Тема 1.2 «Устройство и основы теории двигателя»
Урок № 1.2.53. Тема: «Система выпуска отработавших газов»
Система выпуска отработавших газов предназначена для отвода отработавших тазов от двигателя в атмосферу и одновременно для снижения шумности выхлопа и снижения температуры выхлопных газов. Система выпуска отработавших газов большинства легковых автомобилей схожа по конструкции (рис. 1).
Рис. 1. Основные элементы системы выпуска отработавших газов.
Выпускной трубопровод (коллектор) предназначен для отвода отработавших газов из цилиндров двигателя в систему выпуска газов и глушения шума.
Система выпуска отработавших газов автомобилей ВАЗ «Самара» (рис. 2) включает в себя: приемные трубы 12, соединенные через металлоасбестовые прокладки 2 с выпускным трубопроводом двигателя, основной 6 и дополнительный 4 глушители, которые соединяются между собой при помощи хомутов 8.
Рис. 2. Система выпуска отработавших газов автомобиля ВАЗ-2115: 1 – кронштейн крепления приемных груб; 2 – прокладка; 3 – прижим (скоба) кронштейна; 4 – дополнительный глушитель (резонатор); 5 – подушки подвески глушителей; 6 – основной глушитель; 7 – выпускная труба; 8 – хомуты соединения труб глушителей; 9 – каталитический нейтрализатор: 10 – уплотнительное кольцо; 11– датчик концентрации кислорода; 12 – приемные трубы.
Глушитель и трубы системы выпуска отработавших газов имеют эластичное крепление к кронштейнам пола кузова при помощи резиновых подвесок 5. В корпусах основного 6 глушителя и дополнительного 4 глушителя (резонатора) размещаются перфорированные трубы с перегородками.
Глушители. В глушителях используют два способа снижения уровня звука: диссипативный и реактивный. Первый основан на преобразовании звуковой энергии в тепловую за счет протекания газов через перфорированные перегородки, которые дробят поток газов и снижают его пульсацию. При реактивном способе используется ряд акустических камер (резонаторы), в которых энергия шума гасится за счет изменения скорости движения отработавших газов в разных по объему камерах, через которые они проходят. Чаще всего используют комбинацию этих способов.
Отработавшие газы, выходящие с большой скоростью из выпускного трубопровода, поступают через приемные трубы глушителей в их корпусы, расширяются и, пройдя через ряд отверстий перфорированных труб 4, 6 и 12 (рис. 3) корпусов, теряют скорость, вследствие чего уменьшается шум при последующем выходе газов из трубы в атмосферу. При этом на выталкивание отработавших газов и преодоление сопротивления в глушителях затрачивается до 4% мощности двигателя.
Рис. 3. Устройство глушителей ВАЗ: 1 – корпус дополнительного глушителя (резонатора); 2 – теплоизоляция дополнительного глушителя; 3 – глухая перегородка; 4 – перфорированная труба; 5 – диафрагма; 6 – передняя перфорированная труба; 7 – впускной патрубок; 8 – средняя перегородка; 9 – выпускной патрубок; 10 – задняя перегородка; 11 – корпус основного глушителя; 12 – задняя перфорированная труба.
Корпусы глушителей для лучшей коррозионной стойкости могут изготавливаться из нержавеющей стали или из стали, плакированной алюминием и имеют теплоизоляционный слой из листового асбеста или других аналогичных по свойству материалов.
В системах выпуска отработавших газов автомобилей с системами впрыска топлива (с обратной связью) устанавливается каталитический нейтрализатор 9 (см. рис. 2) с датчиком концентрации кислорода 11.
На автомобиле КамАЗ дополнительно установлен тормоз-замедлитель 4 (рис. 4). При торможении автомобиля двигателем заслонка в выпускном трубопроводе перекрывает выход отработавших газов, что обеспечивает дополнительное сопротивление движению поршней в цилиндрах. При этом автоматически выключается подача топлива.
Рис. 4. Схема системы выпуска отработавших газов дизеля: 1 – уплотнитель: 2, 3, 8 – трубы; 4 – тормоз-замедлитель; 5 – пневмоцилиндр привода тормоза-замедлителя; 6 – рукав; 7– глушитель; 9 – патрубок трубопровода к воздухоочистителю; 10 – эжектор.
Нейтрализаторы служат для снижения концентрации в отработавших газах токсических компонентов. Основными токсическими веществами в отработавших газах являются оксид углерода СО, группа оксидов азота NO x (основной из них NО2) и углеводороды С m Н n.
Различают термические и каталитические нейтрализаторы. В термических нейтрализаторах происходят полное восстановление СО в СО2 и догорание СН. Угарный газ СО обладает значительной теплотой сгорания, но горит при температуре выше 700 °С. Для его сжигания в термоизолированной камере подогревают (при необходимости) отработавшие газы и подают в нее дополнительную порцию свежего воздуха. Применение дополнительной подачи топлива для подогрева и нагнетание воздуха приводят к увеличению расхода топлива до 15 %.
Наиболее распространены каталитические нейтрализаторы. Они основаны на понижении энергии, выделяющейся при химических процессах окисления токсических веществ, за счет применения катализаторов (платины, палладия, родия).
Каталитические нейтрализаторы делят по следующим признакам: по типу — окислительные (для СО и СН), восстановительные (для NОx) и трехкомпонентные; назначению — главные и пусковые; исполнению — одно- и двухкамерные; материалу носителя — с керамическим или металлическим носителем; по типу катализатора — с благородными металлами и обычными материалами.
Чаще всего применяют трехкомпонентные нейтрализаторы, которые нейтрализуют все три токсина (СО, СН и NOx). Эти нейтрализаторы наиболее эффективно работают с l-зондами (или датчика концентрации кислорода), однако и без них способны снизить выбросы токсинов на 50 %. l-зонд или датчик концентрации кислорода — это прибор, позволяющий определить в отработавших газах количество свободного кислорода. Датчик концентрации кислорода 11 (рис. 2) обеспечивает передачу на электронный блок управления (ЭБУ) информации для оптимизации состава топливовоздушной смеси, обеспечивающей наиболее благоприятные условия для эффективной работы нейтрализатора и соответственно для обеспечения минимальной токсичности выхлопных газов. По полученным данным электронный микропроцессор определяет коэффициент избытка воздуха α.
Эффективная работа каталитического нейтрализатора соответствует очень узкому диапазону значений α = 0,98...1 (рис. 6, а). Эту эффективность можно оценить по степени преобразования компонентов:
К = (С1 – С2)/С1
где С1 и С2 — концентрации компонента на входе в нейтрализатор и выходе из него.
При отклонении состава смеси от указанной зоны эффективность действия нейтрализатора резко падает. Чтобы обеспечить такой узкий диапазон состава смеси, устанавливают l-датчик, по сигналам которого микропроцессор обеспечивает нужную подачу топлива форсунками. Сам l-датчик также настроен на очень узкую зону состава смеси (рис. 6, б). Микропроцессор совместно с l-датчиком поддерживает состав смеси α = 1 с точностью ±1 %.
Рис. 6.6. Характеристики эффективности нейтрализатора (а) и l-датчика (б):
U— выходное напряжение l-датчика
Устройство каталитического нейтрализатора. Каталитический нейтрализатор представляет собой блок сотовой структуры с напыленными катализаторами: два окислительных катализатора (платина и палладий) способствуют преобразованию углеводородов (СН) в водяной пар (Н2О), а окиси углерода (СО) — в двуокись (СО2), а восстановительный катализатор (радий) способствует преобразованию токсичных окислов азота (NO x) в безвредный азот (N2).
Рис. 5. Каталитический трехкомпонентный нейтрализатор отработавших газов:
1 – датчик концентрации кислорода (l-зонд); 2 – цилиндр; 3 – терморасширительная прокладка; 4 – катализатор; 5 – керамический носитель; 6 – металлический корпус
В металлическом корпусе его находится носитель, покрытый активным каталитическим слоем. Носитель может быть насыпной и монолитный керамический или металлический. Чаще всего применяют монолитные нейтрализаторы из термостойкой керамики. В их корпусе выполнены каналы квадратного сечения. В разных конструкциях на 1см2 приходится 31, 46, 62, 93 канала. Поверхности каналов покрыты тонкой пленкой катализатора — платиной, палладием, родием. Соотношение платины и родия 5:1. На один нейтрализатор требуется 1,5...3 г благородных металлов. Платина способствует окислительным процессам (переводу СО в СО2), родий — восстановлению азота из его оксидов. Слоем благородных металлов покрывают предварительно нанесенный на керамику слой из оксида алюминия, который увеличивает эффективную поверхность катализатора и стимулирует ускорение реакций.
Чтобы повысить сопротивление керамики ударным нагрузкам, а также компенсировать больше, чем у керамики, термическое расширение, между корпусом и перегородками помещают набивку из высоколегированной проволоки.
Нормальная работа нейтрализаторов происходит при температуре 250 °С, т. е. после длительного прогрева двигателя. Наиболее эффективно они работают при 400...800 °С. При более высокой температуре происходит спекание промежуточного слоя с катализатором.
Разработаны нейтрализаторы с носителем из жаропрочных аустенитных сталей, легированных хромом, алюминием, цирконием и кальцием. Фольга из этой стали толщиной 0,04...0,05 мм свернута в рулон, который припаян к металлическому корпусу. Эти нейтрализаторы имеют следующие преимущества: быстрый прогрев до рабочей температуры, статическую и динамическую прочность, термическую стойкость, малое гидравлическое сопротивление.
Чтобы обеспечить эффективную работу нейтрализатора, нужно выполнить следующие условия: поддерживать в необходимых пределах коэффициент избытка воздуха, работать в определенном диапазоне температур отработавших газов, не превышать заданного соотношения объема отработавших газов и объема нейтрализатора. При нарушении состава смеси, например при выходе из строя одной из свечей зажигания, в нейтрализатор пойдет обогащенная смесь, которая будет гореть в нем. Это может привести к выходу нейтрализатора из строя.
Д.З.
1. Шестопалов С.К. Устройство, техническое обслуживание и ремонт легковых автомобилей.
Стр. 103.
2. Богатырев А.В. и др. Автомобили. Стр. 85.
