В соответствии с требованиями законодатель­ства система выпуска отработавших газов снижает содержание загрязняющих веществ в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания. Система выпуска отработавших га­зов также служит для снижения уровня шума и выпуска отработавших газов в удобном ме­сте автомобиля. При этом потери мощности двигателя должны быть сведены к минимуму. Вот о том, из каких компонентов состоит система выпуска отработавших газов автомобиля, мы и поговорим в этой статье.

 

 

 

Компоненты системы выпуска отработавших газов

 

Система выпуска отработавших газов состоит из выпускного коллектора, компонентов для очистки отработавших газов, шумопоглощаю­щих компонентов и различных соединителей этих компонентов.

Конструкция и компоновка этих компонен­тов на легковых и коммерческих автомобилях значительно различаются. В системах выпуска отработавших газов легковых автомобилей отдельные компоненты соединятся трубами, и вся система устанавливается под днищем ав­томобиля (см. рис. «Система выпуска отработавших газов» ). В зависимости от рабо­чего объема двигателя и типа используемого глушителя система выпуска отработавших га­зов легкового автомобиля имеет массу от 8 до 40 кг. Поскольку компоненты системы изнутри подвергаются коррозионному воздействию горячих газов и конденсата, а снаружи — влаги и соленой воды, они в основном изготавлива­ются из высоколегированных сталей.

 

 

Нормы Евро-4 требуют установки компо­нентов для очистки отработавших газов также и на коммерческих автомобилях. Обычно эти компоненты объединены в большую систему и крепятся к раме. Отдельные компоненты описаны ниже на примере системы выпуска отработавших газов легкового автомобиля. Особенности систем выпуска отработавших газов коммерческих автомобилей будут рас­смотрены в конце этого раздела.

 

Очистка отработавших газов автомобиля

 

Компоненты, предназначенные для очистки отработавших газов, включают каталитиче­ский нейтрализатор, необходимый для разло­жения газообразных загрязняющих веществ, входящих в состав отработавших газов, и фильтр (или сажевый фильтр), предназначен­ный для фильтрации мелких твердых частиц (в особенности для дизельных двигателей).

Каталитические нейтрализаторы устанавли­ваются в системе выпуска отработавших га­зов как можно ближе к двигателю, чтобы они могли как можно быстрее достичь своей ра­бочей температуры и, следовательно, эффек­тивно работать в условиях городского дви­жения. Решающим фактором здесь является температура каталитического нейтрализатора, которая для трехкомпонентных нейтрали­заторов составляет приблизительно 250 °С. Сажевые фильтры также устанавливаются в передней части систем выпуска отработавших газов, чтобы обеспечить более эффективное сжигание задержанных ими частиц сажи при более высоких температурах отработавших газов. Покрытия некоторых каталитических нейтрализаторов, например, нейтрализаторов аккумуляторного типа, предназначенных для нейтрализации оксидов азота (NO_x ) крайне чувствительны к температуре и поэтому уста­навливаются в области днища автомобиля.

Для двигателей с искровым зажиганием в основном применяются трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы. Дополни­тельные каталитические нейтрализаторы для нейтрализации NO_x устанавливаются только на двигателях с искровым зажиганием с систе­мой прямого впрыска топлива, работающих на бедной смеси. Для дизельных двигателей требуются окислительный каталитический нейтрализатор и сажевый фильтр. Для сни­жения содержания NO_x в отработавших газах требуется дополнительный аккумуляторный каталитический нейтрализатор типа SCR.

Для обеспечения максимально возможного преобразования выбросов в каталитическом нейтрализаторе или эффективной работы са­жевого фильтра необходимо оптимизировать поток отработавших газов, поступающих к этим компонентам. Это обычно достигается за счет специальной формы впускной воронки. Для дальнейшей оптимизации распределения требуются такие дополнительные компоненты, как завихряющие или смесительные эле­менты. Для систем SCR (селективное катали­тическое восстановление), в которых в систему выпуска отработавших газов впрыскивается реагент-восстановитель (добавка Adblue), тре­буется смеситель для обеспечения равномер­ного распределения газообразного NH₃ перед каталитическим нейтрализатором (см. рис. «Распыление и испарение реагента восстановителя в системе SCR» ).

 

Шумопоглощение в системе выпуска автомобиля

 

Основной причиной генерации шума являются пульсации газов в двигателе внутреннего сго­рания, т.е. вибрации газов, генерируемых в процессе сгорания топлива, и отработавших газов, вытесняемых через выпускные клапаны во время такта выпуска каждого рабочего цикла двигателя. Уровень этого вибрационного шума в некоторой степени снижается каталитическим нейтрализатором и сажевым фильтром. Однако этого оказывается недостаточно для того, чтобы Уровень шума не превышал значений, предпи­санных соответствующими нормами. По этой причине в средней или задней секции системы выпуска отработавших газов устанавливаются специальные глушители. В зависимости от количества цилиндров и мощности двигателя, в системе устанавливаются один, два или три глушителя. На автомобилях с V-образными дви­гателями левый и правый блоки цилиндров часто оборудуются отдельными каталитическими нейтрализаторами и глушителями.

Пределы уровня шума для автомобиля в Делом устанавливаются законодательством. Шум, производимый системой выпуска отрабо­тавших газов, составляет значительную часть общего уровня шума автомобиля. Это вызывает необходимость уделить особое внимание раз­работке эффективных глушителей. Хотя основ­ной целью является снижение уровня шума до допустимых пределов, дополнительной целью может быть создание специфичного для дан­ного автомобиля «брендового» звука.

Выпускной коллектор

 

Важным компонентом системы выпуска отра­ботавших газов является выпускной коллектор (см. рис. «Выпускной коллектор с каталитическим нейтрализатором» ) Он служит для вывода отработав­ших газов по выпускным каналам цилиндров в систему выпуска отработавших газов. Геометрическая форма и размеры выпускного кол­лектора (т.е. длина и сечения отдельных труб) оказывает влияние на рабочие характеристики двигателя, акустические характеристики си­стемы выпуска отработавших газов и темпера­туру отработавших газов. В некоторых случаях выпускной коллектор даже имеет дополнитель­ную теплоизоляцию для быстрого повышения температуры отработавших газов до рабочего уровня температуры каталитического нейтра­лизатора.

 

Каталитический нейтрализатор отработавших газов в системе выпуска

 

Каталитический нейтрализатор состоит из впускной воронки, выпускной воронки и моно­лита (см. рис. «Каталитический нейтрализатор с керамическим монолитом» ). Монолит содержит большое количество очень тонких, параллельных кана­лов, покрытых активным катализатором. Плот­ность каналов составляет от 60 до 190 ячеек на кв. см. Принцип действия активного каталити­ческого слоя описан ниже (см. «Каталитиче­ская очистка отработавших газов»).

 

 

Монолит может представлять собой ме­таллический или керамический материал.

Металлический монолитный блок

 

Металлический монолитный блок изготав­ливается из гофрированной металлической фольги толщиной 0,05 мм, намотка и пайка которой твердым припоем осуществляется при высокой температуре. Благодаря очень тонким стенкам между каналами, металлический монолитный блок оказывает отработавшим газам чрезвычайно низкое сопротивление. Это свойство часто используется на автомобилях с двигателями большой мощности. Металли­ческий монолитный блок может быть приварен непосредственно к воронкам.

 

Керамический монолитный блок

 

Керамический монолитный блок изготовлен на основе кордиерита. В зависимости от плотности ячеек, толщина стенок между ка­налами составляет от 0,05 мм (при плотности 190 ячеек/кв. см) до 0,16 мм (при плотности 60 ячеек/кв. см).

Керамические монолитные блоки обладают чрезвычайно высокой стойкостью к высоким температурам и тепловым ударам. Однако они не могут устанавливаться непосредственно в металлическом корпусе и требуют специаль­ных креплений. Эти крепления необходимы для компенсации различных коэффициентов температурного расширения стали и керамики, и защиты чувствительного монолитного блока от ударов. В процессе производства требу­ются чрезвычайная осторожность и внимание, в особенности в отношении тонкостенных монолитных блоков (<0,08 мм). Монолитный блок устанавливается на мате, находящемся между металлическим кожухом и монолитным блоком. Монтажный мат изготавливается из керамического волокна. Он обладает высокой эластичностью, что необходимо для сведения к минимуму механических нагрузок на моно­литный блок. Монтажный мат также служит в качестве теплоизолятора.

Один каталитический нейтрализатор может содержать несколько монолитных блоков с различными покрытиями. Для обеспечения равномерного прохождения отработавших газов через монолитный блок особое внима­ние следует уделить форме впускной воронки Внешняя форма керамического монолитного

блока зависит от пространства под кузовом автомобиля и может быть треугольной, оваль­ной или круглой.

Сажевый фильтр

 

Так же как монолиты каталитических нейтрали­заторов, сажевые фильтры могут быть метал­лическими и керамическими. Методы установки и крепления фильтра в металлическом корпусе аналогичны методам, применяемым в отноше­нии монолита каталитического нейтрализатора.

Так же как монолит каталитического ней­трализатора, керамический сажевый фильтр состоит из большого количества параллель­ных каналов. Однако, в этом случае эти ка­налы попеременно перекрыты (см. рис. «Керамический сажевый фильтр» ). Поэтому отработавшие газы вынуждены про­ходить через пористые стенки сотовой струк­туры. Сажевые частицы при этом осаждаются в порах стенок. В зависимости от пористости керамического тела эффективность филь­трации этих фильтров может достигать 97%.

Отложения сажи в сажевом фильтре вы­зывают постепенное увеличение сопротивле­ния потоку. По этой причине сажевый фильтр необходимо периодически регенерировать с использованием двух различных процессов. Детали этих процедур описаны ниже (см. «Очистка отработавших газов», системы управления дизельными двигателями).

Пассивный процесс в сажевом фильтре

 

В пассивном процессе сажа сжигается в ходе каталитической реакции. Для обеспечения этого процесса служит добавка к дизельному топливу, которая снижает температуру вос­пламенения частиц сажи до обычной темпе­ратуры отработавших газов.

Другие варианты пассивной обработки включают сажевые фильтры с каталитическим покрытием или процесс CRT (непре­рывная регенерация).

 

Активный процесс в сажевом фильтре

 

О ходе активного процесса осуществляется внешний нагрев фильтра до температур, не­обходимых для выжигания сажи. Этот нагрев может осуществляться при помощи горелки, Установленной перед фильтром, или посредством дополнительного впрыска топлива, Инициируемого системой управления двигателем, и использования предварительного каталитического нейтрализатора.

 

Глушители системы выпуска отработавших газов

 

Глушители предназначены для сглаживания пульсаций в потоке отработавших газов и мак­симально возможного снижения шума на выпу­ске. В глушителях применяются в основном два физических эффекта — резонанс и звукопогло­щение. Глушители различаются в зависимости от используемого эффекта. Однако, в основном в глушителях используется сочетание эффек­тов отражения и поглощения звука (см. рис. «Принцип действия глушителей» ).

Так как глушители вместе с выхлопными трубами образуют звуковой генератор с соб­ственной резонансной частотой, их расположе­ние влияет на уровни шумопоглощения. Же­лательно располагать выпускную систему под днищем кузова как можно дальше от кузова, чтобы частота собственных колебаний системы не приводила к резонансным колебаниям в кузове автомобиля. Для максимального сни­жения звуковых колебаний в кузове и тепло­изоляции днища кузова от выпускной системы глушители часто изготавливают с двойными стенками и теплоизолирующим покрытием.

Глушитель резонансного типа состоит из ряда камер различной длины, соединенных друг с другом трубами (см. рис. а, «Принцип действия глушителей» и «Глушитель с встроенным каталитическим нейтрализатором» ). Трубы и перегородки сделаны перфориро­ванными, что позволяет отработавшим газам проходить через них. Разность сечений труб и камер, отклонение отработавших газов и резонаторы, образуемые соединительными трубами и камерами, вызывают наложение звуковых волн и их частичное ослабление.

Таким образом, может быть достигнуто эф­фективное снижение уровня шума, особенно в диапазоне средних и низких частот. Чем больше в глушителе камер, тем эффективнее процесс глушения шума.

 

Глушители поглотительного типа

 

Глушители поглотительного типа имеют одну камеру, через которую проходит перфориро­ванная труба (см. рис. Ь, «Принцип действия глушителей» ). Камера заполнена звукопоглощающим материалом (базальт или стекловолокно). Звуковые колебания через отверстия в перфорированной трубе взаимодействуют со звукопоглощающим ма­териалом и преобразуются в теплоту.

Звукопоглощающий материал обычно состоит из минераль­ной ваты с длинным волокном и с объемной плотностью от 100 до 150 г/л. Степень глушения шума зависит от плотности, звукопоглощающих свойств ма­териала, а также длины и толщины стенки камеры. Глушение происходит в широком диапазоне звуковых частот.

Выдувание звукопоглощающего мате­риала наружу отработавшими газами пре­дотвращается за счет правильного выбора формы перфораций и благодаря тому, что труба проходит через минеральную вату. Иногда минеральная вата бывает защищена слоем стальной ваты из нержавеющей стали вокруг перфорированной трубы.

Поскольку отработавшие газы в глушителе поглотительного типа в основном проходят по прямой трубе, перепад давления на нем значительно ниже, чем на глушителе резо­нансного типа.

 

Конструкция глушителя

 

В зависимости от наличия свободного про­странства под кузовом автомобиля, глуши­тели имеют спирально намотанную оболочку или собираются из полуоболочек.

При изготовлении спирально намотанной оболочки одна или несколько заготовок из листового металла оборачиваются вокруг круглой оправки и соединяются продольными фальцами или посредством лазерной сварки. Затем в оболочку устанавливается полностью собранная и сваренная сердцевина. Она со­стоит из внутренних трубок, отражателей и промежуточных слоев. Затем наружные слои соединяются с оболочкой посредством фаль­цовки или лазерной сварки.

Часто глушитель со спирально намотанной оболочкой оказывается невозможно раз­местить в предусмотренном для него месте ввиду сложной формы доступного простран­ства в днище автомобиля. В таких случаях используются составные глушители, состоя­щие из двух полуоболочек, изготовленных методом глубокой вытяжки. Такие глушители могут принимать практически любую требуе­мую форму.

Общий объем глушителей системы вы­пуска отработавших газов легкового авто­мобиля равен приблизительно от восьми до двенадцати рабочих объемов двигателя.

 

Соединительные элементы системы выпуска

 

Для соединения каталитического нейтрали­затора и глушителей используются трубы. На автомобилях с двигателями очень низкой мощности могут использоваться конструкции, в которых каталитический нейтрализатор и глушитель встроены в один общий корпус.

Трубы, каталитический нейтрализатор и глушители соединяются посредством втулок и фланцев. Многие системы являются полностью сварными, что позволяет ускорить их установку.

Вся система выпуска отработавших газов крепится к днищу автомобиля при помощи эластичной подвески (см. рис. «Подвеска глушителя» ). Так как ви­брации от выпускных труб, вызываемые выпу­ском отработавших газов, могут передаваться на кузов и повышать шумность в салоне, то места крепления системы выпуска должны тщательно выбираться. Неправильно выбран­ные точки крепления могут создать проблемы с прочностью и, следовательно, долговечностью системы. В некоторых случаях эти проблемы могут быть решены при помощи амортизаторов вибраций. Колебания этих компонентов нахо­дятся в противофазе с колебаниями компо­нентов системы выпуска отработавших газов, эффективно поглощая их вибрацию.

Акустические колебания, генерируемые си­стемой выпуска отработавших газов в точке выпуска газов наружу (задняя выхлопная труба), а также в области глушителей, могут вызывать резонанс кузова. В зависимости от интенсивности вибрации двигателя, могут ис­пользоваться разделительные элементы (см. рис. «Разделительный элемент» ), служащие для изоляции системы выпу­ска отработавших газов от двигателя и снятия напряжений с компонентов системы выпуска отработавших газов. Разделительный элемент включает гильзу, состоящую из отрезков труб, один из которых может перемещаться внутри другого. Поверх гильзы устанавливается гоф­рированная труба, также называемая чехлом. Гильза служит для защиты чехла и ограничения линейного растяжения. Гофрированная труба выполняет функции разделения/изоляции за счет своей упругой структуры. Гофрированная труба защищена от внешних воздействий при помощи оболочки из проволочной сетки.

Таким образом, система выпуска отрабо­тавших газов с одной стороны должна быть достаточно жесткой, чтобы выдерживать вибрацию, а с другой стороны обладать до­статочной гибкостью, чтобы в максимальной степени исключить передачу усилий на кузов.

 

Устройства, задающие акустические параметры глушителей

 

Используются для снижения отдельных спек­тральных составляющих нежелательных ча­стот в шуме выпуска. Эти компоненты могут быть использованы для эффективного осла­бления звука в тех или иных диапазонах частот.

 

Резонатор Гельмгольца

 

Резонатор Гельмгольца состоит из трубы, расположенной вдоль направления движе­ния отработавших газов и определенного присоединенного к ней объема (см. рис. «Резонатор Гельмгольца» ). Объем газа действует в качестве пружины, в то время как газ, находящийся в трубной секции, действует в качестве массы. При резонансной частоте такая система массы и пружины обеспечивает очень высокую сте­пень ослабления звука в узкой полосе частот. Резонансная частота/зависит от величины объема V, а также от длины L и площади по­перечного сечения А трубы:

f = c/2π √(A/L·V)

где:

с — скорость звука

 

 

Резонаторы λ/4

 

Резонатор λ/4 включает закрытую с одной стороны трубу, ответвляющуюся от системы выпуска отработавших газов. Резонансная частота f такого резонатора зависит от длины отвода L и определяется как:

f = c/4L

Эти резонаторы также обеспечивают высо­кую степень ослабления звука в узкой полосе частот вокруг их резонансной частоты.

 

Заслонки отработавших газов

 

Заслонки отработавших газов чаще всего устанавливаются в задних глушителях. В за­висимости от частоты вращения коленчатого вала или интенсивности потока отработав­ших газов заслонка открывает или пере­крывает перепускную трубу глушителя или вторую выхлопную трубу (см. рис. «Заслонка отработавших газов, управляемая наружным разряжением» ). В ре­зультате уровень шума отработавших газов при низких частотах вращения коленчатого вала может быть значительно снижен без по­терь мощности при высоких оборотах.

Заслонки могут быть саморегулирующи­мися в зависимости от давления и скорости отработавших газов или иметь внешнее управление. В последнем случае необходимо обеспечить интерфейс с системой управле­ния двигателем. Это делает систему более сложной, но в то же время расширяет область ее применения.

 

 

Системы выпуска отработавших газов коммерческих автомобилей

 

В системах выпуска отработавших газов ком­мерческих автомобилей большинство опи­санных выше компонентов встроено в корпус, который крепится к раме автомобиля. Количе­ство каталитических нейтрализаторов и саже­вых фильтров зависит от того, в соответствии с какими нормами законодательства разрабо­тана система выпуска отработавших газов.

 

Система выпуска отработавших газов, отве­чающая требованиям Евро-4 и Евро-5

 

Вообще говоря, сажевый фильтр для систем, отве­чающих требованиям Евро-4 и Евро-5 не требуется. В таких системах используются только окисли­тельные каталитические нейтрализаторы и нейтра­лизаторы типа SCR. В качестве альтернативного решения дизельный двигатель может быть отрегу­лирован таким образом, чтобы содержание необра­ботанных NO_x в отработавших газах не превышало предельных значений, предусмотренных нормами Евро-4 и Евро-5. Однако в этом случае требуется наличие в системе выпуска отработавших газов са­жевого фильтра. На рис. «Система выпуска отработавших газов, отве­чающая требованиям Евро-4 и Евро-5» показана система выпу­ска отработавших газов, отвечающая требованиям норм Евро-4, с каталитическими нейтрализаторами типа SCR. В отличие от систем выпуска отрабо­тавших газов легковых автомобилей, здесь часто используются несколько каталитических нейтрали­заторов, установленных параллельно, с тем чтобы обеспечить требуемую площадь поверхности ката­лизатора в доступном пространстве. Для маршрути­зации отработавших газов и глушения шума служат перепускные трубы и отверстия. В зависимости от размера двигателя такие системы имеют объем от 150 до 200 л и массу порядка 150 кг.

 

Система выпуска отработавших газов, отве­чающая требованиям норм Евро-6 и ЕРА10

 

Для системы выпуска отработавших газов, отвечаю­щей требованиям последних норм (Евро-6 в Европе и ЕРА 10 в США) требуется наличие всех компонен­тов, т.е. окислительных каталитических нейтрали­заторов, сажевых фильтров и каталитических ней­трализаторов типа SCR (см. рис. «Система выпуска отработавших газов, отве­чающая требованиям норм Евро-6 и ЕРА10» ). Поэтому такие системы имеют еще больший объем и вес.

В настоящее время используются две концеп­ции. Либо все компоненты размещаются в одном корпусе, либо каталитические нейтрализаторы и сажевые фильтры размещаются в двух различных корпусах. Для обеспечения требуемой очистки отработавших газов используются следующие дополнительные компоненты. Для обеспечения функции SCR (селективное каталитическое вос­становление) требуется система дозирования мо­чевины, сопло (форсунка) которой должно быть расположено в удобном месте системы выпуска отработавших газов. Кроме того, для обеспечения надежной регенерации сажевых фильтров часто требуется наличие дозирующего устройства для впрыска в систему топлива. В обоих случаях рас­положение этих устройств должно быть выбрано таким образом, чтобы было обеспечено равномер­ное распределение и испарение жидкой мочевины и топлива. При необходимости, для приготовления добавок используются те или иные мешалки (см. раздел «Очистка отработавших газов»).

В корпусах также необходимо разместить различные датчики. В дополнение к датчикам давления для контроля нагрузки на фильтр, для контроля процесса преобразования NO_x требу­ются датчики температуры и концентрации NO_x. Для обеспечения надлежащего качества сигна­лов при любых условиях работы расположение датчиков в системе выпуска отработавших газов должно быть оптимизировано в зависимости от конструкции системы.

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ: