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;
- Трубчатые.
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.
