3.2.2. Конструкция выпускного коллектора
Системы выпуска отработавших газов конструируются под конкретные комбинации двигателя и ходовой части. Длина системы выпуска, размер выпускной трубы и конструкция глушителя подбираются таким образом, чтобы обеспечить резонансный эффект в столбе газа, заполняющем систему выпуска. Резонанс возникает, когда выброс отработавших газов из цилиндра в выпускной коллектор попадает в промежуток между выбросами отработавших газов из других цилиндров.
Температура отработавших газов зависит от режима работы двигателя. Коллектор должен быть рассчитан на условия работы, соответствующие как режиму холостого хода, так и режиму полной мощности. При работе двигателя на полной мощности выпускной коллектор раскаляется докрасна и подвергается сильному температурному расширению.
После отливки коллектор может быть подвергнут отжигу. Отжиг – процесс термообработки с целью отпуска закаленных участков отливки во избежание появления в ней трещин, вызванных изменениями температуры. В ходе эксплуатации автомобиля рабочие температуры коллектора обычно достигают крайних пределов. Выпускные коллекторы изготавливаются как правило из чугуна, обладающего стойкостью к резким и крайне значительным изменениям температуры.
Выпускной коллектор должен обеспечивать максимально свободный выпуск отработавших газов. В некоторых конструкциях коллекторов предусмотрены литые отражатели и рассекатели, предназначенные для максимального облегчения выхода газов в выпускную трубу.
Во многих двигателях вместо литого чугунного выпускного коллектора используется коллектор сварной конструкции из стальных труб (так называемая коллекторная головка) (рис. 15 и 16).
Рис. 15. Выпускной коллектор с патрубками одинаковой длины. |
Рис. 16. Трубчатые выпускные коллекторы. |
Применение легкой коллекторной головки позволяет добиться плавной, почти идеальной формы выпускного коллектора, способной пропустить мощный поток отработавших газов, образующихся при работе двигателя на высоких скоростях.
Преимущества коллекторной головки заключаются в следующем. Коллекторная головка снижает сопротивление системы выпуска. Снижение сопротивления, создаваемого системой выпуска, облегчает выброс отработавших газов из двигателя, снижая потери мощности, расходуемой на продувку отработавших газов через систему выпуска.
Сразу же после выброса через выпускное окно головки блока порции отработавших газов, находящейся под высоким давлением, в цилиндре создается пониженное давление. Резонансные коллекторные головки сконструированы таким образом, что отдельные импульсы отработавших газов сливаются в один, больший по длительности импульс, с соответственно более продолжительным участком пониженного давления после него. Это пониженное давление реально способствует тому, что в цилиндр всасывается большее количество топливно-воздушной смеси. Этот эффект «обратного наддува» лучше всего проявляется при скорости вращения двигателя выше определенного порога, который зависит от длины патрубков коллектора и объединительной секции, в которую они сходятся. Чем они длинней, тем ниже порог скорости, на котором эффект коллекторной головки начинает работать.
В некоторых конструкциях коллекторных головок используются патрубки изменяемой длины. Самый короткий используется на высоких скоростях работы двигателя, а самый длинный обеспечивает преимущества эффекта «обратного наддува» на низких оборотах двигателя. Независимо от конструкции коллекторной головки и длины патрубков, преимущества этого эффекта становятся ощутимыми только на более высоких скоростях работы двигателя (обычно выше 3500 оборотов в минуту, но конкретный порог зависит от конструкции двигателя).
Для обеспечения высокой мощности и большого крутящего момента в диапазоне от низких до средних оборотов двигателя:
патрубки коллектора должны быть длинными (типичная длина длинных патрубков находится в пределах 900 мм);
объединительная секция коллектора также должна быть длинной (типичная длина, необходимая для обеспечения большого крутящего момента и большой мощности двигателя на низких оборотах, находится в пределах 340 мм);
для обеспечения высокой мощности и большого крутящего момента двигателя на более высоких оборотах диаметр патрубков должен быть больше, а длина – меньше. Для достижения максимального крутящего момента и мощности двигателя на определенной скорости его работы коллектор можно укоротить или сделать регулируемым.
Система выпуска с коллекторной головкой при нормальной работе издает звук, напоминающий легкое постукивание. При езде в городском цикле система выпуска отработавших газов с коллекторной головкой в большинстве двигателей обычно начинает постукивать примерно при 3500 оборотах в минуту. При повышении скорости примерно до 5000 оборотов в минуту постукиванье стихает. На более высоких скоростях взаимное усиление импульсов отработавших газов нарушается, и, таким образом, эффект обратного наддува, создаваемый коллекторной головкой, снижается. Но сопротивление коллекторной головки все равно остается ниже, чем у выпускных коллекторов других типов. Поскольку коллекторная головка обеспечивает снижение сопротивления выпуска отработавших газов (противодавления), то замена ею старого выпускного коллектора может вызвать нарушение работы клапана рециркуляции отработавших газов. В результате может возникнуть детонация сгорания смеси. Кроме того, не все бортовые компьютеры способны правильно компенсировать изменение давления в выпускном коллекторе или изменение расположения кислородного датчика, связанные с установкой коллекторной головки.
Через трещину в выпускном коллекторе не только происходит утечка отработавших газов, создавая шум, но и всасывается воздух. Отработавшие газы выбрасываются из цилиндров отдельными порциями или импульсами давления. За каждым импульсом высокого давления следует зона низкого (ниже атмосферного) давления. Наружный воздух, находящийся под атмосферным давлением, за счет этого пониженного давления всасывается через трещину в выпускной коллектор. Кислород, концентрация которого в наружном воздухе составляет 21%, попадая на кислородный датчик, заставляет его давать неверный сигнал компьютеру о том, что двигатель работает на слишком обедненной смеси (с избыточной концентрацией кислорода). Компьютер воспринимает ошибочные показания датчика как истинные и увеличивает подачу топлива. В результате двигатель работает на переобогащенной смеси (с избыточной концентрацией топлива), что вызывает засорение свечей зажигания и нарушение работы двигателя.