Как работает система выпуска отработавших газов

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:

• 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:

• 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.

Самодельный подогрев антифриза выхлопными газами: комплектующие и технология монтажа

Шильдик Hybrid или Diesel греет исключительно душу. Зимой в салоне теплеет только под нагрузкой, но откуда ее взять в пробке. Задача ясна – как повысить температуру охлаждающей жидкости и ускорить прогрев кабины. Очевидно, что согреть антифриз под силу какому-либо нагревательному элементу. Первое, что приходит на ум – использовать электричество. Еще один вариант – взять готовое тепло из выпускного тракта.

Идея подогрева холодного антифриза выхлопными газами: общие аспекты

Предыстория

Конкурентное решение разработано компанией Тойота, которая серийно внедрила подогрев антифриза глушителем на свои гибридные автомобили Toyota Prius. Технология EHR (Exhaust Heat Recovery) использует выхлопные газы для нагрева теплообменника, расположенного в выпускном тракте. Через радиатор непрерывно циркулирует «охлаждайка», снимая тепло с его стенок.

Общие показатели после технического нововведения улучшились:

• Ускорен прогрев ДВС.
• Повышен КПД гибридной установки.
• Снижен расход топлива.

Обогреваемые Приусы японцы делали исключительно для себя, и уж точно не из микроклиматических соображений – для удовлетворения этих целей ставят керамические нагреватели РТС поверх радиатора печки. Верх взяла экологическая ветвь: дополнительный подогрев позволяет раньше переходить в режим «гибрид», а значит, вредные выбросы сократятся.

Конструкция

Интегрировать радиатор внутрь выхлопной трубы – дело плевое. Отключить теплообменник по достижении тосолом определенного температурного состояния – вот основная задача. Если этого не сделать, все плюсы сойдут на нет – мотор будет перегреваться.

Итого технология такова: для радиатора в выхлопном патрубке создан дополнительный контур, на входе в который стоит заслонка. Ее положение регулирует термостат, установленный вне корпуса трубы. Обогревательный комплекс смонтирован за катализатором.

Как оформить подогрев антифриза в системе охлаждения глушителем: соображения и идеи

Конкуренция между газовым и электрическим подогревателями уместна только при рассмотрении серийно оснащенных такими устройствами автомобилей. Гаражный досуг удобнее связать с электрическим устройством. Трудность переделки выхлопной системы состоит в реализации алгоритма отключения теплообменника от дополнительного обогрева горячими газами.

Донор

Технически проще найти глушитель с готовой управляющей системой и подключенными патрубками для состыковки со штатным охлаждением, и переделать его под конкретный автомобиль. Поскольку подогрев антифриза выхлопными газами устанавливается исключительно на тойотовскую гибридную линейку, в сферу интереса попадают системы выпуска Prius.

Никаких датчиков, связывающих подогрев с ЭБУ, на Приусах нет. Узел автономен, а потому может быть интегрирован в любой автомобиль – лишь бы место позволяло. Начиная с третьего поколения Toyota Prius, обогреватель пошел в серию. Выписывать деталь из Японии накладно, проще подыскать контрактную. На авторазборках встречаются экземпляры:

1. Для третьей генерации XW30 – 12 000 рублей.
2. Для четвертого поколения XW50 – 30 000 рублей.

Технологические аспекты

Керамический нагреватель не столь эффективен в крепкие морозы – владельцы российских модификаций Prius это отчетливо понимают. У них при -20°C температура «охлаждайки» на холостом ходу не превышает 50°C, где уж тут согреешься. К слову, универсалы Альфа (XW40) тоже лишены такой опции.

Минимум неудобств содержит в себе инсталляция сборочной единицы в Тойота Приус соответствующей модели:

• Слить антифриз.
• Заменить глушитель.
• Связать патрубки системы охлаждения с подогревателем.
• Залить охлаждающую жидкость. Слитого объема не хватит. Покупать лучше заводской состав. Если нет в продаже, анализируйте какой антифриз и с чем можно мешать , и вперед за покупкой продукта рядовых фирм.

Под Alpha необходимо модифицировать хвостовую часть, а при монтаже на далекую от философии концерна машину придется переделывать еще и переднюю. Без сварочных работ вряд ли обойдетесь, поэтому не забывайте отключать колодку питания ЭБУ и сам аккумулятор от бортовой сети.

Внимание! Если возникнет необходимость пользоваться сваркой на гибридных автомобилях – перестрахуйтесь: используйте газовый аппарат.

Суть опасения в том, что при задействовании полуавтоматического сварочного инвертора есть риск выхода из строя высоковольтной батареи. Хотя некоторые автолюбители утверждают, что источник питания гальванически экранирован – реле автоматически отключает ВВБ от бортовой сети после «стопа». Отсоединять аккумулятор, питающий электродвигатели – не лучшая идея: перед пуском мотора система потребует прописать батарею через сканер.

Коротко о главном

Схема подогрева антифриза расположенным в глушителе радиатором сложна в реализации. Трудности вызывает процесс конструирования регулируемого ограничителя обдува теплообменника выхлопными газами. Рационально позаимствовать узел в сборе у автомобиля, штатно оснащаемого системой рекуперации теплоты отработавших газов.

Доноров не так много – это «гибриды» Toyota Prius XW30 и XW50. Механизм функционирует автономно без каких-либо датчиков, сообщающих информацию ЭБУ. Адаптация под машину другой марки предусматривает минимум доработок. Требование одно – наличие свободного пространства в тоннеле под выпуск.

Система отопления выхлопных газов

9.4. Использование теплоты, уносимой с отработавшими газами

Отработавшие газы двигателя содержат значительное количество тепловой энергии. Ее можно использовать, например, для отопления автомобиля. Подогрев воздуха отработавшими газами в газовоздушном теплообменнике системы отопления опасен из-за возможности прогорания или негерметичности его трубок. Поэтому для переноса теплоты используют масло или другую незамерзающую жидкость, нагреваемую отработавшими газами.

Еще целесообразнее использовать отработавшие газы для привода вентилятора системы охлаждения. При больших нагрузках двигателя отработавшие газы имеют наиболее высокую температуру, а двигатель нуждается в интенсивном охлаждении. Поэтому использование турбины, работающей на отработавших газах для привода вентилятора системы охлаждения, весьма целесообразно и в настоящее время начинает находить применение. Такой привод может автоматически регулировать охлаждение, хотя это достаточно дорого.

Более приемлемым с точки зрения стоимости можно считать эжекционное охлаждение. Отработавшие газы отсасывают из эжектора охлаждающий воздух, который смешивается с ними и отводится в атмосферу. Такое устройство дешево и надежно, так как не имеет никаких движущихся деталей. Пример эжекционной системы охлаждения показан на рис. 82.

Рис. 82. Схема эжекторного охлаждения

Эжекционное охлаждение было с успехом применено в гоночных автомобилях «Татра» и в некоторых специализированных автомобилях. Недостатком системы является высокий уровень шума, так как отработавшие газы необходимо непосредственно подводить в эжектор, а расположение глушителя шума за ним вызывает трудности.

Основным способом использования энергии отработавших газов служит их расширение в турбине, которая наиболее часто используется для привода центробежного компрессора наддува двигателя. Ее можно использовать также и для других целей, например, для упомянутого привода вентилятора; в турбокомпаундных двигателях она непосредственно соединяется с коленчатым валом двигателя.

В двигателях, использующих в качестве топлива водород, теплоту отработавших газов, а также отведенную в систему охлаждения можно использовать для нагревания гидридов, извлекая тем самым содержащийся в них водород. При таком способе эта теплота аккумулируется в гидридах, и при новой заправке гидридных баков водородом она может быть использована в различных целях для нагревания воды, отопления зданий и т. д. Этот способ использования энергии, теряемой при отводе теплоты в окружающую атмосферу, будет рассмотрен далее в гл. 19.

Энергию отработавших газов частично применяют для улучшения наддува двигателя, используя возникающие колебания их давления в выпускном трубопроводе. Использование колебаний давления состоит в том, что после открывания клапана в трубопроводе возникает ударная волна давления, со скоростью звука проходящая до открытого конца трубопровода, отражающаяся от него и возвращающаяся к клапану в виде волны разрежения. За время открытого состояния клапана волна может несколько раз пройти по трубопроводу. При этом важно, чтобы к фазе закрывания выпускного клапана к нему пришла волна разрежения, способствующая очистке цилиндра от отработавших газов и продувке его свежим воздухом. Каждое разветвление трубопровода создает препятствия на пути волн давления, поэтому наиболее выгодные условия использования колебаний давления создаются в случае индивидуальных трубопроводов от каждого цилиндра, имеющих равные длины на участке от головки цилиндра до объединения в общий трубопровод.

Скорость звука не зависит от частоты вращения двигателя, поэтому во всем ее диапазоне чередуются благоприятные и неблагоприятные с точки зрения наполнения и очистки цилиндров условия режима работы: На кривых мощности двигателя Ne и его среднего эффективного давления ре это проявляется в виде «горбов», что хорошо видно на рис. 83, где изображена внешняя скоростная характеристика двигателя гоночного автомобиля фирмы «Порше». Колебания давления используют также и во впускном трубопроводе: приход волны давления к впускному клапану, особенно в фазе ею закрывания, способствует продувке и очистке камеры сгорания.

Рис. 83. Внешняя скоростная характеристика двигателя гоночного автомобиля ‘Порше’ (ФРГ)

Если с общим выпускным трубопроводом соединяется несколько цилиндров двигателя, то число их должно быть не более трех, а чередование работы — равномерным с тем, чтобы выпуск отработавших газов из одного цилиндра не перекрывал и не влиял на процесс выпуска из другого. У рядного, четырехцилиндрового двигателя два крайних цилиндра обычно объединяются в одну общую ветвь, а два средних цилиндра — в другую. У рядного шестицилиндрового двигателя эти ветви образованы соответственно тремя передними и тремя задними цилиндрами. Каждая из ветвей имеет самостоятельный вход в глушитель, или на некотором расстоянии от него ветви объединяются и организуется их общий ввод в глушитель.