Правда о настроенном резонаторе

Аватара пользователя
tuner
Сообщения: 87
Зарегистрирован: 20 авг 2005, 08:00
Откуда: Novosibirsk
Контактная информация:

Правда о настроенном резонаторе

Сообщение tuner »

Учавствовал я как то раз в научно практической конференции, тема - расчёт оптимальных размеров выпускного резонатора для двухтактных бензиновых двигателей внутреннего сгорания...

Начну со списка принятых сокращений
  • ДВС - двигатель внутреннего сгорания
  • ОГ – отработавшие газы
  • ГС – горючая смесь
  • ГС – горючая смесь
  • НМТ – нижняя мёртвая точка
  • ВМТ – верхняя мёртвая точка
  • КПД – коэффициент полезного действия
  • СЭМД – средне эффективное машинное давление
  • ЭДВО – эффективный диаметр выпускного окна
  • Kh – пиковый коэффициент

Известно, что выпускная система двухтактного двигателя влияет на мощность двигателя, на расход горючего и на шумовые характеристики. Соответственно, для оптимального согласования этих параметров используются оптимально настроенные выпускные системы. Их суть состоит в том, чтобы обеспечить максимальную мощность двигателя при минимальном расходе топлива и низком уровне шума.
Понятие оптимально настроенной выпускной системы для производителей двухтактных двигателей и потребителей является разным. Это объясняется, прежде всего, требованиями к двигателю. Так, для выпускной системы обычного серийного двигателя руководство предприятия вынужденно искать компромисс между следующими параметрами: уровень шума, себестоимость, влияние системы на мощность двигателя. Основополагающим параметром является именно себестоимость.
Предприятие изготовитель при разработке выпускной системы делает упор на лёгкость в изготовлении и высокий коэффициент понижения шума, а повышению мощности уделяется не так много внимания, как хотелось бы. Поэтому подбор оптимальной выпускной системы является актуальным, при этом заметно может быть увеличена мощность двигателя, повышена его экономичность без серьёзных вмешательств в конструкцию двигателя.
Целью данной работы стало создание программы для расчёта оптимальных размеров выпускного резонатора двухтактного бензинового двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Выпускная система двухтактного двигателя является одной из его важнейших составляющих.
Клапанного механизма, который не позволяет выхлопным газам беспорядочно выходить в окружающую среду. В случае отсутствия выпускной системы, мы получили бы проблему: двигаясь по инерции, выхлопные газы создают сильное разрежение не только над поршнем, но и около выпускного окна; в результате чего, горючая смесь, находясь под давлением из картера заполнит не только пространство над поршнем, но и выпускной патрубок. Такая ситуация недопустима, так как это усиливает загрязнение окружающей среды, понижает экономичность двигателя, его мощность и КПД.
Мощность двигателя зависит в большей степени от того, сколько энергии будет выделяться при горении смеси над поршнем а это, в свою очередь, зависит от количества смеси . Из этого следует, что для повышения мощности все выхлопные газы должны выйти, так как они мешают горению и препятствуют проникновению смеси из картера в камеру сгорания, а смесь воздуха и бензина должна полностью остаться над поршнем, т.е. её количество должно быть максимально возможным . Другими словами, коэффициент наполнения цилиндра должен быть настолько большим, насколько это возможно.
Для решения этой проблемы используется выпускной резонатор (рис.2, рис.3). Это устройство, в котором происходят сложные пульсирующие возвратно-поступательные движения волн газов, имеющих определенную частоту.
Для оптимального резонатора необходимо, чтобы к моменту закрытия выпускного окна обратная волна обеспечила возврат части рабочей смеси, вылетевшей вслед за выхлопными газами, в цилиндр. Иначе говоря, требуется достижение резонанса или согласования частоты собственных колебаний волны газов с частотой импульса этой волны на выпуске, т. е. с числом оборотов двигателя. Но так как частота собственных колебаний волны зависит еще и от параметров резонатора (сечения, длины), а также от температуры газа в нём, необходим их тщательный подбор.
Общий вид экспоненциального резонатора представлен на рис.2.
Основное свойство экспоненциальных переходов - это минимальное отражение назад. То есть, звуковая волна, вошедшая в экспоненциальный раструб, испытает минимальное отражение и почти целиком перейдет в следующий широкий раструб. Это необходимо для того, чтобы часть волны всё же выходила в окружающую среду, в противном случае, выхлопные газы быстро заполнят резонатор и двигатель прекратит свою работу. Именно поэтому этот тип геометрии выпускной системы является наиболее удачным. В мировом производстве практически не используются другие типы выпускных систем для двухтактных двигателей.
ИзображениеРис.2 Общий вид экспоненциального резонатора
Выпускная система двухтактного двигателя (рис. 3) состоит из цилиндра 1(выпускного окна), выпускной трубы 2, прямого конуса 3, цилиндрической части резонатора 4, обратного конуса 5 и глушащей части 6, имеющей ряд перегородок, отверстий и трубок. Часть выпускной системы от выпускного окна до малого отверстия обратного конуса можно назвать мощностной частью, настройка которой оказывает наибольшее влияние на мощность двигателя. Необходимо, однако, заметить, что глушащая часть также может оказывать заметное влияние на мощность.
Истечение газов из цилиндра сопровождается возникновением волн давления и повышением скорости газов, как в самом цилиндре, так и в системе выпуска. При истечении в цилиндре образуется разрежение, а в выпускной системе – волна избыточного давления (сжатия).
ИзображениеРис.2 Общий вид экспоненциального резонатора
I-мощностная часть; II- глушащая часть; 1-цилиндр; 2-выпускная труба; 3-прямой конус; 4-цилиндрическая часть; 5-обратный конус; 6-глушитель.
Эффекты влияния ускоренных масс и колебания давления в выпускной системе представляют собой два различных явления, однако, они тесно связаны между собой.
Первый эффект основан на том, что газовый поток, приобретя в момент открытия выпускного окна некоторое ускорение, обеспечивает за счёт сил инерции добавочное движение газа даже тогда, когда перепад давлений, вызывающий это ускорение, меняет свой знак. За счёт этого в цилиндре перед выпускным окном и в начале выпускного патрубка может появиться разрежение.
Второй эффект – колебание давлений оказывает влияние на дальнейшие явления, происходящие в цилиндре и системе выпуска. При настройке выпускной системы, колебания давлений имеют очень важное значение.
Если к выпускному патрубку присоединена прямая труба, оканчивающаяся отверстием того же или большего диаметра, то волна давления, дойдя до конца трубы, отражается от него в виде волны разрежения, двигающейся со скоростью звука в обратном направлении, т.е. к цилиндру. В том случае, если выпускная труба оканчивается стенкой с отверстием меньшего диаметра, волна давления отражается от этой стенки в виде волны избыточного давления, перемещающейся к цилиндру.
В результате действия отражённой волны разрежения, увеличивается разрежение в цилиндре, что улучшает очистку его от отработавших газов и поступление свежей смеси из кривошипной камеры. Однако при этом часть заряда свежей ГС выходит через выпускное окно в трубу.
Изображениеа) идеально настроенная выпускная система
Изображениеб) неудачно настроенная выпускная система
Рис.4. Диаграмма давления у выпускного окна
Отражённая волна давления выталкивает эту часть заряда обратно в цилиндр, если выпускное окно ещё остаётся открытым. На рис. 4 а), показана диаграмма давления у выпускного окна в зависимости от угла поворота кривошипа. Точка 1 соответствует началу открытия выпускного окна. Давление вблизи выпускного окна сначала начинает резко возрастать, затем, достигнув максимума, падает и у н.м.т. имеет отрицательную величину; далее постепенно давление снова начинает расти и после точки 3, соответствующей закрытию продувочных окон, опять становится положительным. В точке 4 выпускное окно закрывается, а даление пред окном начинает падать. Так выглядит диаграмма давления у окна в случае идеальной настройки выпускной системы.
На протяжении почти всего периода продувки, т.е. между точками 2 и 3, имеется разрежение, способствующее выходу отработавших газов и увеличению коэффициента наполнения за счёт увеличения разности давлений в кривошипной камере и цилиндре. После закрытия продувочного окна начинается действие отражённой волны избыточного давления и дозарядка цилиндра за счёт свежей смеси, попавшей в выпускную трубу, т.е. дальнейшие увеличение коэффициента наполнения.
На рис. 4, б), показана диаграмма давлений у выпускного окна при неудачной настройке выпускной системы. На протяжении процесса продувки имеется избыточное давление, препятствующее выходу отработавших газов, а между моментами закрытия продувочных окон (точка 3) и закрытия выпускного окна (точка 4) имеется разрежение, способствующее истечению части заряда свежей смеси в выпускную систему, т.е. увеличению коэффициента прямого выброса.
Время прихода отражённых волн разрежения и волн избыточного давления зависит от скорости звука и длины частей выпускной системы и не зависит от числа оборотов двигателя. Время открытия выпускного окна для дозарядки цилиндра данного двигателя зависит от числа оборотов. Таким образом настройка выпускной системы позволяет увеличить мощность двигателя только в некотором диапазоне чисел оборотов.
Назначение прямого конуса 3 (см. рис. 1) состоит в том, чтобы создать отражённые волны разрежения, а обратного конуса 5 – волны избыточного давления. Подбирая длину самих конусов и их положение относительно выпускного окна путём изменения длины трубы 2 и цилиндрической части 4, производят настройку системы. Увеличение длины всех элементов снижает число оборотов максимальной мощности; уменьшение длины выпускной системы приводит к их увеличению.
Программа
приложение
помощь
Созданная мной программа представляет собой пользовательский интерфейс, куда пользователь вводит данные своего двигателя, затем запускает расчёт параметров, при этом программа выводит в соответствующие поля дополнительные параметры двигателя, а также размеры выпускного резонатора для данного ДВС. Результаты расчёта не являются абсолютными, так как часть используемых формул была выведена экспериментальным путем (т.е. возможны погрешности).
Максимально эффективный резонатор можно получить только в ходе экспериментов с резонаторами разных размеров. Это связано с тем, что каждый двигатель обладает рядом уникальных параметров и не всегда введённые значения (взятые из паспорта двигателя) являются абсолютно точными, в частности, указанная мощность двигателя может варьироваться в пределах 5%.
Для начала работы с программой необходимо ввести параметры двигателя в поле "исходные параметры двигателя" на форме 1 "Расчёт резонатора" и затем нажать на кнопку "рассчитать резонатор". Полученные результаты можно сохранить, нажав на кнопку "сохранить параметры". Начинать работу можно с загрузки параметров, для этого нужно нажать кнопку "загрузить параметры".
Kh - пиковый коэффициент.
Этому коэффициенту присваиваются типовые значения между единицей и двойкой (подбирается экспериментально). Малые величины Kh лучше подходят для Гран-при двигателей с многоступенчатыми КПП, неравномерной характеристикой крутящего момента и с узкими участками мощности, большие значения - для широкодиапазонных двигателей с пологой характеристикой мощности и крутящего момента, с хорошей тягой на низких и средних оборотах, для езды с нечастым переключением передач.
Экспериментальная часть
В ходе работы мной был проведён ряд экспериментов по влиянию различных типов систем выпуска на работу двухтактного двигателя. В качестве объекта испытаний использовался двигатель от мотороллера муравей 2м тмз-5.403-01к. Параметры двигателя указаны в таблице 2.


Тип двигателяБензиновый двухтактный


Число цилиндров1


Рабочий объём, см куб.199


Максимальная мощность, кВт/об. мин10 / 5400


Длина фазы выпуска, градусов110


Высота выпускного окна20


Ширина выпускного окна40
Таблица 2. Параметры двигателя мотороллера тмз-5.403-01к.
Ход экспериментов:
1) Монтаж тестируемой системы выпуска;
2) Замер средней скорости мотороллера на фиксированном участке дороги, протяженностью 50м;
3) Замер расхода топлива на фиксированном участке дороги, протяженностью 50м.

Эксперимент 1. Тестирование двигателя без выпускной системы.




Тип выпуска
Без системы выпуска



Время прохождения дистанции 50м
15.3с



Количество потребляемого топлива
24мл




В ходе эксперимента наблюдалось следующее: двигатель не развивал максимальных оборотов; большое количество смеси вылетало через выпускное окно; очень маленькая мощность двигателя, не позволяющая движение даже на второй передаче; оглушительный шум двигателя.

Эксперимент 2. Тестирование двигателя со стандартной выпускной системой.




Тип выпуска
Стандартная



Время прохождения дистанции 50м
11.9с


Количество потребляемого топлива
18мл



Особенности эксперимента 2: Обороты двигателя заметно возросли; возросла тяга двигателя на всём диапазоне; стало возможным использование всех 4 передач; выброс топлива через выпускное окно уменьшился, однако остаётся еще достаточно заметным; громкость звука выхлопа снизилась до допустимых пределов.

Эксперимент 3. Тестирование двигателя с настроенной выпускной системой.
Установка настроенной выпускной системы увеличивает мощность двигателя в среднем на 25-30%, поэтому в программу вводится показатель мощности заведомо высокий.Мощность двигателя должна, ориентировочно, возрасти на 27.5%, отсюда 10 КВт 27.5% = 12.75 КВт.
Пиковый коэффициент был подобран 1.6, так как такое значение ближе к малооборотистому двигателю с тягой на низких и средних оборотах и пологой характеристикой мощности и крутящего момента.
По рассчитанным параметрам выпускная система была изготовлена в экспериментальном отделе 6-го корпуса НГТУ, (2000р) и установлена на двигатель. Результаты тестирования двигателя с настроенной выпускной системой представлены ниже




Тип выпуска
настроенный резонатор



Время прохождения дистанции 50м
8.6с


Количество потребляемого топлива
15мл



Особенности эксперимента3: обороты двигателя незначительно выше, чем при стандартной системе выпуска; шум усилился и звук выхлопа заметно изменился; тяга двигателя на низких и средних оборотах незначительно возросла, при максимальных оборотах двигатель стал работать значительно лучше; выброс топлива через выпускное окно не был зафиксирован на 50-метровой дистанции; двигатель работал и обеспечивал движение мотороллера даже при переходе с первой на четвёртую передачу.
Анализ работы
В результате проведенных мной исследований, запланированные результаты были получены. А именно: при установке настроенной выпускной системы мощность двигателя возросла приблизительно на 30% , расход топлива уменьшился на 20% по сравнению со стандартной системой выпуска.
Это говорит о том, что рассчитанный с помощью данной программы резонатор действительно улучшает газообмен, и является очень важным компонентом двухтактного двигателя. При установке настроенного резонатора КПД двигателя повысился, уменьшился расход топлива и повысилась номинальная мощность двигателя. Кроме того, уменьшение расхода топлива способствует значительному понижению уровня загрязнения окружающей среды.
Полученные в результате эксперимента данные говорят о необходимости использования настроенной выпускной системы. Установка такой системы выхлопа необходима не только спортивным двигателям, но также и штатным, так как уменьшает затраты на топливо, и, вместе с тем, повышает мощность двигателя.
Я считаю, что стоит рекомендовать людям, использующим эту программу для расчёта размеров резонаторов, испытать несколько их типов, изменяя такие характеристики, как ожидаемая мощность, обороты максимальной мощности, пиковый коэффициент.
AndyStern
Сообщения: 1259
Зарегистрирован: 17 май 2007, 08:00
Откуда: Москва
Контактная информация:

Сообщение AndyStern »

Супер. Отличная статья. И спасибо за программу!
Творить может каждый. Надо лишь немного захотеть и совсем чуть-чуть постараться.
Самопалю. Собираю колёса
Avatar

Сообщение Avatar »

Да. Отличная статья. Молодец!!! :!:
mixanik31

Сообщение mixanik31 »

Статья класс!Слов нет,предел эмоций!
WADER
Сообщения: 238
Зарегистрирован: 27 ноя 2005, 09:00
Откуда: Город Рязань, с.Канищево, ул.Хрюкина
Контактная информация:

Сообщение WADER »

Вещь конечно занатная.
А вот как например сделать резонатор на двухтрубные планеты или придётся патрубки в один пускать или цилиндр от пятой модели ставить?
На забугорных 2т кросачах стоят резонаторы такие красивые все обтекаемые с плавными переходами, тоесть без рёбер какие у наших резонаторов, эта фишка для красоты или для того чтобы повысить диапазон оборотов , которые попадают под эффект от резонатора?
Злая резина, доброе сердце, трезвый ум - это я
Не_редис

Сообщение Не_редис »

WADER, Любые переходы вызывают потери на трение, при резких они больше.
Статья понравилась, спасибо!
GrayDer
Сообщения: 34
Зарегистрирован: 07 апр 2006, 08:00
Откуда: г.Ижевск
Контактная информация:

Сообщение GrayDer »

Статья действительно класс!!!
Вот только формы резанаторов больно изощрённые получаются :-( Может можно как-нибудь попроще с формами, что если свести три прямых конуса в один? Сильно ли это отразится на характеристиках? И ещё вопросец, можно ли "плясать" от длины выпускного патрубка(колена) при расчёте резонатора? А то ведь получается надо вообще всю выпускную систему в корне переделывать, да и с установкой придётся помучиться :-( Я конечно понимаю, что искусство требует жертв, но не ужели так всё жестоко? :-) Буду очень признателен, если получу ответы на эти волнующие меня вопросы :-)
aw

Сообщение aw »

Здравствуйте! Рад что статья пришлась вам подуше. Не_редис, прав, чем больше переходов тем лучше, тем меньше трение при проходе волны обратного давления назад, с другой стороны экспоненциальный раструб будет испытывать наименьшие энергии потери волны при проходе эту самую трубу вариант с объединением нескольких конусов проще но нет гарангтии что работа резонатора практически не ухудшится. На описанном муравье резонатор крепился через корявое колено с ввыбоинами тем не менее на высоких оборотах подхват был значительным. Этот резонатор был сделан токарем за 2000р он точил конусы из болванок потом всё сварили аргоном, заранее подогнав конусы друг к другу чтобы не было швов изнутри...
AndyStern
Сообщения: 1259
Зарегистрирован: 17 май 2007, 08:00
Откуда: Москва
Контактная информация:

Сообщение AndyStern »

Да, я вот чего непонял: ведь на Ижах выпускная труба непрямая, это надо учитывать? И почему бы не спаять резонатор из листовой стали-нержавейки, вырезав заготовки по возможности точно и подгоняя при окончательной сборке молотком и плоскогубцами?
Творить может каждый. Надо лишь немного захотеть и совсем чуть-чуть постараться.
Самопалю. Собираю колёса
aw

Сообщение aw »

изготавливать их надо как угодно лишь бы не было швов внутри
Ответить