Nowa strona 1

Wydechy

© prawa autorskie - Grzegorz Grabowski

Na początek kilka uwag natury ogólnej, otóż:

1. Podstawowym zadaniem układu wydechowego jest wspomaganie wymiany ładunku i zgodnie z życzeniem konstruktora wpływanie na charakterystykę silnika. Ponadto, tłumienie hałasu oraz odprowadzanie spalin poza obrys samochodu.

2. Początkiem układu wydechowego jest zawór wydechowy, zaś końcem z reguły wylot spalin do atmosfery lub wylot spalin z puszki pojemnościowej do rury odprowadzającej spaliny poza obrys samochodu.

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, jak ma to miejsce w większości silników samochodów seryjnych, lub dynamicznie i falowo w silnikach samochodów sportowych oraz wyczynowych.

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 możliwe jest 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 pozostawiała wiele do życzenia, ponieważ będzie kształtowana niemal wyłącznie przez układ ssący, tym nie mniej będzie wystarczająca do tego, aby dało się samochodem jechać.
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.

W układach wydechowych występują 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 współotwarcia 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, a 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 z cylindra spaliny tworzą falę nadciśnienia, która przemieszcza się od gniazda wydechowego do końca rury. Na końcu rury na skutek różnicy ciśnień, fala odbija się zmieniając znak i już jako fala podciśnienia wraca do gniazda wydechowego. Prędkość przemieszczania się fali wynosi ok. 510 m/sek ( jest to średnia prędkość dźwięku przy ciśnieniu i temperaturze w wydechu ). W czasie przemieszczanie się fali do końca rury 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.

Dopóki powracająca z końca rury 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 swoim ruchem wypycha spaliny.

Sytuacja ulega zmianie, gdy obroty silnika osiągną taką wartość, że powracająca z końca rury fala podciśnienia pojawi się w cylindrze w początkowym momencie otwierania się zaworu ssącego, rozpoczynając zakres działania falowego wydechu. Od tego momentu pomimo powiększającej się szczeliny w zaworze ssącym, spaliny już nie są wtłaczane do układu ssącego. Pomimo trwającej 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 dzieje się dalej. Silnik nadal się rozpędza zwiększając obroty, a fala nadal się przemieszcza w rurze ze stałą prędkością. W związku z tym, powracająca z końca rury 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 już po GMP tłoka. Zakres działania falowego kończy się, gdy obroty silnika osiągną taką wartość, przy których powracająca fala podciśnienia wróci do komory spalania w końcowym momencie zamykania się zaworu wydechowego.

Siła działania odbitej fali zależy od różnicy ciśnień i ilości odbić. Im większa różnica ciśnień - tym większa siła odbicia fali. Dlatego najbardziej skutecznym rozwiązaniem jest wprowadzenie rur z poszczególnych cylindrów do atmosfery lub wspólnej puszki pojemnościowej o odpowiednio dużej średnicy i zdławieniu na wylocie. Im mniejsza ilość odbić - tym większa siła odbicia fali. Najmocniejsze jest odbicie pierwsze, a każde następne słabsze o ok. 12%. Z tego powodu należy obliczać długość rur dla możliwie najmniejszej liczby odbić.

Zakres działania falowego

Długość rur wydechowych decyduje jedynie o obrotach początku działania falowego. Zaś zakres obrotów ich działania falowego zależy od czasów rozrządu. Zakres ten obliczamy dzieląc całkowity kąt krzywki wydechowej przez mierzony na wale korbowym kąt zawarty pomiędzy początkiem otwarcia zaworu wydechowego, a początkiem otwarcia zaworu ssącego ( nigdy odwrotnie ).

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 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 np. 225 stopni, a kąt między osiami krzywek 220 stopni. Teraz zakres działania falowego 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 wyczynowych układów wydechowych w pełni 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 niemal bez znaczenia.

Dlatego do większości silników z krótkimi czasami rozrządu najczęściej 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. Natomiast 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 siłą rzeczy zakres działania falowego wydechu z reguły dobierany jest do najbardziej niekorzystnego przełożenia skrzyni biegów. 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.

Ważnymi wymiarami układów wydechowych są:

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.

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 i dynamicznie jak również wyłącznie dynamicznie i najczęściej nie występuje w przyrodzie jako gotowa średnica rury handlowej. Dlatego 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.

długość rur

Optymalna długość rury wydechowej jednego cylindra zależy od obrotów, przy których chcemy, aby wystąpił początek działania falowego wydechu oraz od mierzonego na wale korbowym kąta pomiędzy otwarciem zaworu wydechowego, a otwarciem zaworu ssącego. W przypadku jednakowych krzywek ssących i wydechowych, będzie to kąt między osiami krzywek.

Przyjmijmy dla przykładu, że czasy rozrządu w naszym silniku, to 40/80 80/40. Wałek taki ma długość 40+80+180=300 stopni. Kąt między osiami krzywek mierzony na wale korbowym będzie wynosił 80-40+180=220 stopni.

Załóżmy, że naszym zamiarem 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. W ten sposób obliczyliśmy długość 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. fala 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.

długość rury dla drugiego odbicia fali, obliczamy ze wzoru:

L=K/n*2125 ( cm )

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

pojemność całego układu

Pojemność całego 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.

Dla jednocylindrowego silnika, pojemność całego układu wydechowego powinna być równa pojemności rury o wyliczonej średnicy i wyliczonej długości dla pierwszego odbicia fali. Oczywiście, jeżeli silnik jest wielocylindrowy, to pojemność całkowita układu wydechowego powinna być równa sumie pojemności rur wydechowych o wyliczonej średnicy i długościach rur wyliczonych dla pierwszego odbicia fali. Jednak najczęściej rury kolektora wyliczamy dla drugiego lub trzeciego odbicia fali i wtedy brakującą pojemność zawieramy w puszcze pojemnościowej lub w rurze zbiorczej i tłumikach komorowych. W przypadku stosowania tłumików absorpcyjnych ( wypełnionych specjalną wełną ), należy do wyliczonej pojemności całego układu dodać pojemność traconą na w/w wełnę.

Na pojemność całkowitą układu wydechowego silnika wyczynowego składa się pojemność rur ( od zaworów wydechowych ) oraz pojemność puszki rezonansowej lub rury zbiorczej.

Na pojemność całkowitą układu wydechowego do dupowozu składa się pojemność rur kolektora wydechowego ( od zaworów wydechowych ), pojemność rury zbiorczej oraz tłumików.

Wzór na pojemność całego układu wydechowego, od gniazd wydechowych do końca układu:

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

średnica wylotu spalin

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.

Wydechy wyczynowe i sportowe kolektory wydechowe do N/A

Jak już wcześniej wspomniałem, zakres działania falowego wydechu zależy od czasów rozrządu i jest to stosunek całkowitego kąta otwarcia zaworu wydechowego do kąta zawartego pomiędzy otwarciem zaworu wydechowego, a otwarciem zaworu ssącego. Natomiast zakres działania dynamicznego wydechu zależy od jego konstrukcji ( 4-2-1 lub 4-1 ) i stosunku średnic kolejnych rur kolektora. Zwiększanie zakresu działania z reguły odbywa się w kierunku niższych obrotów i zawsze ze stratą skuteczności, proporcjonalną do wielkości zwiększenia. Oczywiście stosowanie kolektorów możliwe jest wyłącznie w silnikach wielocylindrowych. W silnikach jednocylindrowych namiastką kolektora wydechowego może być pojedyncza rura o zmiennej średnicy.

Jak juz wyjaśniałem wcześniej, w rurach układu wydechowego przy pewnej prędkości i intensywności przepływu spalin występuje tzw. działanie dynamiczne, które ma bardzo korzystny wpływ na proces opróżniania cylindra ze spalin, a tym samym napełniania cylindra świeżym ładunkiem. Niestety potrzebna dla wystąpienia działania dynamicznego prędkość przepływu spalin w pojedynczej rurze wydechowej jednego cylindra pojawia się dopiero przy dość znacznych obrotach, szczególnie jeżeli jest to rura o dużej średnicy, obliczonej dla uzyskania możliwie maksymalnej mocy. Oczywiście w silnikach wyczynowych to nie przeszkadza, jednak w silnikach samochodów sportowych lub cywilnych, w których powinien być tzw. dobry dół niemal od wolnych obrotów - jest to nie do przyjęcia. I właśnie od tego, aby ten dobry dół spowodować jest kolektor wydechowy, ponieważ istotą i chytrością działania kolektora wydechowego jest stosowne do potrzeb zwiększanie prędkości i intensywności przepływu w rurach wydechowych poprzez ich odpowiednie łączenie ze sobą i odpowiednie średnice. Dla lepszego wyjaśnienia posłużę się przykładem, w którym dla ułatwienia wyjaśnienia wszystkie rury kolektora będą miały identyczną średnicę i pojemność.

Załóżmy, że mamy czterocylindrowy silnik z układem wydechowym, który ( na razie ) składa się wyłącznie z czterech pojedynczych rur o potrzebnej średnicy i długości, przykręconych do głowicy silnika. Załóżmy również, że działanie dynamiczne tego układu wydechowego zaczyna się od 5000obr/min, a silnik potrzebny jest nam do jazdy na co dzień, a nie do wyścigu. Tak więc musimy przesunąć początek działania dynamicznego naszego wydechu na zdecydowanie niższe obroty. Aby to zrealizować łączymy koniec rury pierwszego cylindra z końcem rury czwartego cylindra i analogicznie drugiego z trzecim. Dlaczego akurat tak? Dlatego, że kolejność pracy w większości silników czterocylindrowych jest 1-3-4-2 i połączenie j/w spowoduje, że odstępy pomiędzy pracami cylindrów połączonych ze sobą rur będą równe i będą wynosiły po 360 stopni obrotu wału korbowego.
Po połączeniu końców rur j/w w efekcie otrzymaliśmy dwa wyloty spalin zamiast czterech. Do każdego z tych dwóch wylotów spalin łączymy jedną rurę o tej samej średnicy co każda z rur poprzedzających ale o dwukrotnie większej całkowitej długości. Długość zwiększyliśmy dwukrotnie, aby zachować identyczną pojemność co zagwarantuje nam brak dominacji działania dynamicznego czterech rur nad dwiema.
Sprawdzamy zmiany w działaniu dynamicznym naszego zmodernizowanego układu wydechowego i cóż się okazuje. Skutkiem przeprowadzonych modyfikacji początek działania dynamicznego naszego układu wydechowego przesunął się z 5000obr/min na 2500obr/min. Stało się tak dlatego, że skutkiem połączenia 4-2 każda z dwu końcowych rur zaczęła działać z dwukrotnie większą częstotliwością i intensywnością przepływu niż każda z czterech rur je poprzedzających.
Jeżeli następnie dwie końcowe rury połączymy w jedną rurę zbiorczą o identycznej średnicy i pojemności co rury poprzedzające, to spowodujemy kolejne przesunięcie początku działania dynamicznego naszego układu wydechowego z 2500obr/min na 1250obr/min. Tak więc zmieniając cztery oddzielne rury wydechowe w kolektor wydechowy o konstrukcji 4-2-1 składający się ( w tym wypadku ) z rur o tej samej średnicy i pojemności, spowodowaliśmy przesunięcie początku działania dynamicznego wydechu z 5000obr/min na 1250obr/min, a o to nam właśnie chodziło.

Tak więc łącząc ze sobą i dobierając średnicę rur wchodzących w konstrukcje naszego kolektora, powodujemy potrzebne rozszerzenie i przesunięcie w zakres niższych obrotów początku działania dynamicznego układu wydechowego, a dobierając długości rur ( pojemności ) wpływamy na to, które rury kolektora będą miały dominujące działanie dynamiczne.

W silnikach czterocylindrowych stosowane są dwa rozwiązania kolektorów, a mianowicie 4-2-1 lub 4-1. W przypadku zdecydowanej większości kolektorów wydechowych o konstrukcji 4-2-1 dobierając długości rur bierze się pod uwagę przede wszystkim ich pojemność, ponieważ działają one głównie dynamicznie. Co się zaś tyczy działania falowego, to odbicie fali występuje na różnicy ciśnień, tak więc na każdym łączeniu rur i każdej zmianie średnicy. Oczywiście można obliczać kolektor 4-2-1 dla działania falowego, ale należy pamiętać, że każde odbicie osłabia impuls o ok. 12%, a w takim kolektorze ( gdyby brać pod uwagę wszystkie ) odbić fali jest sporo.

Obliczając falowo kolektor 4-2-1 bierze się pod uwagę czasy rozrządu decydujące o zakresie działania falowego oraz obroty, od których to działanie ma występować. Oblicza się zaś w taki sposób, aby koniec zakresu działania falowego dla jednych rur, był początkiem zakresu działania dla rur następnych.

Standardowo w przypadku kolektorów wydechowych o konstrukcji 4-2-1 stosunek średnic wewnętrznych rur powinien wynosić 1,1892, a w przypadku konstrukcji 4-1 powinien wynosić 1,4142.

Jeżeli więc budujemy kolektor wydechowy o konstrukcji 4-2-1 i obliczona średnica wewnętrzna dla czterech pierwszych rur wynosi np. 34, to następne dwie rury zbiorcze powinny mieć średnicę wewn. 34*1,1892=40,43 a ostatnia, pojedyncza rura zbiorcza powinna mieć średnicę wewn. 40,43*1,1892=48,08

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
o skuteczności działania falowego decyduje konstrukcja kolektora

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 ).

cdn.