Система выпуска отработавших газов

      Даже  когда в сфере легковых автомобилей, за исключением Volvo, не используют двойных  лопаточных турбин и не применяют  чистую форму импульсного наддува, то все равно современные выпускные  коллекторы все больше и больше похожи на импульсные преобразователи. Форма и исполнение коллектора не бросает на произвол судьбы и случая потоки отработавших газов, а руководит отдельными потоками в системе. Типичным примером импульсного преобразователя на основе коллектора является 2,2-литровый пятицилиндровый бензиновый турбодвигатель Audi, который в своем последнем исполнении в 1991 году имел мощность 169 кВт/230 л.с. Здесь были реализованы три подводящих канала к одноструйной турбине, у которой потоки отработавшего газа, один из одного цилиндра и второй из двух цилиндров, сводились только перед впуском в турбину.

         Несмотря на неблагоприятные интервалы между вспышками с углом поворота коленчатого вала 144° в конечном итоге создавался импульсный наддув, так как благодаря позднему сведению потоков отработавших газов сохранялась кинетическая энергия отдельных потоков и уменьшались обратные потоки в соседние цилиндры. 

4. Система выпуска отработавших газов 

      Система выпуска предназначена для отвода отработавших газов от цилиндров двигателя, а также для уменьшения шума при выбросе их в атмосферу.  

Рис. 1 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 
 

Система выпуска отработавших газов (рис. 1)состоит  из:  

* выпускного  клапана, 

* выпускного  канала,

* приемной  трубы глушителя, 

* дополнительного  глушителя (резонатора),

* основного  глушителя, 

* соединительных хомутов. 

      Путь  отработавших газов понятен из схемы (рис.1). Трубы – они и есть трубы, а в дополнительном и основном глушителях, как раз и происходит «обработка» выхлопных газов перед выпуском их в атмосферу. Внутри глушителей имеются многочисленные отверстия и расположенные в шахматном порядке камеры.  

      При прохождении газов по такому лабиринту, они теряют свою скорость и как  следствие этого - уменьшается их шумность. Ну а дальше, «успокоенные»  газы выходят и растворяются в  воздухе, которым мы с вами, кстати, дышим.

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

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

Основные  неисправности системы  выпуска отработавших газов. 

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

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

Эксплуатация  системы выпуска  отработавших газов. 

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

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

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

      В системе выпуска отработавших газов  давление и температуры очень  интенсивно «скачут». Поэтому лучший ремонт при повреждении элементов  системы – это их замена.

      Попытки «залепить» дыры в глушителе клеящей лентой или пастой, как правило, не дают ожидаемого эффекта. А через пару недель или чуть больше, опять образуются дыры, но теперь уже в бюджете хозяина машины, так как все-таки приходится менять «залатанную» трубу или глушитель. 

  В турбодвигателе представляет из себя внешне дорогостоящую и достаточно сложную картину, состоящую из чугунного коллектора, клапанов, газопроводов и глушителей, причем последний непосредственно у турбодвигателя может и отсутствовать, поскольку сама турбина уже функционирует как первичный глушитель. В системах выпуска отработавших газов проявляется одно из серьезных различий в концепции двигателей с механическим наддувом, так как их системы выпуска в принципе смогут отталкиваться от базового мотора.

      Поскольку у турбодвигателя весь отработавший газ частично проходит через турбонагнетатель, а частично через байпасный клапан, то эти два компонента являются интегрированной составной частью системы отвода отработавших газов. При конструировании комплексной системы выпуска отработавших газов турбодвигателя следует прежде всего принимать во внимание следующие два фактора:

·      Прочность и стойкость  системы и соединений

·      Термодинамическое  согласование с турбонагнетателем.

      Что касается прочности и стойкости  системы выпуска отработавших газов, то здесь возникают крупные проблемы, которые в большей части проявляются в зоне коллектора перед газотурбонагнетателем. Тепловая нагрузка здесь вследствие противодавления в турбине существенно выше по сравнению со свободно протекающим потоком отработавшего газа в двигателе без наддува.

          Это приводит - прежде всего у бензиновых двигателей из-за высоких температур отработавших газов - не только к необходимости использования жаропрочных и соответственно дорогостоящих материалов для коллектора; ранее это были преимущественно высоколегированное хромоникелиевое стальное литье или специальные, зарегистрированные марки литья. Сегодня встречаются уже у турбобензиновых двигателей (например, Audi 2,7-литровый Biturbo) «коллекторы из листовой стали» в форме систем трубопроводов с изолированными воздушными зазорами, которые требуют ничуть не меньше затрат по сравнению с литыми коллекторами, а напротив, обходятся еще дороже. О таком виде высокотехнологичных системы еще подробней поговорим.

      До сегодняшнего дня остается еще, разумеется, дорогостоящим закрепление нагнетателя на коллекторе, поскольку пока еще не идет речь об «интегральной нагнетательной системе», как мы увидим в следующих главах. Так как коллектор в результате  нагревания (у бензиновых двигателей температура может доходить до 1500°С) достаточно активно работает, то введение уплотнений и болтовых соединений в головки цилиндров затруднительно. Высокожаропрочные винты, специальные муфты, смотря по обстоятельствам, отдельный коллектор и компенсаторы из высококачественной стали обуславливают соответственно конструкторские и экспериментальные затраты, которые едва ли сравнимы с затратами подобных работ у двигателей без наддува.

      Не  столь сложна эта проблема у дизельных  двигателей, которые имеют более низкие тепловые нагрузки; ибо значения температур отработавших газов, которые достигаются в турбодизелях с системами непосредственного впрыскивания, чаще всего находятся ниже 700°С.

      Тем не менее, выпускной коллектор должен выдерживать не только высокие температуры и связанные с ними нагрузки, но и нести на себе всю тяжесть нагнетателя, который, как правило, посредством фланцевого соединения закрепляется непосредственно на коллекторе.

          Это может, в частности, в плохо отрегулированных двигателях с произвольной инерцией масс (например, рядный четырехцилиндровый двигатель и тем более будущие трехцилиндровые двигатели) привести к появлению проблем со сроком эксплуатации, на которых мы еще остановимся в соответствующей главе при рассмотрении нагрузок турбодвигателей. При использовании общепринятых еще несколько лет назад отдельных клапанов регулирования давления наддува, при наличии которых коллектор имел разветвление перед турбиной, раньше также должны были при конструировании и назначении параметров коллекторов учитываться их слабые места. На сегодня эти отдельные «перепускные» клапаны и трубопроводы скорее являются исключением; а распространенные сейчас и встроенные в корпус турбины байпасные каналы, естественно, уже не создают коллектору никаких проблем.

      По  меньшей мере, также важны, наряду с прочностью и закреплением, и  термодинамические параметры системы  выпуска отработавших газов турбодвигателей. Здесь нужно считаться с типом  загрузки турбины, совершается ли она  импульсным наддувом или наддувом с подводом отработавших газов с постоянным давлением. Из чего в соответствующих случаях состоят системы выпуска, уже шла речь в главе, посвященной этим видам газотурбонаддува.

      Когда отдельно встроенные байпасные клапаны  еще считались стандартом, то головную боль и создавал другой фактор: речь идет о перепускном канале, таком отводе от коллектора перед турбиной, который заботился о снабжении клапана регулирования давления наддува отработавшим газом. Как мы еще далее увидим, этот канал тоже сегодня интегрирован в корпус турбины. Но для обеих альтернатив справедливо: необходимы специальные уловки, чтобы не оказать отрицательного влияния на коэффициент полезного действия турбины. 

          У некоторых, но редко используемых, отдельных перепускных клапанов имеется дополнительный объем, который затрудняет использование содержащейся в отработавшем газе кинетической энергии, у встроенных каналов имеется риск неоптимального обтекания турбины основным потоком масс отработавшего газа. Нарушение такого обтекания - и это относится, естественно, и к не оптимально уложенным перепускным каналам при наличии отдельных байпасных клапанов - может возникать в том случае, когда ответвление перепускного канала неблагоприятно исполнено и при открытии клапана регулирования давления наддува из-за разветвления потока образуются завихрения, которые препятствуют поступлению отработавших газов в корпус турбины и тем самым приводят к появлению высокого скоростного напора, что, естественно, не способствует хорошему коэффициенту полезного действия нагнетателя.

      Также и другое направление в системах выпуска обуславливает сегодня  наличие мастерства у конструкторов: оно относится к размещению каталитических нейтрализаторов и учету связанных  с ними термических параметров, чтобы  нейтрализаторы при холодном запуске по возможности раньше смогли начать свою работу. Сначала о самом нейтрализаторе: поскольку он как деталь является мешающим фактором (вследствие противодавления) в системе выпуска отработавших газов, то конструктивно должен в этом отношении как можно меньше бросаться в глаза. Преимуществами обладают металлические каталитические нейтрализаторы, которые по своему материалу, по сравнению с керамическими нейтрализаторами, допускают более тонкие стенки и большие поперечные сечения в сотовой структуре. Это снижает, в конечном счете, и противодавление, но является очень дорогим удовольствием. Металлическими каталитическими нейтрализаторами вооружил Porsche свой 911 Turbo (Biturbo, модельный год 1994). Porsche уже давно догадывался о достоинствах металлических каталитических нейтрализаторов; его двигатель без наддува имел их уже в 1988 году.

         На 911 Turbo использовался носитель с так называемой «TS»-структурой. Эта структура гарантировала не только эффективное прохождение отработавшего газа и соответствующую нейтрализацию, но к тому же имела еще и то преимущество, что плотность ячеек при одинаковом объеме и одинаковой эффективности слабо падает - что к тому же способствует небольшому противодавлению и одновременно еще меньшему весу.