину и расположение фаз ГРМ. Окончательная же доводка производится на специальных стендах, позволяющих в небольших пределах оперативно менять геометрию и конфигурацию элементов выпускного тракта для окончательной настройки.

ДОБРОТНОСТЬ КАК КРАЙНЕЕ ПРОЯВЛЕНИЕ
В известной степени проектирование так называемых настроенных выхлопных систем несколько легче. Ну, во-первых, уже есть от чего отталкиваться, если речь идет о поднятии крутящего момента на определённых оборотах за счет резонансной до зарядки на двигателе, не претерпевшем значительных доработок. Когда же мотор форсирован, то для получения описываемого эффекта пренебрегают высокой эластичностью мотора, что сужает поле расчета в сравнении с задачами заводских конструкторов. Понятно, что целью в этом случае является повышение отдачи в довольно узком диапазоне оборотов, и чем четче настроена система, тем меньше этот диапазон.
При недостаточном диаметре велико будет сопротивление трубопроводов, при любых раскладах препятствующее очистке цилиндров от продуктов сгорания. При излишне большом — скорость истечения газов будет низкой, ухудшится и инерционная продувка камеры сгорания. Диаметр, намного превышающий оптимум, ударная волна воспримет как срез в атмосферу сразу за клапаном, то есть как препятствие, от которого она отразится, что равносильно очень короткому тракту, одинаковому по длине с выпускным каналом в головке блока. Энергия отраженной волны в этом случае практически максимальна, но приходит к месту назначения только в очень узком диапазоне высоких оборотов, недостижимых даже для тюнингованных двигателей. Это крайнее проявление такой характеристики колебательной системы, как добротность.
Добротность — отношение запасённой энергии к энергии, теряемой за один период колебания. Величина этого отношения показывает, во сколько раз амплитуда установившихся вынужденных колебаний при резонансе превышает амплитуду вдали от резонанса. Или, другими словами, обратная пропорциональность скорости затухания означает, что чем выше добротность системы, тем медленнее затухают в ней колебания. На практике это выливается в то, что высокодобротные системы позволяют максимально реализовать эффект резонансной дозарядки цилиндров и поднять крутящий момент двигателя. Но пик момента будет сколь высоким, столь и узким и, как правило, будет достижим лишь на высоких оборотах. Низкодобротные же системы не позволят достичь возможного максимума отданной конфигурации мотора, хотя их использование сулит расширение границ повышения момента.

Для уменьшения габаритных размеров коллекторов настроенного выхлопа работу отраженной волны

используют не в том цилиндре, от¬куда она возникла, а в следующем по очередности начала такта выпуска. Это позволяет, не слишком удлиняя трубы, понизить и расширить область применения дозарядки.
При равенстве конструктивных решений первичных и вторичных труб „пауков" добротность выше утех, чьи трубы короче и больше в диаметре. Сама конструкция тоже важна. Применяемые для четырехцилиндровых моторов схемы „штанов" 4-1 и 4-2-1 обладают

разной добротностью. Считается, что у первого варианта она априори выше. И его необходимость возникает только тогда, когда хотят получить заметную прибавку на больших частотах вращения коленвала, хотя в немалой степени виноваты в таком раскладе размеры автомобиля.
Соединение 4-1, рассчитанное, например, на средние обороты, по-простутрудно разместить в подкапотном пространстве. Иногда для этого вообще режут щит моторного отсека и проводят трубы в месте, предназначенном для ног переднего пассажира. Этот метод подойдет только спортсменам, ведь эксплуатировать такую машину повседневно, мягко говоря, некомфортно. Сложно и управлять тягой в узком интервале.
Схема же 4-2-1 позволяет расширить диапазон влияния на наполнение цилиндров. Отрезок, где четыре трубы переходят в две, работает на резонансную дозарядку цилиндров при высокой частоте вращения коленвала. соединение 2-1 — на средних оборотах. Естественно, расчет „пауков" 4-2-1 намного сложнее. Из общей практики применения настроенных выпускных коллекторов можно утверждать, что с распредвалами с фазой перекрытия менее 270° предпочтительней использовать соединение 4-2-1.
УПРОЩЕННЫЙ РАСЧЕТ
За многолетний опыт подобных работ были выработаны общие правила, основанные на многочисленных экспериментах, и даже формулы расчета геометрии трубопроводов, не требующие разработки математической модели газодинамических процессов. Правда, результаты таких вычислений являются лишь отправной точкой для последующей стендовой доводки системы выпуска до требуемых параметров Для соблюдения условий
Не лучший Вариант соединения труб...

беспрепятственного движения газов существует некий оптимум диаметра труб, значение которого связано с длиной труб через объем вмещаемого в расчетный отрезок газа. Диаметр трубы и ее длина рассчитываются исходя из объема газа, вытолкнутого из цилиндров двигателя. С учетом резонансных свойств системы предварительный расчет ведется по эмпирическим формулам, где многое зависит от коэффициентов, несколько отличающихся у разных производителей. Впрочем, и сами формулы у каждой лаборатории выработаны свои, хотя строятся по одному принципу прямой пропорциональности длины трубопровода от момента открытия выпускного клапана и обратной пропорциональности от оборотов коленвала. Для коллекторов 4-1 (рис. 1) такие упрощенные расчеты дают вполне приемлемые результаты. В схеме же 4-2-1, где первичные трубы состоят из двух сочленений 2-1, эмпирическим формулам эти соединения поддаются плохо. Правда, некоторые рассчитывают длину до их соединения в одну трубу и длину вторичной трубы по той же формуле, что и первичные трубы „паука" 4-1, а соотношение L1 и 1_Г уже подбирают экспериментально (рис. 2).
Расчеты по подобным формулам ведутся с оглядкой на то, что скорость потока в выхлопной трубе не должна превышать 35 м/сек, что накладывает ограничения на диаметр. И, естественно, выпускная система должна согласовываться с размера¬ми впускного трубопровода.
В любой колебательной схеме резонатор, установленный после вторичной трубы, должен приближаться по своим резонансным характерис-
[left]

* Для соединения 4-1 вариант расчета может выглядеть так: длина первичных труб: ^=М(аоп + 180°)/n; где: М — эмпирический коэффициент находящийся в пределах 2100-2200 для четырехцилиндровых моторов; аоп — опережение открытия выпускного клапана до НМТ в градусах поворота коленвала;
n — частота вращения коленчатого вала, при которой желательно получить максимальный эффект настройки;
L1 —длина первичной трубы плюс длина канала в головке цилиндра (см). Диаметр первичной трубы высчитывается исходя из принятой практики, что ее внутренний объем равняется удвоенному объему цилиндра (см3) В№=2в€љ(Vдвиг./пLВ№) , причем для компенсации изгибов, присущих первичным трубам, диаметр их несколько повышают 1в первой степени=1,1D1; где п = 3,14.
Длина вторичной трубы L2 должна быть равной или кратной длине первичной, для того чтобы в месте соединения не встретились противоположные фронты, гасящие друг друга: L1 = L2 или L2 = kL2; где k = 1,2,3...
Диаметр вторичной трубы принимается равным рабочему объему двигателя:
DВІ=2в€љ(Vдвиг./пLВІ)

[/left]

тикам к атмосфере. Расположенные за ним трубопроводы и основной глушитель не влияют на волновые процессы в выпускном тракте.
ПОСЛЕДНЯЯ МИЛЯ
К сожалению, и среди именитой, и среди безымянной продукции на прилавках магазинов в лучшем случае удастся узнать только часть ее геометрических параметров. Большинство готовых тюнинговых систем выпуска отработанных газов рассчитаны на характеристики стандартных моторов. А те, которые подразумевают установку на форсированные варианты,умалчивают о возможной конфигурации двигателя. Увы, покупателю приходится уповать либо на везение, что случается крайне редко, либо на опыт. Лучше, если опыт будет основан на чужих ошибках. Поскольку цена качественных изделий весьма высока. Цена полного набора именитого бренда может легко перевалить за $2000. Впрочем, и трудоемкость установки нельзя назвать низкой. Некоторые производители выпускают элементы выхлопного тракта с приличными припусками. Это с одной стороны неплохо, хоть и предполагает увеличение объема установочных работ. Хуже, когда на трубах сэкономили и их длины не хватает для корректной стыковки отдельных звеньев.
Еще проблематичней несовпадение пространственной конфигурации труб с днищем автомобиля, для которого они предназначены. На их фоне монтаж так называемых универсальных деталей, где отсутствуют в большинстве случаев даже примитивные намеки на крепления, покажется очень простой задачей.
При всей ограниченности известных параметров при выборе любых выхлопных систем некоторые внешние особенности позволяют судить о качестве изделий. Это относится как к штатным, так и готовым или сделанным на заказ тюнинговым вариантам. Так, угол соединения нескольких труб в одну не должен превышать 15°. Само место соединения не обеспечивает плавного перехода с одного сечения в другое, образуя тем самым застойные области в движении отработанных газов (рис. 3).

Идеальный вариант — отдельно изготовленная, а потом приваренная к трубам деталь коллектора, обеспечивающая плавный переход (рис. 4).

Резкие перепады геометрии выпускного тракта негативно сказываются на возможностях двигателя. Это относится не только к трубам, но и к резонаторам и корпусам катализаторов. Причем плавный переход к расширению в этих деталях более важен, чем плавное сужение на выходе (рис. 5)

а диаметр трубы на выходе лучше иметь больший, нежели на входе.
У американцев есть понятие „последняя миля". Так они называют завершающий этап, способный или наделить результат работы непревзойденным качеством, или загубить всю проделанную накануне работу в случае неудачи финальных усилий. Настройка выхлопной системы двигателя — та самая последняя миля, способная раскрыть весь потенциал доработок мотора. Но сама по себе, без отладки всех остальных систем (топливной, зажигания, газораспределения) и механизмов силового агрегата, не даст ничего, кроме финансовых и временных затрат.