Доработка впускной системы ориентирована на уменьшение сопротивления воздуху на впуске и увеличение объема воздуха, который поступает в цилиндры. В список компонентов, требующих модификации или замены, в зависимости от уровня «тюнинга», входят: воздушный фильтр, дроссельный патрубок, ресивер и впускной коллектор. Обновление системы впуска также предполагает установку прямоточного выпускного коллектора, «верхового» распредвала и изменения в программе управления двигателем. Рассмотрим все по очереди.
Фильтр без сопротивления
Фильтр с нулевым сопротивлением – обеспечивает не полное, а существенно уменьшенное сопротивление воздушному потоку. Обычные воздушные фильтры состоят из фильтрующего элемента, сделанного из плотного материала, а также их конструкция не оптимальна с точки зрения объема пропускаемого воздуха. В фильтрах с нулевым сопротивлением присутствующие микроскопические отверстия в фильтрующем элементе позволяют пропускать значительно большее количество воздуха. Это также обусловлено увеличенной площадью фильтрации: поверхность «спортивного» фильтра в пять раз крупнее, чем у стандартного. По типу фильтрующего элемента «нулевики» бывают двух видов. Первый вид: нетканый хлопковый материал, укрепленный металлической сеткой и оформленный в гофрированном виде (в народе — «сетка»). Второй – мелкоячеистый полиуретан (эти фильтры называют «поролоновыми»). «Сетка» имеет меньшее сопротивление всасыванию, тогда как «поролоновые» элементы эффективнее удерживают пыль и предоставляют большую площадь очистки. Таким образом, «поролон» используют в внедорожных гонках, а более чувствительные к загрязнению, но обладающие меньшим сопротивлением, «сетки» – на «асфальтовых» автомобилях. Некоторые компании производят фильтрующий материал с двумя уровнями: первая ступень, с крупными порами, улавливает крупные частицы, а вторая задерживает мелкую пыль. При выборе фильтра стоит обратить внимание на герметичность стыковочного патрубка, надежно обеспечиваемую только одним способом: использованием резиновой манжеты в качестве уплотнителя. Многие производители, стремясь сэкономить, создают весь корпус из пластика, считая «резиночку» ненужной. Для кольцевых гонок это может быть приемлемо. В повседневной эксплуатации, где важен срок службы мотора, а следовательно, высокая степень фильтрации воздуха, пыль, «проникающая» через ненадежное уплотнение, «убивает» мотор раньше времени.
Фильтры бывают с возможностью мытья и сухие. Для моющихся вариантов доступны специальные наборы, включающие в себя промывку и пропитку. Промывка нужна для удаления грязи с поверхности фильтра, а пропитка предназначена для удержания мелких частиц пыли и грязи, фиксируя их на стенках фильтра, что предотвращает их попадание в двигатель. Пропитка маслом увеличивает размер отверстий фильтрующей сетки, а это снижает сопротивление воздушному потоку. Фильтрующий элемент в сухих фильтрах не имеет пропитки, но также может использоваться многократно (моется или продувается обратным потоком).
Система воздухозабора холодного воздуха
Монтаж фильтра имеет свои нюансы. Для того, чтобы избежать попадания горячего воздуха в цилиндры, в пространстве под капотом необходимо выбрать место, как можно дальше от любых источников температуры. Также желательно установить защитный тепловой экран. Не стоит располагать фильтр слишком низко – загрязняясь, он быстро утратит свои качества. В продаже доступны системы впуска холодного воздуха. Обычно они представляют собой алюминиевый или карбоновый (в зависимости от марки) конус, плотно насаженный на фильтрующий элемент, который служит барьером от теплого воздуха от двигателя. К впускному отверстию подключается гофра, забор воздуха снаружи, который более чистый и холодный. Уникальная форма корпуса и самого фильтрующего элемента создает дополнительные завихрения, способствующие заполнению цилиндров двигателя. В итоге мы получаем: холодный воздух с улицы, сниженное сопротивление за счет нулевика и пассивный наддув во время движения автомобиля.
Важно отметить, что установка фильтра нулевого сопротивления имеет смысл лишь при полной доработке двигателя. Действительно, чудес не бывает. Уменьшить сопротивление потоку можно только путем увеличения размеров днища, что ведет к ухудшению качества фильтрации. Поэтому установка «нулевика» на стандартный мотор не оправдана: нет смысла получать скорее теоретическую прибавку мощности, рискуя за счет этого уменьшить ресурс двигателя. Также существует мнение, что пропитка фильтра, попадая на измерительный элемент датчика расхода воздуха, может искажать его показания или даже выводить его из строя.
Следующий этап – это расширение дроссельной заслонки. Увеличенная заслонка уменьшает скорость потока воздуха и способствует росту производительности впускной системы. Самый экономичный способ — на разборке приобрести заслонку от автомобиля с большей мощностью и установить её на свою машину.
Далее производится замена стандартного впускного ресивера на увеличенный «спортивный». Спортивный ресивер обладает значительно большим объемом и укороченными впускными патрубками. Больший объем, чем у стандартного, способствует, при правильной конструкции и настройке, сглаживанию пульсаций воздуха. Чем больше этот объем, тем резче двигатель «откликается» после сброса газа и повторного нажатия на педаль в пол. Короткие впускные трубопроводы смещают максимальный коэффициент наполнения цилиндров в область высоких оборотов двигателя. Длинные трубопроводы обеспечивают хорошее наполнение и, соответственно, высокий крутящий момент при низких оборотах. Таким образом, при жестких, нерегулируемых впускных трубопроводах есть альтернатива: или хороший крутящий момент в диапазоне низких оборотов и пониженная номинальная мощность, или высокая мощность и уменьшенная тяга при низких оборотах. Идеальным вариантом является впускная система с изменяемой геометрией каналов, которая, в зависимости от оборотов и положения дросселя, использует разные длины коллектора и улучшает наполнение на всем диапазоне оборотов.
Существуют системы впуска, где привычный впускной коллектор полностью отсутствует, на его место устанавливаются короткие трубки — «дудки», которые настраиваются на определенные, как правило, очень высокие обороты. Такие системы применяются для достижения максимальной производительности двигателя и могут стоить довольно дорого. Это уже высший уровень в тюнинге впускных систем атмосферных автомобилей – многодроссельный впуск, где для каждого цилиндра предусмотрена отдельная дроссельная заслонка и коллектор. Такой метод позволяет значительно увеличить объем воздуха, поступающего в камеры сгорания. Многодроссельный впуск обеспечивает меньшие холостые обороты по сравнению с обычным ресивером, а также более стабильно работает на низких и средних оборотах. Однако работа двигателя на высоких оборотах просто превосходна. Наличие нескольких дроссельных заслонок вместо одной существенно ускоряет реакцию автомобиля на нажатие акселератора. Существует ряд побочных эффектов: уменьшение ресурса двигателя и увеличение расхода топлива. Многодроссельный впуск станет по-настоящему эффективным только при индивидуальной разработке под конкретный двигатель. Специалистам предстоит решить множество теоретических задач и провести множество практических тестов, прежде чем реализовать свои идеи. И всё же газодинамика не укладывается в простые формулы, поэтому после создания системы вновь потребуются расчеты, доработки и дополнительные испытания.
«Мультидроссель» нецелесообразно использовать для двигателей с низкой мощностью или «средних»: «дудки» должны быть финальной стадией настройки после изменения степени сжатия и перепросчета блока управления. Если речь идет о стандартном двигателе, необходимо заменить форсунки на более производительные, полностью изменить систему выпуска: пара впуск/выпуск должна гармонично сочетаться. Распредвалы, коленвалы, поршни, кольца и другие компоненты тоже, безусловно, подлежат замене. Если свести все изменения, по факту получается совершенно иной двигатель.
Система выпуска
Как только серийный двигатель изменяют с целью увеличить мощность (будь то рост рабочего объема или увеличение момента на высоких оборотах), тут же возрастает расход газа через выпускную трубу, и серийная выпускная система создает избыточное сопротивление. “Неправильный” выхлоп может “задавить” двигатель, увеличив давление в цилиндре на такте выпуска, что приведет к повышению работы насосных ходов. Кроме того, высокое сопротивление выхлопной системы мешает наполнению цилиндра смесью, так как не все выхлопные газы успевают выйти из цилиндра и занимают часть объема свежей смеси.
Движение отработанных газов в выхлопной трубе является колебательным процессом, который может быть экспериментально согласован с колебательным процессом перемещения горючей смеси в впускном тракте с таким расчетом, чтобы повысить эффективность очистки цилиндра от отработанных газов и наполнения его свежей смесью. Давление в выхлопной трубе подвержено резким колебаниям на протяжении всего времени выпуска. В первый момент после открытия выпускного клапана газы, образовавшиеся в процессе сгорания, устремляются в выхлопную трубу с скоростью, превышающей скорость звука. Быстрое выведение продуктов сгорания приводит к образованию разряжения в цилиндре. Аналогично в выхлопной трубе возникают периоды пониженного давления.
Эксперименты с выпускными трубами показали, что длина трубы не сказывается на эффективности очистки цилиндра на первой стадии процесса выпуска, однако при увеличении длины трубы в определённых пределах возрастает продолжительность периода, в течение которого поддерживается разряжение. При изменении частоты вращения период пониженного давления в выпускной системе не только варьируется по длительности и величине разряжения, но и смещается по углу поворота коленчатого вала. Таким образом, каждому режиму работы двигателя соответствует конкретная оптимальная длина выпускной трубы.
В выпускной системе двигателя внутреннего сгорания наблюдаются два процесса. Первый — это сдемпфированное истечение газа через трубы в различной степени. Второй — это распространение ударных волн (звука) в газовой среде. Оба этих процесса оказывают влияние на коэффициент заполнения цилиндров. С первым процессом всё весьма однозначно. Высокое сопротивление потоку газов приведёт к ухудшению продувки и снижению мощности. Совершенно очевидно, что чем короче и большим диаметром является труба, тем меньше её сопротивление газовому потоку. Практика показала, что для полуторалитрового мотора, работающего на оборотах до 8000, диаметра 45 – 50 мм достаточно при длине 3 – 3,5 метра. Дальнейшее увеличение диаметра не приводит к заметному снижению динамического сопротивления.
Основная часть потерь на выпуске наблюдается в выпускном коллекторе. В спорте и тюнинге стандартный заменяют на так называемый “паук”, который отличается конфигурацией и порядком соединения приемных труб с выпускными окнами. “Пауки” бывают “короткие” и “длинные” (два У). В случае 4-цилиндрового двигателя схема труб “длинного” строится по формуле «4 трубы в 2 трубы в 1 трубу», а “короткого” — «4 в 1». Коллектор «4 в 1» обеспечивает прибавку мощности лишь в очень узком диапазоне оборотов, за 6000 об/мин, и его обычно используют для высокофорсированных двигателей с широкофазными распредвалами, то есть на спортивных автомобилях. Коллекторы «4 в 2 в 1» подходят для любительского тюнинга, так как обеспечивают некоторый прирост мощности и крутящего момента в достаточно широком диапазоне оборотов.
В прямоточной системе также используются промежуточные прямые трубы большего диаметра и резонаторы с пониженным сопротивлением. Если в выпускной системе установить на определённом расстоянии от клапана отражатель, известный как резонатор, то на определённых оборотах будет улучшена продувка цилиндров, что увеличит вращающий момент двигателя. Это явление именуется “настроенный выхлоп” и применяется для корректировки моментной характеристики. Если стоит задача увеличить мощность, как для спортивного мотора, то резонатор настраивают на участок, где обороты падают после максимума. Таким образом, достигается продление момента на более высоких оборотах. Если же необходимо создать более “тяговитый” двигатель на низах, то настраивают на участок, который растёт до достижения максимума.
Если машина оснащена каталитическим нейтрализатором, то вместо него устанавливают пламегаситель прямоточного типа – резонатор, который способен выдерживать максимальные температурные и механические нагрузки. Экологические требования стран СНГ все еще позволяют такие изменения.
Для уменьшения уровня шума устанавливается окончательный глушитель (так называемая «банка»), размещаемый как можно дальше, чтобы ослабить его влияние на резонансные характеристики. Прямоточный глушитель функционирует по принципу поглощения. Он состоит из внешней оболочки, в которой располагается перфорированная труба. Промежуток между трубой и оболочкой заполнен теплоустойчивым стекловолокном или другим похожим материалом. Мелкоячеистая сетка отделяет волокна наполнителя от трубы. Это необходимо для предотвращения выдувания волокон ваты из глушителя. Шум выхлопа эффективно рассеиватся наполнителем через перфорации. Такой глушитель практически не создает сопротивления для выхлопа.
Частота и уровень звука, создаваемого прямоточным глушителем, зависят от его размеров, числа и качества используемого наполнителя, диаметра отверстий в трубе, а также от количества этих отверстий. Глушитель сохраняет свои свойства до момента, пока имеется наполненное вещество. Однако, когда наполнители изнашиваются, он начинает звучать в унисон.
