Система выпуска отработавших газов

Dimka7171 › Блог › Система выпуска. Устройство и неисправности

Подробнее о неисправностях системы выпуска и путях их решений вы можете узнать из видео, прикрепленных к посту!

Система выпуска предназначена для отвода отработавших газов от цилиндров двигателя, а также для уменьшения шума при выбросе их в атмосферу. В данной статье мы поговорим про устройство системы выпуска отработавших газов, а также рассмотрим ее основные неисправности.

Устройство системы выпуска отработавших газов

Система выпуска любого автомобиля должна состоять из:

• выпускного клапана;
• выпускного канала;
• приемной трубы глушителя;
• дополнительного глушителя (резонатора);
• основного глушителя;
• соединительных хомутов.

Трубы – они и есть трубы, а в дополнительном и основном глушителях, как раз и происходит «обработка» выхлопных газов перед выпуском их в атмосферу. Внутри глушителей имеются многочисленные отверстия и расположенные в шахматном порядке камеры. При прохождении газов по такому лабиринту, они теряют свою скорость и как следствие этого — уменьшается их шумность. Ну а дальше, «успокоенные» газы выходят и растворяются в воздухе, которым мы с вами, кстати, дышим.

В системе выпуска многих современных автомобилей применяется катализатор нейтрализации отработавших газов. Он предназначен для уменьшения концентрации вредных веществ, которые содержатся в продуктах сгорания.

Основными вредными компонентами отработавших газов, выбрасываемых в атмосферу, являются – окись углерода, углеводороды и окислы азота (CO, CH, NOx). А на самом деле, при работе двигателя в трубу «вылетает» почти вся таблица Менделеева.

Неисправности системы выпуска отработавших газов

Повышенный уровень шума выхлопных газов может получиться из-за повреждения основного или дополнительного глушителя, потери плотности соединений, повреждения прокладок.

Для устранения этой неисправности поврежденные элементы системы выпуска отработавших газов следует заменить на новые. При наличии сварочного оборудования, можно попробовать заварить те дырки в трубах и глушителях, которые еще можно заварить.

Основной и дополнительный глушители, а также соединительные трубы не должны прикасаться к металлическим частям кузова, амортизаторам и тросу стояночного тормоза. Например, «ручник» частенько выходит из строя только из-за того, что горячая труба прожгла или оплавила оболочку тросика. Поэтому основной глушитель должен надежно «висеть» на резиновых амортизаторах, поддерживая при этом в подвешенном состоянии и дополнительный глушитель с трубами.

Однако для контроля состояния системы выпуска и ее ремонта необходима смотровая яма, эстакада или решимость лечь на спину и заползти под автомобиль.

При неаккуратном вождении машины или после проезда участка очень плохой дороги, часто происходит повреждение элементов выхлопной системы. Ну а дальше появляется соответствующий грохот «реактивного самолета», знакомый и неприятный многим автолюбителям.

Лучший ремонт при повреждении системы выпуска – это замена поврежденных элементов системы. Попытки «залепить» дыры в глушителе клеящей лентой или пастой, как правило, не дают ожидаемого эффекта. А через пару недель всё таки приходится менять «залатанную» трубу или глушитель.

Выхлопная система автомобиля: схема устройства, возможные неисправности и методы диагностики

Многие автолюбители даже не представляют, насколько важна выхлопная система автомобиля в безаварийной работе силового агрегата, и не уделяют её обслуживанию должного внимания, в результате чего, может произойти выход из строя двигателя. Именно по этой причине, стоит внимательно ознакомиться с принципом работы выхлопной системы, её конструктивными особенностями, и знать, из чего состоит выхлопная система.

В работе двигателя внутреннего сгорания важная роль отводится своевременному выводу наружу отработавших газов, начинающих скапливаться в камере сгорания головки блока цилиндров сразу после воспламенения топливной смеси. Данную задачу призваны выполнять выхлопные системы, или как говорят автолюбители, глушители, которыми оснащаются все современные машины. Должная работа выхлопной системы, направленная на отвод из мотора остатков отработанной топливной смеси, целиком зависит от исправности всех её составных элементов, имеющих некоторые конструктивные отличия в зависимости от типа двигателя.

Принцип работы выхлопной системы

Современная автомобильная выхлопная система состоит из нескольких частей, в отличие от первых устройств, имеющих вид механического клапана, который принудительно открывался водителем автомобиля вручную. Все элементы выхлопной системы, которые соединяются между собой с помощью крепёжных болтов через расположенные на их концах фланцы, предназначены для:

  • отвода из камеры сгорания двигателя выхлопных газов и прочих не сгоревших остатков топливной смеси;
  • уменьшения выделяемого мотором во время работы шума;
  • уменьшения количества токсичных веществ находящихся в выхлопе автомобиля;
  • предотвращения попадания в салон транспортного средства токсичных газов.

Устройство выхлопной системы автомобиля обладает довольно простым принципом работы, которая подразумевает отвод отработанных газов из камеры сгорания, проводя их через трубы к задней части транспортного средства, понижая при этом, за счёт герметичности всей конструкции и соединений через фланцы с термоустойчивыми уплотнителями, выделяемый мотором шум.

Уменьшение количества токсичных веществ в выхлопных газах достигается за счёт применения в конструкции выхлопной системы каталитических нейтрализаторов (катализаторов), работоспособность которых контролирует специальный датчик, называемый лямбда-зонд. В современных дизельных автомобилях, для повышения показателя экологичности выхлопа, производители используют сажевый фильтр, которым также оснащается выхлопная система дизеля.

В конструкции дизельного мотора, а также современного бензинового агрегата, довольно часто используется турбонагнетатель, который использует для подачи в камеру сгорания воздушную смесь из кислорода и отработавших газов, забираемых из выпускного коллектора. Количество попадающих в турбину выхлопных газов, регулирует датчик, расположенный на корпусе выпускного коллектора.

Устройство конструкции и назначение её составных частей

Детали, составляющие данную конструкцию, имеют различную функциональную нагрузку и собственные обозначения, отражающие этапность их работы. Сама схема выхлопной системы и наименования её частей, выглядят следующим образом:

Коллектор выпускной, представляет собой навесной тип оборудования силового агрегата, и предназначен для поступления в него отработавших частиц и газов топливной смеси с камер сгорания каждого из цилиндров, и изготавливается в основном из керамики, сплавов чугуна или нержавеющей стали, обладающих повышенной термоустойчивостью.

Приёмная труба, именуемая автолюбителями как «штаны», из-за схожего внешнего вида, предназначена для объединения нескольких потоков выхлопных газов в один, и для дальнейшего их продвижения к каталитическому нейтрализатору (катализатору). Труба зачастую оснащается так называемой гофрой, с помощью которой происходит гашение вибрации, передаваемой на всю конструкцию выхлопной системы работающим мотором.

Катализатор, представляет собой керамические соты, поверхность которых покрыта слоем сплава из платины и иридия, что позволяет вступить в химическую реакцию с ними выхлопным газам, в результате чего происходит их разделение на кислород и оксид азота. Выделенный кислород в катализаторе помогает более эффективно сгорать остаткам топливной смеси, в результате чего к глушителю подаётся исключительно азотно-диаксидноуглеродная смесь. Работу каталитического нейтрализатора контролирует специальный датчик лямбда зонд, передавая сигнал на блок управления силового агрегата автомобиля. Аналогичный датчик, устанавливается и на выпускной коллектор, для анализа показателей токсичности поступающих в катализатор отработанных газов.

Резонатор или пламегаситель, предназначен для понижения высокой температуры отработанных выхлопных газов, что достигается с помощью его ячеистого внутреннего строения. Последней деталью в конструкции, является глушитель, задача которого заключена в понижении шума работающего двигателя за счёт перфорированной трубы внутри его корпуса.

Все составные части выхлопной системы соединены друг с другом через фланцы с помощью крепёжных болтов и термостойких уплотнителей, отвечающих за герметичность данной конструкции, без которой невозможна полноценная работа двигателя современного автомобиля.

Возможные неисправности, методы их устранения и варианты тюнинга

Конструкция выхлопной системы является идеальным вариантом для проведения тюнинга легкового автотранспортного средства, благодаря простате монтажа её составных частей и наличием большого ассортимента различных деталей. Самым частым вариантом тюнинга глушителя является установка так называемого прямоточного выхлопа, когда из системы убирается резонатор.

Наиболее частые неисправности выхлопной системы связаны с потерей герметичности деталей или их соединений, уплотнители в которых могут сильно износиться. Для замены уплотнительных элементов, необходимо приобрести ремонтный комплект выхлопной системы, и открутив крепёжные болты, поменять их на новые.

Сделанные из различных сплавов металла детали выхлопной системы, подвергаются значительному нагреву, резкому перепаду температур, и работают в условиях повышенных нагрузок, в результате чего подвержены сильному износу и прогаранию внутренних частей. Определить данные поломки позволит громкий шум работающего мотора и визуальная диагностика выхлопной системы, после проведения которой, повреждённую деталь конструкции необходимо либо заменить на новую, в случае внутренних неисправностей, либо отремонтировать её корпус с помощью электро/газосварки.

В современных автомобилях работа силового агрегата контролируется блоком управления, который получает определённые сигналы от многочисленных датчиков, расположенных на всех его конструктивных узлах. В конструкции выхлопной системы расположен датчик, именуемый лямбда-зондом, замеряющий количество токсичных веществ в отработанных газах. Его неисправность или некорректную работу способен выявить только диагностический стенд, после чего датчик необходимо заменить.

Эксплуатировать автомобиль с неисправной выхлопной системой нельзя, это может привести, как к поломке силового агрегата, на клапанах образуется закоксование рабочей поверхности, приводящее к потере мощности мотора, так и к возможному нанесению вреда здоровья водителя и всех пассажиров, из-за попадания в салон токсичных выхлопов.

Эволюция системы выпуска: в ожидании Евро-7

Глушитель или выхлопная труба — неполные и не совсем верные разговорные названия системы выпуска отработавших газов. Ошибочно считать, что она проделала огромный эволюционный путь за сто с лишним лет своего существования. Ведь основная часть этого пути пришлась на последние двадцать лет. Почему так получилось?

В конце девятнадцатого века от глушителя требовалось только одно — снизить шум, который неизбежно возникает при воспламенении горючей смеси в цилиндрах двигателя. Ну и по возможности отвести в сторонку едкий дым, досаждавший водителю и пассажирам. Самые первые автомобили даже этого делать не умели: движутся — и на том спасибо.

Однако треском выхлопа они беспокоили пеших граждан и пугали лошадей. Поэтому проблему шума инженеры решили без промедления — в отличие от проблемы дыма. Города тогда жили, в основном, углем. Копоть и смрад малочисленных автомобилей мало кого волновали, ибо были слишком ничтожным «вкладом в экологию» на фоне фабричных труб и конского навоза.

На заре эпохи

Считается, что впервые некое подобие глушителя появилось в 1894 году на самодвижущейся тележке Panhard et Levassor. Эффект «акустического фильтра» был настолько ощутим, что его быстро взяли на вооружение все изготовители автомобилей.

Правда, первые несовершенные глушители отбирали изрядную часть мощности у слабосильных моторов. Дабы сохранить хоть какую-то динамику, конструкторы предусмотрели клапан, позволявший выпускать выхлоп напрямую. По рекомендациям властей того времени, в пределах населенного пункта клапан следовало закрывать. А при выезде — «Козлевич открыл глушитель, и машина выпустила шлейф синего дыма, от которого зачихали бежавшие за автомобилем собаки».

По мере роста мощности моторов клапан стал лишним, и в 1930-х годах выпускная система обрела форму, которая по существу не менялась полвека.

Варьировались некоторые решения, применялись различные новые сплавы и материалы, но в целом это был все тот же набор металлических труб и «банок». У самых разных автомобилей — дешевых и дорогих, малолитражек и спорткаров — принципиальная конструкция системы выпуска была примерно одинаковая. И многим из нас она хорошо знакома, ибо применялась на Москвичах, Жигулях и Волгах.

Выпускной коллектор (приемные трубы, «штаны») собирает выхлоп из всех цилиндров и отправляет в резонатор (пламегаситель), осуществляющий первичную борьбу со звуковыми волнами, «встречая» прямые волны с отраженными. После резонатора следует глушитель — металлическая банка, которая окончательно добивает шум до нужного уровня и попутно корректирует до требуемого тембра. На выходе — выхлопная труба. Та самая, которую при желании можно снабдить хромированной насадкой.

Резонаторов может быть несколько. Волгу ГАЗ-3110, например, оснащали двумя — основным и дополнительным, а глушитель располагался между ними. На многих моделях также применяют металлокомпенсатор («гофру») — короткую гибкую втулку, гасящую вибрации мотора.

В ходе инженерного поиска сложилась четкая классификация глушителей. По конструкции — лабиринтные и прямоточные. По используемому принципу шумоподавления — реактивные (основную роль в снижении шума играет интерференция) и диссипативные (шум поглощает стекловолокно или иные специальные материалы, заполняющие полости «банки»). Глушители, где задействованы оба принципа, называют комбинированными. На большинстве машин стоят реактивные лабиринтные, так проще и дешевле.

Прямоточные, как вы догадываетесь, используют в гоночном мире, где даже частичная потеря мощности крайне нежелательна, да и сам шум нужен для хорошего шоу.

Впрочем, и во многих гонках есть жесткие ограничения по уровню шума — слишком громкий автомобиль не допустят к старту. Что касается серийных легковых машин, то для них в России действует ГОСТ Р 52231–2004 «Внешний шум автомобилей в эксплуатации. Допустимые уровни и методы измерения». Он предусматривает верхнюю границу в 96 дБА.

Эволюция системы выпуска бешено рванула вперед в 1992 году благодаря введению первого экологического стандарта — Евро-1. Через три года грянул Евро-2, и уже тогда начались первые опыты с каталитическими нейтрализаторами выхлопных газов, снижавшими содержание CO, CH и оксида азота. А при Евро-3 (2000 г.) нейтрализаторы с лямбда-зондами и электронным блоком, обрабатывающим информацию, стали обычной комплектацией. В итоге закрепилась схема с двумя датчиками — на входе в нейтрализатор и на выходе. Нейтрализатор в большинстве случаев помещают между коллектором и резонатором, поскольку он эффективен только при высоких температурах.

Еще интереснее с инженерной точки зрения обстояли дела с дизелем, который потребовал сначала установить сажевый фильтр. А затем в дополнение к фильтру — инжектор водного раствора очищенной мочевины, который позже эволюционировал в систему SCR (Selective Catalytic Reduction) — сложное устройство с кучей датчиков, фильтров и отдельным блоком управления. И если сначала это коснулось только грузовиков, то полтора года назад (при переходе на Евро-6) стало актуально и для легковых автомобилей. Более простого эффективного способа выдержать установленные нормативы по содержанию оксидов азота пока не нашли.

«Бочка» глушителя как таковая значительных изменений не претерпела, но система выпуска в целом очень серьезно усложнилась. И с потребительской точки зрения это уже совершенно неинтересно, так как один только нейтрализатор (обычно содержит палладий и платину, иногда родий) добавляет к стоимости машины, по меньшей мере, порядка 500 долларов. А уж про необходимость заливать помимо топлива жидкость AdBlue вообще молчим — это дополнительно и траты, и хлопоты.

Если верить менеджерам-утопистам, в ближайшем будущем глушитель канет в Лету вместе со всей системой выпуска. Электродвигатели очень тихие и у них нет отработавших газов. Мировые продажи чистых электромобилей взялись расти сумасшедшими темпами (549 тысяч машин в 2015 году — плюс 73% относительно 2014-го). Но обольщаться рано, поскольку стабильность мировой экономики по-прежнему сильно зависит от продаж нефти и продуктов ее переработки, а разведанных (доказанных) запасов хватит лет на пятьдесят. Сжигать в ДВС можно еще и газ, и спирт.

В голове не укладывается, что Shell и Lukoil когда-нибудь объявят о полном перепрофилировании деятельности. Гораздо проще представить очередное усложнение выпускной системы — например, в связи с ожидаемым до конца десятилетия переходом на стандарт Евро-7. Норматив пока находится в стадии разработки, но инженеры наверняка уже ищут новые решения.

Установку «прямотока» для улучшения параметров мощности и звука предлагают некоторые тюнинговые фирмы. Однако действующие в России законы запрещают устанавливать на обычные дорожные машины прямоточные системы выпуска. А ГИБДД по мере возможности борется с нарушителями, ссылаясь на пункт 7.18 «Перечня неисправностей и условий, при которых запрещается эксплуатация транспортных средств», запрещающий произвольное внесение изменений в заводскую конструкцию. Наказание за «прямоток» — предупреждение либо штраф 500 рублей.

Также противозаконно удаление штатного нейтрализатора или его замена на «обманку», которая ничего не очищает, но умело симулирует работу кислородных датчиков. По уму, такой автомобиль при техосмотре не должен получать доступ на дороги.

AdBlue — торговая марка, принадлежащая немецкой Ассоциации автомобильной промышленности VDA. В Америке аналогичный раствор именуют DEF (Diesel Exhaust Fluid). По сути, это полные аналоги, как и австралийский AUS 32. Все они представляют собой водный раствор, состоящий из 32,5% высокоочищенной мочевины и 67,5% деминерализованной воды. В сети, между тем, встречаются «сравнительные тесты», утверждающие, что DEF работает лучше, чем AdBlue, или наоборот.

Euro-1, 2, 3, 4, 5, 6

Европейские экологические стандарты (European emission standards), определяющие допустимые нормы содержания вредных веществ в выхлопных газах новых автомобилей, продаваемых в странах ЕС и ЕЕА (European Economic Area). Россия в число этих стран не входит, однако также придерживается европейских «выхлопных» правил, хотя с уровня на уровень переходит с задержкой по времени. Так, переход на экологический класс Евро-5 в России состоялся 1 января 2016 года (в Евросоюзе для легковых автомобилей — с 2009-го). Это позволяло автопроизводителям продавать в России машины, чуть менее «зажатые» по экологии, чем в Европе.

Выпускная система двигателя

При сгорании топливно-воздушной смеси в цилиндрах двигателя образуется большое количество выхлопных газов, которые необходимо удалить. С этой задачей справляется выхлопная система двигателя, которая заодно понижает шумность мотора и улучшает его экологические показатели. Этой системе посвящена данная статья.

Назначение выпускной системы автомобиля

Сгорание топливно-воздушной смеси в цилиндрах ДВС происходит взрывоподобно, и в результате этих микровзрывов образуются большие объемы газов, которые толкают поршень и заставляют коленвал вращаться. Однако эти газы после рабочего цикла должны удаляться из цилиндра, чтобы их место заняла новая порция топливно-воздушной смеси. Задачу отвода отработанных газов решает выпускная система двигателя.

Также эта система решает и другую важную задачу — понижение шумности двигателя. Продукты сгорания топливно-воздушной смеси находятся в цилиндре под большим давлением и при открытии выпускного клапана стремительно вырываются в атмосферу — происходит громкий хлопок. Однако в одном цилиндре каждую секунду даже на холостых оборотах происходит около десятка микровзрывов, поэтому хлопки при открытии клапана сливаются в постоянный шум высокой интенсивности. С этим шумом и борется выпускная система двигателя, которую в обиходе называют просто глушителем.

Устройство и принцип действия выпускной системы

Выпускная система двигателя состоит из следующих компонентов:

– Выпускной коллектор («штаны»);
– Виброизолирующая муфта («сильфон», устанавливается не на всех двигателях);
– Каталитический нейтрализатор (только с двигателя экологического класса «Euro-2» и выше);
– Сажевый фильтр (только в дизельных двигателях);
– Резонатор (пламегаситель или предварительный глушитель);
– Основной глушитель;
– Соединительные трубы между коллектором, нейтрализатором, резонатором и глушителем;
– Выхлопная труба (часто — вместе с наконечником выхлопной трубы).

Также в выпускной системе современных автомобилей (обычно перед входом в каталитический нейтрализатор) устанавливается кислородный датчик (лямбда-зонд), с помощью которого система управления двигателем измеряет количество остаточного кислорода в выхлопных газах и корректирует состав топливно-воздушной смеси, приводя его к оптимуму для данного режима работы мотора.

Принцип работы выпускной системы сводится к следующему. Выхлопные газы при открытии выпускного клапана с силой вырываются в выпускной коллектор, где они выполняют полезную работу — благодаря образующимся стоячим волнам выравнивают давление при открытии клапана, и в целом улучшают режим работы двигателя. Потом выхлопные газы поступают сначала в каталитический нейтрализатор (он снижает концентрацию угарного газа, оксидов азота и несгоревших углеводородов), затем в резонатор, где происходит падение скорости выхлопных газов, гасятся пульсации и снижается шум. Из резонатора газы попадают в основной глушитель (именно здесь происходит основное подавление шума), а затем, уже ослабленные, в виде потока малой скорости выпускаются в атмосферу через выхлопную трубу.

При прохождении выхлопных газов через выпускную систему они теряют свою скорость, а интенсивность порождаемых ими звуковых волн снижается, что и приводит к понижению шумности.

Компоненты выпускной системы

На первый взгляд может показаться, что выпускная система двигателя — это просто набор труб и баков разной емкости, которые отводят выхлопные газы. На самом деле все несколько сложнее, и каждый компонент этой системы очень далек от простой трубы.

Выпускной коллектор. Это система труб, которые подключаются непосредственно к головке цилиндров (по одной трубе к одному цилиндру), собирают выхлопные газы и отводят их к катализатору и глушителю. Интересно, что каждая труба коллектора имеет определенную длину и сечение, что позволяет добиться образования стоячих волн при различных оборотах двигателя. Это необходимо для эффективной продувки цилиндров и обеспечения оптимального режима работы двигателя в различных режимах. Так что выпускной коллектор — это важная деталь, которая оказывает некоторое влияние на мощность и стабильность работы двигателя. Коллектор работает в экстремальных условиях, поэтому изготавливается из жаропрочных сплавов.

Виброизолирующая муфта. Муфта служит для развязки выпускного коллектора, который жестко соединен с двигателем, и остальных деталей выпускной системы. Обычно муфта выполнена в виде гибкого металлического шланга, который гасит воспринимаемые от коллектора вибрации.

Каталитический нейтрализатор. Каталитический конвертер-катализатор предназначен для повышения экологической безопасности выхлопных газов, что достигается нейтрализацией наиболее опасных газов: оксидов азота, угарного газа и несгоревших в камере сгорания углеводородов. Причем оксиды азота восстанавливаются, а образовавшийся свободный кислород служит для дожигания углеводородов и угарного газа. Обычно нейтрализатор выполнен в виде относительно небольшого модуля, в котором расположен керамический блок с катализаторами.

Каталитической нейтрализатор дизельного двигателя с мочевиной. В дизелях описанный выше нейтрализатор работает хуже, так как температура выхлопных газов в них ниже, что замедляет реакции восстановления оксидов азота. Поэтому в дизельных двигателях широкое распространение получили нейтрализаторы, дополненные системой впрыска в выхлопные газы мочевины (водного раствора аммиака), которая помогает удалить из выхлопа опасные соединения азота.

Сажевый фильтр. Также используется только в дизельных двигателях. Служит для очистки газов от сажи, очень часто конструктивно объединен с каталитическим нейтрализатором.

Резонатор. Это емкость особой формы, в которой происходит первоначальное снижение шума вследствие снижения скорости и пульсаций выхлопных газов. В резонаторе происходит отражение волн выхлопа и образование стоячих волн, отсюда и возникло название этого компонента.

Основной глушитель. Именно здесь происходит основное снижение шума выхлопных газов. Обычно это емкость с определенным образом расположенными перегородками и трубами, образующими лабиринт большой длины. Проходя через этот лабиринт, выхлопные газы разбиваются на множество потоков, звуковая энергия гасится и переходит в тепло, а пульсации давления поглощаются. В результате на выходе глушителя выхлопные газы имеют меньшую скорость и создают гораздо меньше шума.

Нужно отметить, что выпускная система несколько снижает мощность двигателя, так как выхлопные газы испытывают сопротивление на пути к атмосфере, и на преодоление этого пути затрачивается некоторая энергия. Но без глушителя современный автомобиль уже просто невозможно представить, поэтому с некоторыми недостатками приходится мириться.

Выпускная система двигателя и экология

Выхлопные газы обладают высокой степенью токсичности, они представляют опасность для окружающей среды и, в частности, для человека. Все дело в тех веществах, которые образуются при сгорании топлива и выбрасываются в атмосферу. Для человека наиболее опасны оксиды азота, угарный газ, а также многие углеводороды, являющиеся канцерогенами. Для окружающей среды наиболее опасны вещества, оказывающие губительный эффект на животных и растения, а также участвующие в образовании смога.

При появлении первых автомобилей вопрос об их экологической безопасности не вставал, но люди отмечали, что машины портят воздух своими выхлопными газами. Остро этот вопрос встал во второй половине прошлого века, а в начале 90-х годов в Европе приняли пакет законов, направленных на контроль экологической безопасности и снижение выбросов отработанных газов.

В 1992 году в Европе начал действовать экологический стандарт «Евро-1», а в 1995 году — «Евро-2», и именно с введением «Евро-2» для всех новых бензиновых двигателей стало обязательным наличие каталитического нейтрализатора в выпускной системе. В дизельных двигателях нейтрализатора оказалось недостаточно, поэтому с вступлением в силу стандарта «Евро-4» (2005 год) в дизелях стало обязательным наличие сажевого фильтра.

Каждый новый стандарт «Евро» заменял собой предыдущие стандарты, и значительно ужесточал требования по экологической безопасности. Уже сейчас многие нормы стандартов «Евро-1» – «Евро-3» считаются не просто устаревшими, а просто-напросто запрещены, так как по сегодняшним меркам они слишком опасны для природы и человека. Сегодня речь идет уже о стандарте «Евро-6» (вступит в силу в 2015 году), и по нему выхлоп бензинового двигателя должен содержать в 2,5 раза меньше оксидов азота и угарного газа, чем мотор стандарта «Евро-3». А содержание взвешенных частиц (сажи) дизельных двигателей стандарта «Евро-6» должно быть в десять раз меньше, чем по стандарту «Евро-3».

Погоня за экологической безопасностью — это, безусловно, хорошо, но она имеет и обратную сторону. Главная проблема экологичных двигателей в том, что они менее мощные, чем их неэкологичные собратья — дело здесь и в составе топлива, и в режиме сгорания топливно-воздушной смеси, и в необходимости пропускать выхлопные газы через катализаторы и фильтры. Но с этой потерей мощности и усложнением конструкции мотора приходится мириться, потому что окружающая среда нуждается в защите.

Автомобильный справочник

для настоящих автомобилистов

Система выпуска отработавших газов автомобиля

В соответствии с требованиями законодатель­ства система выпуска отработавших газов снижает содержание загрязняющих веществ в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания. Система выпуска отработавших га­зов также служит для снижения уровня шума и выпуска отработавших газов в удобном ме­сте автомобиля. При этом потери мощности двигателя должны быть сведены к минимуму. Вот о том, из каких компонентов состоит система выпуска отработавших газов автомобиля, мы и поговорим в этой статье.

Компоненты системы выпуска отработавших газов

Система выпуска отработавших газов состоит из выпускного коллектора, компонентов для очистки отработавших газов, шумопоглощаю­щих компонентов и различных соединителей этих компонентов.

Конструкция и компоновка этих компонен­тов на легковых и коммерческих автомобилях значительно различаются. В системах выпуска отработавших газов легковых автомобилей отдельные компоненты соединятся трубами, и вся система устанавливается под днищем ав­томобиля (см. рис. «Система выпуска отработавших газов» ). В зависимости от рабо­чего объема двигателя и типа используемого глушителя система выпуска отработавших га­зов легкового автомобиля имеет массу от 8 до 40 кг. Поскольку компоненты системы изнутри подвергаются коррозионному воздействию горячих газов и конденсата, а снаружи — влаги и соленой воды, они в основном изготавлива­ются из высоколегированных сталей.

Нормы Евро-4 требуют установки компо­нентов для очистки отработавших газов также и на коммерческих автомобилях. Обычно эти компоненты объединены в большую систему и крепятся к раме. Отдельные компоненты описаны ниже на примере системы выпуска отработавших газов легкового автомобиля. Особенности систем выпуска отработавших газов коммерческих автомобилей будут рас­смотрены в конце этого раздела.

Очистка отработавших газов автомобиля

Компоненты, предназначенные для очистки отработавших газов, включают каталитиче­ский нейтрализатор, необходимый для разло­жения газообразных загрязняющих веществ, входящих в состав отработавших газов, и фильтр (или сажевый фильтр), предназначен­ный для фильтрации мелких твердых частиц (в особенности для дизельных двигателей).

Каталитические нейтрализаторы устанавли­ваются в системе выпуска отработавших га­зов как можно ближе к двигателю, чтобы они могли как можно быстрее достичь своей ра­бочей температуры и, следовательно, эффек­тивно работать в условиях городского дви­жения. Решающим фактором здесь является температура каталитического нейтрализатора, которая для трехкомпонентных нейтрали­заторов составляет приблизительно 250 °С. Сажевые фильтры также устанавливаются в передней части систем выпуска отработавших газов, чтобы обеспечить более эффективное сжигание задержанных ими частиц сажи при более высоких температурах отработавших газов. Покрытия некоторых каталитических нейтрализаторов, например, нейтрализаторов аккумуляторного типа, предназначенных для нейтрализации оксидов азота (NOx ) крайне чувствительны к температуре и поэтому уста­навливаются в области днища автомобиля.

Для двигателей с искровым зажиганием в основном применяются трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы. Дополни­тельные каталитические нейтрализаторы для нейтрализации NOx устанавливаются только на двигателях с искровым зажиганием с систе­мой прямого впрыска топлива, работающих на бедной смеси. Для дизельных двигателей требуются окислительный каталитический нейтрализатор и сажевый фильтр. Для сни­жения содержания NOx в отработавших газах требуется дополнительный аккумуляторный каталитический нейтрализатор типа SCR.

Для обеспечения максимально возможного преобразования выбросов в каталитическом нейтрализаторе или эффективной работы са­жевого фильтра необходимо оптимизировать поток отработавших газов, поступающих к этим компонентам. Это обычно достигается за счет специальной формы впускной воронки. Для дальнейшей оптимизации распределения требуются такие дополнительные компоненты, как завихряющие или смесительные эле­менты. Для систем SCR (селективное катали­тическое восстановление), в которых в систему выпуска отработавших газов впрыскивается реагент-восстановитель (добавка Adblue), тре­буется смеситель для обеспечения равномер­ного распределения газообразного NH3 перед каталитическим нейтрализатором (см. рис. «Распыление и испарение реагента восстановителя в системе SCR» ).

Шумопоглощение в системе выпуска автомобиля

Основной причиной генерации шума являются пульсации газов в двигателе внутреннего сго­рания, т.е. вибрации газов, генерируемых в процессе сгорания топлива, и отработавших газов, вытесняемых через выпускные клапаны во время такта выпуска каждого рабочего цикла двигателя. Уровень этого вибрационного шума в некоторой степени снижается каталитическим нейтрализатором и сажевым фильтром. Однако этого оказывается недостаточно для того, чтобы Уровень шума не превышал значений, предпи­санных соответствующими нормами. По этой причине в средней или задней секции системы выпуска отработавших газов устанавливаются специальные глушители. В зависимости от количества цилиндров и мощности двигателя, в системе устанавливаются один, два или три глушителя. На автомобилях с V-образными дви­гателями левый и правый блоки цилиндров часто оборудуются отдельными каталитическими нейтрализаторами и глушителями.

Пределы уровня шума для автомобиля в Делом устанавливаются законодательством. Шум, производимый системой выпуска отрабо­тавших газов, составляет значительную часть общего уровня шума автомобиля. Это вызывает необходимость уделить особое внимание раз­работке эффективных глушителей. Хотя основ­ной целью является снижение уровня шума до допустимых пределов, дополнительной целью может быть создание специфичного для дан­ного автомобиля «брендового» звука.

Выпускной коллектор

Важным компонентом системы выпуска отра­ботавших газов является выпускной коллектор (см. рис. «Выпускной коллектор с каталитическим нейтрализатором» ) Он служит для вывода отработав­ших газов по выпускным каналам цилиндров в систему выпуска отработавших газов. Геометрическая форма и размеры выпускного кол­лектора (т.е. длина и сечения отдельных труб) оказывает влияние на рабочие характеристики двигателя, акустические характеристики си­стемы выпуска отработавших газов и темпера­туру отработавших газов. В некоторых случаях выпускной коллектор даже имеет дополнитель­ную теплоизоляцию для быстрого повышения температуры отработавших газов до рабочего уровня температуры каталитического нейтра­лизатора.

Каталитический нейтрализатор отработавших газов в системе выпуска

Каталитический нейтрализатор состоит из впускной воронки, выпускной воронки и моно­лита (см. рис. «Каталитический нейтрализатор с керамическим монолитом» ). Монолит содержит большое количество очень тонких, параллельных кана­лов, покрытых активным катализатором. Плот­ность каналов составляет от 60 до 190 ячеек на кв. см. Принцип действия активного каталити­ческого слоя описан ниже (см. «Каталитиче­ская очистка отработавших газов»).

Монолит может представлять собой ме­таллический или керамический материал.

Металлический монолитный блок

Металлический монолитный блок изготав­ливается из гофрированной металлической фольги толщиной 0,05 мм, намотка и пайка которой твердым припоем осуществляется при высокой температуре. Благодаря очень тонким стенкам между каналами, металлический монолитный блок оказывает отработавшим газам чрезвычайно низкое сопротивление. Это свойство часто используется на автомобилях с двигателями большой мощности. Металли­ческий монолитный блок может быть приварен непосредственно к воронкам.

Керамический монолитный блок

Керамический монолитный блок изготовлен на основе кордиерита. В зависимости от плотности ячеек, толщина стенок между ка­налами составляет от 0,05 мм (при плотности 190 ячеек/кв. см) до 0,16 мм (при плотности 60 ячеек/кв. см).

Керамические монолитные блоки обладают чрезвычайно высокой стойкостью к высоким температурам и тепловым ударам. Однако они не могут устанавливаться непосредственно в металлическом корпусе и требуют специаль­ных креплений. Эти крепления необходимы для компенсации различных коэффициентов температурного расширения стали и керамики, и защиты чувствительного монолитного блока от ударов. В процессе производства требу­ются чрезвычайная осторожность и внимание, в особенности в отношении тонкостенных монолитных блоков ( f = c/2π √ (A/L·V)

с — скорость звука

Резонаторы λ/4

Резонатор λ/4 включает закрытую с одной стороны трубу, ответвляющуюся от системы выпуска отработавших газов. Резонансная частота f такого резонатора зависит от длины отвода L и определяется как:

f = c/4L

Эти резонаторы также обеспечивают высо­кую степень ослабления звука в узкой полосе частот вокруг их резонансной частоты.

Заслонки отработавших газов

Заслонки отработавших газов чаще всего устанавливаются в задних глушителях. В за­висимости от частоты вращения коленчатого вала или интенсивности потока отработав­ших газов заслонка открывает или пере­крывает перепускную трубу глушителя или вторую выхлопную трубу (см. рис. «Заслонка отработавших газов, управляемая наружным разряжением» ). В ре­зультате уровень шума отработавших газов при низких частотах вращения коленчатого вала может быть значительно снижен без по­терь мощности при высоких оборотах.

Заслонки могут быть саморегулирующи­мися в зависимости от давления и скорости отработавших газов или иметь внешнее управление. В последнем случае необходимо обеспечить интерфейс с системой управле­ния двигателем. Это делает систему более сложной, но в то же время расширяет область ее применения.

Системы выпуска отработавших газов коммерческих автомобилей

В системах выпуска отработавших газов ком­мерческих автомобилей большинство опи­санных выше компонентов встроено в корпус, который крепится к раме автомобиля. Количе­ство каталитических нейтрализаторов и саже­вых фильтров зависит от того, в соответствии с какими нормами законодательства разрабо­тана система выпуска отработавших газов.

Система выпуска отработавших газов, отве­чающая требованиям Евро-4 и Евро-5

Вообще говоря, сажевый фильтр для систем, отве­чающих требованиям Евро-4 и Евро-5 не требуется. В таких системах используются только окисли­тельные каталитические нейтрализаторы и нейтра­лизаторы типа SCR. В качестве альтернативного решения дизельный двигатель может быть отрегу­лирован таким образом, чтобы содержание необра­ботанных NOx в отработавших газах не превышало предельных значений, предусмотренных нормами Евро-4 и Евро-5. Однако в этом случае требуется наличие в системе выпуска отработавших газов са­жевого фильтра. На рис. «Система выпуска отработавших газов, отве­чающая требованиям Евро-4 и Евро-5» показана система выпу­ска отработавших газов, отвечающая требованиям норм Евро-4, с каталитическими нейтрализаторами типа SCR. В отличие от систем выпуска отрабо­тавших газов легковых автомобилей, здесь часто используются несколько каталитических нейтрали­заторов, установленных параллельно, с тем чтобы обеспечить требуемую площадь поверхности ката­лизатора в доступном пространстве. Для маршрути­зации отработавших газов и глушения шума служат перепускные трубы и отверстия. В зависимости от размера двигателя такие системы имеют объем от 150 до 200 л и массу порядка 150 кг.

Система выпуска отработавших газов, отве­чающая требованиям норм Евро-6 и ЕРА10

Для системы выпуска отработавших газов, отвечаю­щей требованиям последних норм (Евро-6 в Европе и ЕРА 10 в США) требуется наличие всех компонен­тов, т.е. окислительных каталитических нейтрали­заторов, сажевых фильтров и каталитических ней­трализаторов типа SCR (см. рис. «Система выпуска отработавших газов, отве­чающая требованиям норм Евро-6 и ЕРА10» ). Поэтому такие системы имеют еще больший объем и вес.

В настоящее время используются две концеп­ции. Либо все компоненты размещаются в одном корпусе, либо каталитические нейтрализаторы и сажевые фильтры размещаются в двух различных корпусах. Для обеспечения требуемой очистки отработавших газов используются следующие дополнительные компоненты. Для обеспечения функции SCR (селективное каталитическое вос­становление) требуется система дозирования мо­чевины, сопло (форсунка) которой должно быть расположено в удобном месте системы выпуска отработавших газов. Кроме того, для обеспечения надежной регенерации сажевых фильтров часто требуется наличие дозирующего устройства для впрыска в систему топлива. В обоих случаях рас­положение этих устройств должно быть выбрано таким образом, чтобы было обеспечено равномер­ное распределение и испарение жидкой мочевины и топлива. При необходимости, для приготовления добавок используются те или иные мешалки (см. раздел «Очистка отработавших газов»).

В корпусах также необходимо разместить различные датчики. В дополнение к датчикам давления для контроля нагрузки на фильтр, для контроля процесса преобразования NOx требу­ются датчики температуры и концентрации NOx. Для обеспечения надлежащего качества сигна­лов при любых условиях работы расположение датчиков в системе выпуска отработавших газов должно быть оптимизировано в зависимости от конструкции системы.

Система выпуска отработанных газов.

Одна из самых закрытых для изучения систем в автомобиле — выпуск отработанных газов.

И дело не в том, что расположены трубы этой системы в труднодоступном месте, а в том, что сведений об элементах выпускного тракта нет ни в руководствах по эксплуатации, ни даже в автомобильных учебниках.

В качестве фундамента для познания окружающего мира природой или высшими силами человеку дано пять чувств. Через зрение, слух, обоняние, осязание и вкус поступает первоначальная информация о любом предмете или явлении действительности, по которой мы можем составить о нем свое мнение.

Но от взгляда многое может ускользнуть – чтобы увидеть все вокруг, надо активно вертеть головой. Пощупать и понюхать на расстоянии вообще не удастся. Попробовать на вкус, находясь в непосредственной близости от объекта исследования, далеко не всегда хочется. Звуковая же составляющая какого-либо процесса порой активно будоражит наши эмоции даже тогда, когда мы и не собирались что-либо изучать.

Наверное, поэтому доработка выпускной системы автомобиля популярна не только у сторонников глубокого тюнинга. Те, кто собирается ограничить работы над машиной лишь внешними штрихами, также в немалой степени озабочены вопросами выбора спортивной системы выпуска отработанных газов.

Сложности выбора.

Полистав массу автомобильной литературы по ремонту, содержанию и тюнингу, в лучшем случае можно набраться знаний о способах крепления выпускного тракта к кузову. Еще эти книжки, в изобилии представленные на прилавках магазинов автозапчастей, поведают о вариантах конструкций соединения деталей магистрали для выхлопных газов. Даже производители нестандартных выпускных систем особо не утруждают себя сопроводительной информацией об особенностях своей продукции.

Нередко можно наблюдать картину, как озадаченный выбором покупатель докучает утомленному продавцу вопросами о параметрах того или иного образца глушителя, что вывешены на стендах или представлены в каталогах.

В первую очередь перед покупкой большинство интересуется, конечно же, звучанием потенциального приобретения. Внешность оконечных «банок» тоже имеет значение, несмотря на то, что глушитель лишь чуть-чуть выглядывает из-под заднего свеса машины. Неискушенному начинающему тюнеру буквально снится, как он проносится по улицам, оглушая окрестности мощнейшим ревом прямотока.

Впоследствии добрая половина и тех и других, наслушавшись рева прямоточных глушителей в ежедневных поездках по городу, умеряют свой пыл. Такой звук утомляет физически. Даже те длинноволновые колебания, что не слышит ухо, на человека действуют угнетающе.

Слегка приглушенный звук машины хорош, только когда хочется оторваться на покатушках. Практика иметь разные машины для повседневной эксплуатации и для отжига по полной программе на какой-нибудь специально отведенной для этих целей трассе стала распространенным явлением в мире. Тем не менее, подбор элементов системы выпуска отработанных газов не становится менее актуальным при подготовке повседневных тюнинговых тачек. Ведь дело не ограничивается поиском негромкого, но благородного звучания для авто, использующегося каждый день. После доработки мотора его повысившийся потенциал требует как лучшего дыхания на впуске, так и иных параметров выхлопной системы. И даже когда с мотором ничего не делали, кроме установки воздушного фильтра нулевого сопротивления, очень соблазнительно получить еще несколько лошадиных сил путем замены внешних компонентов и узлов, не залезая в нутро двигателя.

В последнем случае немаловажен эмоциональный фон. Поначалу многих цепляет голос прямотока, а обещанная им мощь мотора просто завораживает перспективами и вводит в заблуждение. Вера в силы техники, подтвержденные соответствующим аудиорядом, рисует в глазах владельцев прибавку на 5-10 л.с. И без корректных дорожных и стендовых замеров этих лошадиных фантомов не убить. Но далеко не всегда автомобиль, слышимый за несколько кварталов, преодолевает путь вдоль этих кварталов быстрее своих тихих попутчиков. Непосредственность сама громкость не является показателем правильно подобранного, а тем более настроенного выпускного тракта.

Система выпуска отработанных газов состоит из нескольких компонентов. Каждый из них (по отдельности и во взаимодействии друг с другом) в разной степени оказывают влияние на показатели мощности, шума и чистоты выхлопа.

Внешние ограничения.

Описание практически всех узлов и агрегатов автомобиля можно начинать с повествования о конструкторских компромиссах. Но как нигде эти самые компромиссы сильны при разработке выпускного тракта. Правильной работе системы отвода отработавших газов мешает все. Компоновка подкапотного пространства не позволяет разместить должным образом приемные трубы, или так называемые пауки. Их геометрия (лучшая с точки зрения эффективности работы) проиграет спор за пространство либо рычагам подвески и рулевого управления, либо щиту, ограничивающему моторный отсек в угоду пассажирам.

Да и под днищем кузова развернуться особо негде. Тоннель из-за тех же пассажиров особо увеличивать в размерах некуда. У заднеприводных автомобилей там к тому же проходит еще и карданный вал. Понятно, кому в стесненных условиях отдадут проектировщики предпочтение – естественно, не трубам, отводящим выстрел. Ну а кто позволит снизить возможности задней подвески, вместимость бензобака и багажника ради глушителя.

Даже окончание этой системы, где выхлопные газы выходят в атмосферу, из соображений дизайна и удобства эксплуатации автомобиля порой располагается не в самом удачном для дыхания мотора месте. Нечасто встретишь на машинах находящийся в зоне наибольшего разрежения выходных труб глушитель. Диффузоры же в заднем бампере располагаются только на спорткарах, да и те рассчитаны, прежде всего, на общую аэродинамику автомобиля, а не на снижение противодавления выпускного тракта.

Такой остаточный принцип, результатом которого является сложная пространственная конфигурация труб, тормозящая поток газов, наводит на мысль о вынужденном удушении мотора еще на стадии разработки машины. Прибавим ко всему перечисленному и то, что многие производители странным образом выбирают систему выпуска отработанных газов в качестве основного кандидата по экономии средств на технологической оснастке. Отсюда – низкое качество исполнения. Гофры на внутренних радиусах загибов, острые углы емкостей глушителей, изломов труб и дефекты от сварочных швов на внутренних поверхностях деталей ухудшают отвод выхлопных газов от двигателя. А поверхность каналов литых коллекторов вообще противоречит самому понятию качества.

Немаловажным ограничивающим аспектом для наилучшей конфигурации выхлопа служат также экологические законы и требования по уровню шума. Регламентируются они цифрами в государственных стандартах, соблюдение которых прописано в правилах дорожного движения многих стран.

Но это внешние факторы, вынуждающие конструкторов идти на компоновочный и технологический компромисс с ущербом для функционирования системы выпуска отработанных газов. Такие решения нередки в автостроении, а их влияние тем меньше, чем дороже и больше машина. Но существуют и внутренние противоречия в работе выпускного тракта. И они тем сильнее, чем быстроходнее автомобиль и выше обороты его двигателя.

Внутренние противоречия.

Диаметр выпускного трубопровода напрямую влияет на скорость прохождения потока и на сопротивление этому движению. Чем меньше площадь сечения трубы, тем выше скорость газа и больше сопротивление. Увеличение диаметра снижает противодавление системы в ущерб скорости выхлопа. А ведь оба параметра процесса отвода отработавших газов влияют на моментную характеристику мотора.

Но не только диаметр труб оказывает действие на скорость и сопротивление прохождению газов по системе. Выхлоп, попадающий в газоотводные каналы и трубопроводы системы после открытия выпускного клапана, имеют высокую скорость, давление и температуру. В этих условиях газовая среда проявляет свойства вязкости, сжимаемости и протекания ударных процессов, схожие с жидкими и даже твердыми телами. Причем движение газа происходит неравномерно под действием сразу нескольких факторов.

В начале такта выпуска велика разница давлений в цилиндре и выпускном канале, и по мере приближения такта выпуска к концу эта разница уменьшается. К тому же сам поршень, выталкивающий отработанную смесь, движется с непостоянной скоростью. Находясь около верхней и нижней мертвых точек, он замедляет свое движение вдоль стенок цилиндра в следствии кинематики кривошипно-шатунного механизма.

Любое механическое препятствие на пути выхлопа увеличивает сопротивление потоку. Причем препонами движению могут быть не только изгибы и дефекты внутренних поверхностей каналов, но и их сужение. Каждое резкое изменение геометрии и диаметра сечения труб приводит к возрастанию противодавления системы выпуска. Даже ступенчатое расширение становится помехой из-за резкого торможения потока. Поэтому прямой выброс в атмосферу тоже препятствие.

После закрытия выпускного клапана нелинейность течения процесса только увеличивается. Удаляющаяся полна выхлопа оставляет за собой зону пониженного давления, стремящуюся остановить и вернуть назад уходящий фронт напора, тем самым еще более усугубляя потерю им скорости. Причем эта волна возвращается к клапану и по причине отражения от препятствия влияет на смесеобразование в цилиндре в начале такта впуска. Это тем ощутимее, чем больше фаза перекрытия клапанов. А действие этой волны зависит от того, в какой стадии – высокого или низкого давления – она вернется обратно. Это зависит от большого количества факторов. И диаметр труб, и их дина, и количество оборотов коленвала, и объем мотора, и размер клапанов имеют значение. Кроме того, на движение волн оказывает влияние и направление изменения (набор или сброс) оборотов двигателя.

И все это происходит отнюдь не плавно. Одной из главной составляющей работы выпускного тракта является ударный характер волновых процессов течения газовой среды в трубопроводе. Так что выбор параметров выпускного тракта – это целый клубок компромиссов, сотканный из множества инерционных и волновых явлений. Решение задачи зависит от конкретных целей конструирования. Поскольку в ежедневной эксплуатации от двигателя требуется, прежде всего, устойчивая работа в широком диапазоне оборотов (эластичность), именно на гашение колебаний направленно большинство решений в выхлопных системах стандартных серийных автомобилей. Этим достигается и снижение шума, и более равномерное распределение моментных характеристик мотора в широком диапазоне оборотов коленвала. Правда, делается это в ущерб максимальным значениям крутящего момента и мощности.

Как работает система выпуска отработавших газов

При работе двигателя автомобиля образуются продукты сгорания, которые отличаются высокой температурой и токсичностью. Для их охлаждения и отвода из цилиндров, а также для снижения уровня загрязнения окружающей среды в конструкции предусмотрена система выпуска отработавших газов. Другая функция данной системы — уменьшение шума, возникающего при работе двигателя. Выпускная (выхлопная) система состоит из последовательной цепи элементов, каждый из которых выполняет определенную функцию.

Конструкция системы выпуска

Основной задачей системы выпуска является эффективный отвод отработавших газов из цилиндров двигателя, снижение их токсичности и уровня шума. Зная, из чего состоит выхлопная система в автомобиле, вы сможете лучше понимать принципы ее работы и причины возможных неполадок. Устройство стандартной выхлопной системы зависит от вида используемого топлива, а также от применяемых экологических стандартов. Выхлопная система может состоять из следующих элементов:

  • Выпускной коллектор — выполняет функцию отвода газов и охлаждения (продувки) цилиндров двигателя. Он выполняется из термостойких материалов, поскольку температура выхлопных газов в среднем варьируется от 700°С до 1000°С.
  • Приемная труба — представляет собой трубу сложной формы с фланцами для крепления к коллектору или турбонагнетателю.
  • Каталитический нейтрализатор (устанавливается в бензиновых двигателях экологического стандарта Евро-2 и выше) — устраняет из отработавших газов наиболее вредные компоненты CH, NOx, СО, преобразуя их в водяной пар, углекислый газ и азот.
  • Пламегаситель — устанавливается в системах выпуска отработавших газов автомобилей вместо катализатора или сажевого фильтра (в качестве бюджетной замены). Он предназначен для снижения энергии и температуры потока газов, выходящих из выпускного коллектора. В отличие от катализатора, не снижает количество токсичных компонентов в отработавших газах, а лишь снижает нагрузку на глушители.
  • Лямбда-зонд — служит для контроля уровня кислорода в составе отработавших газов. В системе может быть один или два кислородных датчика. На современных двигателях (рядных) с катализатором устанавливается 2 датчика.
  • Сажевый фильтр (обязательная часть системы выхлопа дизельного двигателя) — удаляет сажу из выхлопных газов. Может совмещать в себе функции катализатора.
  • Резонатор (предварительный глушитель) и основной глушитель — снижают уровень шума выхлопных газов.
  • Трубопроводы — соединяют отдельные элементы выхлопной автомобильной системы в единую систему.

Принцип работы системы выхлопа

В классическом варианте для бензиновых двигателей выхлопная система автомобиля работает следующим образом:

  • Выпускные клапана двигателя открываются, и отработавшие газы с остатками не сгоревшего топлива выбрасываются из цилиндров.
  • Газы из каждого цилиндра попадают в выпускной коллектор, где объединяются в один поток.
  • По приемной трубе отработавшие газы из выпускного коллектора проходят через первый лямбда-зонд (кислородный датчик), который фиксирует количество кислорода в составе выхлопа. На основе этих данных электронный блок управления корректирует топливоподачу и состав топливовоздушной смеси.
  • Далее газы попадают в катализатор, где вступают в химическую реакцию с металлами-окислителями (платиной, палладием) и металлом-восстановителем (родий). Рабочая температура газов при этом не должна быть ниже 300°С.
  • На выходе из катализатора газы проходят второй лямбда-зонд, с помощью которого происходит оценка исправности работы каталитического нейтрализатора.
  • Далее очищенные отработавшие газы попадают в резонатор, а затем в глушитель, где потоки выхлопа преобразуются (сужаются, расширяются, перенаправляются, поглощаются), что снижает уровень шума.
  • Из основного глушителя отработавшие газы уже попадают в атмосферу.

Система выхлопа дизельного двигателя имеет некоторые особенности:

  • Выходя из цилиндров, отработавшие газы попадают в выпускной коллектор. Температура выхлопных газов дизельного двигателя варьируется в диапазоне 500-700 °С.
  • Далее они попадают в турбокомпрессор, осуществляющий наддув.
  • После этого выхлоп проходит через кислородный датчик и попадает в сажевый фильтр, в котором удаляются вредные компоненты.
  • В завершении выхлоп проходит через автомобильный глушитель и выходит в атмосферу.

Эволюция системы выхлопа неразрывно связана с ужесточением экологических стандартов эксплуатации автомобиля. Так например, начиная с категории Евро-3, установка катализатора и сажевого фильтра для бензиновых и дизельных моторов обязательна, а их замена на пламегаситель считается нарушением закона.

Выпускная система

Выпускная система (другое наименование – система выпуска отработавших газов, выхлопная система) предназначена для отвода отработавших газов из цилиндров двигателя, их охлаждения, а также снижения шума и токсичности.

Система выпуска отработавших газов включает множество конструктивных элементов, среди которых выпускной коллектор, каталитический нейтрализатор, сажевый фильтр (на дизельных двигателях), глушитель и соединительные трубы.

Все конструктивные элементы выпускной системы расположены под днищем автомобиля.

Выпускной коллектор обеспечивает непосредственный отвод отработавших газов, а также продув цилиндров двигателя. Форма и размеры выпускного коллектора определяют характер колебательного процесса отработавших газов в выпускной системе, и в итоге влияют на мощность и крутящий момент двигателя. Колебательный процесс отработавших газов в выпускной системе должен быть согласован с колебательным процессом топливно-воздушной смеси в впускной системе.

На выпускной коллектор приходится самая большая температурная нагрузка, поэтому он изготавливается, как правило, из жаропрочного чугуна. К выпускному коллектору крепиться приемная труба глушителя.

Для изоляции конструктивных элементов выпускной системы от вибрации двигателя используется виброизолирующая муфта (обиходное название – сильфон). Сильфон представляет собой гибкий металлический шланг, закрытый стальной оболочкой.

Каталитический нейтрализатор предназначен для уменьшения концентрации вредных веществ в отработавших газах. В обиходе каталитический нейтрализатор называют катализатором. Разные модели автомобилей различаются конструкцией и расположением каталитических нейтрализаторов. На современных автомобилях применяются трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы, защищающие от трех вредных веществ – несгоревших углеводородов, оксида углерода и оксида азота.

На дизельных двигателях применяется сажевый фильтр, который обеспечивает снижение выброса сажи в атмосферу с отработавшими газами. В выпускной системе сажевый фильтр может быть объединен с каталитическим нейтрализатором.

В современном автомобиле помимо выпускной системы применяются и другие экологические системы – вентиляции картера, рециркуляции отработавших газов, улавливания паров бензина.

Кислородный датчик служит для управления составом топливно-воздушной смеси двигателя за счет измерения кислорода в отработавших газах. Кислородный датчик хоть и устанавливается в выпускной системе, является конструктивным элементом системы управления двигателем.

В современных системах управления устанавливается два кислородных датчика – один перед каталитическим нейтрализатором, другой – за ним. Помимо кислородного датчика в выпускном тракте могут устанавливаться другие входные устройства: датчик температуры отработавших газов, датчик оксидов азота.

Глушитель, как следует из названия, предназначен для снижения уровня шума и преобразования энергии отработавших газов. Глушитель состоит из нескольких частей. В большинстве своем глушитель включает два элемента – предварительный глушитель (резонатор) и основной глушитель. Снижение шума в глушителе происходит за счет наложения звуковых волн, многократного изменения направления и величины потока отработавших газов, а также их поглощения.

На спортивных автомобилях, а также при тюнинге автомобиля устанавливаются так называемые прямоточные глушители, обеспечивающие прирост мощности двигателя.

Выхлопная система автомобиля

Система выпуска отработавших газов представляет собой совокупность элементов глушителя соединенных с выпускным коллектором. В разрыв приемной трубы и резонатора возможна установка катализатора отработавших газов. Система предназначена для удаления, очистки выбросов и уменьшения шумов выхлопных газов.

Устройство выхлопной системы

Выхлопная система автомобиля связана с работой газораспределительного механизма, а именно с выпускными клапанами и выпускным коллектором. В состав системы входят:

  1. приемная труба (в народе именуемая «штаны»);
  2. катализатор (на двигателях стандарта от евро-2);
  3. резонатор;
  4. глушитель;
  5. датчики (лямбда-зонд).

Также в выхлопную систему может входить сажевый фильтр.

Теперь обо всем по порядку.

  • Приемная труба представляет собой изогнутую, под определенную установку трубу с приваренной подошвой для присоединения к выпускному коллектору или выходу турбонагнетателя. «Штаны» изготавливаются из огнестойкого металла, реже из нержавейки. У двигателей автомобилей повышенной мощности могут применяться несколько приемных труб.
  • Резонатор представляет собой «банку» глушителя, где происходит первый этап разделения потока выхлопных газов, а так же уменьшения скорости выхлопа. Изготавливается так же из огнеупорного металла.
  • Катализатор , устройство очистки выхлопных газов. Выполнен в виде емкости из металла с внутренним огнеупорным слоем. Внутри емкости находится «тело» катализатора, которое можно разделить на две категории – керамическое или металлическое. Керамический катализатор это трехкомпонентный нейтрализатор выхлопа. Первый элемент это проволочная сетка из нержавеющей стали, которая покрывает подушку из керамического материала (второй элемент), обычно это силикат алюминия с частицами слюды. Третий элемент – теплоизоляция, (термоустойчивый корпус с двойными стенками). Металлический катализатор состоит из гофрированной фольги покрытой активным слоем, обычно это палладий или платина. Но в целом его конструкция совпадает с керамическим катализатором.
  • Датчик (лямбда-зонд) – это чувствительный кислородный элемент, устанавливаемый на резьбовое соединение, чувствительным элементом должен соприкасаться с выхлопными газами.
  • Глушитель , это емкость из металла (банка), у которой имеется внутри несколько перегородок, предназначенных для изменения направления потока выхлопных газов и, как следствие, уменьшение уровня шума.

Принцип работы выхлопной системы

Принцип работы системы следующий: при открывании выпускного клапана, отработанные газы попадают в выпускной коллектор. В бензиновых двигателях они продвигаются дальше по приемной трубе. В дизельных вариантах отработанные газы приводят в действие крыльчатку турбокомпрессора, и только затем попадают в приемную трубу. Далее газы попадают в катализатор. В катализаторе происходит оседание на поверхность активного элемента вредных примесей. Надо отметить, что катализатор работает только при высокой температуре (от 250 градусов) . Контролирует состав отработанных газов датчик лямбда-зонд. Существуют системы выхлопа с двумя датчиками, на входе катализатора и выходе. Такие системы более точно отражают соотношение топлива и воздуха в смеси. Управляющий сигнал с датчиков подается на систему управления впрыска и в зависимости от содержания вредных примесей регулируется подача воздуха или топлива в цилиндры. После прохождения катализатора выхлоп «гасится» в резонаторе и далее поступает в глушитель. В глушителе резко меняется направление движения выхлопных газов и уменьшается их шум. После выхлопные газы улетучиваются в атмосферу.

Следует отметить, что эффективность отвода выхлопа зависит от диаметра труб, чистоты катализатора и глушителя . В противном случае отработанные газы могут скапливаться в цилиндрах, что приведет к снижению мощности двигателя и в некоторых случаях выходу из строя топливной системы.

РЕКОМЕНДУЕМ ТАКЖЕ ПРОЧИТАТЬ:

Устройство и принцип функционирования системы выпуска отработавших газов

Содержание

Выхлопная система (совокупность выхода отработанных газов) — предназначена для вывода отработанной смеси из состава рабочих систем транспортного средства. Помимо основной функции удаления газов, совокупность выхлопа отвечает за снижение шума при работе транспортного средства. Рассматриваемая система производит вывод сгоревших веществ из цилиндров двигательной системы, тем самым охлаждая рабочие компоненты ДВС. Еще одной, не менее важной функцией выхлопной совокупности в составе современного транспортного средства является поддержание уровня экологичности транспортного средства, поскольку именно система выпуска отработавших газов производит частичную очистку сгоревших веществ перед их выпуском в атмосферу.

Поскольку нормы экологии к современным автомобилям постоянно возрастают, продукты современного автомобилестроения имеют более совершенную выхлопную совокупность с хорошими показателями снижения токсичности. В последних моделях транспортных средств между трубкой приема газового потока и резонатором устанавливается катализатор, который отвечает за снижение уровня токсичных веществ перед выпуском газов в атмосферу. Помимо этого, данный элемент способствует более равномерной работе системы, что позволяет снизить уровень шума в ходе ее эксплуатации.

Сегодняшняя совокупность выпуска отработавших газов имеет в себе достаточно большое количество составляющих, среди которых: коллектор выпуска отработанных веществ, нейтрализатор, глушитель, патрубки соединения. Помимо всех указанных компонентов, выхлопная система дизеля оснащается сажевым фильтрующим элементом. Все компоненты выхлопной совокупности находятся в донной части транспортного средства.

Функция каждого элемента выхлопной совокупности в составе транспортного средства.

Коллектор выпуска отработанных газов.

Данный элемент отвечает непосредственно за отвод сгоревшей топливной смеси из цилиндров двигательной системы. Также коллектор выпуска производит вентилирование рабочих цилиндров движка, поддерживая их оптимальный температурный режим. Несмотря на то что первичная функция выхлопной системы кажется простой и понятной, нельзя недооценивать ее роль в работе двигателя авто. Габариты и форма коллектора выпуска во многом определяет направление газового потока, что также влияет на уровень вибрации при прохождении сгоревшего топлива. В связи с этим выпускной газовый коллектор влияет на производительность двигательной системы.

Поскольку для своевременной подачи новой топливной смеси, необходим регулярный отвод отработанных газов из системы двигателя — процесс вывода сгоревшего топлива должен происходить согласно процессу подачи бензина. В ходе эксплуатации транспортного средства, коллектор выпуска отработанных газов постоянно работает в сложных температурных условиях. Для увеличения срока эксплуатации коллектора выпуска даже при постоянном воздействии высоких температур, его корпус изготавливают из специального чугунного сплава, который является устойчивым к воздействию больших тепловых нагрузок.

Труба глушителя.

Следующим элементом выхлопной системы, который непосредственно соединен с коллектором отвода сгоревшего топлива, является глушащая трубка. Для правильной работы выхлопной совокупности, производители транспортных средств были вынуждены предусмотреть в системе дополнительную изоляцию, для защиты от посторонних воздействий двигательной совокупности. Функцию снижения воздействий, поступающих от двигателя выполняет специальная муфта, изолирующая вибрацию. Данный элемент выходной совокупности транспортного средства имеет вид эластичного шланга, покрытого защитной оболочкой из стали.

Нейтрализатор.

Катализатор выполняет роль снижения уровня токсичных примесей в составе отработанных газов. Данный элемент получил широкое распространение в настоящем автомобилестроении в связи с увеличением требований экологии к транспортным средствам. В зависимости от производителя и марки транспортного средства, форма и место нахождения каталитического нейтрализатора могут различаться. Но, вне зависимости от структуры данного компонента выхлопной системы, его основной функцией остается снижение уровня токсичности в сгоревших газах.

Современные транспортные средства оснащаются более совершенными катализаторами, включающими в себя три фильтрующих компонентов. Такой каталитический нейтрализатор, снижает уровень содержания вредных веществ, входящих в состав отработанной топливной смеси. При такой конструкции выхлопной системы, отработанный газ выходит в окружающую среду практически без остатка углерода, оксида азота и оксида углерода.

Отличия современных систем.

Как было сказано выше, выхлопная совокупность транспортного средства, оснащенного дизельным двигателем имеет свои особенности. Основным отличает выходной совокупности на дизеле является наличие сажевого фильтра. Данный фильтрующий элемент, как становится понятно из названия, снижает показатель сажи в составе отработанной смеси перед ее отправкой в атмосферу. В некоторых выходных совокупностях, фильтрующий элемент напрямую соединяется с катализатором. Такая конструкция выходной совокупности зарекомендовала себя как наиболее совершенная и экологичная. Количество систем, контролирующих уровень экологии транспортного средства постоянно увеличиваются.

В составе автомобилей нового поколения, существуют следующие системы, обеспечивающие снижение уровня токсичности сгоревшей смеси: совокупность охлаждения картера, система обратной циркуляции сгоревших газов, система обнаружение паров топливной смеси.

Анализатор кислорода, передает электронному блоку управления двигателем показания воздушного потока в отработанной смеси. Благодаря полученным сигналам, совокупность, контролирующая работу двигателя, производит формирование оптимальной смеси топлива и воздуха. Несмотря на то что анализатор кислорода входит в состав выходной совокупности, основной его задачей остается поддержание правильной работы двигательной системы.

В составе современного транспортного средства как правило находятся несколько анализатора. Один из них находиться перед катализатором, второй размещается сразу после него. Помимо указанных конроллеров, в системы выхода отработанной смеси, как правило, монтируются следующие анализаторы: датчик определения температуры отработанных газов, анализатор оксидов азота. Каждый из анализаторов, расположенных в составе выходной совокупности, принимает участие в формировании топливовоздушной смеси и выполняет важную функцию в ходе эксплуатации транспортного средства.

Глушитель, наиболее известный элемент системы выхода отработанной смеси. Данное устройство отвечает за снижение уровня шума при эксплуатации транспортного средства. Сам глушащий элемент включает в себя несколько составляющих: устройство предварительного снижения шума (резонатор) и элемент основного подавления шума. Небольшая совокупность постоянно изменяет направление движения газов, что приводит к уменьшению шума при выходе смеси.

Система выпуска отработавших газов, распространенные неисправности.

Нередко, в ходе эксплуатации транспортного средства можно заметить посторонний шум, вызванный механическим повреждением одного из компонентов глушащего элемента. В случае большинства неисправностей, поврежденный элемент выхлопной системы заменяют на новый. При наличии специального оборудования и необходимых навыков для проведения сварочных работ, можно выполнить восстановление глушителя своими руками.

Система выпуска отработавших газов имеет относительно простое устройство, что дает возможность устранить большую часть поломок своими руками. Лучшим решением при повреждении того или иного элемента совокупности будет его замена. В большинстве случае, восстановленный глушитель быстро выходит из строя и подлежит обязательной замене.

Ссылка на основную публикацию