Основные сведения. Выпускные трубы и выпускной коллектор обеспечивают объединение всех выпускных окон в головке блока цилиндров в один или большее число выпускных коллекторов

4.1 Выпускной коллектор

Выпускные трубы и выпускной коллектор обеспечивают объединение всех выпускных окон в головке блока цилиндров в один или большее число выпускных коллекторов, а также соединяют между собой каталитический нейтрализатор и глушители;

Выпускной коллектор (рисунок 1) предназначен для сбора выхлопных газов с нескольких цилиндров в одну трубу. В основном выпускные коллекторы изготавливаются из чугуна. Большинство выпускных коллекторов выполнено из нержавеющей стали или керамики. Хотя коллекторы из керамики и получаются гораздо более лёгкими, но при сильном нагреве, с последующим охлаждением, они дают трещины, что моментально отражается на качестве выполняемой функции.

С одной стороны коллектор крепится непосредственно к двигателю внутреннего сгорания, с другой – к катализатору (рисунок 1) или, если катализатор не установлен, к выхлопной трубе. В связи со специфичностью расположения коллектора он работает в достаточно экстремальных условиях. Температура выхлопных газов может достигать нескольких тысяч градусов. Таким образом, после глушения двигателя происходит достаточно быстрое охлаждение с последующим неминуемым выпадом конденсата. Как результат, основная проблема коллектора – быстрое появление ржавчины.

Рисунок 1 – Выпускной коллектор

Дополнительно к своей основной функции – удаление выхлопных газов из камеры сгорания, выпускной коллектор помогает в продуве камеры сгорания и её наполнении. Это происходит в результате резонирующих волн выхлопа. Во время открытия выпускного клапана, в камере сгорания газ находится под давлением, тогда как в коллекторе давление нормальное. Сразу после открытия выпускного клапана из-за разницы давлений создаётся волна. Отражаясь от ближайшего препятствия (которым в обычных автомобилях является резонатор или катализатор), она идёт обратно к цилиндру и, в некотором диапазоне оборотов (как правило, средних), подходит к цилиндру ко времени очередного такта выпуска, "помогая" следующей порции отработанных газов покидать цилиндр.

Стоячие волны (резонанс) возникают в трубе в достаточно широком диапазоне оборотов, так как волна распространяется не со скоростью звука, а со скоростью выхода из цилиндра, соответственно чем больше обороты двигателя, тем быстрее выходят газы из цилиндра, тем быстрее движется и возвращается волна, и как раз успевает вернуться к более короткому (по времени, для больших оборотов) очередному циклу.

Для создания одинаковых и благоприятных условий работы (выпуска) каждого цилиндра, выпускные трубы должны быть, во первых, персональны для каждого цилиндра (для разделения цилиндров и создания стоячих волн на определённых оборотах), и во-вторых, должны быть одинаковой длины, что и является причиной применения "паука" или "штанов" из труб.

На тракторных дизелях, в силу низкой номинальной частоты вращения (до 2000 об/мин), применяют общие коллекторы из чугуна.

Как правило, для избегания случайных ожогов, уменьшения пожарной опасности и повреждения других деталей от высокой температуры, в большинстве случаев коллектор (приёмные трубы) огораживают металлическим экраном.

На некоторых гоночных автомобилях выпускной коллектор отсутствует вовсе – у каждого цилиндра установлена своя выхлопная труба чётко определённой длины, без катализатора и без глушителя.

4.2 Каталитический нейтрализатор

- каталитический нейтрализатор осуществляет очистку отработавших газов двигателей с искровым зажиганием (может устанавливаться и на дизелях). Содержит керамические блочные носители с покрытием из активного каталитического вещества.

Каталитический нейтрализатор (англ. catalytic converter – конвертер) – устройство в выхлопной системе, предназначенное для снижения токсичности отработавших газов посредством восстановления оксидов азота и использования полученного кислорода для дожига угарного газа и недогоревших углеводородов.

Задачей автомобильного каталитического нейтрализатора является снижение количества вредных веществ в выхлопных газах. Среди них: окись углерода (СО) — ядовитый газ без цвета и запаха (угарный газ); углеводороды (CH), также известные как летучие органические соединения – один из главных компонентов смога, образуется за счет неполного сгорания топлива; оксиды азота (NO и NO2, которые часто объединяют под обозначением NO_x) – также являются компонентом смога, а также кислотных дождей, оказывают влияние на слизистую человека.

Каталитический нейтрализатор расположен либо на приемной трубе, либо сразу после нее. Внутри корпуса каталитического нейтрализатора (рисунок 2) находится керамическая сотовая конструкция. Соты нужны для того, чтобы увеличить площадь контакта выхлопных газов с поверхностью, на которую нанесен тонкий слой платиноиридиевого сплава. Недогоревшие остатки (CO, CH, NO) касаясь поверхности каталитического слоя, окисляются до конца кислородом, присутствующим также в выхлопных газах. В результате реакции выделяется тепло, разогревающее катализатор и, тем самым, активизируется реакция окисления. В конечном итоге на выходе из катализатора (исправного) выхлопные газы содержат в основном N2 и СО2.

Рисунок 2 – Каталитический нейтрализатор

Каталитические преобразователи дизельных двигателей плохо справляются с сокращением выбросов NO_x. Одна из причин в том, что дизельные двигатели сами по себе функционируют в более низком температурном режиме, чем бензиновые, а преобразователи работают лучше при нагреве. Некоторые ведущие эксперты в области «зеленого» автомобилестроения придумали новую выхлопную систему, которая помогает исправить этот недостаток. Они впрыскивают водный раствор мочевины в выхлопную трубу до того, как газы достигнут преобразователя. При этом возникает химическая реакция, которая уменьшает количество NO_x. Карбамид, также известный как мочевина — органическое соединение углерода, азота, кислорода и водорода. Его можно обнаружить в моче млекопитающих и земноводных, что и объясняет такое название. Мочевина реагирует с NO_x с получением азота и водяного пара, снижая количество оксидов азота в выхлопных газах более чем на 90%.

4.4 Глушитель

- глушители сглаживают пульсаций в потоке отработавших газов и максимально возможного снижают шум на выпуске.

В глушителях применяются в основном два физических эффекта – звукопоглощение (рисунок 3, а) и резонанс (рисунок 3, b). Большинство глушителей используют комбинацию этих эффектов (рисунок 3, с).

Рисунок 3 – Глушители

Резонаторные глушители состоят из камер различной длины, соединенных между собой трубами. Различия в площадях поперечных сечений труб и камер, отклонения потока отработавших газов и наличие резонаторов, образованных соединительными трубами и камерами обеспечивают эффективное глушение шума, особенно на низких частотах Чем больше камер, тем эффективнее процесс глушения шума, но такой глушитель имеет большую массу и приводит к большим потерями мощности.

Шумопоглощающие глушители имеют одну камеру, заполненную звукопоглощающим материалом, через которую проходит перфорированная труба. Звуковые колебания через отверстия в перфорированной трубе взаимодействуют со звукопоглощающим материалом и преобразуются в теплоту. Звукоизолирующий материал обычно состоит из длинноволокнистой минеральной ваты (на основе базальта или силикатов), плотность которой составляет от 120 до 150 г/л. Степень глушения шума зависит от плотности, звукопоглощающих свойств материала, а также длины и толщины стенки камеры. Глушение происходит в широком диапазоне звуковых частот.