На первый взгляд может показаться, что устройство отвода выхлопных газов автомобилей должно быть простой трубой, которая выбрасывает газы в атмосферу, но на практике эта концепция далека от реальности, и на самом деле эта система https://pogazam.ru/news/auto_news/2021/1/33654/ очень важна и имеет свои особенности, которые мы рассмотрим ниже.
Выхлопную систему можно разделить на две части:
1. — те, которые соответствуют двигателю.
2. — те, которые соответствуют выхлопной трубе, которая приводит газы в окружающую среду.
На рисунке 1 показана блок-схема выхлопной системы. В нем можно отметить, что составляющие его стороны являются следующими:
1. — выпускные клапаны.
2. — выхлопной коллектор.
3.- Датчики кислорода.
4. — каталитический нейтрализатор.
5.- Глушитель.
6. — резонатор.
7. — хвостовая труба или выход.
8. — участки воздуховода, которые соединяют части.
Следует отметить, что очень горячие газы (до 700ºC), выходящие из двигателя, сходятся в выхлопном коллекторе и направляются по трубам к различным устройствам, составляющим систему, пока не попадают в атмосферу через хвостовую трубу. Обратите внимание, что температура газов снижается по мере их перемещения по системе, но всегда будет стремиться к тому, чтобы они выходили в атмосферу даже при температуре более 100ºC.
Выпускные клапаны
Они являются составной частью двигателя, но поскольку они в то же время являются частью выхлопной системы, мы будем относиться к ним здесь.
Эти клапаны имеют очень тяжелую работу, движутся с высокой скоростью, когда двигатель вращается быстро, несет ответственность за герметичное закрытие выхода камеры сгорания и находятся в середине прохода газов при температуре более 700ºC, когда двигатель работает с высокой нагрузкой и скоростью. Эти условия делают выпускные клапаны частью двигателя с высокими конструктивными и материальными требованиями.
С рабочей точки зрения клапаны открываются и закрываются тягой кулачка (рис.2), таким образом, открытие и закрытие не являются мгновенными и занимают некоторое время; время, в течение которого поддерживается движение поршня. Если ждать, пока поршень опустится, в конце хода силы при его движении поршень будет поднят на заметное расстояние при полном открытии выпускного клапана, во время этого подъема ему придется противостоять остаточному давлению, оставшемуся в цилиндре, удаче сжатия сгоревших газов, и это, очевидно, идет вразрез с эффективностью двигателя. С учетом этого выпускной клапан начинает открываться до того, как поршень достигнет нижней мертвой точки, и выхлопные газы, даже под давлением внутри цилиндра, начинают течь через отверстие, образовавшееся между головкой клапана и его седлом, отверстие, которое со временем растет. Буквально течет «огонь», окутывающий головку клапана. Позже, когда поршень начнет подниматься, он сможет» подметать » сгоревшие газы с гораздо меньшим сопротивлением, поскольку клапан уже будет открыт.
Конструктивно клапаны изготовлены из очень специальных сталей, которые способны в течение длительного времени противостоять эрозионному и коррозионному действию отходящих газов, а также высоким рабочим температурам, но даже в этом случае температура головки клапанов может достигать очень высоких значений и не переносится материалами, из которых они сделаны, если им не дать охлаждающий путь.
На рисунке 2 показана схема того, как установлен выпускной клапан, вы можете видеть, что головка находится на той же линии огня, особенно когда она открывается и раскаленные газы окружают ее. Единственная зона контакта головки клапана с «холодным» материалом — это тонкий край сиденья, где он закрывается, и этого, очевидно, недостаточно для удаления тепла, поступающего от клапана, поэтому происходит заметное повышение его температуры. На рисунке можно оценить эффективный путь где тепло может течь, чтобы охладить головку, то есть через шток, и от него, к холодным стенкам блока цилиндров в окружении охлаждающая жидкость. Но есть отягчающий фактор, и это материал клапана, он, чтобы выдержать чрезвычайно коррозионную среду, сильно окисляющие газы при очень высокой температуре строятся из прочных легированныхсталей , которые являются плохими проводниками тепла, что в некотором роде препятствует тепловому движению.
Чтобы сгладить эту ситуацию, во многих двигателях штоки клапанов полые, как видно на рисунке 3. внутренняя часть заполнена солью или натрием, эти материалы плавятся, когда температура головки клапана растет, и уже в жидком состоянии они создают конвективный ток, который переносит тепло намного быстрее, чем материал штока клапана, в зону, где он может рассеиваться, то есть в зону штока, окруженную металлической массой блока, которая, в свою очередь, находится в охлаждающей жидкости.
Выхлопной коллектор.
Эта часть представляет собой больше, чем просто набор воздуховодов, которые сходятся сгоревшие газы к одной трубе с соединительной тарелкой, где соединяется выхлопная труба. Первое, что должно соответствовать выхлопному коллектору, — это иметь достаточную коррозионную стойкость, чтобы быть долговечным при высоких рабочих температурах , что обычно достигается путем алюминирования, кремнирования, хромирования или объединения этих процессов на стальной трубе или с использованием чугуна легирование также должно препятствовать высокому охлаждению горячих газов, поэтому обычно они имеют толстые металлические стенки. Позже, когда мы обрабатываем части выхлопной трубы, мы увидим, почему важно сохранить температуру сгоревшей смеси.
Форма и длина труб выхлопного коллектора могут играть заметную роль в содействии чистоте цилиндра, и его конструкция, в частности, связана с характеристиками двигателя.
При открытии клапана выхлопные газы внутри цилиндра еще находятся под высоким давлением, поэтому они расширяются в форме волны механических ударных в пространстве более широкого трубы, в которую впадают, этой механической волны необходимо путешествовать по трубам, составляющих выхлопную трубу свободно, если на пути волны расширения спотыкается на поверхность, например, локтевого сустава очень значительное, может отражаться на него (отражение) и сделать движение в обратном направлении, которое противостоит свободному прохождению остальных газов, поэтому цилиндр не будет очищен должным образом. Даже, если это так, возвратная волна может достичь открытого выпускного клапана, когда поршень находится почти в верхней мертвой точке и больше не выполняет тягу газов, в результате чего газы, сжигаемые этим клапаном, поступают в камеру сгорания. Не нужно объяснять, что это очень вредно для эффективности двигателя.
Обратите внимание на выхлопной коллектор, изготовленный сваркой четырехцилиндрового двигателя, показанный на рисунке 4, в нем должны быть выделены следующие характеристики:
1. — все соединительные сопла с цилиндрами установлены в общей части, что позволяет через болты надежно и плотно прилегать к двигателю.
2. — все локти труб имеют удлиненную кривизну, чтобы облегчить поток волн давления без отскока.
3. — трубы сходятся от двух до двух в одном «и», пока не закончатся в выходной торцевой трубе.
4. — диаметры труб растут по мере их соединения, вторая секция после первой «и «имеет больший диаметр, чем трубы, входящие в» и», то же самое происходит во второй конвергенции. Это связано с тем, что более одного цилиндра может приносить объем потока в воздуховод, и поэтому требуется больше диаметра, чтобы уменьшить потери при растирании.
5. — Наконец, он заканчивается в блюдце с отверстиями для болтов, чтобы соединиться с выхлопной трубой.
Конвергенция в «и» используется, потому что она имеет преимущества по сравнению с другими формами, давайте посмотрим, что это за преимущества.
1. — происходит плавное и слабо выраженное изменение направления в траектории газов, что приводит к небольшим потерям при растирании и, кроме того, предотвращает возможность отскока волн давления.
2. — Высокая скорость газов, циркулирующих через «и» из одной из труб, может сделать всасывающую работу в режиме трубки Venturi в другом канале крутящего момента, что является дополнительным фактором очистки цилиндра второй трубы, если в это время происходит конец выхлопного хода соответствующего поршня. Обратите внимание на рисунке 4, что трубки, приводимые к «и», не всегда соответствуют соседним цилиндрам, сходятся те, в которых эффект всасывания может быть использован, то есть те, чьи поршни имеют соответствующие относительные положения для выполнения описанного выше.