Система выпуска отработавших газов: устройство и принцип работы

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: Система выпуска

• 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:

Расположение выхлопной системы

• 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.

Материалы: http://techautoport.ru/dvigatel/vypusknaya-sistema/sistema-vypuska-otrabotavshih-gazov.html

Система выпуска используется для того, чтобы от цилиндров двигателя отводить отработавшие (отходящие или выхлопные) газы, а так же для уменьшения при их выбросе в атмосферу уровня шума. Выхлопные газы – это тело, которое уже отработало в двигателе. Представляют собой они собой продукты неполного сгорания и окисления углеводородного топлива. Именно эти газы, отходящие из рассматриваемой нами системы, являются самым главным фактором превышения допустимых концентраций пребывания токсичных веществ и канцерогенов в атмосфере.

1. Выпускной клапан – это начальная точка системы выпуска. Благодаря его работе выхлопные газы покидают камеру сгорания. Открытие и закрытие клапана регулируется распределительным валом.
2. Выпускной канал – так же известен как выпускной трубопровод, он служит для того, чтобы выводить отработавшие газы из двигателя. Обычно он сделан из серого чугуна.
3. Приёмная труба глушителя – одна из основных составляющих системы выпуска. Практически все современные автомобили имеют трубу, оснащённую датчиком кислорода.
4. Резонатор или дополнительный глушитель – это очень важный элемент системы выпуска. Он нужен для лучшего очищения цилиндров от выхлопных газов. Кроме того, резонатор уменьшает шум пуска.
5. Основной глушитель – как несложно догадаться, это самая значимая часть всей выхлопной системы. Иногда под глушителем подразумевается вся система, но в данном случае речь идёт только об её оконечной, задней детали
6. Соединительные хомуты – в выхлопной, впрочем, как и в любой другой системе, хомуты играют роль соединительных элементов для шлангов, труб и прочих трубковидных конструкций. Классифицируются хомуты по нескольким параметрам, таким, как предназначение, особенности конструкции, материал изготовления, тип внутренней поверхности, вид замка.

Схема системы выпуска отработавших газов

1 - выпускной клапан; 2 - выпускной трубопровод; 3 - приемная труба глушителя; 4 - дополнительный глушитель (резонатор); 5 - основной глушитель; 6 - соединительные хомуты.

Путь отработавших газов вполне понятен, он весьма неплохо отражён на схеме, которая приведена выше. Они проходят через трубы, а перед выпуском в атмосферу выхлопные газы обрабатываются в обоих глушителях (как в дополнительном, так и в основном). Внутри этих глушителей находятся многочисленные отверстия, которые расположены в шахматном порядке камеры. Когда выхлопные газы проходят через такой лабиринт, их скорость заметно теряется, вследствие чего значительно уменьшается уровень шума. А дальше процесс нам известен – «успокоенные» выхлопные газы выпускаются в атмосферу и растворяются в воздухе, которым, между прочим, мы все с вами дышим.

Во многих современных автомобилях в системе выпуска применяется катализатор нейтрализации отработанных газов. Из себя катализатор представляет металлический корпус, внутрь которого помещено устройство, состоящее из керамических сот. Он используется с целью уменьшения концентрации вредных веществ, которые в избытке присутствуют во всех продуктах сгорания. В каждом катализаторе нейтрализации обязательно присутствует немалое количество одного из благородных металлов, что позволяет увеличить срок эксплуатации данного агрегата, однако с точки зрения применения земельных ресурсов является крайне нежелательным. В соответствующем разделе нашего сайта вы сможете найти статью все о двигателях внутреннего сгорания и особенностях их работы. Катализатор достаточно быстро выходит из строя, если в отработанных газах содержится некоторое количество свинца, поэтому ни в коем случае нельзя заправлять автомобиль этилированным бензином. Другой частой причиной поломки катализатора является неисправность топливной системы или системы зажигания. В случае прихода в негодность, данное устройство необходимо как можно быстрее заменить на новое, ремонту оно, как правило, не подлежит.

В качестве основных вредных компонентов отработавших газов, которые выбрасываются в атмосферу, обычно выступают следующие соединения: окислы азота, окись углерода и углеводороды (NOx, CO, CH). Если рассматривать этот вопрос более подробно, мы выясним, что из выхлопной трубы при работе двигателя в действительности «вылетают» почти все элементы из таблицы известного учёного Дмитрия Ивановича Менделеева.

Основные проблемы системы выпуска отработавших газов

Самой главной проблемой в системе выпуска отработавших газов принято считать повышенный уровень шума выхлопных газов. Это случается при возникновении повреждений дополнительного или основного глушителя, повреждении прокладок, а так же потери плотности соединений.

Для того, чтобы устранить эту неисправность системы, все получившие повреждения элементы системы выпуска обработанных газов необходимо заменить на новые. При наличии сварочного оборудования можно попробовать заварить те дырки в глушителях и трубах, которые поддаются этой процедуре.

Повредить систему выпуска вполне способны плохие дороги, которых в нашей стране просто с избытком. Большинство деталей этой системы очень уязвимы, особенно это касается таких важных частей, как дополнительные глушители, приёмная труба, основной глушитель. Чтобы не допускать серьёзных проблем, автомобиль необходимо осматривать периодически снизу.

Нужно следить за затяжкой болтов, так как со временем она ослабевает, что несёт нежелательные последствия.

Особенности эксплуатации системы выпуска отработавших газов

Глушители, как основной, так и дополнительный, а также соединительные трубы ни в коем случае не должны соприкасаться с металлическими частями кузова, тросом стояночного тормоза и амортизаторами. К примеру, «ручник» очень часто приходит в состояние неисправности только лишь по причине того, что нагретая труба оплавила или прожгла оболочку тросика. Именно по этой причине основной глушитель должен постоянно «висеть» на резиновых амортизаторах, а так же поддерживать в таком состоянии трубы и глушитель дополнительный.

Однако, для того, чтобы иметь возможность надёжно контролировать систему выпуска, а так же её ремонт, понадобится эстакада, смотровая яма или, в самом крайнем случае, решимость лечь на спину и заползти под автомобиль.

При не слишком аккуратном вождении автомобиля или после того, как вы проедете участок, где очень плохая дорога, бывают нередкими случаи повреждения определённых элементов выхлопной системы. В данном разделе нашего сайта вы сможете найти статью про самостоятельную диагностику двигателя. Далее вы услышите, так называемый, характерный звук «реактивного самолёта», который знаком и неприятен даже самым маленьким детям.

В системе выпуска отработавших газов температуры и давление изменяются с очень высокой интенсивностью. По этой причине самым лучшим ремонтом при повреждении элементов данной системы является их замена на новые. Иногда автолюбители, стремясь найти альтернативный выход, пытаются «залепить» дыры в глушители пастой или клеящей лентой, однако особо положительных результатов это в любом случае не приносит. Спустя несколько недель дыры снова образуются, однако на этот раз уже в бюджете самого хозяина автомобиля, так как ему придётся менять или отремонтированную трубу или глушитель.

Материалы: http://mashintop.ru/articles.php?id=1187

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.

Вчера

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.

Сегодня

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.

Завтра

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.

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.

Материалы: http://www.zr.ru/content/articles/902619-ehvolyutsiya-sistemy-vypuska-v-ozh/