із книги В.М. Степанов
Тюнінг автомобільних двигунів: СПб., 2000. – 82 с.: іл.

5. МОДЕРНІЗАЦІЯ СИСТЕМИ ВИПУСКУ ГАЗІВ, ЩО ОТРАБОТАЛИ
У сучасному автомобілі систему випуску відпрацьованих газів (ОГ) покладається кілька важливих функцій:
- глушіння шуму під час випуску ОГ рівня, не перевищує встановлених санітарних норм;
- зменшення кількості токсичних компонентів у ОГ до значень, що не перевищують гранично допустимих концентрацій.
Поряд із виконанням цих функцій система випуску повинна забезпечувати:
- хороше очищення та продування циліндрів двигуна;
- Мінімальні втрати енергії ОГ на шляху від випускних клапанів до лопаток соплового апарату турбіни;
- роботу турбіни за мінімальних пульсаціях потоку ОГ.
Крім того, система випуску повинна мати відносно просту конструкцію та бути технологічною у виготовленні. Виконання названих вимог дозволяє отримати прийнятну витрату палива, знизити ймовірність поломки лопаток турбіни, зменшити металоємність системи випуску та полегшити її обслуговування.
Основною проблемою при прагненні оснастити автомобіль ефективною системою шуму глушення є труднощі розміщення глушника досить великих розмірів. Зазвичай ця проблема вирішується шляхом встановлення на автомобіль кількох (до трьох) послідовно з'єднаних глушників із меншими габаритами замість одного великого. Важливою вимогою, що пред'являється при цьому до випускного тракту, є мінімальний опір руху ОГ і зменшення за рахунок цього втрат потужності двигуна.
Для зменшення кількості токсичних компонентів в ОГ випускний тракт сучасних автомобілів встановлюється каталітичний нейтралізатор. Особливість розроблених конструкцій каталітичних нейтралізаторів у тому, що ефективну нейтралізацію містяться
в ОГ токсичних компонентів вони здійснюють лише за значення коефіцієнта надлишку повітря α = 0,994 ± 0,003. З метою визначення кількості кисню, що міститься в ОГ, і корекції (при необхідності) складу паливоповітряної суміші, що забезпечує ефективну роботу каталітичного нейтралізатора, у випускному тракті встановлюється датчик зворотного зв'язку, так званий лямбда-зонд, який називають також кисневим датчиком. На деяких автомобілях Toyota такий датчик встановлюється як на вході газів в каталітичний нейтралізатор, так і на виході з нього. Це дозволяє блоку управління оцінювати ефективність роботи каталітичного нейтралізатора.
Слід зазначити, що з установці каталітичного нейтралізатора опір випускного тракту неминуче зростає, що супроводжується деяким зменшенням ефективної потужності двигуна (на 2 - 3 кВт). Щоб загальний опір випускного тракту при встановленні каталітичного нейтралізатора сильно не зростало, останній зазвичай розміщують на місці попереднього глушника. Оскільки максимальна економічність двигуна має місце під час роботи на збіднених сумішах (?α 1,05...1,15), то вимушена робота двигуна у всьому діапазоні навантажень на суміші практично стехіометричного складу неминуче веде до зниження економічності (до 5%).

Випускний тракт системи прагнуть виконати таким чином, щоб при здійсненні покладених на нього основних функцій він сприяв би більш повному очищенню камер згоряння від залишкових газів і повному наповненню циліндрів двигуна свіжим зарядом. Залежно від способу організації руху потоку ОГ на ділянці від випускних клапанів до входу в турбіну турбокомпресора випускні системи поділяють на системи
постійного тиску,
імпульсні,
імпульсні з перетворювачами імпульсів
ежекційні однотрубні.

Випускні системи постійного тиску через наявні серйозні недоліки на автомобільних двигунах практично не
застосовуються.
Найбільшого поширення тут набули системи імпульсні та імпульсні з перетворювачами імпульсів. Розглянемо ці системи докладніше.
В силу циклічності протікання робочого процесу в поршневих ДВЗ у випускному тракті, як і у впускному, виникає коливальний рух газів, у результаті якого утворюється хвиля тиску.
Завдяки великій різниці тисків газу в циліндрі та випускному тракті, в перший момент від початку відкриття випускного клапана з циліндра виходить значна кількість газів. У цей період, званий попереднім випуском, створюється хвиля тиску, що поширюється зі швидкістю звуку. Ця хвиля, відбиваючись від стінок випускного трубопроводу, за певних обставин може перешкодити подальшому витіканню газу з циліндра, обумовленого великою різницею тисків у початковий період випуску. Наступне очищення циліндра від залишкових газів здійснюється в цьому випадку лише за рахунок дії, що виштовхує поршня. Очевидно, що за таких умов кількість газів, що залишаються в камері згоряння від попереднього циклу, буде найбільшою. Це негативно позначиться на подальшому наповненні циліндра свіжим зарядом і відповідно на потужності, економічність та екологічні показники двигуна.
Однак хвилю тиску, що утворюється, можна використовувати і для створення за випускним клапаном умов, що сприяють поліпшенню очищення циліндра від залишкових газів. Для цього випускну систему необхідно налаштувати так, щоб до кінця процесу випуску в період фази перекриття клапанів за випускним клапаном при проходженні хвилі утворилося розрідження. Це призведе до збільшення кількості залишкових газів, що випливають з циліндра, і поліпшення наповнення його свіжим зарядом. Налаштування випускної системи здійснюється шляхом підбору довжини та площі перерізу випускних трубопроводів. На початковому етапі робіт названі параметри випускної системи попередньо можуть бути визначені розрахунковим методом, проте потім необхідна перевірка та уточнення одержаних результатів на випробувальному стенді. При виконанні цих трудомістких робіт з метою скорочення кількості дослідів для отримання очікуваного результату слід скористатися прийомами, відомими з теорії планування експерименту.
Практика конструювання випускних систем показує, що чим більше циліндрів об'єднує один випускний трубопровід, тим менше результуюча амплітуда тиску, що виникає в трубопроводі, що утворюється в результаті накладання окремих хвиль. Тому, щоб уникнути небажаного накладання хвиль, випускну систему виконують у вигляді кількох розташованих віялом (один над іншим) трубопроводів, кожен з яких здійснюється випуск газів не більше ніж з трьох циліндрів. Для запобігання небажаному накладенню хвиль потоки газу з циліндрів об'єднуються трубопроводами так, щоб забезпечити чергування випусків газу в кожен трубопровід з максимально можливими інтервалами. При цьому необхідно прагнути забезпечити однакову довжину випускних трубопроводів (На практиці це не завжди вдається реалізувати через наявні габаритні обмеження). Виконання названих умов можливе при віялоподібному розташуванні випускних трубопроводів, коли вони розташовані один над одним. Забезпечення однакової довжини трубопроводів дозволяє налаштувати систему випуску певний діапазон частоти обертання КВ . В імпульсній випускній системі підведення ОГ до турбіни здійснюється окремими трубопроводами від кожної групи циліндрів.

В імпульсній випускній системі з перетворювачем імпульсів трубопроводи, що об'єднують випуск із двох або трьох циліндрів, переходять у виконує перетворення імпульсів Y-подібну трубу, два тракти якої через певну відстань об'єднуються в один. У порівнянні з класичною імпульсною випускною системою імпульсна система з перетворювачем імпульсів програє за габаритними показниками, але дозволяє підвищити ККД турбокомпресора та збільшити ресурс турбіни.

Відрізняються один від одного не тільки за видом палива, що споживається, але також і за конструктивними особливостями. Наприклад, велика різноманітність розташування циліндрів. Кожен варіант має свої сильні та слабкі сторони. В даному випадку будуть розглянуті плюси та мінуси опозитного двигуна.

У поршневих двигунах внутрішнього згоряння (а бувають ще й роторні) розміщення циліндрів може бути різним по відношенню один до одного: під гострим кутом, в один ряд, зіркоподібне і таке інше. У разі оппозитного циліндри знаходяться в одній площині і розміщені один навпроти іншого під кутом 180 градусів. На відміну від багатьох рядних моторів, оппозитний агрегат часто має два, а також вертикальний розподіл. Існує кілька типів опозитних двигунів. Серед них найбільш відомі:

• Boxer ("Боксер"). Відрізняється тим, що поршні, розташовані один перед одним, рухаються подібно до боксерів на рингу. Тобто коли один з них знаходиться в крайній верхній точці, другий займає крайнє нижнє положення. Вони весь час однаково видалені один від одного;
• ОРОС - Opposed Piston Opposed Cylinder. Принцип роботи у разі полягає у цьому, що поршні попарно перебувають у одному циліндрі (верхній і нижній поршень). Вони рухаються назустріч один одному, обертаючи колінвал.
• 5 ТДФ. Це двотактний танковий двигун радянського виробництва, яким застосовувався на танках Т-64 та Т-72. Цікава особливість даного агрегату полягає у його багатопаливності. Основне пальне для нього – солярка. Однак за допомогою спеціального перемикача на паливному насосі високого тиску, можна було запустити режим роботи на бензині або суміші бензину з гасом і соляркою, а також двигун міг працювати на реактивному паливі. Щоправда, потрібно ще й підкоригувати кут запалення (таймінг упорскування).

Розробкою силових агрегатів активно займалося багато компаній. Наприклад, Volkswagen приділяв увагу даному типу агрегатів із середини 30-х років минулого століття. Це були не просто експерименти, а прагнення розробити власний опозитний двигун, знизити рівень вібрацій, які виникають під час роботи традиційного V-подібного або рядного двигуна тощо. До речі, свою розробку інженери Volkswagen застосували й у легендарному автомобілі Volkswagen Beetle. А з 60-х років опозитні двигуни почали активно використовуватися японською компанією Subaru, яка займалася розробками паралельно з німцями.

Переваги опозитного ДВЗ

За великим рахунком робота оппозитного двигуна не відрізняється від принципу дії агрегатів інших конструкцій. Однак подібне розташування циліндрів має певні переваги, а також і недоліки.

• Найпомітнішою перевагою силових установок вважається майже повна відсутність вібрації під час роботи. Такий ефект досягається за рахунок розташування, які врівноважують один одного. Це не лише додає комфорту, а й суттєво збільшує термін експлуатації. Звідси походить другий «плюс»;
• Вражаючий ресурс оппозитного двигуна. Є дані про те, що досить часто пробіг до першого капітального ремонту складав щонайменше від 500 тисяч кілометрів. Зрозуміло, манера керування вносить свої істотні корективи. І тим не менш, міжремонтний термін досить великий. Втім, часто можна зустріти твердження фахівців і автолюбителів, що 800-900 тисяч до першого - це не більш ніж красива казка;
• Мотори, що розглядаються в даній статті, забезпечують автомобілям низький центр тяжіння. Особливо ця якість цінується у потужних спортивних машинах. Адже, проходячи віражі на високих швидкостях, дуже важливо зберегти стійкість;
• Також не можна не згадати про економію місця під капотом. Хоча багатьом цей пункт видасться спірним, адже виграючи по висоті, потрібно при цьому робити капот ширшим або довшим.

Ось, мабуть, і всі суттєві переваги опозитників. Тепер потрібно розглянути й недоліки, яких, на жаль, дещо більше.

Основні відмінності, а також переваги і недоліки 8 клапанних моторів в порівнянні з 16 клапанними двигунами. Який силовий агрегат краще вибрати.

Що ми знаємо про опозитний двигун? Те, що поршні у ньому рухаються горизонтально. Що цей двигун є обличчям автомобілів Subaru. Мабуть, усі. Давайте дізнаємося трохи більше.

Опозитний двигун є однією з компонувальних схем двигуна внутрішнього згоряння, в якій поршні знаходяться під кутом 180° і рухаються горизонтальною площиною один до одного і один від одного. При цьому два сусідні поршні завжди знаходяться в однаковому положенні, наприклад, у верхній мертвій точці.

Рух поршнів у двигуні нагадує поєдинок боксерів, тому інша назва опозитного двигуна - боксер(Boxer). Особливістю конструкції опозитного двигуна є встановлення кожного поршня з шатуном на окремій шийці шатунної колінчастого валу . Опозитний двигун завжди має парну кількість циліндрів (2, 4, 6, 8, 10, 12). Найпоширеніші нині чотири- і шестициліндрові «опозитники».

Опозитний двигун не потрібно плутати з V-подібним двигуном та кутом розвалу циліндрів 180°. При зовнішній схожості в такому двигуні сусідні поршні з шатуна розташовуються на одній шиї. Тому коли один поршень досягає верхньої мертвої точки, інший знаходиться в нижній мертвій точці.

Безперечними перевагами опозитного двигуна є низький центр ваги, мінімальні вібрації при роботі та високий рівень безпеки під час лобового зіткнення.

Зміщений вниз центр ваги опозитного двигуна дозволяє досягти кращої стійкості та керованості автомобіля. Низько розташований двигун знаходиться на одній осі з трансмісією, чим досягається ефективніша передача потужності.

Опозитний двигун практично повністю позбавлений вібрацій (є тільки момент від сил інерції другого порядку, що прагне розгорнути двигун навколо вертикальної осі). Взаємно узгоджений рух сусідніх поршнів забезпечує плавну роботу двигуна. Баланс мас в опозитному двигуні дозволяє зробити установку колінчастого валу на трьох корінних підшипниках (замість звичайних п'яти), що значно скорочує довжину двигуна та його вагу.

Опозитний двигун більшою мірою відповідає вимогам пасивної безпеки. При лобовому зіткненні двигун йде вниз під автомобіль і, тим самим, зберігає життя пасажирів в салоні. Не менш важливим для водіїв перевагою оппозитного двигуна є характерний звук його роботи, що відрізняється від інших ДВЗ.

На жаль, опозитний двигун не позбавлений недоліків. Найсерйознішим, на наш погляд, є висока трудомісткість ремонтних робіт, пов'язана з особливістю конструкції двигуна. Так, для виконання окремих ремонтів потрібне зняття двигуна з автомобіля. У деяких джерелах зазначається, що горизонтальний рух поршня призводить до нерівномірного зношування гільзи циліндра і, як наслідок, підвищеної витрати масла. Зважаючи на певні габаритні розміри, опозитний двигун встановлюється на автомобіль лише поздовжньо.

В даний час опозитні двигуни розробляють та встановлюють на свої автомобілі компанії Subaru та Porsche. Раніше опозитний двигун можна було побачити на автомобілях Alfa Romeo, Citroen, Шевроле, Honda, Lancia, Toyota, Volkswagen і навіть Ferrari.

Компанія Subaru використовує опозитні двигуни з 1963 року. Це чотири- та шестициліндрові Boxer. Історія чотирициліндрових двигунів від Subaru налічує три покоління: серія EA(1966-1994); серія EJ(1989-1998, колінчастий вал на 5 корінних підшипниках, 1999-2010, колінчастий вал на трьох корінних підшипниках); серія FB(З 2010 року). Шестициліндрові Boxer пішли у виробництво дещо пізніше - серія ER(1987-1991), серія EG(1992-1997), серія EZ(З 1999 року).

Абсолютна більшість оппозитних моторів це бензинові двигуни з розподіленим упорскуванням палива та верхньою системою газорозподілу. Вони мають один (SOHC) або два (DOHC) розподільні вали, які наводяться від колінчастого валу зубчастим ременем або ланцюгом. Незважаючи на різну кількість розподільних валів у двигунах, реалізована чотириклапанна схема газообміну. Ряд двигунів оснащений турбонаддувом.

Чотирьохциліндровий Boxer третього покоління вийшов більш простий, компактний, економічний та нешкідливий. Для зниження витрати палива, зменшення токсичності викидів, збільшення величини моменту, що крутить, і розширення його кордону в нових двигунах використано безліч прогресивних технічних рішень:

• збільшено ступінь стиснення за рахунок збільшення ходу поршня та зменшення об'єму камери згоряння;
• знижена вага деталей, що рухаються (шатуна, поршня, колінчастого валу) за рахунок виготовлення куванням;
• на розподільчих валах впускних та випускних клапанів використано систему зміни фаз газорозподілу (система активного управління клапанами AVCS);
• застосовано новий масляний насос, що забезпечує високу якість мастила та збільшує ресурс двигуна;
• використано систему охолодження з роздільними контурами для охолодження блоку циліндрів та головки блоку.

У 2008 році Subaru вперше представила дизельний опозитний двигун. Чотирьохциліндровий мотор, об'ємом 2,0 літра, розвиває потужність 150 л.с. У ньому використана система упорскування Common Rail, система турбонаддува з турбіною зі змінною геометрією.

На низку моделей автомобілів Porsche (911, Boxster, Cayman) встановлюються шестициліндрові оппозитні двигуни. Свого часу для використання в автоперегонах було розроблено 8 та 12-циліндрові опозитні двигуни.

Опозитним двигуном називається двигун з горизонтальним компонуванням поршнів, тобто, поршні рухаються горизонтально щодо кузова автомобіля. Таке компонування часто зустрічається на двигунах компанії Subaru.

В оппозитному двигуні поршні розташовані під кутом 180°, які рух знаходиться в одній горизонтальній площині відносно один одного. Сусідні поршні в опозитному двигуні розташовуються однаково один до одного. Друга назва "опозитників" - "boxer", цю назву мотори отримали за особливість руху поршнів, що нагадує бій боксерів. Звук роботи опозитного двигуна складно сплутати зі звуком звичайного двигуна.

На відміну від класичного V-подібного, у оппозитного мотора кожен поршень з шатуном розташовується на окремій шийці шатунної колінвала. У V-подібних моторів поршні та шатуни знаходяться на одній шатунній шийці, тому якщо один поршень знаходиться у верхній мертвій точці (ВМТ), то другий - у нижній ВМТ.

Головні незаперечні "плюси" опозитного двигуна:

1. Мінімальна вібрація під час роботи;
2. Низький центр важкості;
3. Високий рівень безпеки у разі лобового зіткнення. У разі лобового удару двигун йде під машину, що дозволяє водієві і пасажиру вижити в ДТП і вийти з нього з мінімальними травмами.
4. Прекрасна стійкість, машина, що називається "тримає дорогу" і чудово справляється навіть із найкрутішими поворотами.
5. Розташування в одній площині із трансмісією забезпечує максимально ефективну передачу потужності.

У той же час при всіх вищеперелічених перевагах оппозитний мотор має іншу проблему, через особливості конструкції на мотор впливають сили інерції, які намагаються розгорнути його навколо вертикальної осі. Вага цього типу двигунів найчастіше набагато нижча ніж у V-подібних аналогів, цього вдається досягти завдяки установці

З одного боку, великі, могутні двигуни V8 та V12 мають свою привабливість, є щось особливе у їхньому звучанні. Плюс потужність. Але своя частка логіки є і в малооб'ємних гоночних моторах, які на максимальних оборотах дзижчать немов ті силові агрегати.

Ось наприклад, . Високооборотний оппозитний двигун, EJ207, його обожнюють тюнери і є за що. Ось, наприклад, австралійська тюнінг компанія GotitRext вирішила підняти показники "боксера" на нові висоти.

Компанія взялася за тюнінг опозитного двигуна, забезпечивши його новими нутрощами та турбіною Garrett GTW3884. Неймовірно, з мотора 2.0 літра таким чином вдалося «зняти» 610 к.с. з коліс! Однак це не найцікавіше.

Найбільшим досягненням команди інженерів стала можливість реалізації дуже високих оборотів. 12 тис. оборотів за хвилину! Ось в яку неймовірну «стелю» уперлися показники цього двигуна.

Незрозуміло, як фірмі GotitRext вдалося вивести показники на такий надзвичайно високий рівень і не втратити надійність двигуна (у компанії запевняють, що це так). Через те, що не кожна трансмісія витримає такі показники потужності та крутного моменту, трансмісія також була перероблена.