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

Характеристики выхлопа дизельных двигателей

Выпускная система двигателя

При сгорании топливно-воздушной смеси в цилиндрах двигателя образуется большое количество выхлопных газов, которые необходимо удалить. С этой задачей справляется выхлопная система двигателя, которая заодно понижает шумность мотора и улучшает его экологические показатели. Этой системе посвящена данная статья.

Назначение выпускной системы автомобиля

Сгорание топливно-воздушной смеси в цилиндрах ДВС происходит взрывоподобно, и в результате этих микровзрывов образуются большие объемы газов, которые толкают поршень и заставляют коленвал вращаться. Однако эти газы после рабочего цикла должны удаляться из цилиндра, чтобы их место заняла новая порция топливно-воздушной смеси. Задачу отвода отработанных газов решает выпускная система двигателя.

Также эта система решает и другую важную задачу — понижение шумности двигателя. Продукты сгорания топливно-воздушной смеси находятся в цилиндре под большим давлением и при открытии выпускного клапана стремительно вырываются в атмосферу — происходит громкий хлопок. Однако в одном цилиндре каждую секунду даже на холостых оборотах происходит около десятка микровзрывов, поэтому хлопки при открытии клапана сливаются в постоянный шум высокой интенсивности. С этим шумом и борется выпускная система двигателя, которую в обиходе называют просто глушителем.

Устройство и принцип действия выпускной системы

Выпускная система двигателя состоит из следующих компонентов:

— Выпускной коллектор («штаны»);
— Виброизолирующая муфта («сильфон», устанавливается не на всех двигателях);
— Каталитический нейтрализатор (только с двигателя экологического класса «Euro-2» и выше);
— Сажевый фильтр (только в дизельных двигателях);
— Резонатор (пламегаситель или предварительный глушитель);
— Основной глушитель;
— Соединительные трубы между коллектором, нейтрализатором, резонатором и глушителем;
— Выхлопная труба (часто — вместе с наконечником выхлопной трубы).

Также в выпускной системе современных автомобилей (обычно перед входом в каталитический нейтрализатор) устанавливается кислородный датчик (лямбда-зонд), с помощью которого система управления двигателем измеряет количество остаточного кислорода в выхлопных газах и корректирует состав топливно-воздушной смеси, приводя его к оптимуму для данного режима работы мотора.

Принцип работы выпускной системы сводится к следующему. Выхлопные газы при открытии выпускного клапана с силой вырываются в выпускной коллектор, где они выполняют полезную работу — благодаря образующимся стоячим волнам выравнивают давление при открытии клапана, и в целом улучшают режим работы двигателя. Потом выхлопные газы поступают сначала в каталитический нейтрализатор (он снижает концентрацию угарного газа, оксидов азота и несгоревших углеводородов), затем в резонатор, где происходит падение скорости выхлопных газов, гасятся пульсации и снижается шум. Из резонатора газы попадают в основной глушитель (именно здесь происходит основное подавление шума), а затем, уже ослабленные, в виде потока малой скорости выпускаются в атмосферу через выхлопную трубу.

При прохождении выхлопных газов через выпускную систему они теряют свою скорость, а интенсивность порождаемых ими звуковых волн снижается, что и приводит к понижению шумности.

Компоненты выпускной системы

На первый взгляд может показаться, что выпускная система двигателя — это просто набор труб и баков разной емкости, которые отводят выхлопные газы. На самом деле все несколько сложнее, и каждый компонент этой системы очень далек от простой трубы.

Выпускной коллектор. Это система труб, которые подключаются непосредственно к головке цилиндров (по одной трубе к одному цилиндру), собирают выхлопные газы и отводят их к катализатору и глушителю. Интересно, что каждая труба коллектора имеет определенную длину и сечение, что позволяет добиться образования стоячих волн при различных оборотах двигателя. Это необходимо для эффективной продувки цилиндров и обеспечения оптимального режима работы двигателя в различных режимах. Так что выпускной коллектор — это важная деталь, которая оказывает некоторое влияние на мощность и стабильность работы двигателя. Коллектор работает в экстремальных условиях, поэтому изготавливается из жаропрочных сплавов.

Виброизолирующая муфта. Муфта служит для развязки выпускного коллектора, который жестко соединен с двигателем, и остальных деталей выпускной системы. Обычно муфта выполнена в виде гибкого металлического шланга, который гасит воспринимаемые от коллектора вибрации.

Каталитический нейтрализатор. Каталитический конвертер-катализатор предназначен для повышения экологической безопасности выхлопных газов, что достигается нейтрализацией наиболее опасных газов: оксидов азота, угарного газа и несгоревших в камере сгорания углеводородов. Причем оксиды азота восстанавливаются, а образовавшийся свободный кислород служит для дожигания углеводородов и угарного газа. Обычно нейтрализатор выполнен в виде относительно небольшого модуля, в котором расположен керамический блок с катализаторами.

Каталитической нейтрализатор дизельного двигателя с мочевиной. В дизелях описанный выше нейтрализатор работает хуже, так как температура выхлопных газов в них ниже, что замедляет реакции восстановления оксидов азота. Поэтому в дизельных двигателях широкое распространение получили нейтрализаторы, дополненные системой впрыска в выхлопные газы мочевины (водного раствора аммиака), которая помогает удалить из выхлопа опасные соединения азота.

Сажевый фильтр. Также используется только в дизельных двигателях. Служит для очистки газов от сажи, очень часто конструктивно объединен с каталитическим нейтрализатором.

Резонатор. Это емкость особой формы, в которой происходит первоначальное снижение шума вследствие снижения скорости и пульсаций выхлопных газов. В резонаторе происходит отражение волн выхлопа и образование стоячих волн, отсюда и возникло название этого компонента.

Основной глушитель. Именно здесь происходит основное снижение шума выхлопных газов. Обычно это емкость с определенным образом расположенными перегородками и трубами, образующими лабиринт большой длины. Проходя через этот лабиринт, выхлопные газы разбиваются на множество потоков, звуковая энергия гасится и переходит в тепло, а пульсации давления поглощаются. В результате на выходе глушителя выхлопные газы имеют меньшую скорость и создают гораздо меньше шума.

Нужно отметить, что выпускная система несколько снижает мощность двигателя, так как выхлопные газы испытывают сопротивление на пути к атмосфере, и на преодоление этого пути затрачивается некоторая энергия. Но без глушителя современный автомобиль уже просто невозможно представить, поэтому с некоторыми недостатками приходится мириться.

Выпускная система двигателя и экология

Выхлопные газы обладают высокой степенью токсичности, они представляют опасность для окружающей среды и, в частности, для человека. Все дело в тех веществах, которые образуются при сгорании топлива и выбрасываются в атмосферу. Для человека наиболее опасны оксиды азота, угарный газ, а также многие углеводороды, являющиеся канцерогенами. Для окружающей среды наиболее опасны вещества, оказывающие губительный эффект на животных и растения, а также участвующие в образовании смога.

При появлении первых автомобилей вопрос об их экологической безопасности не вставал, но люди отмечали, что машины портят воздух своими выхлопными газами. Остро этот вопрос встал во второй половине прошлого века, а в начале 90-х годов в Европе приняли пакет законов, направленных на контроль экологической безопасности и снижение выбросов отработанных газов.

В 1992 году в Европе начал действовать экологический стандарт «Евро-1», а в 1995 году — «Евро-2», и именно с введением «Евро-2» для всех новых бензиновых двигателей стало обязательным наличие каталитического нейтрализатора в выпускной системе. В дизельных двигателях нейтрализатора оказалось недостаточно, поэтому с вступлением в силу стандарта «Евро-4» (2005 год) в дизелях стало обязательным наличие сажевого фильтра.

Каждый новый стандарт «Евро» заменял собой предыдущие стандарты, и значительно ужесточал требования по экологической безопасности. Уже сейчас многие нормы стандартов «Евро-1» – «Евро-3» считаются не просто устаревшими, а просто-напросто запрещены, так как по сегодняшним меркам они слишком опасны для природы и человека. Сегодня речь идет уже о стандарте «Евро-6» (вступит в силу в 2015 году), и по нему выхлоп бензинового двигателя должен содержать в 2,5 раза меньше оксидов азота и угарного газа, чем мотор стандарта «Евро-3». А содержание взвешенных частиц (сажи) дизельных двигателей стандарта «Евро-6» должно быть в десять раз меньше, чем по стандарту «Евро-3».

Погоня за экологической безопасностью — это, безусловно, хорошо, но она имеет и обратную сторону. Главная проблема экологичных двигателей в том, что они менее мощные, чем их неэкологичные собратья — дело здесь и в составе топлива, и в режиме сгорания топливно-воздушной смеси, и в необходимости пропускать выхлопные газы через катализаторы и фильтры. Но с этой потерей мощности и усложнением конструкции мотора приходится мириться, потому что окружающая среда нуждается в защите.

Часть вторая

&nbsp Турбодизель

Часть вторая

В первой части статьи мы говорили о системах наддува двигателей внутреннего сгорания. Сейчас речь пойдет о дизельных двигателях.
Если не слишком искушенному в технике человеку задать вопрос, чем дизельный двигатель отличается от бензинового, то ответы, скорее всего, будут такими: работает на солярке, обходится без свечей зажигания, больше шумит и при этом развивает меньшую мощность. Все это правильно, но.
При слове «дизель» у человека с воображением обычно возникает картинка: весь в грязных потеках грубый механизм на мощной станине, который изрыгает клубы черного дыма и своим ревом заглушает все в радиусе нескольких десятков метров. Если уточнить, что речь идет о двигателе автомобиля, картинка получается не такой страшной, но не более привлекательной: по-прежнему нечто грязное, пахнет, гремит, в мороз не заведешь, машина тупая — за полчаса не разгонишься.
Да, когда-то все так и было. Но с тех пор утекло немало солярки. Дизели сегодня прочно завоевали себе место не только на грузовиках, но и на легковых автомобилях, от самых массовых до вполне респектабельных. Все шире применяются дизели с турбонаддувом, автомобили с такими двигателями по основным параметрам не уступают машинам с привычными бензиновыми моторами.
В таблице 1 в качестве примера приведены основные характеристики Volkswagen Passat GT TDI с 4-цилиндровым турбодизелем. Таким же двигателем комплектуются, кстати, и вполне престижные Audi A4 1.9 TDI и A6 1.9 TDI. Из таблицы видно, что единственное, в чем автомобиль с дизелем явно уступает, — это время разгона. 13,9 сек. до сотни все-таки многовато. Но бывают машины и пошустрее.
Перед тем как рассматривать системы наддува дизельных двигателей, есть смысл остановиться на основных особенностях самих дизелей — для большинства наших автовладельцев они пока не слишком знакомы.

Дизель
Этот тип двигателя получил свое название по имени немецкого инженера Рудольфа Дизеля, построившего в 1897 году первый мотор с самовоспламенением топлива. Конструктивно дизель очень похож на привычный бензиновый двигатель: те же цилиндры, поршни, распредвал, клапаны. Но имеется и ряд отличий, из которых главное, можно даже сказать принципиальное, заключается в том, что воспламенение топлива в дизеле производится не искрой от свечи зажигания, а за счет высокой температуры, которой достигает воздух в результате сжатия его поршнем в цилиндре.
Второй важный момент — способ подачи топлива. В бензиновом двигателе рабочим телом является смесь бензина с воздухом. Смесь готовится заранее (в карбюраторе) или непосредственно в момент ее подачи в цилиндры (в системах впрыска) — главное то, что топливо подается вместе с воздухом, а поджигается и сгорает относительно гомогенная топливо-воздушная смесь.
В дизельном двигателе подача топлива и воздуха происходит раздельно. Вначале в цилиндр всасывается воздух, затем он сжимается, и только после этого впрыскивается топливо, поэтому говорить о гомогенной топливо-воздушной смеси не приходится. Впрыск производится в конце такта сжатия, топливо и воздух фактически не смешиваются друг с другом, горение происходит на фронте впрыскиваемой в сжатый воздух струи топлива (рис. 1).
Самовоспламенение топлива сопровождается резким, скачкообразным повышением давления в цилиндре — этим объясняется обычно шумная, жесткая работа дизельного двигателя. В низкооборотных дизелях с большим рабочим объемом, которые используются на грузовиках, этот недостаток проявляется в меньшей степени, и с ним мирятся. В дизелях легковых автомобилей от него пытаются избавиться применением форкамеры, или предкамеры, — небольшого отсека камеры сгорания, в который впрыскивается топливо. Там оно воспламеняется, частично перемешивается с воздухом, после чего горящая смесь распространяется по основному объему цилиндра.
Этот способ несколько уменьшает жесткость работы двигателя, но снижает его тепловую эффективность и топливную экономичность, поэтому в современных дизелях легковых автомобилей от форкамеры отказываются. Примером может служить 2,5-литровый дизель с турбонаддувом, который в 1990 г. был применен на Audi 100. Двигатель с прямым впрыском, 5-цилиндровый, 120 л. с. и 265 Нм (2250 об./мин.). Расход топлива 5,7 л/100 км. Для более плавного воспламенения топлива использованы двухступенчатый впрыск и сложная электронная схема управления.
Более свежий пример — 1,9-литровый атмосферный дизель с непосредственным впрыском мощностью 64 л. с., который Volkswagen собирается показать на Женевском салоне в этом году на Golf SDI. Отказ от форкамеры позволил на 12% улучшить и так неплохую экономичность двигателя: расход топлива составляет 4,9 л/100 км. Автомобиль Golf SDI с этим дизелем развивает скорость 156 км/час и разгоняется до сотни за 17,6 сек. (11,2 сек. до 80 км/час). Этот же дизель в турбированном варианте развивает мощность уже 90 л. с., потребляет 5,2 л/100 км и разгоняет Golf Cabrio TDI до 100 км/час за 13,3 сек. (8,8 сек. до 80 км/час). Максимальная скорость — 172 км/час.
Очевидное отличие дизельных двигателей от бензиновых — используемое топливо. Дизельное топливо, в просторечии солярка или ДТ, — тяжелая керосино-газойлевая фракция нефти C10 — C14 (у бензинов C6 — C8). Характерной особенностью дизелей является наличие твердых частиц в отработавших газах. Из-за гетерогенности процесса горения на поверхности отдельных частиц топлива всегда наблюдается некоторый недостаток кислорода, в результате чего вместо их окисления происходит частичное термическое разложение с образованием твердых продуктов — сажи. Для хорошего сжигания дизельного топлива требуется значительное, даже избыточное количество воздуха.
Ну и наконец, еще одна особенность — степень сжатия у дизеля в 2 раза выше, чем у бензинового двигателя. Высокая, не менее 14, степень сжатия необходима для того, чтобы температура воздуха в цилиндре поднялась до величины, достаточной для воспламенения топлива. Обычно в дизелях степень сжатия составляет 21-22 и ограничивается лишь прочностными характеристиками двигателя.
Стоит отметить, что устройства для подачи топлива в дизельных двигателях значительно сложнее, чем в бензиновых. Их сложность определяется прежде всего тем, что приходится впрыскивать очень маленькие, всего несколько миллиграмм, порции топлива в среду с высоким давлением. Эти порции должны быть очень точно отмерены — именно количеством подаваемого топлива управляется работа дизеля. Для этого нужны быстродействующие и точные форсунки. Высокая степень сжатия дизеля требует применения соответствующих топливных насосов — давление в сопле форсунки должно достигать нескольких сотен бар. Все это усложняет и ощутимо удорожает систему подачи топлива и, соответственно, сам дизельный двигатель.
Надо еще учесть, что почти все дизели до сих пор оснащаются механическими устройствами впрыска, ненамного отличающимися от тех, которые Bosch GmbH начала выпускать в 1927 году. Они уже почти изжили себя и скоро будут вытесняться гораздо более сложными устройствами с электронным управлением, индивидуальными для каждого цилиндра топливными насосами, совмещенными с форсунками, различными датчиками. Понятно, что стоимость таких систем тоже будет расти.
К числу недостатков дизелей обычно относят большую шумность, более высокую стоимость и, главное, меньшую, при том же рабочем объеме, мощность.
С шумностью пытаются справиться совершенствованием конструкции дизеля, изменением элементов его подвески, поговаривают даже о том, что двигатель можно капсулировать звукопоглощающим материалом. Стоимость — понятие относительное: заплатив за автомобиль больше при покупке, можно сэкономить на эксплуатации — это надо подсчитывать в каждом конкретном случае. А что касается мощности, то способ ее повышения известен — наддув.

Читать еще:  Бизнес запуск двигателя зимой

Турбодизель
Применение наддува в дизельном двигателе преследует ту же основную цель, что и в бензиновом — увеличить количество топлива, сжигаемого в единицу времени. Устройство и работу различных типов нагнетателей воздуха мы рассматривали в первой части статьи. Все они могут быть применены и на дизельном двигателе. Из графика, приведенного на рис. 2, следует, что механический нагнетатель Comprex обеспечивает наибольшее увеличение крутящего момента двигателя, особенно на низких, около 2000 об./мин., частотах вращения, но общая характеристика при этом получается слишком острой. Нагнетатель Roots придает 1,2-литровому дизелю практически такую же характеристику крутящего момента, как у 1,6-литрового атмосферного бензинового двигателя. Характеристика, которую обеспечивает турбокомпрессор, занимает промежуточное положение: она достаточно плоская, а на средних (2000-4000 об./мин.) частотах вращения крутящий момент даже больше, чем с нагнетателем Roots.
Механические нагнетатели сложнее и дороже, кроме того, благодаря некоторым особенностям работы дизеля к нему легче всего удается приспособить именно турбокомпрессор.
Во-первых, как уже указывалось, подача воздуха в дизеле не связана с подачей топлива и не требует тонкой регулировки — чем больше воздуха, тем лучше. Во-вторых, диапазон рабочих оборотов — от холостых до максимальных — у дизеля меньше, соответственно, проще осуществляется управление турбокомпрессором, с этим вполне справляется обычный перепускной клапан в турбине. Кроме того, благодаря высокой степени сжатия давление отработавших газов дизеля в 1,5-2,5 раза выше — это делает эффективней работу турбины на низких оборотах.
Все это объясняет, почему практически все, по крайней мере европейские, производители для наддува дизельных двигателей применяют именно турбокомпрессор. Исключением является, пожалуй, только японская Mazda, которая на модели 626 Wagon предлагает 4-цилиндровый дизель с нагнетателем Comprex, характеристики которого не особенно впечатляют: при объеме 1998 см куб. мощность и крутящий момент, соответственно, 75 л. с. (4000 об./мин.) и 169 Нм (2000 об./мин.).
Есть и другие факторы, облегчающие применение наддува на дизелях. В отличие от бензиновых двигателей, где из-за опасности детонации степень сжатия при турбировании приходится уменьшать примерно на 20%, дизели к детонации не склонны, поэтому при применении наддува степень сжатия приходится снижать незначительно, всего на несколько процентов, а иногда можно обойтись и без этого.

Эксплуатация: плюсы и минусы
К числу несомненных достоинств дизельных двигателей, как атмосферных, так и турбированных, относятся меньший, чем в бензиновых, расход топлива (примерно на 30%), нетребовательность к качеству топлива и экологическая чистота выхлопа. Дизельное топливо к тому же на 20-30% дешевле, хотя это сильно зависит от страны или региона.
Меньшая мощность дизелей с успехом компенсируется, как мы видели, применением наддува. На рис. 2 видно, что 1,2-литровый турбодизель по мощностным характеристикам эквивалентен 1,6-литровому атмосферному бензиновому двигателю.
В целом дизельный двигатель долговечен — его ресурс обычно на 20-30% больше, чем у бензинового. При турбировании ресурс, естественно, уменьшается, но не так сильно, как у бензинового, всего лишь на 10-20%. Иногда, как бы странно это ни звучало, турбирование может даже увеличить ресурс, например, при постоянной эксплуатации автомобиля в высокогорных районах, где атмосферному дизелю не хватает воздуха — наддув оптимизирует сгорание и позволяет избавиться от жесткой работы двигателя, снижая тем самым ударные нагрузки на его узлы и детали.
Благодаря простоте схемы управления турбокомпрессором повышается надежность и снижаются расходы на обслуживание.
В эксплуатации дизельных автомобилей есть некоторые особенности — неважно, турбирован их двигатель или нет. Главная из них — зимний запуск. По традиции многие считают, что дизель на морозе не запустишь. Это не так — если автомобиль рассчитан на эксплуатацию при низких температурах. Двигатель, например, Peugeot 405 при использовании соответствующего масла, зимней солярки и встроенных свечей накаливания для подогрева зоны впрыска пускается при температуре -32°С — доказано практикой. А вот в инструкции по эксплуатации Chevrolet Suburban с 6,5-литровым турбодизелем, который тоже оснащен свечами накаливания, уже при -18°С предлагается пользоваться электрическим нагревателем блока цилиндров с внешним, из розетки, питанием.
Еще одна проблема, на которую иногда жалуются, — это загрязнение форсунок от плохой солярки. Но эта же проблема возникает и в бензиновых двигателях с системами впрыска топлива. Решить ее позволяет периодическая, строго по инструкции или даже чаще, замена топливного фильтра. Заодно это продлит и срок службы плунжерных пар.
И наконец, стоимость. Как уже говорилось, дизель дороже. Но по сравнению со стоимостью самого двигателя стоимость турбокомпрессора относительно невелика, поэтому турбирование дизеля, значительно улучшая потребительские качества автомобиля, лишь ненамного увеличивает его цену.
В таблице 2 приведены некоторые характеристики автомобиля Peugeot 306 XT, оснащенного разными двигателями — двумя бензиновыми с впрыском и турбодизелем примерно такой же мощности. Сравнение характеристик показывает, что турбодизельный вариант ни в чем не уступает бензиновым. Действительно, турбодизельная версия стоит дороже на $1000. Но подсчитано, что на ее эксплуатации, например, в Германии в год при пробеге 20 тыс. км экономится DM900. Для России годовая экономия только на топливе составила бы $250-300. С учетом долговечности дизельного двигателя и меньших расходов на его эксплуатацию первоначальные дополнительные затраты окупятся за 2-3 года.
Некоторые могут возразить, что через такой срок автомобиль уже пора менять. Наверное, это правильно. Но не всем по карману. Да и покупать дизельный или турбодизельный автомобиль будут не любители острой спортивной езды, у которых машина все равно долго не живет, а те, кто предпочитает экономичность и надежность, пусть даже и несколько медлительную.

Читать еще:  Чип тюнинг двигателя в дмитрове

Таблица 1.
Характеристики Volkswagen Passat GT TDI



Двигательтурбодизель
Рабочий объем (см куб.)1898
Мощность (л. с.)90 (4000 об./мин.)
Крутящий момент (Нм)202 (1900 об./мин.)
Вес (кг)1343
Максимальная скорость (км/ч)178
Разгон от 0 до 100 км/час с13,9
переключением передач (сек.)
Разгон от 60 до 100 км/ч на11,6
4-й передаче (сек.)
Расход топлива (л/100 км)5,0-8,8
Уровень шума в салоне при 100 км/ч (дБ)67
Цена в Германии (DM)43600

Таблица 2.
Характеристики Peugeot 306 XT

Выхлопная система – устройство и основные неисправности

Большинство современных автомобилей оборудовано бензиновым или дизельным двигателем внутреннего сгорания. Работа этого двигателя основана на сгорании топлива со взрывом, а взрыв – это громкий хлопок, взрывная волна, высокая температура, образование большого количества продуктов сгорания. Движение первых примитивных автомобилей сопровождалось страшным шумом и чадом, а современные машины могут двигаться практически бесшумно и незначительно загрязняют окружающую среду. И все это благодаря выхлопной системе.

Конструкция и назначение выхлопной системы

Выхлопную систему часто называют глушителем, это не совсем правильно, поскольку глушитель является лишь одним из узлов этой довольно сложной конструкции. Обычно она состоит из следующих элементов:

  • выпускной коллектор, в который из цилиндра ДВС выводятся продукты сгорания;
  • гофра (сильфон), снижающая вибрации, защищающая кузов от резонанса и предотвращающая преждевременный износ всей системы;
  • катализатор (каталитический нейтрализатор), понижающий токсичность выхлопных газов путем их окисления и дожигания несгоревших частичек;
  • резонатор, снижающий температуру выхлопных газов и скорость их движения;
  • глушитель, сводящий к минимуму уровень шума.

Схема выхлопной системы

Внутри катализатора находятся благородные металлы – родий, платина, иридий, которые контактируют с токсичными частицами, содержащимися в отработанных газах, и окисляют их. Металлы располагаются внутри корпуса в виде скрученной ленты или покрытия многочисленных керамических ячеек, так что площадь их поверхности максимально большая, поэтому контакт происходит активно. Нейтрализатор – самый дорогостоящий элемент выхлопной системы.

Снижение уровня шума начинается в резонаторе, где подавляются пульсации потока, и заканчивается в глушителе. В активных глушителях снижение уровня шума обеспечивается шумопоглощающей начинкой, а в реактивных (резонаторных) – системой камер и перегородок, заставляющих поток газов менять направление.

В турбированных двигателях в состав выхлопной системы включается дополнительный элемент – турбина. Еще одним важным элементом является лямбда-зонд (датчик кислорода), регулирующий состав топливно-воздушной смеси. Обычно их устанавливают парами, на входе в каталитический нейтрализатор и на выходе из него. В некоторых системах, в основном в отечественных автомобилях, вместо катализатора используется пламегаситель.

Пламегаситель – более дешевый прибор в сравнении с катализатором. Он разбивает поток газа на несколько отдельных потоков. При этом уменьшается скорость потока, его энергия и температура. Подобную функцию выполняет резонатор, так что использование пламегасителя снижает нагрузку на него и риск его оплавления горячими газами. Но этот элемент, в отличие от катализатора, не осуществляет окисления выхлопных газов, поэтому токсичность выхлопа не снижается.

Выхлопная система предназначена для решения следующих задач:

  • вывод продуктов сгорания из цилиндров ДВС;
  • защита водителя и пассажиров от их проникновения в салон – выхлопные газы выбрасываются за корму автомобиля, достаточно далеко от салона;
  • снижение шума;
  • уменьшение вибраций, которые при передаче на кузов вызывают его ускоренный износ;
  • повышение экологичности двигателя.

Оксид углерода (CO — угарный газ)

Прозрачный, не имеющий запаха ядовитый газ, немного легче воздуха, плохо растворим в воде. Оксид углерода продукт неполного сгорания топлива, на воздухе горит синим пламенем с образованием диоксида углерода (углекислого газа). В камере сгорания двигателя CO образуется при неудовлетворительном распыливании топлива, в результате холоднопламенных реакций, при сгорании топлива с недостатком кислорода, а также вследствие диссоциации диоксида углерода при высоких температурах. При последующем сгорании после воспламенения (после верхней мертвой точки, на такте расширения) возможно горение оксида углерода при наличии кислорода с образованием диоксида. При этом процесс выгорания CO продолжается и в выпускном трубопроводе. Необходимо отметить, что при эксплуатации дизелей концентрация CO в выхлопных газах невелика (примерно 0,1 — 0,2%), поэтому, как правило, концентрацию CO определяют для бензиновых двигателей.

Признаки неисправности выхлопной системы

Заподозрить поломку выхлопной системы в первую очередь позволяют характерные звуки:

  • рев, доносящийся из-под днища или капота автомобиля, свидетельствует о том, что какие-то детали прогорели, образовалась трещина, нарушилась герметичность гофры, износились прокладки, оборвались эластичные крепления;
  • металлическое дребезжание из-под капота указывает на разрушение внутренней структуры резонатора, а в районе заднего бампера – реактивного глушителя;
  • прерывистый стук из-под днища характерен для износа опор глушителя.

Прогоревший резонатор

Снижение мощности двигателя также может указывать на поломки системы отвода, оно обусловлено разными причинами, приводящими к увеличению сопротивления потоку газов:

  • поврежден каталитический нейтрализатор;
  • произошло разрушение внутренней структуры резонатора;
  • неисправен кислородный датчик;
  • выхлопная труба помята, сузился ее просвет.

Другие признаки неисправности выхлопной системы – на деталях появляется копоть, в салоне систематически ощущается запах сероводорода (характерно для неисправностей нейтрализатора). О неполадках каталитического нейтрализатора и лямбда-зонда может сигнализировать система самодиагностики.

Законодательное регулирование[ | ]

  • Контролируется качественный состав
    изготавливаемого и реализуемого
    топлива
    (в России это стандарты на топливо, региональные требования, в Европе — нормативы ЕВРО).
  • Предусмотрен контроль над состоянием и регулировками
    автомобилей. В России является обязанностью органов технического осмотра ГИБДД периодически контролировать доли оксидов углерода и углеводородов в выхлопе на двух частотах вращения, состояние предусмотренных систем нейтрализации на бензиновых двигателях (по ГОСТ Р 52033-2003), на газобаллонных (ГОСТ Р 54942-2012) и дымность на дизельных двигателях (по ГОСТ Р 52160-2003). Двухтактные двигатели не проходят никакую из этих проверок[
    источник не указан 1769 дней
    ].
  • В России вводятся повышенные ставки транспортного налога на мощность
    двигателя автомобиля.
  • Топливо облагается специальными акцизами
    .
  • Предусмотрены нормативы на выпускаемые автомобили
    . В России и европейских странах приняты стандарты ЕВРО, задающие как токсичность, так и количественные показатели, например: По Евро-3 выбросы: СН до 0,2 г/км, CO до 2,3 г/км и NOy до 0,15 г/км
  • По Евро-4 выбросы: СН до 0,1 г/км, CO до 1,0 г/км и NOy до 0,08 г/км
  • В некоторых регионах вводятся ограничения на движение
    большегрузного автотранспорта (например, в Москве).

    Виды и причины поломок

    В выхлопной системе поломкам и повреждениям подвержены все элементы, но чаще всего выходят из строя каталитический нейтрализатор, глушитель и датчик кислорода (лямбда-зонд). Поломки делят на:

    • механические, обычно возникающие вследствие наезда на препятствие – деформация, вмятины, трещины, обрыв металлических ячеек внутри резонатора или реактивного глушителя. В первую очередь страдает гофра, трубы прогорают или трескаются, обычно в местах изгибов;
    • коррозионные, вызванные воздействием воды, конденсата, соли – повышенная хрупкость металла, разрушение металлических элементов;
    • эксплуатационные – естественный износ, прогорание, достижение предельного срока службы.

    Также поломки могут быть связаны с тем, что изначально использовались некачественные компоненты, которые сами быстро выходят из строя и провоцируют разрушение связанных с ними элементов.

    При неправильной эксплуатации происходит преждевременный износ и отказ элементов системы, особенно уязвим нейтрализатор:

    • при использовании некачественного бензина (этилированного, с металлсодержащими добавками) его каналы быстро забиваются;
    • попадание масла в топливо приводит к коксованию ячеек нейтрализатора продуктами его сгорания;
    • в ряде ситуаций часть топливно-воздушной смеси сгорает не внутри двигателя, а уже в нейтрализаторе, вызывая оплавление его сот. Такое происходит при неисправностях датчиков, пропусках зажигания, запуске машины в процессе буксировки;
    • механические повреждения при неаккуратной езде или резкое охлаждение горячего корпуса при въезде в лужу приводят к разрушению корпуса.

    Засорившийся каталитический нейтрализатор

    В глушителе, помимо повреждений и износа корпуса, может случиться:

    • обрыв внутренних перегородок, разрушение металлических секций – в реактивном;
    • коксование шумопоглощающего наполнителя – в активном;
    • повреждение подвески.

    Кислородные датчики могут выходить из строя попарно или по отдельности. Им вредят те же факторы, что и нейтрализатору – некачественное топливо, примеси масла в продуктах сгорания, неполадки системы зажигания. К основным поломкам лямбда-зондов относятся:

    • неисправность нагревателя;
    • нарушение контакта, обычно вследствие окисления;
    • прогорание или загрязнение керамического наконечника.

    Оксид углерода (СО)

    Оксид углерода (угарный газ) СО — газ без цвета и запаха. Это яд для дыхательной системы, нарушающий функцию центральной нервной и сердечно-сосудистой систем. В человеческом организме он связывает красные кровяные тельца и вызывает кислородное голодание, которое за короткое время приводит к смерти от удушья. Уже при концентрации в воздухе 0,3% по объему угарный газ в очень короткое время убивает человека. Действие зависит от концентрации СО в воздухе, от длительности и глубины вдыхания. Лишь в среде с нулевой концентрацией СО он может быть выведен из организма через легкие.

    Ремонт выхлопной системы

    При неисправности одного из элементов выхлопной системы все остальные работают с повышенной нагрузкой, кузов может страдать из-за вибраций, громкий звук выхлопа пугает и нервирует, серьезный дискомфорт причиняет запах тухлых яиц в салоне, да и вообще появляется риск отравления выхлопными газами. Так что чинить поврежденную систему нужно незамедлительно. В большинстве случаев нет необходимости прибегать к слесарному ремонту в автосервисе, устранить повреждения можно самостоятельно.

    Обычно для ремонта необходимо полностью демонтировать выхлопную систему, это довольно продолжительный процесс, хотя ее удерживает относительно небольшое количество крепежных элементов.

    Читать еще:  Датчик оборота двигателя на двигателе agu

    Сварка выхлопной системы

    • иногда проблемы связаны с тем, что между корпусом выхлопной системы и днищем автомобиля набилась грязь. Если в результате не произошло механических повреждений и коррозии, грязь достаточно просто вычистить;
    • прогоревшие уплотнительные прокладки между элементами необходимо заменить;
    • небольшие трещины, отверстия в трубах завариваются. При крупных повреждениях проблемный участок вырезается и закрывается заплаткой из листового металла, которую приваривают по периметру. Перед началом сварки обрабатываемый участок нужно тщательно очистить от ржавчины и загрязнений;
    • при засорении, оплавлении, разрушении корпуса каталитического нейтрализатора его необходимо менять полностью. Ремонту и восстановлению эта деталь не подлежит;
    • гофра с нарушенной герметичностью также подлежит замене;
    • если оборвались, ослабли эластичные крепления, их необходимо заменить, если такое происходит в дороге, можно временно зафиксировать глушитель подручными средствами;
    • при отрыве разделительной перегородки внутри глушителя его необходимо вскрыть болгаркой или фрезой, приварить отвалившиеся элементы и заварить шов на корпусе.

    Если нет возможности обратиться в автосервис или воспользоваться сварочным аппаратом, при внешних повреждениях корпуса возможен временный ремонт с применением эпоксидного клея и термостойкого бинта или стеклоткани. Но таких мер хватит максимум на месяц.

    Контроль состояния штатных подвесов, использование качественного топлива, своевременный ремонт системы зажигания продлят срок службы выхлопной системы. При появлении первых подозрительных признаков нужно ее обследовать и произвести необходимый ремонт. Если возникают затруднения с самостоятельной диагностикой и ремонтом этой системы, можно обратиться к специалистам компании JapZap. Также здесь можно приобрести контрактные запчасти для замены пришедших в негодность.

    Двуокись серы (SO2)

    Это загрязняющее вещество возникает при сжигании в топливе серы. Она относится к классическим атмосферным загрязнителям, возникающим при процессе горения, на электростанциях и в промышленности. SO2 является одним из самых главных «ингредиентов» загрязняющих веществ образующих смог, также называемый “Лондон смог”.

    В атмосфере диоксид серы подвергается ряду процессов преобразования, в результате чего могут возникнуть серная кислота, сульфиты и сульфаты. SO2 действует в первую очередь на слизистые оболочки глаза и верхних дыхательных путей. Что касается окружающей среды, диоксид серы может повреждать растения и вызывать окисление почвы.

    Образование смеси

    Дизельное топливо характеризуется более высокой температурой кипения, чем бензин. В дизеле отводится меньше времени на приготовление топливо-воздушной смеси, что является одной из: причин ее меньшей однородности. Диком в них воздуха (А > 1); недостаточное количество воздуха в смеси приводит к увеличению выброса сажи, СО и СН.

    Процесс сгорания

    Сгорание начинается при впрыскивании топлива через форсунку. Время впрыскивания оказывает основное влияние на эффективный к. п. д. двигателя. Повышение температуры сгорания увеличивает образование в отработавших газах оксидов азота (NOx).

    Мероприятия по снижению токсичности отработавших газов

    Конструктивные мероприятия

    Камера сгорания

    Двигатели с разделёнными камерами сгорания обеспечивают получение меньших концентраций оксидов азота в отработавших газах, чем двигатели с непосредственным впрыском топлива. С другой стороны, последние характеризуются лучшей топливной экономичностью. Для получения рабочей смеси, обеспечивающей полное сгорание, вихревое движение воздуха в камере сгорания должно сочетаться с правильно подобранным факелом топлива.

    Впрыскивание топлива

    Позднее впрыскивание позволяет снизить выброс оксидов азота (NOx), однако слишком позднее впрыскивание приводит к увеличению расхода топлива и повышенному выбросу углеводородов (СН) Увеличение на 1° (по углу поворота коленчатого вала) начала впрыскивани; может привести к повышению на 5% выбросов NOx, в то время как выбросы СH при этом могут увеличиться на 15%. Электронные системы управления: способны поддерживать оптимальны момент впрыскивания с высокой степенью точности. Очень высокая точность может быть достигнута за счет управления началом впрыскивания непосредственно через форсунку при использовании датчика перемещения игольчатого клапана (управление началом впрыскивания топлива). Топливо, попадающее в камеру сгорания после окончания процесса сгорания, будет поступать непосредственно в выпускную систему в несгоревшем виде повышая уровень выбросов углеводородов в отработавших газах. Для предотвращения этого явления объем топлива между посадочным отверстием форсунки и распылительным наконечником должен быть минимальным. Необходимо также исключить подтекание топлива из форсунки и позднее впрыскивание. Мелкодисперсная струя распыла топлива способствует образованию оптимальной смеси топлива с воздухом. Мелкодисперсный распыл, снижающий выброс сажи (твердых частиц) и углеводородов, может быть получен при высоком давлении впрыскивания и оптимальной геометрии отверстий распылителя. Коэффициент избытка воздуха должен быть не ниже А =1,1.-.1,2.

    Температура воздуха на впуске

    Чем выше температура воздушного заряда, тем выше температура сгорания с пропорциональным увеличением выбросов оксидов азота. На двигателях с турбонаддувом охлаждение сжатого воздуха на впуске (промежуточное охлаждение) представляет эффективный способ снижения NOx.

    Cостав и температура отработавших газов

    Рециркуляция отработавших газов

    Часть отработавших газов направляется во впускную систему для уменьшения количества кислорода в свежем заряде с одновременным увеличением его теплоемкости. Оба этих фактора приводят к понижению температуры сгорания и, таким образом, снижению образования NO. Повышенное количество рециркулируемых газов вызывает более высокие выбросы сажи и оксида углерода из-за недостатка воздуха в смеси. Поэтому количество рециркулируемых отработавших газов должно быть ограничено.

    Очистка отработавших газов

    Выброс углеводородов может быть уменьшен при использовании в выпускной системе каталитических нейтрализаторов. В них часть газообразных углеводородов, включая и те, что соединяются с твердыми частицами (сажа), сгорают в присутствии кислорода, содержащегося в отработавших газах. Для снижения выбросов твердых частиц (сажи) в настоящее время используются специальные фильтры, устанавливаемые в выпускной системе автомобиля.

    Испытания двигателей на токсичность

    Все более ужесточающиеся нормы определяют снижение предельного содержания количества токсичных комонентов в отработавших газах. Эти выбросы могут быть замерены при заданных определенных условиях работы двигателя. >

    Схема испытаний

    Как правило, выбросы токсичных веществ с отработавшими газами двигателей определяются на стенде с беговыми барабанами (для легковых автомобилей) или на испытательном моторном стенде (грузовые автомобили). Многие нормы предельного содержания токсичных компонентов в отработавших газах и методы испытаний автомобилей на токсичность были впервые внедрены в США, где способ отбора проб (газа) постоянного объема был применен в качестве эффективного способа для контроля за выбросом твердых частиц при динамических испытаниях. При этой процедуре отработавшие газы разбавляются отфильтрованным окружающим воздухом и отбираются посредством ротационного насоса во время стандартизованного цикла испытаний. Разбавление отработавших газов воздухом устраняет вероятность конденсации в них влаги и одновременно удерживает их температуру на уровне, требуемом для измерения содержания твердых частиц (52°С). Одна проба пропускается через специальный бумажный фильтрующий элемент, где осуществляется определение уровня выброса твердых частиц за счет измерения увеличения массы пробы.

    Вторая нагретая проба газа направляется в пламенно-ионизационный детектор, в котором производится непрерывный контроль за концентрацией углеводородов. Третья проба отправляется в сборник отработавших газов. После окончания цикла испытаний его содержимое направляется в газоанализатор, где производятся замеры концентраций СО, МОх и СО2. Расчеты для определения уровней выбросов различных компонентов отработавших газов базируются на данных об объеме смеси газов и концентрации отдельных их компонентов. В США для проверки легковых и грузовых автомобилей на токсичность отработавших газов применяются одни и те же методы и газоанализаторы. Отработавшие газы обычно разбавляются дважды, что дает возможность пропускать большие объемы газа через трубопроводы приемлемого размера. В европейском цикле испытаний также применяется разбавление части газового потока воздухом при замерах содержания твердых частиц в отработавших газах. После измерений концентрации твердых частиц проводятся дополнительные проверки непрозрачности этих газов как в стационарных условиях, так и при движении с полной нагрузкой.

    Испытательные циклы и нормы токсичности в Европе

    Легковые и малотоннажные грузовые автомобили

    Нормы предельной токсичности отработавших газов,принятые в Европе,базируются на Директивах R15 ЕЭК и 70/220 ЕЭС, а также дополнениях к этим документам. Существующие нормы для малотоннажных грузовиков (полной массой менее 3,5 т) указаны в Директиве 93/59 ЕС/ЕЭС. Менее строгие нормы применяются для дизелей с непосредственным впрыскиванием топлива.

    Предельная токсичность отработавших газов легковых автомобилей (с числом сидений 6 и более, массой 3.9т

    Оборудование, используемое для испытаний на токсичность

    Испытания дизелей на токсичность осуществляются как в виде дополнительной процедуры, так и во время проведения регулярных техосмотров автомобилей. Для этой цели применяются два стандартизованных метода. По первому методу определенное количество отработавшего газа пропускается через фильтрующий элемент. Степень обесцвечивания фильтра характеризует содержание сажи в отработавших газах. Абсорбционный метод (испытание на непрозрачность или потемнение газа) основан на определении снижения яркости луча света, пропускаемого через отработавшие газы. Определение дымности отработавших газов дизелей должно осуществляться под нагрузкой. Здесь наиболее распространены два разных метода проведения испытаний: испытания при полной нагрузке, осуществляемые на испытательной трассе с торможением автомобиля; испытания при свободном ускорении с кратковременным нажатием на педаль газа; нагрузка при этом создается возвратно-поступательно перемещающимися и вращающимися массами самого двигателя, работающего в режиме ускорения.

    Дымомер (оптический метод)

    Насос прокачивает часть отработавших газов, поступающих из пробоотборного зонда через камеру. Это необходимо для уменьшения влияния колебаний давления отработавших газов на результаты испытаний. Через отработавшие газы, находящиеся в испытательной камере, пропускаются световые лучи. Фотоэлементы регистрируют снижение интенсивности света после прохождения камеры; это снижение соответствует непрозрачности Т (в %) или коэффициенту абсорбции k. Для получения полных и точных результатов испытательная камера должна иметь определенную длину. Во время испытаний под нагрузкой обеспечивается непрерывный процесс измерений дымности с индикацией получаемых данных. Дымомер автоматически определяет максимальное значение и производит расчет среднего значения для нескольких периодов подачи газа.

    Дымомер (метод прокачки через фильтр)

    Устройство обеспечивает пропуск определенного количества отработавших газов через бумажный фильтрующий элемент. На каждой стадии испытаний осуществляется регистрация объемов анализируемого газа, что позволяет получить полные и сравнимые между собой результаты. Система также позволяет контролировать и компенсировать действие других факторов (давления, температуры и др.). Для оптико-электронной оценки почернения фильтрующей бумаги применяется

    светоотражающий фотометр. Результаты представляются в виде показателя сажесодержания Бош или массовой концентрации сажи в газе (мг/м3).

    голоса
    Рейтинг статьи
  • Ссылка на основную публикацию
    ВсеИнструменты
    Adblock
    detector