Конструкция выпускного коллектора

Выпускной коллектор (Exhaust manifold)

Справочник

Метки

Снятие, замена, установка стабилизатора поперечной устойчивости

Снятие, замена, установка ремня привода ГРМ

Снятие, замена, установка пружины амортизатора задней подвески

Осмотр, проверка рулевого управления

Снятие, замена, установка коленвала и его вкладышей

Выпускной коллектор (exhaust manifold) – это элемент выхлопной системы .

Конструкция

Коллектор жестко крепится на головку блока цилиндров. Второе его окончание крепится к катализатору или выпускной трубе. Работа коллектора происходит в условиях, которые характеризуются большой температурой, составляющей до 1300 °С, и высоким давлением. Поэтому для предотвращения утечки отработанных газов в подкапотное пространство между ГБЦ и коллектором устанавливается прокладка.

Разновидности

Есть два типа выпускных коллекторов:

Конструкция цельного коллектора заключается в использовании коротких каналов, изготовленных из жаропрочного чугуна. Из-за коротких каналов эффективность отвода отработанных газов и продувки камеры, в которой происходит сгорание, очень низкая, обусловлено это появлением импульсов газов от каждого цилиндра. Но такой коллектор прост в изготовлении и стоимость его небольшая;

Конструкция трубчатого коллектора отличается увеличенными длиной, диаметром выпускных труб, которые изготавливаются из нержавеющей стали, иногда используется керамика. Благодаря оптимизированной структуре коллекторы имеют высокую эффективность в диапазоне высоких и средних оборотов.

Схемы трубчатых коллекторов, используемых в настоящее время:

– короткий коллектор: четыре трубы конструктивно соединены в одну;

– длинный коллектор: четыре трубы конструктивно соединены попарно, а потом в одну.

Работа двигателя сопровождается нагревом воздуха выпускным коллектором в подкапотном пространстве, что нагревает воздух во впускной системе и снижает мощность. Для снижения такого эффекта производится теплоизоляция коллектора:

– установка высокотемпературной оплетки труб:

– установка теплоотражающего щитка:

– использование коллектора с двойными стенками:

Принцип работы

Отработанные газы в выпускной системе движутся на основе колебательного процесса. При использовании короткой трубы наилучшая продувка камер происходит при высоких оборотах, за счет резонансного эффекта. Когда используется длинная труба – наилучший показатель при низких оборотах, но такая конструкция предотвращает возврат отработанных продуктов в соседние клапаны, которые еще не закрылись.

При малых диаметрах трубы обеспечивается высокая скорость перемещения отработанных продуктов, которая способствует лучшей инерционной продувке камеры сгорания и достижению крутящего момента на средних и низких оборотах. Но на высоких оборотах появляется сопротивление потоку. При большом диаметре трубы на высоких оборотах получается прирост мощности, а на низких – снижение.

Доводка выхлопной системы атмосферных ДВС

Конструкция выхлопной системы для двигателей без турбокомпрессора (так называемых «атмосферников ») несколько отличается от конструкции выхлопной системы для турбированных двигателей, причём большая часть отличий относится к «головной » части выхлопной системы и в частности к выпускному коллектору.

Цель выхлопной системы «атмосферников » такая же, как и у турбированных двигателей – с максимально возможной скоростью и с созданием минимального противодавления отвести ОГ в атмосферу, но на этом все сходства заканчиваются. Дальше начинаются компромиссы, необходимые для соблюдения требований по шумности, экологичности и компоновке, причём некоторые из этих компромиссов неизбежно приводят к определённым потерям мощности.

Выпускной коллектор

Конструкция выпускного коллектора оказывает наиболее существенное влияние как на мощностную характеристику двигателя, так и на развиваемую им максимальную мощность. «Правильность » конструкции выпускного коллектора определяется огромным количеством факторов. Важным фактором является конструкция участка слияния потоков ОГ, отводимых от отдельных цилиндров. Существует два варианта конструкции таких участков для четырёхцилиндрового двигателя: «421 » и «41 ». В варианте «421 » два первичных выпускных трубопровода объединяются в один вторичный, после чего два получившихся вторичных трубопровода объединяются между собой. В варианте «41 » четыре первичных выпускных трубопровода сходятся в одной точке. Оба варианта имеют свои преимущества, но в варианте «41 » импульсы выхлопов взаимодействуют друг с другом таким образом, что достигается максимальный крутящий момент. Ниже приведено схематичное изображение обоих вариантов:

Диаметр первичных выпускных трубопроводов

При небольшом объёме отводимых ОГ уменьшение диаметра первичных выпускных трубопроводов позволяет увеличить скорость протекания по ним потока ОГ. Чем больше предполагаемый объём отводимых ОГ, тем больше должен быть диаметр первичных выпускных трубопроводов.

Объём отводимых ОГ зависит от рабочего объёма, частоты вращения вала и нагрузки двигателя. Чем больше объём каждого цилиндра, тем больше должен быть диаметр отходящего от этого цилиндра первичного выпускного трубопровода.

Сказанное действительно и для частоты вращения вала двигателя: чем больше эта частота, тем больший объём ОГ выпускается из цилиндра за единицу времени и тем большим должен быть диаметр отводящего эти ОГ первичного выпускного трубопровода. Объём выпускаемых из цилиндра ОГ увеличивается и с увеличением нагрузки двигателя.

Таким образом, оптимальные размеры первичных выпускных трубопроводов определяются в каждом конкретном случае как компромисс между потребностью увеличить скорость протекания потока ОГ и потребностью увеличить пропускную способность трубопровода.

При чрезмерно большом диаметре первичного выпускного трубопровода невозможно обеспечить требуемую скорость протекания потока ОГ. Снижение скорости этого потока приводит к снижению крутящего момента, причём значительное снижение этой скорости приводит также и к снижению развиваемой двигателем максимальной мощности.

Разумный компромисс между скоростью и пропускной способностью позволяет обеспечить как хороший крутящий момент на малых оборотах, так и достаточную тягу на высоких оборотах.

Длина первичных выпускных трубопроводов

Длина первичных выпускных трубопроводов оказывает заметное воздействие на мощностные характеристики двигателя. Увеличение этой длины улучшает тягу на низких оборотах, в то время как её уменьшение улучшает тягу на высоких оборотах. Указанная зависимость объясняется той зависящей от длины выпускных трубопроводов разницей во времени, с которой ударные волны, распространяющиеся в выпущенных из цилиндра ОГ, отражаются и возвращаются обратно в цилиндр. Эти ударные волны возникают в первичном выпускном трубопроводе в момент открытия выпускного клапана, причём, пройдя по всему трубопроводу, эти волны отражаются от выпускного коллектора и частично возвращаются обратно в цилиндр. Вернувшись в цилиндр, такие волны способствуют удалению из цилиндра ОГ и всасыванию в цилиндр воздуха. Увеличение количества воздуха и топлива в цилиндре приводит к увеличению развиваемой двигателем мощности. Данный эффект также известен как эффект (резонансной ) продувки цилиндра, причём обеспечение такого эффекта является одной из основных задач правильно спроектированного выпускного коллектора. Выполнение всех первичных выпускных трубопроводов имеющими одинаковую длину позволяет придать этому эффекту большую регулярность. В результате подсос воздуха в цилиндры становится более равномерным и дополнительно усиливается за счёт резонансных эффектов. При этом газообмен в цилиндре и в частности удаление из него ОГ и впуск воздуха осуществляется не только за счёт хода поршня, но и за счёт описанного выше эффекта продувки цилиндра. При разработке «настроенных » выпускных коллекторов для «Субару » нередко забывают о том, что длина выпускного канала цилиндра фактически также относится к выпускному трубопроводу, и учитывать нужно именно суммарную длину трубопровода и этого канала. Вопрос усложняется тем, что различные выпускные каналы автомобилей «Субару » имеют различную длину. Нежелание учитывать эти различия приводит к невозможности в полной мере воспользоваться преимуществами, которые способен обеспечить правильно спроектированный «настроенный выпуск».

Ниже схематично показаны выпускные каналы цилиндров «Субару ». Как видно на рисунке, каналы А длиннее каналов Б.

Как становится очевидно из вышесказанного, основные затраты времени при испытаниях бывают связаны с правильным подбором длины первичных выпускных трубопроводов, в ходе которого приходится учитывать длину выпускных каналов цилиндров.

Конструкция коллектора

В выпускном коллекторе первичные выпускные трубопроводы объединяются в основной трубопровод выхлопной системы. Известны самые различные варианты выполнения соответствующего участка коллектора – от простых и недорогих в изготовлении до весьма сложных и затратных. Простейший способ объединения первичных выпускных трубопроводов показан в левой части приведённой ниже иллюстрации.

В данном варианте в центре, между сходящимися трубопроводами, образуется застойная область, в которой возникают сильные затормаживающие поток ОГ завихрения. Отсутствие такой области является основным преимуществом более совершенных коллекторов. Вариант выполнения такого коллектора показан в правой части приведённой выше иллюстрации. Как видно на рисунке, в данном варианте первичные выпускные трубопроводы сходятся воедино без образования застойной области. Данный вариант сравнительно недорог в изготовлении и обеспечивает неплохие результаты. При этом эффект достигается просто за счёт соответствующей деформации сходящихся концевых участков труб.

Однако наиболее совершенным техническим решением является показанный ниже коллектор, выполненный в виде отдельной детали, в которую вставляются концевые участки первичных выпускных трубопроводов. Показанный ниже образец производства фирмы «Burns Stainless» является одним из лучших доступных в продаже выпускных коллекторов. Обратите внимание на то, как выполнен участок слияния потоков ОГ, поступающих из первичных выпускных трубопроводов.

Длина коллектора

Длина коллектора также влияет на мощностную характеристику двигателя. Обычно с увеличением длины коллектора пик мощности смещается в сторону высоких оборотов. В любом случае, длина коллектора должна быть достаточной для сведения к минимуму завихрений, возникающих в ходе взаимного слияния потоков ОГ, поступающих из первичных выпускных трубопроводов. Недостаточная длина соответствующего участка коллектора приводит к возникновению завихрений, способных серьёзно затормозить поток ОГ. Однако у коллектора существует и другой важный параметр, подбор которого невозможен без обширных испытаний. Этим параметром является внутренний объём коллектора, от которого тоже во многом зависит мощностная характеристика двигателя.

Ширина коллектора

Ширина (или внутренний объём) коллектора в основном определяет характер взаимодействий, возникающих между отдельными выхлопами или импульсами выхлопа. Слишком большая ширина коллектора препятствует возникновению между такими импульсами желательных взаимодействий, приводящих к возникновению описанного ранее эффекта резонансной продувки цилиндра, а также приводит к снижению скорости истечения ОГ. Недостаточная ширина коллектора, напротив, способна затруднить свободное истечение ОГ за счёт создания слишком высокого противодавления. «Правильная » в каждом конкретном случае ширина коллектора определяется лишь путём испытаний.

Углы конусности

Очевидно, что чем меньше угол конусности выпускного коллектора, и в общем случае чем плавнее любое изменение проходного сечения любого элемента выхлопной системы, тем лучше. Однако именно в выпускном коллекторе угол конусности, под которым проходное сечение этого коллектора переходит в проходное сечение основного трубопровода выхлопной системы, является одним из важнейших факторов. Любое резкое сужение выпускного коллектора способно сильно помешать процессу свободного истечения ОГ.

Проходной диаметр каждого из участков, на которых первичные выпускные трубопроводы вливаются в главное внутреннее пространство выпускного коллектора, должен как можно точнее соответствовать диаметру выпускных каналов цилиндров. В противном случае в выпускном коллекторе неизбежно возникнут дополнительные нежелательные завихрения. Нельзя забывать, что завихрения в выпускном коллекторе оказывают большее негативное воздействие на протекание потока ОГ, чем завихрения в любой иной части выхлопной системы. По данным многих заслуживающих доверия специалистов, уменьшить возникающие в коллекторе завихрения можно путём ступенчатого изменения площади проходного сечения выпускного коллектора. Однако это приводит к усложнению и удорожанию коллектора.

Кроме того, существенные ограничения на конструкцию коллектора накладывает компоновка подкапотного пространства автомобиля. То, что выпускные каналы цилиндров двигателей «Субару » расположены с противоположных сторон двигателя, существенно усложняет задачу конструирования выпускного коллектора для этих автомобилей. Для двигателей с горизонтальным оппозитным расположением цилиндров сложность изменения длины первичного выпускного трубопровода сравнима со сложностью изготовления нового выпускного коллектора, вследствие чего при испытаниях процесс определения правильной длины этих трубопроводов занимает очень много времени. Сделать так, чтобы длина всех первичных выпускных трубопроводов с учётом относящихся к ним выпускных каналов цилиндров была строго одинакова, а сами эти трубопроводы при этом приемлемым образом вписались в компоновку подкапотного пространства, является непростой задачей, а ещё более сложная задача тонкой настройки выпуска для оптимизации эффекта резонансной продувки цилиндров, для чего длины трубопроводов индивидуально модифицируются с шагом 0,5 – 1 дюйм, и вовсе требует от конструктора большого таланта.

Каталитические нейтрализаторы ОГ

Наличие собственного динамометрического стенда позволяет проводить сравнительное тестировании оснащённых и не оснащённых каталитическими нейтрализаторами ОГ выхлопных систем «атмосферных » автомобильных двигателей. По результатам испытаний можно утверждать, что отсутствие каталитического нейтрализатора не способно принести существенного выигрыша по сравнению с присутствием в выхлопной системе правильно спроектированного каталитического нейтрализатора ОГ.

ажным фактором, определяющим, насколько серьёзное препятствие на пути потока ОГ будет представлять собой каталитический нейтрализатор, является угол конусности его корпуса. Поскольку проходное сечение корпуса каталитического нейтрализатора существенно превышает проходное сечение входящих и выходящих из этого корпуса выхлопных трубопроводов, слишком резкое изменение этого проходного сечения способно существенно затормозить поток ОГ.

Сказанное в равной степени относится к каталитическим нейтрализаторам как турбированных двигателей, так и «атмосферников ». Кроме того, необходимо обеспечить прохождение поступающих вовнутрь корпуса каталитического нейтрализатора ОГ сквозь всё рабочее сечение активных элементов этого нейтрализатора. В случае, когда потоком ОГ используется не вся площадь сечения этих активных элементов, каталитический нейтрализатор ОГ не будет работать с должной эффективностью. По названной причине плавное расширение корпуса каталитического нейтрализатора на входе даже важнее плавного сужения этого корпуса на выходе.

Часть выхлопной системы, расположенная после каталитического нейтрализатора по ходу потока ОГ

Разработать «правильную » часть выхлопной системы, расположенную после каталитического нейтрализатора по ходу потока ОГ, проще, чем разработать «правильный » выпускной коллектор. Основной задачей остаётся поддержание максимально возможной скорости истечения ОГ. Слишком широкая труба приводит к снижению скорости потока ОГ и потере части крутящего момента на малых оборотах. Слишком узкая труба приводит к снижению максимальной мощности (мощности на высоких оборотах). Оптимальное в каждом конкретном случае решение является, как всегда, результатом компромисса. Важно обеспечить гладкую внутреннюю поверхность трубопроводов и правильно использовать технологию гибки труб. Глушитель должен создавать как можно меньшее сопротивление потоку ОГ и одновременно с этим в достаточной мере снижать шумность выхлопа. Собственно говоря, все «хитрости » конструирования задней части выхлопной системы ограничиваются вышесказанным. Очевидно, что эта часть выхлопной системы действительно заметно проще выпускного коллектора.

Коллектор выпускной

В каждом двигателе внутреннего сгорания есть такая деталь, как выпускной коллектор. Вопреки распространенному мнению, коллектор не просто отводит отработанные газы из цилиндров, а делает большой вклад в нормальную работу двигателя. Все о коллекторах, их функциях, типах и конструкциях читайте в статье.

Назначение выпускного коллектора двигателя

Выпускной коллектор — одна из важнейших деталей системы выпуска отработанных газов двигателей внутреннего сгорания. Коллектор выполняет две ключевых функции:

• Сбор и отвод отработанных газов из цилиндров, сбор газов от всех цилиндров в одну приемную трубу;
• Помощь в продувке цилиндров и эффективном заполнении цилиндров новой порцией горючей смеси.

Неправильно считать, что коллектор — это просто сборщик выхлопных газов (собственно, это слово является калькой с английского collector — сборщик или собиратель). В действительности это деталь, с помощью которой осуществляется настройка выхлопа, повышающая эффективность и мощность двигателя. Это легко объясняет теория ДВС и коллектора.

Работа двигателя происходит циклично, в обычных четырехтактных моторах удаление отработанных газов из каждого цилиндра (а равно и заполнение цилиндра горючей смесью) происходит один раз в два оборота коленчатого вала. Об этом нужно помнить, чтобы понять суть происходящих в выхлопной системе процессов.

Отработанные газы, выходящие из цилиндра при открытии выпускного клапана, имеют высокое давление, поэтому они с высокой скоростью устремляются в коллектор. За этой порцией газа образуется разрежение (падение давления воздуха), которое играет важнейшую роль в продувке цилиндра. Непосредственно перед достижением поршня ВМТ наступает момент, когда открыты как выпускные, так и впускные клапаны. Поэтому воздух спокойно проходит через цилиндр из впуска в выпуск, обеспечивая удаление остатков отработанных газов и более полное заполнение цилиндра топливно-воздушной смесью.

Однако газы из цилиндра не просто выходят — они движутся по коллектору, достигают приемной трубы и ударяются о катализатор или глушитель (в зависимости от того, как устроена система выпуска ОГ конкретного автомобиля). Катализатор и глушитель — это довольно ощутимые препятствия для движущихся с большой скоростью газов, поэтому часть газов (около половины всего объема) не проходит дальше, а отражаются и возвращаются к цилиндру, там они снова отражаются и идут в сторону глушителя, и т.д. Так в коллекторе возникает волновой процесс (резонанс), который оказывает серьезное влияние на работу двигателя.

Дело в том, что газы могут вернуться к цилиндру до начала или в самый момент открытия выпускного клапана, и ухудшить выход новой порции отработанных газов. Это снизит эффективность работы двигателя и его мощность. Если же газы вернутся к цилиндру и отразятся до начала открытия выпускного клапана, то здесь вновь образуется разрежение воздуха, которое будет помогать выходить новой порции отработанных газов.

Здесь есть и еще один важный момент. Обычно коллекторы всех или двух цилиндров сходятся в одной точке, поэтому отработанные газы одного цилиндра будут оказывать влияние на работу других цилиндров. Например, в двигателях с порядком работы цилиндров 1-3-4-2 газы из первого цилиндра могут столкнуться с газами из третьего цилиндра, что ухудшит их отвод и снизит эффективность мотора. С другой стороны, газы от третьего цилиндра могут идти вслед за газами первого цилиндра, и в этом случае порция газа первого цилиндра вследствие образуемого ща ним разрежения будет «тянуть» за собой порцию газов третьего цилиндра, повышая эффективность их отвода и продувки цилиндра.

Поэтому важнейшая задача конструкторов заключается в том, чтобы подобрать оптимальную длину выпускного коллектора, при которой отработанные газы образовывали бы стоячие волны с областями разрежения в некоторых определенных областях — у выпускного клапана, в месте встречи потоков газов от двух цилиндров и т.д. Это называется настройкой выпуска, и благодаря ей современные двигатели максимально полно используют свой потенциал.

Настройка выпуска имеет свои сложности, например — коллектор малой длины эффективен на высоких оборотах, а коллектор большой длины проявляет себя на малых оборотах. А так как обычный двигатель может работать в широком интервале оборотов, то приходится идти на компромисс и рассчитывать коллектор только на какой-то средний интервал оборотов.

Цели, которые ставятся перед выпускными коллекторами, достигаются с помощью различных технических решений, что проявляется многообразием конструкций коллекторов.

Типы и конструктивные особенности коллекторов

Конструктивно все выпускные коллекторы делятся на две большие группы:

Цельные коллекторы устроены просто — это литая конструкция, в которой короткие трубы от каждого цилиндра объединены в общую камеру или приемную трубу. Такие коллекторы вследствие малой длины каналов и особенностей их расположения имеют невысокую эффективность и с их помощью нельзя хорошо настроить выпуск. Однако они очень просты в изготовлении, поэтому находят широкое применение на дешевых двигателях и на малооборотистых тракторных дизелях.

Часто цельный коллектор объединяется в один узел с впускным коллектором — такая деталь называется газопроводом. Это решение широко используется на отечественных двигателях.

Трубчатые коллекторы (они в нашей стране часто называются «пауками») — это более сложная по конструкции, но при этом более эффективная система, с помощью которой можно качественно настроить выпуск. Такие коллекторы обычно изготавливаются из стальных труб, которые на определенной длине переходят в общую приемную трубу.

Трубчатые коллекторы делятся на две большие группы:

• «Короткие» коллекторы типа 4-1 — в таком коллекторе трубы от каждого цилиндра имеют одинаковую длину и в одном месте сходятся в одну приемную трубу;
• «Длинные» коллекторы типа 4-2-1 — в таком коллекторе трубы объединены попарно (обычно соединяются 1-й и 4-й, и 2-й и 3-й цилиндры, они образуют Y-образную конструкцию), а затем две пары соединяются в одну общую приемную трубу.

Эти коллекторы названы «длинными» и «короткими» из-за того пути, который проходят отработанные газы. В коллекторах 4-1 газы проходят меньший путь, поэтому они лучше подходят для высокооборотистых моторов (а лучшие режимы работы они обеспечивают двигателям с рабочей частотой вращения вала 6000 об/мин и выше). В коллекторах 4-2-1 газы проходят более длинный путь, поэтому они лучше подходят для менее оборотистых моторов и сегодня находят очень широкое применение.

Трубчатые коллекторы имеют характерные формы, за которые они и получили название «паук». Такие формы придаются трубам коллектора не просто так — трубы, выходящие из каждого цилиндра, должны иметь строго определенную длину, и чтобы все трубы сошлись в одной (для коллекторов 4-1) или в трех (для коллекторов 4-2-1) точках, их приходится изгибать и закручивать. Здесь свою роль также играет и теснота моторного отсека.

Важно отметить, что каждый двигатель должен оснащаться рассчитанным под него коллектором, в противном случае будет наблюдаться потеря мощности и ухудшение работы силового агрегата. Поэтому при форсировании и тюнинге двигателя большое внимание уделяется правильном расчету и изготовлению коллекторов для него. И при правильном подходе с помощью одно лишь коллектора можно увеличить мощность двигателя на 3-5%.

Особенности установки коллектора на двигатель

Монтаж коллектора к блоку обычно выполняется с помощью фланцев. Трубы трубчатых коллекторов крепятся на двух болтах (шпильках), а цельные коллекторы могут монтироваться на 8-16 болтов. При этом между коллектором и блоком обязательно устанавливается термостойкая прокладка.

На многих автомобилях коллектор отделен от основного объема моторного отсека специальным щитом или слоем теплоизоляции. Это предотвращает чрезмерный нагрев воздуха в подкапотном пространстве, который поступает во впускную систему. Теплоизоляционные вставки могут использоваться и в месте контакта коллектора с кузовом.

Обслуживание, возможные неисправности и ремонт выпускных коллекторов

Коллектор работает в сложных условиях — он нагревается от раскаленных отработанных газов, а также подвергается постоянным скачкам давления. Причем здесь опасность представляет и нагрев, и перепад температур. При нагреве на внешней поверхности коллектора образуется окалина и быстро протекают процессы коррозии. При перепадах температур происходит тепловое расширение и сжатие коллектора, негативно влияющие на его прочностные характеристики. А при охлаждении на коллекторе выпадает конденсат, который опять-таки вызывает коррозию.

Поэтому с течением времени коллектор теряет прочность, начинает ржаветь и даже может прогореть, также прогару подвержены и его прокладки (между коллектором и блоком, и между частями коллектора). При прогаре коллектор проще заменить в сборе, так как его заварка даст результат лишь на какое-то время.

Но в целом выпускной коллектор, особенно литой чугунный, является прочной и надежной деталью, которая может нормально работать в течение всего срока эксплуатации двигателя и никак о себе не напоминать.

Выпускной коллектор: описание устройства и принципа работы

Выпускной коллектор — первый узел выхлопной системы автомобиля. Конструктивно это несколько каналов, объединенных в один общий канал, передающий выхлопные газы далее по выпускному тракту. Выпускные коллекторы устанавливаются на все типы двигателей внутреннего сгорания независимо от их марки или назначения. Выпускные коллекторы необходимы для сбора и отвода выхлопных газов.

Правильно спроектированный и подобранный коллектор способствует более эффективной вентиляции цилиндров, а значит, более оптимальному наполнению топливовоздушной смесью. Достигается подобный эффект благодаря движению выхлопных волн внутри каналов коллектора.

Принцип работы выпускного коллектора

Перед тактом выпуска отработанные газы находятся в цилиндре под большим давлением. После открытия выпускного клапана происходит перепад давлений, выхлопные газы устремляются в выпускной коллектор (где давление значительно ниже). Поршень при этом начинает движение вверх, выталкивая содержимое камеры сгорания в выхлопную систему. Часть газов уходит далее по выхлопному тракту, часть — отражается и стремится к соседним цилиндрам. Подобные движения отработанных газов принято называть волновыми. Побочным положительным эффектом является разряжение среды в выпускном коллекторе после прохождения такой волны.

Комплексная работа впускного коллектора, газораспределительного механизма и выпускного коллектора обеспечивает дополнительную продувку камеры сгорания. Все дело в том, что выпускной клапан всегда «запаздывает» с закрытием (во время начала такта впуска, выпуск еще открыт). Накопленное давление топливовоздушной смеси в впускном коллекторе в определенных условиях выше давления в выпускном коллекторе. Происходит резкий перепад давлений, цилиндр дополнительно продувается от выхлопных газов, наполняется свежей порцией топливовоздушной смеси. Выпуск закрывается.

Виды выпускных коллекторов

Все выпускные коллекторы можно разделить на цельные и трубчатые. Цельный выпускной коллектор — это, как правило, единая деталь, отлитая из чугуна. Трубчатый коллектор изготавливается из сваренных труб, стали и фланцевых соединений для стыковки с блоком двигателя.

Виды компоновки труб коллекторов

Выпускной коллектор с компоновкой 4-1. Представляет собой четыре трубы-канала, соединенных в одну общую трубу (количество каналов соответствует количеству цилиндров).

Выпускной коллектор 4-2-1. В таких коллекторах трубы сначала соединяют цилиндры, работающие в паре (на одном такте), а потом переходят в одну общую трубу.

Важным параметром выпускных коллекторов является их длина, а соответственно — и объем. При недостаточной длине выпускных каналов энергии потоков выхлопных газов будет достаточно, чтобы попасть в каналы соседних цилиндров и негативно влиять на их работу. В таких коллекторах плохо синхронизированы волновые движения газов с работой двигателя. В тоже время на двигателях с небольшой длинной выпускного коллектора, как правило, «узкие» фазы газораспределения с относительно небольшим объемом выхлопных газов. Производство коллекторов с малой длиной оправдано низкой стоимостью.

На мощных и производительных двигателях используются длинные выпускные коллекторы. В таких коллекторах часть объема выхлопных газов стремится по общей трубе в следующие узлы выхлопной системы, а часть — «отражается» к остальным цилиндрам. Для перехода волны из одного цилиндра в другой потребуется значительно больше времени, что создает определенно лучшие условия для разряжения и продувки.

Выпускной коллектор с равной длиной выпускных труб (равнодлинный). Как правило, устанавливается на мощные спортивные автомобили.

Равнодлинный коллектор позволяет равномерно осуществить выпуск во всех цилиндрах и лучше синхронизировать работу двигателя с выхлопной системой. Тюнинг выпускного тракта можно делать на любом двигателе. Это гарантированно принесет дополнительные 3-5% мощности.

Не стоит забывать, что увеличение длины выпускного коллектора повлечет за собой и увеличение температуры в подкапотном пространстве.

Проблема с температурой решается установкой теплоизоляции. Для этого можно использовать металлический кожух либо специальную негорючую ткань.

Существуют модели коллекторов, в которых в качестве теплоизоляции применяется керамическое напыление.

Эксплуатация выпускных коллекторов

Типичные неисправности выпускных коллекторов:

1. Повреждение прокладки между коллектором и блоком цилиндра. Для уплотнения узла соединения «блок цилиндров – выпускной коллектор» применяется прокладка, которая изготавливается из паронита, металла либо композитных материалов. Под действием давления и высоких температур со временем прокладка разрушается, что приводит к нарушению герметичности. Часть газов прорывается, напрямую в атмосферу, двигатель работает нестабильно.
2. Деформация фланца труб коллекторов. Температура выпускного коллектора может достигать 900 ºС. При нарушении температурных режимов коллектор подвергается деформации, которая может вызвать повреждения резьбовых соединений крепежа коллектора. Например, болты выпускного коллектора может просто «сорвать» (повредить резьбу). К таким последствиям приводит нарушение режима работы двигателя либо излишний тюнинг.
3. Физические повреждения, нарушение герметичности. Выпускной коллектор работает в агрессивной среде, поэтому со временем и пройденными километрами чугунные коллекторы лопаются, а трубчатые стальные — могут прогореть. Это негативно отражается на работе двигателя. Даже небольшая трещина в выпускном коллекторе вызывает нарушения работы выхлопной системы. В случае, если трещина незначительная, проблема какое-то время может себя не проявлять.Симптомами могу быть:
   • ошибки блока управления двигателем;
   • нестабильные обороты двигателя — плавные перепады 300-500 единиц;
   • звук двигателя с ненастроенным зажиганием;
   • в подобных случаях определяется сильно прогоревшая труба.
4. Засорение каналов выпускной системы. На стенках выпускных коллекторов образуется нагар и ржавчина. Подобные отложения могут привести к уменьшению просвета каналов и ухудшению характеристик двигателя.

Для того, чтобы избежать вышеперечисленных неисправностей, следует помнить, что выпускной коллектор — узел двигателя, который стоит осматривать при плановом техническом обслуживании чуть ли не в первую очередь.

Ремонт выпускных коллекторов

Проблемы с выпускными коллекторами могут возникать даже на сравнительно молодых автомобилях. Многие автовладельцы со временем задаются вопросами: что делать, если лопнул выпускной коллектор, как снять выпускной коллектор, сколько может стоить новый выпускной коллектор, поменять или отремонтировать элементы выпускного коллектора.

Конечно, самый простой способ решения проблем — обратиться в сервисный центр. Стоимость деталей и услуг будет варьироваться в зависимости от марки автомобиля и его уникальности. Например, новый выпускной коллектор может стоить от нескольких сотен до нескольких тысяч долларов.

Но ремонт выпускного коллектора может осилить и рядовой автомобилист. Необходим лишь стандартный набор инструментов и оборудования.

Замена выпускного коллектора

В случае, если выпускной коллектор значительно прогорел или имеет сильно нарушенную геометрию, он подлежит замене. Для этого:

• ждем пока двигатель и коллектор остынут до нормальной для ремонта температуры;
• снимаем все элементы, которые могут помешать работе (защиту двигателя, защиту коллектора или прочие узлы);
• раскручиваем резьбовые соединения крепежа к блоку и приемной трубе выхлопной системы;
• выполняем снятие выпускного коллектора;
• далее — замена прокладки выпускного коллектора;
• монтируем новый коллектор с крепежом, обтягиваем его;
• устанавливаем все демонтированные элементы в обратном порядке, обтягиваем резьбовые соединения.

Чаще всего требуется только замена прокладки выпускного коллектора.

В случае если лопнул выпускной коллектор, или даже если его патрубок полностью отломан, не спешите приобретать новый. Во многих сервисах практикуется сварка выпускных коллекторов. Чугун варится особыми электродами или аргонодуговой сваркой. Стальные трубчатые коллекторы также подлежат заварке. Подобные работы не по силам новичку, лучше обратиться к специалистам.

Выпускные коллекторы физически необходимы для сбалансированной работы ДВС, поэтому современные двигатели проектируются с учетом комплексной работы узлов и механизмов. Тюнинг же систем выхлопа дает вполне ощутимый прирост мощности, а при верном подходе не повлияет на показатели автомобиля в целом.

Тюнинг выпускного коллектора на СТО

Если вы хотите усовершенствовать личное транспортное средство, то вам наверняка понадобятся такие услуги, как тюнинг выпускного коллектора. Именно он задает в автомобильной выхлопной системе параметры глушителя, формируя в начале выпускного тракта правильное движение отработанных газов. Давайте посмотрим, почему нужно делать тюнинг выпускного коллектора, и как он проводится на профессиональном уровне в тюнинг ателье выхлопной системы в Москве.

Начнем с того, что заводская выхлопная система обычно делается удешевленной – чем меньше ушло металла, тем лучше. Прибавим сюда еще экологическую безопасность и получаем, так сказать, полный финиш. Конструкция выпускного коллектора далеко не соответствует мощностным параметрам силового агрегата. Рассмотрим подробнее причины оптимизации коллектора выпуска:

1. Выхлопы в приемную трубу поступают не одновременно. Каждый цилиндр удален от патрубка на разное расстояние, отчего на входе в него наблюдается истинная волнообразная толчея. Это вызывает эффект противодавления разных фаз выхлопа. Эффективного отведения газов не происходит.
2. В большинстве случаев стоковый выпускной коллектор – это труба с фланцами (сколько цилиндров, столько и фланцев), расположены они симметрично. Стоковый коллектор водители частенько именуют пауком. Чтобы оптимизировать выхлопной процесс, нужна замена паука.
3. Оптимизированная приемная система сконструирована довольно сложно. Это разные по длине изогнутые трубы. Отведение выхлопного газа из цилиндров начинает происходить с одинаковой скоростью.

Главная задача при индивидуальном проектировании новой приемной системы – рассчитать длину и изогнутость каждой трубы.

Почему тюнинг выхлопного коллектора можно делать в автосервисе безбоязненно? Достоинства профессионального центра таковы:

1. Использование деталей из высококачественных материалов, обладающих высоким уровнем термической, механической и коррозионной стойкости.
2. К машине будет осуществлен индивидуальный подход, а на сделанные работы обязательно выдается гарантия.
3. После переделок ваш автомобиль обязательно пройдет любой технический осмотр, проблемы с ГИБДД точно не появятся.

Тюнинг выпускного коллектора – это сложный комплекс высококвалифицированных работ, поэтому обращаться за такой модернизацией стоит лишь к опытным специалистам:

Что такое впускной коллектор?

Автомобильный впускной коллектор – яркий пример того, как технологии из автоспорта приходят в повседневную жизнь. Каждое техническое решение в системе подачи воздуха подчинено одной цели: получить еще чуть больше мощности, еще чуть больше скорости, еще пол-процента КПД.

Сегодня автовладельцы даже не подозревают, сколько интересных идей реализовано под капотом их автомобилей. И о впускном коллекторе задумываются только тогда, когда с ним начинаются проблемы.

Что такое впускной коллектор и для чего он нужен?

На чём бы ни работал двигатель – бензине, дизеле, газе – ему нужен воздух, много чистого, прохладного, «вкусного» воздуха. Для его правильной подачи и используется впускной коллектор.

По сути, это трубопровод определенной формы и размера, который нужен для доставки в цилиндры нужного количества воздуха. Помимо этого, он отвечает за смешивание воздуха с топливом из форсунок в инжекторном двигателе. Но если бы всё было так просто, инженеры не занимались бы поиском идеальной геометрии коллектора для каждого нового мотора.

В современных автомобилях впускной коллектор выполняет несколько задач:

1. Подает нужное количество воздуха для приготовления стехиометрической топливной смеси (то есть с оптимальным соотношением топлива с воздухом);
2. Равномерно распределяет воздушный поток между цилиндрами двигателя;
3. Так как в коллекторе есть постоянное разрежение, за счет всасывающего эффекта от поршней двигателя, то инженеры додумались использовать это разрежение (вакуум) для усиления тормозных усилий, для вентиляции картерных газов и т.д., в зависимости от марки и типа автомобиля.
4. Создает резонансный воздушный поток, чтобы увеличить скорость его движения без дополнительного оборудования.

Устройство и принцип работы

Чтобы впускной коллектор выполнял все возложенные на него задачи, он должен иметь строго рассчитанную геометрическую форму. Например, для того, чтобы поток внутри не замедлялся, коллектор проектируется без углов и прямых линий. Плавные изгибы, округлая форма способствуют более мощному воздушному потоку.

Устройство впускного коллектора

На входе во впускной коллектор находится карбюратор или дроссельная заслонка, если речь идет об инжекторном двигателе. Центральный канал разделяется на отдельные рукава – раннеры, которые подходят к цилиндрам, а точнее, к впускным клапанам.

Топливные форсунки размещаются возле впускных клапанов (в системе распределенного впрыска) или в центральном канале, если установлен моновпрыск.

По форме впускного канала различают одноплоскостные и двухплоскостные:

1. Одноплоскостные – только с одним каналом для прохождения воздуха или топливно-воздушной смеси. Эти коллекторы пропускают за единицу времени большое количество воздуха, а значит, позволяют двигателю развить максимально возможную мощность на высоких оборотах;
2. Двухплоскостные – те, в которых канал разделен на две части. Они дают возможность получить больше отдачи мощности на низких и средних оборотах двигателя.

Материалы.
Изначально впускные коллекторы делались металлическими: из чугуна, стали, алюминия. Проблема таких конструкций не только в достаточно высокой цене, но и в значительном нагреве от цилиндров двигателя. Сегодня их в основном делают из специального термостойкого пластика, который обладает меньшей теплопроводностью, а значит, и меньше нагревает воздух внутри.

Принцип работы.
Основной принцип работы коллектора – подача воздуха на фазе впуска. Инициатором движения воздуха является сам двигатель. Когда поршень опускается, в камере сгорания над ним создается зона низкого давления. На фазе впуска, когда клапан открыт, опускающийся поршень затягивает воздух, как хороший насос. Таким образом, от центрального канала воздух поступает в нужный раннер, а из него – в камеру сгорания. На видео-3д анимации, ниже, наглядно показан принцип работы впускного коллектора с вихревыми клапанами.

Если на автомобиле установлен карбюратор или центральная форсунка, при втягивании воздуха в раннер, поток топлива (или топливно-воздушной смеси) поступает в нужный цилиндр. Благодаря тому, что поток внутри коллектора турбулентный, топливо лучше перемешивается с воздухом и, следовательно, лучше сгорает. Турбулентный воздушный поток проектируется в коллекторе специально: он быстрее движется и лучше наполняет цилиндры.

В автомобилях с распределенным впрыском форсунки установлены в раннерах коллектора перед впускными клапанами. В этом случае по коллектору движется только воздух, который смешивается с распыленным топливом перед самым входом в цилиндр двигателя. Здесь скорость и структура воздушного потока также важны, поскольку для качественного приготовления топливно-воздушной смеси остается меньше времени и места.

Резонансные колебания.
Чтобы усилить поток поступающего воздуха, внутренняя геометрия впускного коллектора рассчитывается так, чтобы образовался так называемый резонанс Гельмгольца. Примерная схема, как это работает:

1. На фазе всасывания поршень мотора опускается вниз, создавая зону разрежения, и через открывшийся клапан в камеру сгорания на большой скорости заходит воздух;
2. Однако объем раннера намного больше, чем объем цилиндра, поэтому весь воздух, который “взял разгон” в коллекторе, в камеру сгорания не попадает;
3. Перед закрывшимся впускным клапаном создается зона повышенного давления, когда воздух по инерции продолжает движение вперед;
4. Клапан всё еще закрыт, так что давление в раннере выравнивается, то есть происходит “откат”, а после него перед впускным клапаном опять образуется зона повышенного давления. Эти резонансные колебания воздуха зависят от формы и размера коллектора и рассчитываются под каждый двигатель отдельно.

Изменение геометрии впускного коллектора

Впускные коллекторы с изменяемой геометрией – отличное решение, благодаря которому можно получить максимальный поток воздуха и на высоких, и на низких оборотах двигателя.

Необходимость изменяемой геометрии обусловлена тем самым резонансом воздушного потока, который помогает наполнять цилиндры. Чем выше частота оборотов двигателя, тем выше скорость потока воздуха.

Однако ритм резонансных колебаний зависит от длины коллектора, а значит, может не совпадать с ритмом открытия клапанов. Чтобы повлиять на поток воздуха, нужно менять длину его пути или его объем (или оба показателя). Так инженеры пришли к идее создания коллекторов, форма и объем которых меняются в зависимости от нагрузки.

С переменной длиной.
При работе на низких и средних оборотах двигатель лучше наполняется воздухом, если коллектор длинный. А вот на высоких оборотах нужна меньшая длина для более быстрой подачи воздуха. Чтобы дать двигателю нужное количество воздуха, коллектор делится на 2 или 3 “ветки” с разной длиной, между которыми установлен клапан, управляемый ЭБУ. Наглядно показано на 3д-анимации ниже.

Когда двигатель работает с невысокой нагрузкой, воздух проходит по длинному пути. Если же выйти на высокие обороты, клапан переключает поток воздуха на меньший канал.

Изменение геометрии с переменной длиной

Такие системы ставятся на бензиновые, дизельные и газовые двигатели, н только атмосферные, без турбонаддува. В турбированных системах накачка воздуха происходит принудительно.

С переменным сечением.
Чем меньше толщина коллектора, тем быстрей движется поток воздуха в нём, следовательно, лучше наполняются цилиндры двигателя, качественней сгорает топливо.

Изменение геометрии с переменным сечением: (1 — работа системы при полной нагрузке (заслонка открыта); 2 — работа системы при частичной нагрузке (заслонка закрыта, происходит завихрение топливной смеси); 3 — вихревой канал; 4 — вакуумный регулятор заслонки; 5 — форсунка; 6 — заслонка.)

Система с изменяемым сечением применяется на двигателях с двумя впускными клапанами. Часть раннера, которая примыкает к двигателю, разделена на две ветки, каждая из которых подключена к своему клапану. Внутри одного из ответвлений установлена заслонка, управляемая ЭБУ. При работе на низких оборотах заслонка закрыта, воздух поступает только через один впускной клапан. Когда двигатель набирает обороты, заслонка открывается и воздух в двигатель идет уже по обоим каналам. Коллекторы с переменным сечением ставятся и на турбированные, и на атмосферные двигатели.

Для EGR.
Существует отдельная категория впускных коллекторов, предназначенных для дожига картерных газов. Они были разработаны в ответ на растущие требования к экологической безопасности. Так была создана система EGR (Exhaust Gas Recirculation), при которой газы из системы выхлопа отправляются обратно во впускной коллектор через специальный клапан. Делается это для того, чтобы “дожечь” вредные вещества, продлить ресурс катализатора и сажевого фильтра, уменьшить токсичные выбросы в атмосферу.

Впускной коллектор с системой рециркуляции выхлопных газов

На низких оборотах двигателя, выхлопные газы из камеры сгорания поступают снова во впускной коллектор. Однако в них уже нет такого количества кислорода, как в чистом воздухе, и температура горения топлива будет ниже, чем обычно. Включается эта система на некоторых режимах работы двигателя, например, на холостом ходу.

Основные неисправности

Как и любое устройство, впускной коллектор может выйти из строя. Причиной поломки может стать как банальный износ определенных деталей, так и другие внешние факторы.

Разгерметизация.
Нарушение целостности корпуса чаще всего случается из-за износа герметизирующих прокладок. В этом случае возникает дополнительная накачка воздуха в коллектор – подсос. Это не так хорошо, как может показаться: двигатель рассчитан на получение строго определенного количества воздуха в своем режиме работы. Если воздуха больше нормы, получается обедненная смесь, нарушается работа двигателя и ЭБУ может переключить его на аварийный режим. При потере герметичности необходимо заменить прокладки коллектора.

Отложения.
В двигателях с центральным впрыском или карбюратором на внутренних стенках могут оседать примеси из топлива. Но гораздо больше проблеме наростов во впускном коллекторе бывает у систем с рециркуляцией выхлопных газов. Налет на внутренней части нарушает геометрию впускного коллектора, поток воздуха проходит с меньшей турбулентностью, хуже происходит перемешивание его с топливом. Засор коллектора можно устранить с помощью чистки.

Поломка заслонок.
Если заслонки во впускном коллекторе сделаны из некачественного материала, они могут выйти из строя. Такой “болезнью” страдают многие немецкие модели автомобилей.

Помимо низкого качества самих заслонок, причиной неисправности может стать попадание масла в пространство коллектора. В этом случае придется искать причину расхода масла и устранять ее, и только после заниматься ремонтом заслонок.

Неисправность датчиков.
Датчики температуры и давления могут выйти из строя, что приводит к поступлению неверных данных на ЭБУ. Иногда сбой в системе настолько существенный, что блок управления переключает двигатель на аварийный режим. Проверку датчиков делают на СТО, и при необходимости меняют их на новые.

Тюнинг впускного коллектора

Любители автотюнинга не обходят своим вниманием и впускной коллектор. При правильном подходе, действительно, удается улучшить показатели мощности двигателя, пример на видео, ниже.

1. Улучшение формы. Довольно сложно добиться того, что во все цилиндры двигателя поступает одинаковое количество воздуха. Потому мастера заменяют штатный коллектор на многодроссельный впуск. На каждый цилиндр двигателя устанавливается отдельный дроссель, получается независимая система.
2. Совершенствование внутренней поверхности. При производстве коллекторов на внутренней части могут остаться небольшие погрешности: наплывы, заусенцы, шероховатости. Это немного тормозит поток воздуха, поэтому умельцы шлифуют внутреннюю поверхность коллектора, чтобы убрать все препятствия.

Заключение

Нормально работающий впускной коллектор помогает выжать максимум из двигателя и при этом снизить расход топлива – именно то, о чём мечтают все автолюбители. Неисправности случаются достаточно редко, так что поводов о нём беспокоиться не так уж много.

При небольших неисправностях, ремонт может сделать сам автовладелец, имеющий навык ремонта автомобиля и нужные инструменты. Но если нет уверенности в своих силах и знаниях, лучше обращаться к профессионалам.

Источники:

http://www.avtika.ru/qa/939-Vypusknoj-kollektor
http://azlk-team.ru/articles/stati_s_clubazlknet/dovodka_vykhlopnojj_sistemy_atmosfernykh_dvs/
http://www.autoopt.ru/articles/products/11295040/
http://swapmotor.ru/vyhlopnaya-sistema/vypusknoj-kollektor.html
http://autodromo.ru/articles/tyuning-vypusknogo-kollektora-na-sto
http://vaznetaz.ru/vpusknoj-kollektor