Что заставляет выхлопные коллекторы светиться оранжевым на дизеле?

Инженерные вариации на тему коллекторов

Несмотря на свою простоту, выпускной коллектор имеет разновидности, появление которых обусловлено физикой оборота газов по трубам.

Из-за этого разработчикам приходится идти на компромиссы, и о них мы обязательно поговорим. Но сперва разновидности.

Встречаются такие типы коллекторов:

• цельные;
• трубчатые.

В первом случае конструкция получается очень дешёвой.

Главной её особенностью являются короткие выпускные патрубки и общая камера сбора. Честно говоря, цельные коллекторы крайне неэффективны для отвода отработавших газов.

Всему виной короткие трубки, из-за которых велико влияние импульсов газа на соседние цилиндры.

В результате мы имеем неудовлетворительную продувку камер сгорания, а это отражается на многих факторах, включая и параметры двигателя.

Для того чтобы мотор работал с максимальной эффективностью, были разработаны трубчатые выпускные системы.

Именно они наиболее часто встречаются под капотами современных автомобилей.

Представляют они собой выпускные трубы, идущие от цилиндров и сходящиеся в одну (или иногда сначала в несколько, а потом уж в одну).

Разрабатывая их, инженерам есть с чем повозиться, так как от длины выпускных труб и их диаметра зависит отдача мотора на разных оборотах.

Так, к примеру, если мы возьмём короткие трубки, то они, благодаря резонансному эффекту будут наилучшим образом продувать камеры сгорания на высоких оборотах.

Но тогда возрастёт взаимное влияние цилиндров друг на друга.

Длинные выпускные трубы, в свою очередь, хороши на малых оборотах.

Аналогичная история и с диаметром – малый диаметр труб оптимален, с точки зрения скорости отвода газов на малых и средних оборотах.

Но оказывает они испытывают большое сопротивление на высоких оборотах, из-за чего мощность мотора падает. С бОльшим диаметром выхлопных труб всё наоборот.

Таким образом, инженерам приходится лавировать и искать компромиссы, о которых мы не зря упомянули ранее.

Выпускной коллектор

Итак, второй претендент, он также выполняет немаловажную роль – отвод сгоревших газов. После того как впускные клапана были закрыты, топливо сжимается и поджигается свечой зажигания – происходит мини взрыв, поршни идут вниз – открываются выпускные клапана и отводят сгоревшие газы.

Вот только после клапанов они должный выйти в глушитель, а собирает их, из каждого цилиндра как раз выпускной коллектор (также по одной трубе на цилиндр). Он также подсоединен своей широкой частью к головке блока, только (если утрировать) с другой стороны, далее по трубам газы собираются в одну большую, как правило, сначала стоит катализатор, который дожигает газы, затем после него уже идет глушитель (может стоять и отвод для турбины). После этого газы уходят дальше после в окружающую среду. Стоит упомянуть – этот тракт гасит не только отработанные газы, но и звук выхлопа! Точнее не он сам, а глушитель которую он передает «отработку».

Как вы понимаете выпускной коллектор, работает с высокими температурами, ведь зачастую выхлоп может разогреваться до 950 градусов Цельсия. Поэтому обязательно нужно применять металлы, да не простые, а тугоплавкие способные выдерживать высокие показатели «тепла».

В этот отводящий коллектор, зачастую вкручивают датчик, это «лямба-зонт» или кислородный датчик, он «следит» за содержанием кислорода и других газов в выхлопе.

Благодаря этому датчику корректируется подача топливной смеси через наш «подающий» коллектор, то есть получается взаимосвязь.

Выпускной тракт, обычно в автомобилях очень прочный, служит почти весь срок эксплуатации автомобиля.

Назначение выпускного коллектора двигателя

Выпускной коллектор — одна из важнейших деталей системы выпуска отработанных газов двигателей внутреннего сгорания. Коллектор выполняет две ключевых функции:

• Сбор и отвод отработанных газов из цилиндров, сбор газов от всех цилиндров в одну приемную трубу;
• Помощь в продувке цилиндров и эффективном заполнении цилиндров новой порцией горючей смеси.

Неправильно считать, что коллектор — это просто сборщик выхлопных газов (собственно, это слово является калькой с английского collector — сборщик или собиратель). В действительности это деталь, с помощью которой осуществляется настройка выхлопа, повышающая эффективность и мощность двигателя. Это легко объясняет теория ДВС и коллектора.

Работа двигателя происходит циклично, в обычных четырехтактных моторах удаление отработанных газов из каждого цилиндра (а равно и заполнение цилиндра горючей смесью) происходит один раз в два оборота коленчатого вала. Об этом нужно помнить, чтобы понять суть происходящих в выхлопной системе процессов.

Отработанные газы, выходящие из цилиндра при открытии выпускного клапана, имеют высокое давление, поэтому они с высокой скоростью устремляются в коллектор. За этой порцией газа образуется разрежение (падение давления воздуха), которое играет важнейшую роль в продувке цилиндра. Непосредственно перед достижением поршня ВМТ наступает момент, когда открыты как выпускные, так и впускные клапаны. Поэтому воздух спокойно проходит через цилиндр из впуска в выпуск, обеспечивая удаление остатков отработанных газов и более полное заполнение цилиндра топливно-воздушной смесью.

Однако газы из цилиндра не просто выходят — они движутся по коллектору, достигают приемной трубы и ударяются о катализатор или глушитель (в зависимости от того, как устроена система выпуска ОГ конкретного автомобиля). Катализатор и глушитель — это довольно ощутимые препятствия для движущихся с большой скоростью газов, поэтому часть газов (около половины всего объема) не проходит дальше, а отражаются и возвращаются к цилиндру, там они снова отражаются и идут в сторону глушителя, и т.д. Так в коллекторе возникает волновой процесс (резонанс), который оказывает серьезное влияние на работу двигателя.

Дело в том, что газы могут вернуться к цилиндру до начала или в самый момент открытия выпускного клапана, и ухудшить выход новой порции отработанных газов. Это снизит эффективность работы двигателя и его мощность. Если же газы вернутся к цилиндру и отразятся до начала открытия выпускного клапана, то здесь вновь образуется разрежение воздуха, которое будет помогать выходить новой порции отработанных газов.

Здесь есть и еще один важный момент. Обычно коллекторы всех или двух цилиндров сходятся в одной точке, поэтому отработанные газы одного цилиндра будут оказывать влияние на работу других цилиндров. Например, в двигателях с порядком работы цилиндров 1-3-4-2 газы из первого цилиндра могут столкнуться с газами из третьего цилиндра, что ухудшит их отвод и снизит эффективность мотора. С другой стороны, газы от третьего цилиндра могут идти вслед за газами первого цилиндра, и в этом случае порция газа первого цилиндра вследствие образуемого ща ним разрежения будет «тянуть» за собой порцию газов третьего цилиндра, повышая эффективность их отвода и продувки цилиндра.

Поэтому важнейшая задача конструкторов заключается в том, чтобы подобрать оптимальную длину выпускного коллектора, при которой отработанные газы образовывали бы стоячие волны с областями разрежения в некоторых определенных областях — у выпускного клапана, в месте встречи потоков газов от двух цилиндров и т.д. Это называется настройкой выпуска, и благодаря ей современные двигатели максимально полно используют свой потенциал.

Настройка выпуска имеет свои сложности, например — коллектор малой длины эффективен на высоких оборотах, а коллектор большой длины проявляет себя на малых оборотах. А так как обычный двигатель может работать в широком интервале оборотов, то приходится идти на компромисс и рассчитывать коллектор только на какой-то средний интервал оборотов.

Цели, которые ставятся перед выпускными коллекторами, достигаются с помощью различных технических решений, что проявляется многообразием конструкций коллекторов.

Приемная труба

Этот элемент является первым в списке и идет сразу за выпускным коллектором. В приемную трубу попадают еще не остывшие газы. Поэтому температура может достигать 600 и более градусов Цельсия. В простонародье приемную трубу называют «штанами» за ее характерную форму. Данный элемент изготавливается из особо прочного и огнестойкого металла. Обычно он черновой (ржавеет с годами), но на более дорогих авто делается из нержавейки. Если это двигатель с большим объемом камеры сгорания, в конструкции системы может использоваться несколько таких труб. Это делается с целью уменьшения сопротивления газов. В противном случае мотор будет «задыхаться» своими же газами. 

Модификация или тюнинг выхлопной системы

 Стоит понимать, что эффективность выхлопной системы зависит от диаметра трубы и пропускной способности. Любой тюнинг можно разделить на два вида — это снижение обратного давления и уменьшение теплоотдачи в подкапотном пространстве.

 Снижение обратного давление происходит благодаря увеличению диаметра всей системы. Тут стоит понимать, что замена одного элемента не даст результата. Также, придется демонтировать каталитический нейтрализатор, заменив его пламегасителем, который имеет большую пропускную способность. Также, придется установить равнодлинный выпускной коллектор (паук), позволяющий выровнять давление отработанных газов во всех цилиндрах и нормализовать воздушный поток. Кроме этого, необходимо будет установить прямоточный глушитель. После этого, автомобиль приобретет дополнительную мощность, но увеличиться громкость работы и уменьшаться экологические показатели автомобиля.

 Вторым пунктом станет уменьшение теплоотдачи от выпускного коллектора. Это поможет уменьшить температуру двигателя и топливной системы, что обеспечит более точную подачу топливной смеси и улучшит охлаждение мотора. Для этого применяются специальные средства на асбестовой основе, не восприимчивые к большим температурам и обеспечивающие хорошую теплоизоляцию.

Вывод

Как стало понятно из выше изложенной информации, выхлопная система в современном автомобиле играет большую роль. Способную повлиять на мощность, громкость и экологичность транспортного средства.

Элемент 226621 не найден.

Принцип действия коллекторов с изменяемой геометрией

Преобразование впускного коллектора на практике может быть реализовано двумя методами: изменением площади сечения и изменением его длины. Эти методы могут применяться по отдельности или в комплексе.

Особенности впускного коллектора с изменяемой длиной

Впускной коллектор переменной длины

Технология изменения длины впускного коллектора применяется для автомобилей с двигателями, работающими как на бензине, так и на дизеле, за исключением систем с наддувом. Принцип работы такой конструкции состоит в следующем:

• При низкой нагрузке на двигатель воздух проходит по длинному пути.
• При высоких оборотах двигателя – по короткому.
• Изменение режима работы осуществляется ЭБУ двигателя посредством привода, который переключает клапан между двумя ветками коллектора.

Работа впускного коллектора с переменной длиной основана на получении эффекта резонансного наддува. Он обеспечивает интенсивное нагнетание воздуха в камеру сгорания. Происходит это следующим образом:

• После закрытия всех впускных клапанов в коллекторе остается некоторое количество воздуха.
• В трубопроводе коллектора возникают колебания остатков воздуха, пропорциональные длине впускного коллектора и частоте оборотов двигателя.
• Когда эти колебания достигают резонанса, возникает высокое давление.
• При открытии впускного клапана осуществляется нагнетание.

Для двигателей, имеющих наддув, этот вид впускных коллекторов не применяется в силу отсутствия необходимости создания резонансного наддува. Нагнетание воздуха в таких системах выполняется принудительно предустановленным турбокомпрессором.

Особенности впускного коллектора с переменным сечением

Впускной коллектор с переменным сечением

В автомобилестроении изменение сечения впускного коллектора применяется на автомобилях, оснащенных двигателями, работающими как на бензине, так и на дизеле, в том числе для систем, оснащенных наддувом. Чем меньше сечение трубопровода, по которому подается воздух, тем выше скорость потока, а следовательно, и смешение воздуха и топлива. В такой системе каждый цилиндр имеет два впускных канала, оснащенных собственными впускными клапанами. Один из пары каналов имеет заслонку. Привод такой системы изменения геометрии впускного коллектора осуществляется электродвигателем или вакуумным регулятором. Принцип действия конструкции представляет собой следующий процесс:

• Когда двигатель работает на малых оборотах, заслонки находятся в закрытом положении.
• При открытии впускного клапана топливовоздушная смесь (воздух) поступает в цилиндр только по одному каналу.
• При подаче через один канал воздушный поток входит в камеру по спирали, обеспечивая лучшее смешение с топливом.
• Когда двигатель работает на высоких оборотах, заслонки открываются, топливовоздушная смесь (воздух) поступает по двум каналам, что обеспечивает увеличение мощности мотора.

На что стоит обратить особое внимание?

Очень важно выбрать правильное сечение газоотводной трубы. Диаметр должен подходить к выходному отверстию глушителя

Также немаловажным фактором является установка углов. Их не должно быть слишком много. В идеальном варианте 1-2 плавно переходящих угла.

Каждый угол снижает мощность генератора на 10–15%.

Следует отметить, что при отводе газов генератора через дерево, пластик (другие легковоспламеняемые материалы) нужно обмотать выхлопную трубу несколькими слоями стеклоткани в целях пожарной безопасности.

Длина трубы должна быть наименьшего размера из возможных.

Отверстие, соединяющее отвод с его выходом, непременно должно располагаться под навесом. Это нужно сделать, чтобы исключить попадание в систему осадков.

Что такое коллектор + причины его поломок

В системе автомобиля под коллектором подразумевают впускную или выпускную деталь, расположенную по обеим частям двигателя. Как правило, элементы не имеют точек соприкосновения, к тому же, в 90% случаев выполнены из различных сплавов металла.

Задачи коллектора определяются его типом:

• впускной. Задача детали – это подвод и помощь в смешивании смеси топлива до того, как она попадет в цилиндры двигательной системы;
• выпускной. Выполняет отводящую функцию, где в качестве транспортного сырья выступают сгоревшие газы. Отходы поступают сначала в катализатор, а потом подаются на глушитель.

Структура обоих типов коллекторов также имеет большое сходство – это от 2 до 6 трубок, объединённые в одну, которые «одеваются» на цилиндры двигателя. Число трубок зависит от числа цилиндров, а в 2020 году могут встречаться как старые модели (та же «ОКА») с 2 цилиндрами, или продвинутые американские бензинопожирающие «монстры» с 6-ю цилиндрами. По классике – это 4 цилиндра.

Фото впускного коллектора представлено выше. Его подключение происходит к системе по подаче топлива + воздуха. В верхней части детали будет расположена или заслонка дросселя, или карбюратор.

Принцип работы выпускного коллектора:

1. После поступления в двигатель топлива, клапаны закрываются.
2. Происходит поджигание смеси свечей зажигания.
3. Поршень смещается вниз благодаря получившейся взрывной силе.
4. В работу вступают клапана на выпуске, которые отводят сгоревшие остатки топлива и газы в выпускной коллектор. К каждой трубе идет подвод коллектора, который в конце объединяет все ответвления в единое целое.
5. Катализатор поджигает смесь из трубы.
6. Горючие частички отправляются или в трубоотвод, или сразу в глушитель.
7. Газы выходят во внешнюю среду.

Выходной коллектор + глушитель подавляют звуки от работы мотора, делая ход транспортного средства для окружающих, в звуковом плане, комфортным.

Аналогичная ситуация и со сваркой. Если для залатывания коллектора будет использован низкокачественный материал, о долговечности проделанной работы не может быть и речи. В большинстве случаев отводящий коллектор дополняют специальным датчиком, который помогает отслеживать уровень кислорода в выхлопе. Он помогает корректировать состав топливной смеси, что подается в двигатель. Как итог – незримая взаимосвязь между составляющими системы.

Теперь поговорим о классификации проблем выхлопной системы.

Проблема	Описание
Катализатор	Фильтр используется с целью задержки сажи, которая имеется в газах выхлопа. Из-за постоянного влияния высокой температуры и засорения, элементы детали плавятся крайне быстро. О неполадках сигнализирует отсутствие дыма из трубы, либо его слабое проявление с сизым оттенком.
Датчик кислорода	Причин поломки может быть несколько – корпус разгерметизировался, перегрев, износ, отсутствие контакта по электрической цепи или банальное механическое повреждение.
Гофра	Элемент глушителя цилиндрообразной формы с гофрированной трубкой внутри и внешним покрытием из нержавейки. Благодаря эластичности детали, она поглощает колебания и защищает систему от разрыва. Поломка происходит, когда забит фильтр сажи + происходит резкий скачок давления.
Резонатор	Часто называют малым глушителем. Расположен перед своим старшим собратом. Возможная поломка – 1-2 элемента детали прогорели.
Глушитель	Признаки более чем говорящие – дребезжание в месте крепления системы, снижение мощности движка и громкое звуковое сопровождение.
Выпускной коллектор	Возможные проблемы – разрыв патрубка или дырка в коллекторе. Признаком проблемы служит аромат выхлопных газов в помещении салона.

Оговоренные проблемы возникают из-за влияния химических веществ, которые содержаться в смесях, распространяемых во время гололедицы. Вторая причина – износ детали. Система постоянно находится под влиянием высоких температур. Плавление и прогорание ее компонентов не диковинка.

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 NO_x 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 NO_x требу­ются датчики температуры и концентрации NO_x. Для обеспечения надлежащего качества сигна­лов при любых условиях работы расположение датчиков в системе выпуска отработавших газов должно быть оптимизировано в зависимости от конструкции системы.

Пример HTML-страницы

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Пример HTML-страницы

Устройство и принцип работы

Чтобы впускной коллектор выполнял все возложенные на него задачи, он должен иметь строго рассчитанную геометрическую форму. Например, для того, чтобы поток внутри не замедлялся, коллектор проектируется без углов и прямых линий. Плавные изгибы, округлая форма способствуют более мощному воздушному потоку.

Устройство впускного коллектора

На входе во впускной коллектор находится карбюратор или дроссельная заслонка, если речь идет об инжекторном двигателе. Центральный канал разделяется на отдельные рукава – раннеры, которые подходят к цилиндрам, а точнее, к впускным клапанам.

Топливные форсунки размещаются возле впускных клапанов (в системе распределенного впрыска) или в центральном канале, если установлен моновпрыск.

По форме впускного канала различают одноплоскостные и двухплоскостные:

1. Одноплоскостные – только с одним каналом для прохождения воздуха или топливно-воздушной смеси. Эти коллекторы пропускают за единицу времени большое количество воздуха, а значит, позволяют двигателю развить максимально возможную мощность на высоких оборотах;
2. Двухплоскостные – те, в которых канал разделен на две части. Они дают возможность получить больше отдачи мощности на низких и средних оборотах двигателя.

Материалы.
Изначально впускные коллекторы делались металлическими: из чугуна, стали, алюминия. Проблема таких конструкций не только в достаточно высокой цене, но и в значительном нагреве от цилиндров двигателя. Сегодня их в основном делают из специального термостойкого пластика, который обладает меньшей теплопроводностью, а значит, и меньше нагревает воздух внутри.

Принцип работы.
Основной принцип работы коллектора – подача воздуха на фазе впуска. Инициатором движения воздуха  является сам двигатель. Когда поршень опускается, в камере сгорания над ним создается зона низкого давления. На фазе впуска, когда клапан открыт, опускающийся поршень затягивает воздух, как хороший насос. Таким образом, от центрального канала воздух поступает в нужный раннер, а из него – в камеру сгорания. На видео-3д анимации, ниже, наглядно показан принцип работы впускного коллектора с вихревыми клапанами.

Если на автомобиле установлен карбюратор или центральная форсунка, при втягивании воздуха в раннер, поток топлива (или топливно-воздушной смеси) поступает в нужный цилиндр. Благодаря тому, что поток внутри коллектора турбулентный, топливо лучше перемешивается с воздухом и, следовательно, лучше сгорает. Турбулентный воздушный поток проектируется в коллекторе специально: он быстрее движется и лучше наполняет цилиндры.

В автомобилях с распределенным впрыском форсунки установлены в раннерах коллектора перед впускными клапанами. В этом случае по коллектору движется только воздух, который смешивается с распыленным топливом перед самым входом в цилиндр двигателя. Здесь скорость и структура воздушного потока также важны, поскольку для качественного приготовления топливно-воздушной смеси остается меньше времени и места.

Резонансные колебания.
Чтобы усилить поток поступающего воздуха, внутренняя геометрия впускного коллектора рассчитывается так, чтобы образовался так называемый резонанс Гельмгольца. Примерная схема, как это работает:

1. На фазе всасывания поршень мотора опускается вниз, создавая зону разрежения, и через открывшийся клапан в камеру сгорания на большой скорости заходит воздух;
2. Однако объем раннера намного больше, чем объем цилиндра, поэтому весь воздух, который “взял разгон” в коллекторе, в камеру сгорания не попадает;
3. Перед закрывшимся впускным клапаном создается зона повышенного давления, когда воздух по инерции продолжает движение вперед;
4. Клапан всё еще закрыт, так что давление в раннере выравнивается, то есть происходит “откат”, а после него перед впускным клапаном опять образуется зона повышенного давления. Эти резонансные колебания воздуха зависят от формы и размера коллектора и рассчитываются под каждый двигатель отдельно.