3 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Конструкция выпускного коллектора

Коллектор выпускной

В каждом двигателе внутреннего сгорания есть такая деталь, как выпускной коллектор. Вопреки распространенному мнению, коллектор не просто отводит отработанные газы из цилиндров, а делает большой вклад в нормальную работу двигателя. Все о коллекторах, их функциях, типах и конструкциях читайте в статье.

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.

Типы и конструктивные особенности коллекторов

Конструктивно все выпускные коллекторы делятся на две большие группы:

Цельные коллекторы устроены просто — это литая конструкция, в которой короткие трубы от каждого цилиндра объединены в общую камеру или приемную трубу. Такие коллекторы вследствие малой длины каналов и особенностей их расположения имеют невысокую эффективность и с их помощью нельзя хорошо настроить выпуск. Однако они очень просты в изготовлении, поэтому находят широкое применение на дешевых двигателях и на малооборотистых тракторных дизелях.

Часто цельный коллектор объединяется в один узел с впускным коллектором — такая деталь называется газопроводом. Это решение широко используется на отечественных двигателях.

Трубчатые коллекторы (они в нашей стране часто называются «пауками») — это более сложная по конструкции, но при этом более эффективная система, с помощью которой можно качественно настроить выпуск. Такие коллекторы обычно изготавливаются из стальных труб, которые на определенной длине переходят в общую приемную трубу.

Трубчатые коллекторы делятся на две большие группы:

  • «Короткие» коллекторы типа 4-1 — в таком коллекторе трубы от каждого цилиндра имеют одинаковую длину и в одном месте сходятся в одну приемную трубу;
  • «Длинные» коллекторы типа 4-2-1 — в таком коллекторе трубы объединены попарно (обычно соединяются 1-й и 4-й, и 2-й и 3-й цилиндры, они образуют Y-образную конструкцию), а затем две пары соединяются в одну общую приемную трубу.

Эти коллекторы названы «длинными» и «короткими» из-за того пути, который проходят отработанные газы. В коллекторах 4-1 газы проходят меньший путь, поэтому они лучше подходят для высокооборотистых моторов (а лучшие режимы работы они обеспечивают двигателям с рабочей частотой вращения вала 6000 об/мин и выше). В коллекторах 4-2-1 газы проходят более длинный путь, поэтому они лучше подходят для менее оборотистых моторов и сегодня находят очень широкое применение.

Трубчатые коллекторы имеют характерные формы, за которые они и получили название «паук». Такие формы придаются трубам коллектора не просто так — трубы, выходящие из каждого цилиндра, должны иметь строго определенную длину, и чтобы все трубы сошлись в одной (для коллекторов 4-1) или в трех (для коллекторов 4-2-1) точках, их приходится изгибать и закручивать. Здесь свою роль также играет и теснота моторного отсека.

Важно отметить, что каждый двигатель должен оснащаться рассчитанным под него коллектором, в противном случае будет наблюдаться потеря мощности и ухудшение работы силового агрегата. Поэтому при форсировании и тюнинге двигателя большое внимание уделяется правильном расчету и изготовлению коллекторов для него. И при правильном подходе с помощью одно лишь коллектора можно увеличить мощность двигателя на 3-5%.

Особенности установки коллектора на двигатель

Монтаж коллектора к блоку обычно выполняется с помощью фланцев. Трубы трубчатых коллекторов крепятся на двух болтах (шпильках), а цельные коллекторы могут монтироваться на 8-16 болтов. При этом между коллектором и блоком обязательно устанавливается термостойкая прокладка.

На многих автомобилях коллектор отделен от основного объема моторного отсека специальным щитом или слоем теплоизоляции. Это предотвращает чрезмерный нагрев воздуха в подкапотном пространстве, который поступает во впускную систему. Теплоизоляционные вставки могут использоваться и в месте контакта коллектора с кузовом.

Обслуживание, возможные неисправности и ремонт выпускных коллекторов

Коллектор работает в сложных условиях — он нагревается от раскаленных отработанных газов, а также подвергается постоянным скачкам давления. Причем здесь опасность представляет и нагрев, и перепад температур. При нагреве на внешней поверхности коллектора образуется окалина и быстро протекают процессы коррозии. При перепадах температур происходит тепловое расширение и сжатие коллектора, негативно влияющие на его прочностные характеристики. А при охлаждении на коллекторе выпадает конденсат, который опять-таки вызывает коррозию.

Поэтому с течением времени коллектор теряет прочность, начинает ржаветь и даже может прогореть, также прогару подвержены и его прокладки (между коллектором и блоком, и между частями коллектора). При прогаре коллектор проще заменить в сборе, так как его заварка даст результат лишь на какое-то время.

Но в целом выпускной коллектор, особенно литой чугунный, является прочной и надежной деталью, которая может нормально работать в течение всего срока эксплуатации двигателя и никак о себе не напоминать.

Выпускной коллектор

Выпускной коллектор является важной составляющей двигателя внутреннего сгорания. Он обеспечивает не только вывод отработанных газов, но и осуществляет продувку цилиндров, подготавливая, таким образом, основу для нового такта работы. От коллектора и его пропускных способностей зависит и степень мощности динамики мотора, поэтому те, кто занимается тюнингом моторов, уделяют большое внимание характеристикам выпускного коллектора.

К выпускному коллектору предъявляются особые требования по качеству, ввиду того, что он работает в тяжелых условиях: температура газов может достигать 1000 градусов, не говоря уже про высокое давление внутри системы. Поэтому часто используется термолента для выпускного коллектора, которая внешний нагрев коллектора и нагрев других элементов подкапотного пространства, находящихся в непосредственной близости к коллектору.

Устройство коллектора

Коллектор подсоединен к ГБЦ, разумеется, между ними располагается прокладка выпускного коллектора, благодаря которой отработанные газы не вырываются в подкапотное пространство. Изготавливается прокладка из особых материалов, что и обеспечивает ее высокий срок службы. При необходимости можно произвести замену прокладки выпускного коллектора, к счастью, на большинстве автомобилей эта процедура выполняется достаточно просто и быстро. К другому концу коллектора подсоединяется выпускная труба, или каталитический нейтрализатор.

Типы выпускных коллекторов

Различают несколько разновидностей коллекторов – это цельный и трубчатый.

Цельный коллектор изготавливается преимущественно из чугуна, что позволяет ему не разрушаться под воздействием высоких температур. Отличается он дешевизной, однако уступает трубчатому коллектору в функциональном плане. Так как в цельном коллекторе довольно короткие каналы, вывод отработанных газов и продувка цилиндров имеет низкую эффективность. В этом плане гораздо лучше себя показывает трубчатый коллектор.

Трубчатый коллектор имеет удлиненные каналы, что позволяет беспрепятственно выводить отработанные газы из цилиндров двигателя. Такие коллекторы демонстрируют высокую эффективность работы на средних и высоких оборотах. За счет лучшего вывода газов, повышается и мощность двигателя. Как правило, выполняются трубчатые коллекторы из нержавеющей стали. Единственный недостаток – это высокая цена, в сравнении с цельным коллектором.

К тому же, трубчатые коллекторы также разделяются на 2 типа:

  • Выпускной коллектор 4-2-1;
  • Выпуск 4-1.

Как понимать эти обозначения? На самом деле все предельно просто. Коллектор имеет 4 выводящих канала, то есть с каждого цилиндра. Далее, каналы совмещаются между собой и вот здесь, как раз и есть главное отличие: они могут совмещаться либо в 2 канала, затем в один, либо же сразу в один канал. Это отличие дает принципиальную разницу в работе мотора и влияет на общий показатель мощности.

Читать еще:  Роль бесключевых обходчиков в современных противоугонных системах

Какая разница между Выпускным коллектором 4-2-1 и 4-1?

Говоря про коллектор схемы 4-2-1, то главными чертами, которыми он обладает, является прирост мощности на всем диапазоне работы двигателя. В этом плане, 4-1 отличается более сдержанной работой на низких оборотах и высоким приростом на высоких оборотах коленчатого вала. В зависимости от назначения автомобиля, выбирается тот или другой тип коллектора.

Выпускной коллектор – важный элемент, на который обращают внимание в ходе тюнинга двигателя. При грамотной его установке, мощность мотора можно заметно увеличить. Так, излюбленным среди мастеров является выпускной коллектор паук, который обеспечивает прирост мощности для доработанных двигателей.

Читайте также:

Одной из часто возникающих проблем с дизельным двигателем, является сбой в работе топливных форсунок. Конструктивные особенности дизельного мотора, низкокачественное топливо – все это со временем приводит к проблемам, связанным с форсунками. Мотор начинает работать нестабильно, повышается расход топлива, двигатель запускается неохотно, а из выхлопной трубы вырываются клубки черного дыма. Все .

Конструкторы Webasto первыми в мире заинтересовались идей оптимизации климата в салоне автомобиля. В далеком 1935 году они разработали несколько моделей жидкостных отопителей для автобусов и легковых автомобилей. В 1965 году компания представила на рынке климатической техники первый автомобильный кондиционер. В наше время компания Webasto является одним из первых мировых производителей .

Рейка является составной частью рулевого управления автомобиля. Каждая автомобильная деталь имеет определенный ресурс работы, рулевая рейка в этом плане не является исключением. Рабочее состояние механизм может сохранять порядка 100 тыс. км. Тем не менее, никто не застрахован от преждевременного возникновения проблем, связанных с рулевой рейкой. Наиболее частой из них является как раз стук в .

Доводка выхлопной системы атмосферных ДВС

Конструкция выхлопной системы для двигателей без турбокомпрессора (так называемых «атмосферников ») несколько отличается от конструкции выхлопной системы для турбированных двигателей, причём большая часть отличий относится к «головной » части выхлопной системы и в частности к выпускному коллектору.

Цель выхлопной системы «атмосферников » такая же, как и у турбированных двигателей – с максимально возможной скоростью и с созданием минимального противодавления отвести ОГ в атмосферу, но на этом все сходства заканчиваются. Дальше начинаются компромиссы, необходимые для соблюдения требований по шумности, экологичности и компоновке, причём некоторые из этих компромиссов неизбежно приводят к определённым потерям мощности.

Выпускной коллектор

Конструкция выпускного коллектора оказывает наиболее существенное влияние как на мощностную характеристику двигателя, так и на развиваемую им максимальную мощность. «Правильность » конструкции выпускного коллектора определяется огромным количеством факторов. Важным фактором является конструкция участка слияния потоков ОГ, отводимых от отдельных цилиндров. Существует два варианта конструкции таких участков для четырёхцилиндрового двигателя: «421 » и «41 ». В варианте «421 » два первичных выпускных трубопровода объединяются в один вторичный, после чего два получившихся вторичных трубопровода объединяются между собой. В варианте «41 » четыре первичных выпускных трубопровода сходятся в одной точке. Оба варианта имеют свои преимущества, но в варианте «41 » импульсы выхлопов взаимодействуют друг с другом таким образом, что достигается максимальный крутящий момент. Ниже приведено схематичное изображение обоих вариантов:

Диаметр первичных выпускных трубопроводов

При небольшом объёме отводимых ОГ уменьшение диаметра первичных выпускных трубопроводов позволяет увеличить скорость протекания по ним потока ОГ. Чем больше предполагаемый объём отводимых ОГ, тем больше должен быть диаметр первичных выпускных трубопроводов.

Объём отводимых ОГ зависит от рабочего объёма, частоты вращения вала и нагрузки двигателя. Чем больше объём каждого цилиндра, тем больше должен быть диаметр отходящего от этого цилиндра первичного выпускного трубопровода.

Сказанное действительно и для частоты вращения вала двигателя: чем больше эта частота, тем больший объём ОГ выпускается из цилиндра за единицу времени и тем большим должен быть диаметр отводящего эти ОГ первичного выпускного трубопровода. Объём выпускаемых из цилиндра ОГ увеличивается и с увеличением нагрузки двигателя.

Таким образом, оптимальные размеры первичных выпускных трубопроводов определяются в каждом конкретном случае как компромисс между потребностью увеличить скорость протекания потока ОГ и потребностью увеличить пропускную способность трубопровода.

При чрезмерно большом диаметре первичного выпускного трубопровода невозможно обеспечить требуемую скорость протекания потока ОГ. Снижение скорости этого потока приводит к снижению крутящего момента, причём значительное снижение этой скорости приводит также и к снижению развиваемой двигателем максимальной мощности.

Разумный компромисс между скоростью и пропускной способностью позволяет обеспечить как хороший крутящий момент на малых оборотах, так и достаточную тягу на высоких оборотах.

Длина первичных выпускных трубопроводов

Длина первичных выпускных трубопроводов оказывает заметное воздействие на мощностные характеристики двигателя. Увеличение этой длины улучшает тягу на низких оборотах, в то время как её уменьшение улучшает тягу на высоких оборотах. Указанная зависимость объясняется той зависящей от длины выпускных трубопроводов разницей во времени, с которой ударные волны, распространяющиеся в выпущенных из цилиндра ОГ, отражаются и возвращаются обратно в цилиндр. Эти ударные волны возникают в первичном выпускном трубопроводе в момент открытия выпускного клапана, причём, пройдя по всему трубопроводу, эти волны отражаются от выпускного коллектора и частично возвращаются обратно в цилиндр. Вернувшись в цилиндр, такие волны способствуют удалению из цилиндра ОГ и всасыванию в цилиндр воздуха. Увеличение количества воздуха и топлива в цилиндре приводит к увеличению развиваемой двигателем мощности. Данный эффект также известен как эффект (резонансной ) продувки цилиндра, причём обеспечение такого эффекта является одной из основных задач правильно спроектированного выпускного коллектора. Выполнение всех первичных выпускных трубопроводов имеющими одинаковую длину позволяет придать этому эффекту большую регулярность. В результате подсос воздуха в цилиндры становится более равномерным и дополнительно усиливается за счёт резонансных эффектов. При этом газообмен в цилиндре и в частности удаление из него ОГ и впуск воздуха осуществляется не только за счёт хода поршня, но и за счёт описанного выше эффекта продувки цилиндра. При разработке «настроенных » выпускных коллекторов для «Субару » нередко забывают о том, что длина выпускного канала цилиндра фактически также относится к выпускному трубопроводу, и учитывать нужно именно суммарную длину трубопровода и этого канала. Вопрос усложняется тем, что различные выпускные каналы автомобилей «Субару » имеют различную длину. Нежелание учитывать эти различия приводит к невозможности в полной мере воспользоваться преимуществами, которые способен обеспечить правильно спроектированный «настроенный выпуск».

Ниже схематично показаны выпускные каналы цилиндров «Субару ». Как видно на рисунке, каналы А длиннее каналов Б.

Как становится очевидно из вышесказанного, основные затраты времени при испытаниях бывают связаны с правильным подбором длины первичных выпускных трубопроводов, в ходе которого приходится учитывать длину выпускных каналов цилиндров.

Конструкция коллектора

В выпускном коллекторе первичные выпускные трубопроводы объединяются в основной трубопровод выхлопной системы. Известны самые различные варианты выполнения соответствующего участка коллектора – от простых и недорогих в изготовлении до весьма сложных и затратных. Простейший способ объединения первичных выпускных трубопроводов показан в левой части приведённой ниже иллюстрации.

В данном варианте в центре, между сходящимися трубопроводами, образуется застойная область, в которой возникают сильные затормаживающие поток ОГ завихрения. Отсутствие такой области является основным преимуществом более совершенных коллекторов. Вариант выполнения такого коллектора показан в правой части приведённой выше иллюстрации. Как видно на рисунке, в данном варианте первичные выпускные трубопроводы сходятся воедино без образования застойной области. Данный вариант сравнительно недорог в изготовлении и обеспечивает неплохие результаты. При этом эффект достигается просто за счёт соответствующей деформации сходящихся концевых участков труб.

Однако наиболее совершенным техническим решением является показанный ниже коллектор, выполненный в виде отдельной детали, в которую вставляются концевые участки первичных выпускных трубопроводов. Показанный ниже образец производства фирмы «Burns Stainless» является одним из лучших доступных в продаже выпускных коллекторов. Обратите внимание на то, как выполнен участок слияния потоков ОГ, поступающих из первичных выпускных трубопроводов.

Длина коллектора

Длина коллектора также влияет на мощностную характеристику двигателя. Обычно с увеличением длины коллектора пик мощности смещается в сторону высоких оборотов. В любом случае, длина коллектора должна быть достаточной для сведения к минимуму завихрений, возникающих в ходе взаимного слияния потоков ОГ, поступающих из первичных выпускных трубопроводов. Недостаточная длина соответствующего участка коллектора приводит к возникновению завихрений, способных серьёзно затормозить поток ОГ. Однако у коллектора существует и другой важный параметр, подбор которого невозможен без обширных испытаний. Этим параметром является внутренний объём коллектора, от которого тоже во многом зависит мощностная характеристика двигателя.

Ширина коллектора

Ширина (или внутренний объём) коллектора в основном определяет характер взаимодействий, возникающих между отдельными выхлопами или импульсами выхлопа. Слишком большая ширина коллектора препятствует возникновению между такими импульсами желательных взаимодействий, приводящих к возникновению описанного ранее эффекта резонансной продувки цилиндра, а также приводит к снижению скорости истечения ОГ. Недостаточная ширина коллектора, напротив, способна затруднить свободное истечение ОГ за счёт создания слишком высокого противодавления. «Правильная » в каждом конкретном случае ширина коллектора определяется лишь путём испытаний.

Углы конусности

Очевидно, что чем меньше угол конусности выпускного коллектора, и в общем случае чем плавнее любое изменение проходного сечения любого элемента выхлопной системы, тем лучше. Однако именно в выпускном коллекторе угол конусности, под которым проходное сечение этого коллектора переходит в проходное сечение основного трубопровода выхлопной системы, является одним из важнейших факторов. Любое резкое сужение выпускного коллектора способно сильно помешать процессу свободного истечения ОГ.

Проходной диаметр каждого из участков, на которых первичные выпускные трубопроводы вливаются в главное внутреннее пространство выпускного коллектора, должен как можно точнее соответствовать диаметру выпускных каналов цилиндров. В противном случае в выпускном коллекторе неизбежно возникнут дополнительные нежелательные завихрения. Нельзя забывать, что завихрения в выпускном коллекторе оказывают большее негативное воздействие на протекание потока ОГ, чем завихрения в любой иной части выхлопной системы. По данным многих заслуживающих доверия специалистов, уменьшить возникающие в коллекторе завихрения можно путём ступенчатого изменения площади проходного сечения выпускного коллектора. Однако это приводит к усложнению и удорожанию коллектора.

Кроме того, существенные ограничения на конструкцию коллектора накладывает компоновка подкапотного пространства автомобиля. То, что выпускные каналы цилиндров двигателей «Субару » расположены с противоположных сторон двигателя, существенно усложняет задачу конструирования выпускного коллектора для этих автомобилей. Для двигателей с горизонтальным оппозитным расположением цилиндров сложность изменения длины первичного выпускного трубопровода сравнима со сложностью изготовления нового выпускного коллектора, вследствие чего при испытаниях процесс определения правильной длины этих трубопроводов занимает очень много времени. Сделать так, чтобы длина всех первичных выпускных трубопроводов с учётом относящихся к ним выпускных каналов цилиндров была строго одинакова, а сами эти трубопроводы при этом приемлемым образом вписались в компоновку подкапотного пространства, является непростой задачей, а ещё более сложная задача тонкой настройки выпуска для оптимизации эффекта резонансной продувки цилиндров, для чего длины трубопроводов индивидуально модифицируются с шагом 0,5 – 1 дюйм, и вовсе требует от конструктора большого таланта.

Читать еще:  Стратегия тюнинга отечественных автомобилей ВАЗ 2101 копейка

Каталитические нейтрализаторы ОГ

Наличие собственного динамометрического стенда позволяет проводить сравнительное тестировании оснащённых и не оснащённых каталитическими нейтрализаторами ОГ выхлопных систем «атмосферных » автомобильных двигателей. По результатам испытаний можно утверждать, что отсутствие каталитического нейтрализатора не способно принести существенного выигрыша по сравнению с присутствием в выхлопной системе правильно спроектированного каталитического нейтрализатора ОГ.

ажным фактором, определяющим, насколько серьёзное препятствие на пути потока ОГ будет представлять собой каталитический нейтрализатор, является угол конусности его корпуса. Поскольку проходное сечение корпуса каталитического нейтрализатора существенно превышает проходное сечение входящих и выходящих из этого корпуса выхлопных трубопроводов, слишком резкое изменение этого проходного сечения способно существенно затормозить поток ОГ.

Сказанное в равной степени относится к каталитическим нейтрализаторам как турбированных двигателей, так и «атмосферников ». Кроме того, необходимо обеспечить прохождение поступающих вовнутрь корпуса каталитического нейтрализатора ОГ сквозь всё рабочее сечение активных элементов этого нейтрализатора. В случае, когда потоком ОГ используется не вся площадь сечения этих активных элементов, каталитический нейтрализатор ОГ не будет работать с должной эффективностью. По названной причине плавное расширение корпуса каталитического нейтрализатора на входе даже важнее плавного сужения этого корпуса на выходе.

Часть выхлопной системы, расположенная после каталитического нейтрализатора по ходу потока ОГ

Разработать «правильную » часть выхлопной системы, расположенную после каталитического нейтрализатора по ходу потока ОГ, проще, чем разработать «правильный » выпускной коллектор. Основной задачей остаётся поддержание максимально возможной скорости истечения ОГ. Слишком широкая труба приводит к снижению скорости потока ОГ и потере части крутящего момента на малых оборотах. Слишком узкая труба приводит к снижению максимальной мощности (мощности на высоких оборотах). Оптимальное в каждом конкретном случае решение является, как всегда, результатом компромисса. Важно обеспечить гладкую внутреннюю поверхность трубопроводов и правильно использовать технологию гибки труб. Глушитель должен создавать как можно меньшее сопротивление потоку ОГ и одновременно с этим в достаточной мере снижать шумность выхлопа. Собственно говоря, все «хитрости » конструирования задней части выхлопной системы ограничиваются вышесказанным. Очевидно, что эта часть выхлопной системы действительно заметно проще выпускного коллектора.

Конструкция выпускного коллектора

Рассмотрим каковы конструкция выпускного коллектора двигателя. Выпускной коллектор предназначен для сбора высокотемпературных отработавших газов, выбрасываемых через выпускные окна головки блока цилиндров. Горячие газы направляются по выпускной трубе в каталитический нейтрализатор отработавших газов, и далее через глушитель и резонатор в выхлопную трубу, откуда выбрасываются в атмосферу. Необходимо обеспечить максимально возможное снижение сопротивления выпуску отработавших газов и максимально возможное шумоподавление.

Температура отработавших газов зависит от режима работы двигателя. Коллектор двигателя должен быть рассчитан на условия работы, соответствующие как режиму холостого хода, так и режиму полной мощности. При работе двигателя на полной мощности выпускной коллектор раскаляется докрасна и подвергается сильному температурному расширению которых конструкциях коллекторов предусмотрены литые отражатели и рассекатели, предназначенные для максимального облегчения выхода газов в выпускную трубу.

В одних конструкциях выпускной коллектор размещается над свечой зажигания, в других под ней. Свечи зажигания и тщательно уложенные провода зажигания защищаются от нагрева со стороны выпускного коллектора с помощью штампованных тепловых отражателей.

Температура выпускного коллектора может превышать 1500°Ф (815°С).

В режиме холостого хода выпускной коллектор нагревается и расширяется незначительно. После отливки коллектор может быть подвергнут отжигу. Отжиг — процесс термообработки с целью отпуска закаленных участков отливки во избежание появления в ней трещин, вызванных изменениями температуры. В ходе эксплуатации автомобиля рабочие температуры коллектора обычно достигают крайних пределов. Выпускные коллекторы изготавливаются как правило из чугуна, обладающего стойкостью к резким и крайне значительным изменениям температуры. Коллектор прикручивается к головке блока цилиндров таким образом, чтобы он мог беспрепятственно расширяться и сокращаться. В ряде случаев используются болты с пустотелой головкой, для того чтобы обеспечить газонепроницаемый контакт и при этом позволить коллектору беспрепятственно расширяться и сокращаться.

Системы выпуска отработавших газов конструируются под конкретные комбинации двигателя и ходовой части. Длина системы выпуска, размер выпускной трубы и конструкция глушителя подбираются таким образом, чтобы обеспечить резонансный эффект в столбе газа, заполняющем систему выпуска. Резонанс возникает, когда выброс отработавших газов из цилиндра в выпускной коллектор попадает в промежуток между выбросами отработавших газов из других цилиндров.

Уплотнительные прокладки выпускных коллекторов

Выпускной коллектор, нагреваясь, расширяется сильнее головки блока цилиндров. В результате его контактная поверхность перемещается по поверхности головки. Нагрев вызывает также возникновение в выпускном коллекторе термических напряжений. Когда выпускной коллектор снимают с двигателя при техобслуживании,термические напряжения могут вызвать его незначительное коробление. Уплотнительные прокладки выпускных коллекторов, входящие в комплекты прокладок, предназначены для обеспечения герметичности соединения с головками блока цилиндров слегка покоробленных выпускных коллекторов. Даже если изначально в двигателе не были установлены прокладки выпускных коллекторов, их обязательно следует установить. Если перфорированная основа прокладки выпускного коллектора облицована покрытием только с одной стороны, то при установке такой прокладки укладывайте ее облицованной стороной к поверхности головки, а перфорированной металлической основой к поверхности выпускного коллектора. Коллектор будет скользить по металлической поверхности прокладки так же, как он скользит по контактной поверхности головки.

Через трещину в выпускном коллекторе не только происходит утечка отработавших газов, создавая шум, но и всасывается воздух. Отработавшие газы выбрасываются из цилиндров отдельными порциями или импульсами давления. За каждым импульсом высокого давления следует зона низкого (ниже атмосферного) давления. Наружный воздух, находящийся под атмосферным давлением, за счет этого пониженного давления всасывается через трещину в выпускной коллектор. Кислород, концентрация которого в наружном воздухе составляет 21%, попадая на кислородный датчик, заставляет его давать неверный сигнал компьютеру о том, что двигатель работает на слишком обедненной смеси (с избыточной концентрацией кислорода). Компьютер воспринимает ошибочные показания датчика как истинные и увеличивает подачу топлива. В результате двигатель работает на переобогащенной смеси (с избыточной концентрацией топлива), что вызывает засорение свечей зажигания и нарушение работы двигателя.

В новых двигателях с выпускными коллекторами трубчатой конструкции, в которых выпускные каналы цилиндров соединяются с магистральным выпускным воздуховодом через коллекторную головку, устанавливаются уплотнительные прокладки. Часто в конструкцию этих прокладок входят тепловые отражатели для защиты свечей и проводов зажигания о г нагрева со стороны выпускного коллектора. Прокладки могут быть изготовлены из нескольких слоев стали, чтобы обеспечить уплотнение стыков при высоких температурах. Слои скрепляются вместе точечной сваркой. В некоторых случаях, когда требуется особенно качественное уплотнение, поверхности прокладок выполняются тиснеными (рис. 12.35). Во многих новых двигателях с литыми выпускными коллекторами прокладки не устанавливаются. Контактная поверхность нового чугунного выпускного коллектора плотно прилегает к контактной поверхности новой головки блока цилиндров, обеспечивая необходимую герметичность.

Преимущества коллекторной головки

Во многих двигателях вместо литого чугунного выпускного коллектора используется коллектор сварной конструкции из стальных труб (так называемая коллекторная головка). Применение легкой коллекторной головки позволяет добиться плавной, почти идеальной формы выпускного коллектора, способной пропустить мощный поток отработавших газов, образующихся при работе двигателя на высоких скоростях.

Преимущества коллекторной головки заключаются в следующем:

  1. Коллекторная головка снижает сопротивление системы выпуска. Снижение сопротивления, создаваемого системой выпуска, облегчает выброс отработавших газов из двигателя, снижая потери мощности, расходуемой на продувку отработавших газов через систему выпуска.
  2. Сразу же после выброса через выпускное окно головки блока порции отработавших газов, находящейся под высоким давлением, в цилиндре создается пониженное давление. Резонансные коллекторные головки сконструированы таким образом, что отдельные импульсы отработавших газов сливаются в один, больший по длительности импульс, с соответственно более продолжительным участком пониженного давления после него. Это пониженное давление реально способствует тому, что в цилиндр всасывается большее количество топливно-воздушной смеси.

Этот эффект обратного наддува лучше всего проявляется при скорости вращения двигателя выше определенного порога, который зависит от длины патрубков коллектора и объединительной секции, в которую они сходятся. Чем они длинней, тем ниже порог скорости, на котором эффект коллекторной головки начинает работать. В некоторых конструкциях коллекторных головок используются патрубки изменяемой длины. Самый короткий используется на высоких.

Выпускной коллектор: описание устройства и принципа работы

Выпускной коллектор — первый узел выхлопной системы автомобиля. Конструктивно это несколько каналов, объединенных в один общий канал, передающий выхлопные газы далее по выпускному тракту. Выпускные коллекторы устанавливаются на все типы двигателей внутреннего сгорания независимо от их марки или назначения. Выпускные коллекторы необходимы для сбора и отвода выхлопных газов.

Правильно спроектированный и подобранный коллектор способствует более эффективной вентиляции цилиндров, а значит, более оптимальному наполнению топливовоздушной смесью. Достигается подобный эффект благодаря движению выхлопных волн внутри каналов коллектора.

Принцип работы выпускного коллектора

Перед тактом выпуска отработанные газы находятся в цилиндре под большим давлением. После открытия выпускного клапана происходит перепад давлений, выхлопные газы устремляются в выпускной коллектор (где давление значительно ниже). Поршень при этом начинает движение вверх, выталкивая содержимое камеры сгорания в выхлопную систему. Часть газов уходит далее по выхлопному тракту, часть — отражается и стремится к соседним цилиндрам. Подобные движения отработанных газов принято называть волновыми. Побочным положительным эффектом является разряжение среды в выпускном коллекторе после прохождения такой волны.

Комплексная работа впускного коллектора, газораспределительного механизма и выпускного коллектора обеспечивает дополнительную продувку камеры сгорания. Все дело в том, что выпускной клапан всегда «запаздывает» с закрытием (во время начала такта впуска, выпуск еще открыт). Накопленное давление топливовоздушной смеси в впускном коллекторе в определенных условиях выше давления в выпускном коллекторе. Происходит резкий перепад давлений, цилиндр дополнительно продувается от выхлопных газов, наполняется свежей порцией топливовоздушной смеси. Выпуск закрывается.

Виды выпускных коллекторов

Все выпускные коллекторы можно разделить на цельные и трубчатые. Цельный выпускной коллектор — это, как правило, единая деталь, отлитая из чугуна. Трубчатый коллектор изготавливается из сваренных труб, стали и фланцевых соединений для стыковки с блоком двигателя.

Виды компоновки труб коллекторов

Выпускной коллектор с компоновкой 4-1. Представляет собой четыре трубы-канала, соединенных в одну общую трубу (количество каналов соответствует количеству цилиндров).

Читать еще:  Нагар на свечах зажигания

Выпускной коллектор 4-2-1. В таких коллекторах трубы сначала соединяют цилиндры, работающие в паре (на одном такте), а потом переходят в одну общую трубу.

Важным параметром выпускных коллекторов является их длина, а соответственно — и объем. При недостаточной длине выпускных каналов энергии потоков выхлопных газов будет достаточно, чтобы попасть в каналы соседних цилиндров и негативно влиять на их работу. В таких коллекторах плохо синхронизированы волновые движения газов с работой двигателя. В тоже время на двигателях с небольшой длинной выпускного коллектора, как правило, «узкие» фазы газораспределения с относительно небольшим объемом выхлопных газов. Производство коллекторов с малой длиной оправдано низкой стоимостью.

На мощных и производительных двигателях используются длинные выпускные коллекторы. В таких коллекторах часть объема выхлопных газов стремится по общей трубе в следующие узлы выхлопной системы, а часть — «отражается» к остальным цилиндрам. Для перехода волны из одного цилиндра в другой потребуется значительно больше времени, что создает определенно лучшие условия для разряжения и продувки.

Выпускной коллектор с равной длиной выпускных труб (равнодлинный). Как правило, устанавливается на мощные спортивные автомобили.

Равнодлинный коллектор позволяет равномерно осуществить выпуск во всех цилиндрах и лучше синхронизировать работу двигателя с выхлопной системой. Тюнинг выпускного тракта можно делать на любом двигателе. Это гарантированно принесет дополнительные 3-5% мощности.

Не стоит забывать, что увеличение длины выпускного коллектора повлечет за собой и увеличение температуры в подкапотном пространстве.

Проблема с температурой решается установкой теплоизоляции. Для этого можно использовать металлический кожух либо специальную негорючую ткань.

Существуют модели коллекторов, в которых в качестве теплоизоляции применяется керамическое напыление.

Эксплуатация выпускных коллекторов

Типичные неисправности выпускных коллекторов:

  1. Повреждение прокладки между коллектором и блоком цилиндра. Для уплотнения узла соединения «блок цилиндров – выпускной коллектор» применяется прокладка, которая изготавливается из паронита, металла либо композитных материалов. Под действием давления и высоких температур со временем прокладка разрушается, что приводит к нарушению герметичности. Часть газов прорывается, напрямую в атмосферу, двигатель работает нестабильно.
  2. Деформация фланца труб коллекторов. Температура выпускного коллектора может достигать 900 ºС. При нарушении температурных режимов коллектор подвергается деформации, которая может вызвать повреждения резьбовых соединений крепежа коллектора. Например, болты выпускного коллектора может просто «сорвать» (повредить резьбу). К таким последствиям приводит нарушение режима работы двигателя либо излишний тюнинг.
  3. Физические повреждения, нарушение герметичности. Выпускной коллектор работает в агрессивной среде, поэтому со временем и пройденными километрами чугунные коллекторы лопаются, а трубчатые стальные — могут прогореть. Это негативно отражается на работе двигателя. Даже небольшая трещина в выпускном коллекторе вызывает нарушения работы выхлопной системы. В случае, если трещина незначительная, проблема какое-то время может себя не проявлять.Симптомами могу быть:
    • ошибки блока управления двигателем;
    • нестабильные обороты двигателя — плавные перепады 300-500 единиц;
    • звук двигателя с ненастроенным зажиганием;
    • в подобных случаях определяется сильно прогоревшая труба.
  4. Засорение каналов выпускной системы. На стенках выпускных коллекторов образуется нагар и ржавчина. Подобные отложения могут привести к уменьшению просвета каналов и ухудшению характеристик двигателя.

Для того, чтобы избежать вышеперечисленных неисправностей, следует помнить, что выпускной коллектор — узел двигателя, который стоит осматривать при плановом техническом обслуживании чуть ли не в первую очередь.

Ремонт выпускных коллекторов

Проблемы с выпускными коллекторами могут возникать даже на сравнительно молодых автомобилях. Многие автовладельцы со временем задаются вопросами: что делать, если лопнул выпускной коллектор, как снять выпускной коллектор, сколько может стоить новый выпускной коллектор, поменять или отремонтировать элементы выпускного коллектора.

Конечно, самый простой способ решения проблем — обратиться в сервисный центр. Стоимость деталей и услуг будет варьироваться в зависимости от марки автомобиля и его уникальности. Например, новый выпускной коллектор может стоить от нескольких сотен до нескольких тысяч долларов.

Но ремонт выпускного коллектора может осилить и рядовой автомобилист. Необходим лишь стандартный набор инструментов и оборудования.

Замена выпускного коллектора

В случае, если выпускной коллектор значительно прогорел или имеет сильно нарушенную геометрию, он подлежит замене. Для этого:

  • ждем пока двигатель и коллектор остынут до нормальной для ремонта температуры;
  • снимаем все элементы, которые могут помешать работе (защиту двигателя, защиту коллектора или прочие узлы);
  • раскручиваем резьбовые соединения крепежа к блоку и приемной трубе выхлопной системы;
  • выполняем снятие выпускного коллектора;
  • далее — замена прокладки выпускного коллектора;
  • монтируем новый коллектор с крепежом, обтягиваем его;
  • устанавливаем все демонтированные элементы в обратном порядке, обтягиваем резьбовые соединения.

Чаще всего требуется только замена прокладки выпускного коллектора.

В случае если лопнул выпускной коллектор, или даже если его патрубок полностью отломан, не спешите приобретать новый. Во многих сервисах практикуется сварка выпускных коллекторов. Чугун варится особыми электродами или аргонодуговой сваркой. Стальные трубчатые коллекторы также подлежат заварке. Подобные работы не по силам новичку, лучше обратиться к специалистам.

Выпускные коллекторы физически необходимы для сбалансированной работы ДВС, поэтому современные двигатели проектируются с учетом комплексной работы узлов и механизмов. Тюнинг же систем выхлопа дает вполне ощутимый прирост мощности, а при верном подходе не повлияет на показатели автомобиля в целом.

Что такое выпускной и впускной коллектор в двигателя: устройство, принцип работы

Многие автовладельцы имеют весьма смутное представление об устройстве своего «железного коня», в случае поломок полагаясь на знания и умения сервисменов. И это касается почти всех систем машины. Один из любопытных примеров – система питания и система выпуска. Почти каждый автолюбитель в курсе, что в 1-ой присутствует инжектор, а во 2-ую входит глушитель, но в то же время не все способны назвать деталь, которая наличествует и там, и там – коллектор. Тут логично задать вопрос – а что такое выпускной и впускной коллектор?

Коллектор представляет собой одну из составных частей впускной (выпускной) системы авто. Всего их 2, и они служат для диаметрально противоположных целей – через впускной цилиндры поступает топливно-воздушная смесь, а через выпускной удаляются выхлопные газы.

Оба коллектора монтируются на одной стороне двигателя (на рядных; у V-образных они разнесены по бокам), но никак не сообщаются друг с другом.

Строение выпускного и впускного коллектора

В сильно упрощенном виде конструкцию коллектора можно объяснить так: это одна труба, которая разделяется на 4 или более (а иногда и менее). Количество труб, что у впускного, что у выпускного коллектора напрямую зависит от числа цилиндров в двигателе. Например, у небезызвестной малолитражки «Ока» был 2-х цилиндровый мотор. У некоторых двигателей марки «Шкода» 3 цилиндра, в то время как ряд силовых агрегатов «Ауди» – 5-ти цилиндровые. Это если говорить о рядных моторах; у V-образных двигателей обычно от 6 до 12 цилиндров, однако у них 4 коллектора (по 2 на каждую сторону), да и форма несколько другая, нежели у рядных, хотя зависимость количества труб от кол-ва цилиндров сохраняется.

Теперь подробнее о деталях, с которыми сопрягаются оба коллектора.

Впускной является частью системы питания, и к нему подключен (у бензиновых моторов) карбюратор (сейчас такое уже почти не встречается) или дроссельный узел. У современных дизелей вместо всего этого стоит аккумуляторная топливная система, более известная как «Common Rail».

Выпускной соединяется с приемной трубой (она же «штаны»), далее идет катализатор, резонатор и глушитель. На старых автомобилях катализатор отсутствует.

Устройство впускного коллектора

Предназначение впускного коллектора заключается в подведении топливно-воздушной смеси или только воздуха к цилиндрам. Почему или? Все зависит от особенностей конструкции системы питания. Впрочем, об этом ниже.

Обычно эта деталь – металлическая, но иногда встречаются коллекторы из специального пластика, выдерживающего высокие температуры. Так делают для снижения стоимости и для облегчения веса мотора, а через это – и машины.

Соединяется впускной коллектор разветвленной частью с головкой блока цилиндров (ГБЦ) через прокладку. При открывании впускных клапанов создается разряжение, с помощью которого топливно-воздушная смесь (или воздух) попадает в цилиндр, после чего клапана закрываются, и начинается такт сжатия.

Несмотря на то, что ни воздух, ни смесь его с горючим не обладают высокой температурой, коллектор все равно нагревается от ГБЦ до 100°С. Поэтому если его делают из пластика, то берут специальный, высокотемпературный тип.

Вернемся к вопросу с воздухом и топливно-воздушной смесью. Последняя подается через коллектор, если впрыск распределенный (т.е. форсунки инжектора установлены перед клапанами). Потом они открываются, и смесь топлива с воздухом попадает в цилиндр.

Если же впрыск непосредственный, и топливо подается сразу в камеру сгорания, через коллектор проходит только воздух, а смешение происходит прямо в цилиндре.

Устройство выпускного коллектора

Задача выпускного коллектора – отведение выхлопных газов. На такте выпуска одноименные клапана открываются, и под воздействием движущегося наверх поршня газы попадают в коллектор.

Он тоже подсоединен через прокладку разветвленной частью к ГБЦ, однако, посадочное место у него свое. Пройдя через коллектор, выхлопные газы попадают в приемную трубу, далее (на современных авто) в катализатор, где оседает значительная часть вредных веществ, потом в резонатор, снижающий громкость выхлопа, затем в глушитель, где звук исчезает полностью, и отводятся в атмосферу. У моторов с турбонаддувом газы после коллектора оказываются в специальном канале и крутят турбину, и только потом уходят в приемную трубу.

У инжекторных двигателей и современных дизелей в конструкции выпускного коллектора предусмотрено место для установки лямбда-зонда – датчика, который контролирует количество различных газов в выхлопе.

Основываясь в том числе и на показаниях лямба-зонда, электронный блок управления двигателем соответствующим образом дозирует подачу топлива, что приводит к возникновению взаимосвязи при работе коллекторов.

Может ли сломаться один из коллекторов

В автомобиле нет таких агрегатов и деталей, которые не могут сломаться. Так что и коллекторы тоже не вечны, хотя выпускной обычно служит на протяжении всего срока эксплуатации автомобиля, не требуя замены. Впускной же менее долговечен, особенно если сделан из пластика; он может треснуть, и тогда единственный выход – замена. Металлический гораздо более прочен, хотя и он не застрахован от трещин, однако в отличие от пластмассового его можно заварить, что решит проблему.

Несмотря на примитивность конструкции (оба коллектора по сути – трубы специфической формы), без них двигатель современного автомобиля не сможет правильно работать, ведь они не только выполняют свои прямые функции, но и помогают сильно оптимизировать работу системы питания и системы выпуска за счет информации, поступающей в ЭБУ от лямбда-зонда. Оба коллектора взаимосвязаны и одинаково важны для автомобиля, и если они работают неправильно, вы просто не сможете нормально передвигаться на своей машине.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector