Поиск
  • atsamazbasiev

Наши исследования — выпускные коллекторы

Доброго времени суток, дорогие читатели и клиенты.

Сегодня расскажу вам о проектировании и производстве выпускного коллектора для Subaru Legacy.


Рассмотрим вопросы мотивации к замене штатного коллектора, 3Д моделирования, 3Д симуляций потоков, симуляций термического расширения и некоторые нюансы производства.


МОТИВАЦИЯ


Итак, для чего в принципе меняют выпускные коллекторы? Ниже представим список некоторых возможных причин (все они направлены на увеличение мощности):


1) Увеличение диаметра. Штатно двигатель настроен на максимально раннее создание турбиной избыточного давления, которое удается добиться за счет увеличения скорости потока выпускных газов, которое достигается, в том числе, за счет уменьшения диаметра трубы. При этом в жертву приносится максимальная производительность на высоких оборотах.

Это вполне разумное решение для большинства автолюбителей, т.к. большую часть времени современные двигатели работают в низком и среднем диапазоне оборотов с малыми углами открытия дросселя.


2) Усовершенствование дизайна. С приходом эры массового перехода на турбированные двигатели автопроизводители стали уделять меньше внимания выпускным коллекторам. Зачастую они имеют резкие своды, слишком крутые повороты, неравную длину раннеров и прочие несовершенства. Порой от них отказываются совсем – как на некоторых двигателях VAG, Infiniti и прочих. Я вижу две основные причины: первая – необходимость максимально быстро разогреть катализатор, что сложнее сделать на турбированном двигателе, т.к. последняя лишает выхлопные газы львиной доли энергии; вторая – современные турбины позволяют двигателям с легкостью достичь требуемых характеристик, каким бы несовершенным коллектором они не обладали.


3) Установка турбины с иным фланцем, иными внешними габаритами, гибридными картриджами. В случае с иным фланцем все очевидно, большие габариты турбины часто означают необходимость изменения ее расположения в подкапотном пространстве. В последнем случае фланец остается прежним, однако зачастую малый диаметр труб создает избыточное сопротивление выхлопным газам.


4) Замена вышедшей из строя штатной детали. Штатные коллекторы иногда ломаются – чаще всего это бывают трещины. В такой ситуации автолюбители встают перед выбором – тратиться ли на новую штатную деталь или установить усовершенствованную деталь.

В случае с коллектором Subaru Legacy имели место первый и второй пункты. Внутренний диаметр раннеров составлял около 29мм, при диаметре выходов из ГБЦ 38-39мм. Своды раннеров первого и третьего цилиндров в месте соединения имеют перпендикулярную стенку, которая явно не способствует увеличению скорости потока газов.


С таким коллектором мощность двигателя ограничена на уровне около 280 л.с. (прибавка 15 л.с. при установке бескатового даунпайпа и прошивке ЭБУ). Как показали проведенные несколько лет назад тесты при установке коллектора с увеличенными в диаметре раннерами и плавными схождениями мощность повышается до 300 л.с.


МОДЕЛИРОВАНИЕ


Для моделирования усовершенствованного коллектора мы отсканировали и сделали 3Д модели (еще несколько лет назад) штатного коллектора, блока цилиндров, ГБЦ, турбины, а также масляного поддона.


У читателя может возникнуть вопрос – для чего сканировать столько деталей? Причина следующая – расстояние между фланцами коллектора, отличается от расстояния между выходами из ГБЦ на собранном макете двигателя. Чтобы одеть штатный коллектор на двигатель приходится поработать монтировкой. И это не брак и не частный случай – я наблюдал одинаковую картину на всех штатных коллекторах Subaru Legacy, с которыми имел дело (5 лет назад, когда делал свой первый подобный коллектор, для меня это показалось дикостью, однако сейчас причины очевидны – подобнее чуть ниже). Таким образом, определить точные габариты данного типа коллектора можно только установив его на макет двигателя.


Турбина была отсканирована для определения взаимного расположения отверстий крепления фланца и отверстия турбины. Удалось немного разнести отверстия относительно штатного коллектора, что позволило увеличить их диаметр.


Масляный поддон был оцифрован, т.к. он располагается очень близко к штатному коллектору. При моделировании усовершенствованного коллектора нужно учитывать расстояние до поддона.



При моделировании раннеров мы стараемся добиться максимального соответствия их длины и формы. Почему это важно? Если один раннер гораздо длиннее другого, то рабочие характеристики в камерах сгорания соответствующих цилиндров будут отличаться. То же актуально и для формы – раннеры могут иметь одинаковую длину, но если один раннер имеет мало изгибов, а второй – много, то проходя через них газы будут встречать различное сопротивление, соответственно будут обладать различной скоростью и давлением.


Однако современные тенденции компоновки турбированных двигателей, о которых говорилось выше, практически сделали невозможным построение равнодлинных коллекторов.


К счастью, оппозитные двигатели Subaru с нижним расположением турбины являются приятным исключением. Прошлая версия коллектора на Subaru Legacy была спроектирована идеально равнодлинной. Однако это потребовало существенного усложнения процесса его производства.



В этот раз мы решили упростить производство сохранив приемлемую разницу в длине. При этом форма раннеров идентична. Самый короткий раннер имеет длину 450мм, самый длинный 500мм, средняя длина 475мм – колебания от среднего значения 10%. Чтобы проверить как разная длина влияет на скорость и противодавление мы решили провести симуляции потоков выхлопных газов.


СИМУЛЯЦИИ ПОТОКОВ ГАЗОВ


Симуляция потоков выпускных коллекторов гораздо более трудоемкий процесс, чем симуляция потока в единой трубе. Дело в том, что потоки в каждом раннере чередуются согласно порядку работы цилиндров. Для более или менее приближенной к реальности симуляции необходимо было спроектировать эти нестационарные потоки из каждого цилиндра.


Признаться я долго не мог понять, как это делать. Однако решение всегда находит ищущего. Симуляция эта непроста и требует больших усилий не только от проектировщика, но и от самого компьютера. Для того, чтобы понять процесс и получить результат пришлось несколько недель работать по выходным.


В результате мы получили практически идентичные скорость и давление во всех раннерах. Таким образом, мы пришли к выводу, что минусы от небольшой разницы в длине невелики, по сравнению с плюсами от оптимизации производства.


СИМУЛЯЦИИ ТЕРМИЧЕСКИХ РАСШИРЕНИЙ


Коллекторы, соединяющие раннеры из разных ГБЦ, должны учитывать термические расширения труб. Как известно при нагреве металл расширяется. Таким образом, при рабочих температурах коллектор будет удлиняться вниз и к центру. Первое не очень существенно, т.к. ход вниз практически ничем не ограничен. Второе существенно, т.к. раннеры смотрят навстречу друг другу. Расширяясь, они будут стремиться распереть друг друга, оказывая усиленное давление на швы у фланцев ГБЦ, а также будет деформировать фланцы ГБЦ в местах, удаленных от шпилек и гаек.


Поэтому не рекомендуется приваривать раннеры в стык к фланцам, т.к. они непременно будут стремиться треснуть. Намного надежнее вставлять раннер внутрь фланца – тем самым существенно снижается нагрузка на сварные швы.


Вторая проблема – это остывание. При нагреве происходит деформация изделия. При остывании же деформированная деталь будет ужиматься, оказывая повышенное влияние на прочность швов соединения раннеров (которые к тому же греются особенно сильно, т.к. их обжигают газы из двух цилиндров).


Учитывая все вышесказанное становится очевидным необходимость использования плавающего соединения. Чаще всего для решения этого вопроса используются гофры, сильфоны или соединения труба-в-трубу.


Первые два варианта не отличаются надежностью – от большого жара выхлопных газов они имеют склонность к выгоранию в течение срока от одного года до 5 лет. Кроме этого, сильфоны могут подвергаться избыточной деформации от чего они выходят из строя еще быстрее. Поэтому крайне важно определить направление теплового расширения и убедиться, что оно будет совпадать с осью сильфона.


Последний вариант – соединение труба-в-трубу – намного долговечнее, однако оно не обеспечивает 100%-ую герметичность. Выхлопные газы будут вырываться наружу, особенно пока коллектор холодный.


Кроме того, существует еще и гибридное соединение – это объединение сильфона и соединения труба-в-трубу в один узел. Соединение труба-в-трубу не позволяет отработанным газам прожигать внутреннюю поверхность сильфона и препятствует деформациям не по оси. Сильфон, в свою очередь, обеспечивает герметичность соединения. Минусом по сравнению с соединением труба-в-трубу являются больший размер и трудоемкость производства.


На наш взгляд все сильфоны, используемые в выпускных коллекторах, должны иметь такой дизайн. Однако опробованные нами варианты не имели внутри возможности соединения труба-в-трубу.


Например, для коллектора мы использовали сильфоны под трубу диаметром 45х2,0мм. С одной стороны, внутренний диаметр сильфона в центральной части оказался меньше – 43мм, т.е. трубу 45мм не просунуть насквозь. С другой стороны, внешний диаметр вставки сильфона 42мм, что больше внутреннего диаметра трубы 45х2,0мм. Соответственно вставка не зайдет внутрь трубы.


На наш взгляд, такие сильфоны можно использовать только на участках труб без высокого давления и температуры, а также без существенных деформаций вне оси. Т.е. после турбины – чем дальше, тем лучше в плане долговечности.


Мы решили самостоятельно доработать сильфоны, реализовав в их внутренней части соединение труба-в-трубу. Для этого мы уменьшили диаметр трубы 42.4мм до 40.5мм, разрезов ее вдоль и заварив. Затем мы состыковали и приварили этот участок к имеющейся внутренней части сильфонов диаметров 42мм. Выступающий из сильфона участок трубы 40.5мм может плотно войти внутрь трубы 45х2.0мм, тем самым реализуя соединение труба-в-трубу.




Уже позже поставщик гофр и сильфонов учел наши замечания и поставил нам сильфоны со схожим дизайном.


На видео показано, что с применением плавающего соединения деформация металла значительно снизилась. Это говорит о том, что при нагреве металл будет свободнее расширяться, не стремясь деформировать фланцы, а при остывании он будет свободнее уменьшаться, не стремясь разорвать сварные швы в местах схождения раннеров.



В итоге коллектор прослужит дольше, будет менее склонен к потере герметичности в местах соединения с ГБЦ.

На этом все, спасибо за внимание, надеюсь вам было интересно.

Просмотров: 74
  • White Facebook Icon
  • White Instagram Icon
  • DRIVE2

©2018   Выхлопные системы   IQ PERFORMANCE

 

Москва, Россия

0

КОРЗИНА