из книги В.Н. Степанов
Тюнинг автомобильных двигателей: СПб., 2000. - 82 с.: ил.5. МОДЕРНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ВЫПУСКА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ
В современном автомобиле на систему выпуска отработавших газов (ОГ) возлагается несколько важных функций:
- глушение шума при выпуске ОГ до уровня, не превышающего установленных санитарных норм;
- уменьшение количества токсичных компонентов в ОГ до значений, не превышающих предельно допустимых концентраций.
Наряду с выполнением этих функций система выпуска должна обеспечивать:
- хорошую очистку и продувку цилиндров двигателя;
- минимальные потери энергии ОГ на пути от выпускных клапанов до лопаток соплового аппарата турбины;
- работу турбины при минимальных пульсациях потока ОГ.
Кроме того, система выпуска должна иметь относительно простую конструкцию и быть технологичной в изготовлении. Выполнение названных требований позволяет получить приемлемый расход топлива, снизить вероятность поломки лопаток турбины, уменьшить металлоемкость системы выпуска и облегчить ее обслуживание.
Основной проблемой при стремлении оснастить автомобиль эффективной системой глушения шума является трудность размещения глушителя достаточно больших размеров. Обычно эта проблема решается путем установки на автомобиль нескольких (до трех) последовательно соединенных глушителей с меньшими габаритами вместо одного большого. Важным требованием, предъявляемым при этом к выпускному тракту, является наличие минимального сопротивления движению ОГ и уменьшение за счет этого потерь мощности двигателя.
Для уменьшения количества токсичных компонентов в ОГ в выпускной тракт современных автомобилей устанавливается каталитический нейтрализатор. Особенность разработанных конструкций каталитических нейтрализаторов в том, что эффективную нейтрализацию содержащихся
в ОГ токсичных компонентов они осуществляют лишь при значении коэффициента избытка воздуха α = 0,994 ± 0,003. С целью определения количества содержащегося в ОГ кислорода и коррекции (при необходимости) состава топливовоздушной смеси, обеспечивающего эффективную работу каталитического нейтрализатора, в выпускном тракте устанавливается датчик обратной связи, так называемый лямбда-зонд, который называют также кислородным датчиком. На некоторых автомобилях фирмы Toyota такой датчик устанавливается как на входе газов в каталитический нейтрализатор, так и на выходе из него. Это позволяет блоку управления оценивать эффективность работы каталитического нейтрализатора.
Следует заметить, что при установке каталитического нейтрализатора сопротивление выпускного тракта неизбежно возрастает, что сопровождается некоторым уменьшением эффективной мощности двигателя (на 2 - 3 кВт). Чтобы общее сопротивление выпускного тракта при установке каталитического нейтрализатора сильно не возрастало, последний размещают обычно на месте предварительного глушителя. Поскольку максимальная экономичность двигателя имеет место при работе на обедненных смесях (≈α 1,05...1,15), то вынужденная работа двигателя во всем диапазоне нагрузок на смеси практически стехиометрического состава неизбежно ведет к снижению экономичности (до 5%).Выпускной тракт системы стремятся выполнить таким образом, чтобы при осуществлении возложенных на него основных функций он способствовал бы более полной очистке камер сгорания от остаточных газов и более полному наполнению цилиндров двигателя свежим зарядом . В зависимости от способа организации движения потока ОГ на участке от выпускных клапанов до входа в турбину турбокомпрессора выпускные системы разделяют на системы
постоянного давления,
импульсные,
импульсные с преобразователями импульсов
эжекционные однотрубные.Выпускные системы постоянного давления из-за имеющихся серьезных недостатков на автомобильных двигателях практически не
применяются.
Наибольшее распространение здесь получили системы импульсные и импульсные с преобразователями импульсов. Рассмотрим эти системы подробнее.
В силу цикличности протекания рабочего процесса в поршневых ДВС в выпускном тракте, как и во впускном, возникает колебательное движение газов, в результате которого образуется волна давления .
Благодаря большой разности давлений газа в цилиндре и выпускном тракте, в первый момент с начала открытия выпускного клапана из цилиндра выходит значительное количество газов. В этот период, называемый предварительным выпуском, создается распространяющаяся со скоростью звука волна давления. Эта волна, отражаясь от стенок выпускного трубопровода, при определенных обстоятельствах может воспрепятствовать дальнейшему вытеканию газа из цилиндра, обусловленному большой разностью давлений в начальный период выпуска. Последующая очистка цилиндра от остаточных газов осуществляется в этом случае лишь за счет выталкивающего действия поршня. Очевидно, что при таких условиях количество газов, остающихся в камере сгорания от предыдущего цикла, будет наибольшим. Это отрицательно скажется на последующем наполнении цилиндра свежим зарядом и соответственно на мощности, экономичности и экологических показателях двигателя.
Однако, образующуюся волну давления можно использовать и для создания за выпускным клапаном условий, способствующих улучшению очистки цилиндра от остаточных газов. Для этого выпускную систему необходимо настроить так, чтобы к концу процесса выпуска в период имеющейся фазы перекрытия клапанов за выпускным клапаном при прохождении волны образовалось разрежение. Это приведет к увеличению количества вытекающих из цилиндра остаточных газов и улучшению наполнения его свежим зарядом. Настройка выпускной системы осуществляется путем подбора длины и площади сечения выпускных трубопроводов . На начальном этапе работ названные параметры выпускной системы предварительно могут быть определены расчетным методом, однако затем необходима проверка и уточнение полученных результатов на испытательном стенде. При выполнении этих достаточно трудоемких работ с целью сокращения количества опытов для получения ожидаемого результата следует воспользоваться приемами, известными из теории планирования эксперимента.
Практика конструирования выпускных систем показывает, что чем больше цилиндров объединяет один выпускной трубопровод, тем меньше возникающая в трубопроводе результирующая амплитуда давления, образующаяся в результате наложения отдельных волн. Поэтому, чтобы избежать нежелательного наложения волн, выпускную систему выполняют в виде нескольких расположенных веером (один над другим) трубопроводов, в каждый из которых осуществляется выпуск газов не более чем из трех цилиндров. Для предотвращения нежелательного наложения волн потоки газа из цилиндров объединяются трубопроводами так, чтобы обеспечить чередование выпусков газа в каждый трубопровод с максимально возможными интервалами. При этом необходимо стремиться обеспечить одинаковую длину выпускных трубопроводов (на практике это не всегда удается реализовать из-за имеющихся габаритных ограничений). Выполнение названных условий возможно при веерообразном расположении выпускных трубопроводов, когда они располагаются один над другим. Обеспечение одинаковой длины трубопроводов позволяет настроить систему выпуска на определенный диапазон частоты вращения КВ . В импульсной выпускной системе подвод ОГ к турбине осуществляется отдельными трубопроводами от каждой группы цилиндров.В импульсной выпускной системе с преобразователем импульсов трубопроводы, объединяющие выпуск из двух или трех цилиндров, переходят в выполняющую преобразование импульсов Y-образную трубу, два тракта которой через определенное расстояние объединяются в один. По сравнению с классической импульсной выпускной системой импульсная система с преобразователем импульсов проигрывает по габаритным показателям, но позволяет повысить КПД турбокомпрессора и увеличить ресурс турбины.
Что мы знаем об оппозитном двигателе? То, что поршни в нем двигаются горизонтально. Что данный двигатель является лицом автомобилей Subaru. Пожалуй, все. Давайте узнаем немного больше.
Оппозитный двигатель является одной из компоновочных схем двигателя внутреннего сгорания , в которой поршни находятся под углом 180° и двигаются в горизонтальной плоскости друг к другу и друг от друга. При этом два соседних поршня всегда находятся в одинаковом положении, например в верхней мертвой точке.
Движение поршней в двигателе напоминает поединок боксеров, поэтому другое название оппозитного двигателя - боксер (boxer). Особенностью конструкции оппозитного двигателя является установка каждого поршня с шатуном на отдельной шатунной шейке коленчатого вала . Оппозитный двигатель всегда имеет четное количество цилиндров (2, 4, 6, 8, 10, 12). Самые распространенные в настоящее время четырех- и шестицилиндровые «оппозитники».
Оппозитный двигатель не нужно путать с V-образным двигателем и углом развала цилиндров 180°. При внешнем сходстве в таком двигателе соседние поршни с шатунами располагаются на одной шатунной шейке. Поэтому, когда один поршень достигает верхней мертвой точки, другой находится в нижней мертвой точке.
Неоспоримыми преимуществами оппозитного двигателя являются низкий центр тяжести, минимальные вибрации при работе и высокий уровень безопасности при лобовом столкновении.
Смещенный вниз центр тяжести оппозитного двигателя позволяет добиться лучшей устойчивости и управляемости автомобиля. Низко расположенный двигатель находится на одной оси с трансмиссией, чем достигается более эффективная передача мощности.
Оппозитный двигатель практически полностью лишен вибраций (имеет место только момент от сил инерции второго порядка, стремящийся развернуть двигатель вокруг вертикальной оси). Взаимно согласованное движение соседних поршней обеспечивает плавную работу двигателя. Баланс масс в оппозитном двигателе позволяет произвести установку коленчатого вала на трех коренных подшипниках (вместо обычных пяти), что значительно сокращает длину двигателя и его вес.
Оппозитный двигатель в большей степени отвечает требованиям пассивной безопасности. При лобовом столкновении мотор уходит вниз под автомобиль и, тем самым, сохраняет жизнь пассажиров в салоне. Не менее важным для водителей достоинством оппозитного двигателя является характерный звук его работы, отличающийся от других ДВС.
К сожалению, оппозитный двигатель не лишен и недостатков. Самым серьезным, на наш взгляд, является высокая трудоемкость ремонтных работ, связанная с особенностью конструкции двигателя. Так, для выполнения отдельных ремонтов требуется снятие двигателя с автомобиля. В некоторых источниках отмечается, что горизонтальное движение поршня приводит к неравномерному износу гильзы цилиндра и, как следствие, повышенному расходу масла. Ввиду определенных габаритных размеров оппозитный двигатель устанавливается на автомобиль только продольно.
В настоящее время оппозитные двигатели разрабатывают и устанавливают на свои автомобили компании Subaru и Porsche. Ранее оппозитный двигатель можно было увидеть на автомобилях Alfa Romeo, Citroen, Chevrolet, Honda, Lancia, Toyota, Volkswagen и даже Ferrari.
Компания Subaru использует оппозитные двигатели с 1963 года. Это четырех- и шестицилиндровые Boxer . История четырехцилиндровых двигателей от Subaru насчитывает три поколения: серия EA (1966-1994); серия EJ (1989-1998, коленчатый вал на 5 коренных подшипниках, 1999-2010, коленчатый вал на трех коренных подшипниках); серия FB (с 2010 года). Шестицилиндровые Boxer пошли в производство несколько позже - серия ER (1987-1991), серия EG (1992-1997), серия EZ (с 1999 года).
Абсолютное большинство оппозитных моторов это бензиновые двигатели с распределенным впрыском топлива и верхней системой газораспределения. Они имеют один (SOHC) или два (DOHC) распределительных вала , которые приводятся от коленчатого вала зубчатым ремнем или цепью. Несмотря на разное количество распределительных валов в двигателях реализована четырехклапанная схема газообмена. Ряд двигателей оснащен турбонаддувом .
Четырехцилиндровый Boxer третьего поколения получился более простой, компактный, экономичный и безвредный. Для снижения расхода топлива, уменьшения токсичности выбросов, увеличения величины крутящего момента и расширения его границы в новых двигателях использовано множество прогрессивных технических решений:
- увеличена степень сжатия за счет увеличения хода поршня и уменьшения объема камеры сгорания;
- снижен вес движущихся деталей (шатуна, поршня, коленчатого вала) за счет изготовления ковкой;
- на распределительных валах впускных и выпускных клапанов использована система изменения фаз газораспределения (система активного управления клапанами AVCS);
- применен новый масляный насос, обеспечивающий высокое качество смазки и увеличивающий ресурс двигателя;
- использована система охлаждения с раздельными контурами для охлаждения блока цилиндров и головки блока.
В 2008 году Subaru впервые представила дизельный оппозитный двигатель . Четырехцилиндровый мотор, объемом 2,0 литра, развивает мощность 150 лс. В нем использована система впрыска Common Rail , система турбонаддува с турбиной с изменяемой геометрией .
На ряд моделей автомобилей Porsche (911, Boxster, Cayman) устанавливаются шестицилиндровые оппозитные двигатели. В свое время для использования в автогонках были разработаны 8 и 12-цилиндровые оппозитные двигатели.
Оппозитным называется двигатель, цилиндры которого расположены в горизонтальном порядке относительно друг друга. Подобная схема строения имеет название: V-образный двигатель с углом развала цилиндров 180 градусов. С английского языка слово «opposite» переводится — «расположенный напротив». Рассмотрим оппозитный двигатель — плюсы и минусы.
Особенности оппозитного мотора
Несмотря на сходство с V-образным мотором, оппозитник не имеет с ним ничего общего. Отличие состоит в том, что в оппозитнике два соседних поршня расположены в одной плоскости относительно друг друга. В V-образном движке поршни при движении в определенные моменты занимают положение верхней и нижней «мертвой точки». В оппозитнике они одновременно достигают либо верхней «мертвой точки», либо нижней. Такое усовершенствование V-образного мотора получилось в результате расположения цилиндров под развернутым углом.
Другим новшеством стало расположение газораспределительных механизмов в вертикальной плоскости. Все это освободило конструкцию силовых агрегатов от несбалансированности и повышенных вибраций, а движение на авто сделало максимально комфортным. Теперь вибрации от двигателя не передаются кузову и не сотрясают машину.
Оппозитные моторы всегда имеют четное число цилиндров. Наибольшее распространение получили четырех- и шестицилиндровые двигатели.
Особенности конструкции силового агрегата типа «боксер» обладают значительными преимуществами перед другими видами моторов:
Центр тяжести смещен вниз;
экономичный расход топлива;
низкий уровень вибраций;
увеличенный ресурс мотора;
пассивная безопасность при лобовом столкновении.
Смещенный вниз центр тяжести позволяет добиться лучшей устойчивости авто и оптимальной управляемости при активных маневрах и
крутых поворотах. Во время резких поворотов значительно уменьшается крен. Расположение движка на одной оси с трансмиссией обеспечивает лучшую передачу мощности. Отсутствие уравновешивающих валов экономит расход топлива.
Двигатель работает в плавном режиме. Низкий уровень вибрации мотора достигается, благодаря согласованному вращению соседних поршней. Расположение коленвала на трех подшипниках, вместо пяти обычных,- еще одно преимущество оппозитного двигателя. Это значительно уменьшает массу движка и его длину.
Расположение поршней в горизонтальной плоскости придает системе большую жесткость, что значительно уменьшает механические потери при работе силового агрегата.
Пассивная безопасность обеспечивается тем, что при столкновении мотор легко уходит вниз под машину. В результате происходит снижение интенсивности направленного на пассажирский салон удара.
Увеличенный диаметр цилиндров обеспечивает мотору высокие обороты, что дает возможность создавать на этой базе модели спортивного типа.
Еще одной особенностью является характерный звук при работе оппозитного силового агрегата: он приятнее для слуха.
Недостатки оппозитного двигателя.
Преимущества оппозитного двигателя налицо. Недостатками являются:
Трудоемкий ремонт;
повышенный расход моторного масла.
Чтобы провести ремонт двигателя, его полностью снимают. Однако не в этом проблема. Детали для замены стоят очень дорого, а сбор движка доставляет немалые головные боли. Если при ремонте рядного мотора водитель может самостоятельно заменить свечи, то в оппозитнике это невозможно. Любой ремонт необходимо проводить на специальном оборудовании, которое имеется только на СТО.
История возникновения оппозитника
Изначально данный вид силового агрегата применялся в военной промышленности, в частности, на отечественных танках. В дальнейшем на подобных движках ездили Икарусы и мотоцикл Днепр МТ. В данное время установкой оппозитника на свои изделия занимаются две фирмы — Porsche и Subaru.
Первые разработки появились в тридцатых годах прошлого столетия, когда инженеры концерна Volkswagen начали усовершенствовать V-образный и рядный движок. В шестидесятых годах идею перехватила японская фирма Субару. В 2008 году Subaru выпускает первый оппозитник, работающий на дизеле. Отличительные особенности — четырехцилиндровый движок с вместительностью 2 литра. Показатель мощности — 150 л/с.
Видео принцип работы опозитного двигателя Subaru
Несмотря на дороговизну запчастей и обслуживание в СТО, удовольствие от езды на авто, оснащенных «боксером», не сравнить ни с чем. Высокая устойчивость, легкая управляемость, отзывчивость авто на все действия водителя говорят сами за себя.
С одной стороны, большие, могучие двигатели V8 и V12 имеют свою привлекательность, есть что-то особенное в их звучании. Плюс мощность. Но своя толика логики есть и в малообъемных гоночных моторах, которые на максимальных оборотах жужжат словно те силовые агрегаты .
Вот, например, . Высокооборотистый оппозитный двигатель, EJ207, его обожают тюнеры и есть за что. Вот, например, австралийская тюнинг компания GotitRext решила поднять показатели «боксера» на новые высоты.
Компания взялась за тюнинг оппозитного двигателя , снабдив его новыми внутренностями и турбиной Garrett GTW3884. Невероятно, с мотора в 2.0 литра таким образом удалось «снять» 610 л.с. с колес! Однако, это не самое интересно.
Самым большим достижением команды инженеров стала возможность в реализации очень высоких оборотов. 12 тыс. оборотов в минуту! Вот в какой невероятный «потолок» уперлись показатели этого движка.
Непонятно, как фирме GotitRext удалось вывести показатели на такой необыкновенно высокий уровень и не потерять в надежности двигателя (в компании уверяют, что это так). Из-за того, что не каждая трансмиссия выдержит такие показатели мощности и крутящего момента, трансмиссия также была переделана.
Оппозитным двигателем называется двигатель с горизонтальной компоновкой поршней, то есть, поршни двигаются горизонтально относительно кузова автомобиля. Такая компоновка часто встречается на двигателях компании Subaru, .
В оппозитном двигателе поршни расположены под углом 180°, а их движение находится в одной горизонтальной плоскости относительно друг друга. Соседние поршни в оппозитном двигателе располагаются одинаково по отношению друг к другу. Второе название "оппозитников" - «boxer», это название моторы получили за особенность движения поршней, которое напоминает бой боксеров. Звук работы оппозитного мотора сложно спутать со звуком обычного мотора.
В отличие от классического V-образного , у оппозитного мотора каждый поршень с шатуном располагается на отдельной шатунной шейке коленвала. У V-образных моторов поршни и шатуны находятся на одной шатунной шейке, поэтому если один поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ), то второй - в нижней ВМТ.
Главные неоспоримые "плюсы" оппозитного двигателя:
- Минимальная вибрация во время работы;
- Низкий центр тяжести;
- Высокая степень безопасности в случае лобового столкновения. В случае лобового удара мотор уходит под машину, что позволяет водителю и пассажиру выжить в ДТП и выйти из него с минимальными травмами.
- Прекрасная устойчивость, машина, что называется "держит дорогу" и прекрасно справляется даже с самыми крутыми поворотами.
- Расположение в одной плоскости с трансмиссией обеспечивает максимально эффективную передачу мощности.
В тоже время при всех вышеперечисленных преимуществах, оппозитный мотор имеет другую проблему, из-за особенности конструкции на мотор воздействуют силы инерции, которые пытаются развернуть его вокруг вертикальной оси. Вес этого типа двигателей чаще всего гораздо ниже чем у V-образных аналогов, этого удается достичь благодаря установке