Температура выхлопных газов бензинового двигателя в коллекторе

Устройство и принцип действия выпускной системы

Выпускная система двигателя состоит из следующих компонентов:


— Выпускной коллектор («штаны»); — Виброизолирующая муфта («сильфон», устанавливается не на всех двигателях); — (только с двигателя экологического класса «Euro-2» и выше); — Сажевый фильтр (только в дизельных двигателях); — Резонатор (пламегаситель или предварительный глушитель); — Основной глушитель; — Соединительные трубы между коллектором, нейтрализатором, резонатором и глушителем; — Выхлопная труба (часто — вместе с наконечником выхлопной трубы).

Также в выпускной системе современных автомобилей (обычно перед входом в каталитический нейтрализатор) устанавливается кислородный датчик (лямбда-зонд), с помощью которого система управления двигателем измеряет количество остаточного кислорода в выхлопных газах и корректирует состав топливно-воздушной смеси, приводя его к оптимуму для данного режима работы мотора.

Принцип работы выпускной системы сводится к следующему. Выхлопные газы при открытии выпускного клапана с силой вырываются в выпускной коллектор, где они выполняют полезную работу — благодаря образующимся стоячим волнам выравнивают давление при открытии клапана, и в целом улучшают режим работы двигателя. Потом выхлопные газы поступают сначала в каталитический нейтрализатор (он снижает концентрацию угарного газа, оксидов азота и несгоревших углеводородов), затем в резонатор, где происходит падение скорости выхлопных газов, гасятся пульсации и снижается шум. Из резонатора газы попадают в основной глушитель (именно здесь происходит основное подавление шума), а затем, уже ослабленные, в виде потока малой скорости выпускаются в атмосферу через выхлопную трубу.

При прохождении выхлопных газов через выпускную систему они теряют свою скорость, а интенсивность порождаемых ими звуковых волн снижается, что и приводит к понижению шумности.

  1. турбонагнетатель
  2. кислородный датчик перед нейтрализатором
  3. каталитический нейтрализатор
  4. кислородный датчик за нейтрализатором
  5. выпускная труба с виброизолирующей муфтой
  6. выпускная труба
  7. предварительный глушитель
  8. основной глушитель
  9. подвеска выпускной системы

Достоинства и недостатки дизельного мотора

Теперь же следует сказать пару слов обо всех плюсах и минусах подобных конструкций. Начнем с положительных сторон. Моторы данного типа работают практически на любом горючем, поэтому к качеству последнего не предъявляются какие-либо серьезные требования, более того, с увеличением его массы и содержания атомов углерода повышается и теплотворная способность движка, а, следовательно, и его эффективность. Его КПД иногда переваливает за отметку 50%.

Автомобили с такими моторами более «отзывчивые», а все благодаря высокому значению вращающего момента на низких оборотах. Поэтому такой агрегат приветствуется на моделях спортивных машин, где нельзя не газовать от души. Кстати, именно этот фактор поспособствовал широкому распространению данного типа мотора на большие грузовые авто. Да и количество СО в составе выхлопных газов дизельных моторов значительно ниже, чем у бензиновых, что также является несомненным преимуществом. Кроме того, они намного экономичнее, да и раньше топливо стоило значительно ниже бензина, хотя на сегодняшний день их цены практически сравнялись.

Что же насчет недостатков, так они носят следующий характер. В связи с тем, что во время рабочего процесса возникает огромная механическая напряженность, детали дизельного двигателя должны быть более мощными и качественными, а, значит, и более дорогостоящими. Кроме того, это сказывается и на развиваемой мощности, причем не с самой лучшей стороны. Экологическая сторона вопроса сегодня очень важна, поэтому ради снижения выброса выхлопных газов общество готово платить за более «чистые» моторы и развивают это направление в исследовательских лабораториях.

Еще одним значительным минусом является вероятность застывания топлива в холодное время года, так что если вы живете в регионе, где преобладают довольно низкие температуры, то дизельное авто не самый лучший вариант. Выше было сказано, что к качеству горючего не предъявляются серьезные требования, однако это касается только лишь масляных примесей, а вот с механическими ситуация обстоит намного серьезней. Детали агрегата очень чувствительны к подобным добавкам, кроме того, они быстро выходят из строя, а ремонт довольно сложный и дорогостоящий.

Выхлоп чёрного цвета

Черный дым

Чаще всего наблюдается у дизельных автомобилей и может означать повреждение форсунок, возникающее, как правило, из-за пониженного давления впрыска или утечек. Такой выхлоп должен особенно насторожить потенциального покупателя подержанного автомобиля, поскольку стоимость форсунок достаточно высока, и покупка такого автомобиля с самого начала потребует очень больших затрат.

Иногда чёрный цвет выхлопных газов обусловлен износом интеркулера. В таком случае машина не только дымит чёрным, но и настораживает громкой работой двигателя. Чёрный дым появляется и в случае неисправности турбокомпрессора, в котором дело уже дошло до износа или повреждения ротора турбины, компрессорного колеса или лопаток переменной геометрии: турбина не может накачивать необходимое количество воздуха в цилиндры.

Неисправность топливной системы


Под данной неисправностью подразумевается любое нарушение или отказ, вызывающие обеднение или обогащение топливо-воздушной смеси.

Количество воздуха (или кислорода), необходимое и достаточное для полного окисления топлива (в СО2 и Н2О), называется теоретически необходимым количеством воздуха (или кислорода). В среднем для сгорания 1 кг топлива необходимо 14,8 кг воздуха. В действительности эта величина сильно зависит от состава бензина (способа получения) и может колебаться от 13,8 до 15,2.

Количество воздуха, при котором происходит сгорание топлива, может отличаться от теоретически необходимого. В этом случае сгорание происходит с избытком или недостатком воздуха. Для оценки соотношения между топливом и воздухом используется коэффициент избытка воздуха альфа — отношение количества располагаемого для сгорания воздуха к теоретически необходимому.

При альфа  1,0 (избыток воздуха) смесь называется бедной. Многоцилиндровый двигатель может устойчиво работать в диапазоне альфа от 0,5 до 1,15.

Влияние коэффициента избытка воздуха на процесс сгорания и тепловое состояние двигателя даны на рис. 3 и 4.

У карбюраторных авиационных двигателей коэффициент избытка воздуха заключен в пределах 0,701,10. Чаще всего двигатели работают на богатой смеси с недостатком воздуха. Объясняется это тем, что двигатель развивает наибольшую мощность при богатой смеси 0,850,90. На взлетном режиме смесь обогащается до 0,750,80 для снижения рабочих температур головок цилиндров и выпускных клапанов. С уменьшением нагрузки (дросселированием) тепловое состояние двигателя становится менее напряженным, что дает возможность перейти на более бедные смеси. Работа на бедной смеси (1,051,10) сопровождается падением мощности (на 46%) и увеличением экономичности (на 1015%) по сравнению с работой на составе смеси, соответствующей максимальной мощности двигателя. У многоцилиндровых двигателей, обычно страдающих неравномерностью распределения топлива по цилиндрам, приходится устанавливать состав смеси по наиболее бедно работающим цилиндрам. В этом случае редко удается обеспечить устойчивую работу при значениях альфа > 1,05 (для всего двигателя). Работа на бедных смесях возможна только при дросселировании, при мощностях порядка 0,60,9 номинальной мощности. На режиме малого газа смесь необходимо обогатить до 0,650,70 для обеспечения устойчивой работы и улучшения приемистости. Для надежного запуска холодного двигателя требуется еще большее обогащение смеси до 0,450,55.

Оптимальный состав топливо-воздушной смеси на всех режимах работы двигателя должен обеспечивать карбюратор. Шесть систем карбюратора:

  • поплавковая камера,
  • пусковая система,
  • система холостого хода,
  • промежуточная система,
  • система частичной нагрузки,
  • система полной нагрузки

отвечают за приготовление топливовоздушной смеси на различных режимах работы двигателя (рис. 5).

Учитывая характеристику карбюратора можно сделать следующие выводы:

  1. Небольшое обогащение топливо-воздушной смеси сопровождается уменьшением температуры головки цилиндра и выхлопных газов.
  2. Небольшое обеднение топливо-воздушной смеси сопровождается значительным ростом температуры головки цилиндра и выхлопных газов. Наиболее опасно обеднение смеси на режимах 45005000 об/мин и 60006800 об/мин.
  3. Сильное обеднение или обогащение смеси вызывает значительное падение температуры головки цилиндра и выхлопных газов. Т.к. падает скорость сгорания, максимум давления достигается в более поздний момент, что вызывает жесткую работу двигателя.
  4. Сильное обеднение смеси (уменьшение подачи топлива) вызывает снижение мощности, происходит самопроизвольное падение оборотов, как правило до 4500 об/мин (наименьший удельный расход топлива).
  5. Сильное обеднение или обогащение смеси в одном из цилиндров сопровождается повышенными вибрациями, падением температур данного цилиндра, пропусками зажигания и полным отключением цилиндра.

Основные причины обогащения смеси:

  • загрязнения воздушного фильтра,
  • нарушение регулировки карбюратора (одной или нескольких систем),
  • повышенное давление топлива,
  • «тяжелый» воздушный винт.

Основные причины обеднения смеси:

  • подсос воздуха в топливную систему или впускной патрубок,
  • нарушение регулировки карбюратора (одной или нескольких систем),
  • снижение производительности насоса,
  • засорение элементов топливной системы,
  • неправильная установка крейсерского режима (при движении РУД от высоких оборотов к низким) (Рис. 6).
  • «легкий» воздушный винт.

I. Нормальное сгорание топливовоздушной смеси

Топливо-воздушная смесь сжимается во время хода поршня вверх и в определенный момент, называемый «моментом зажигания», воспламеняется электрической искрой. Существует также термин «опережение зажигания»  величина, измеряемая в градусах поворота коленвала (ПКВ) или в миллиметрах движения поршня и показывающая опережение момента зажигания времени достижения поршнем верхней мертвой точки (ВМТ).

На рис.1 представлена индикаторная диаграмма  зависимость давления в камере сгорания от угла ПКВ, дающая наглядное представление процесса сгорания.

Процесс сгорания начинается в конце такта сжатия, когда поршень, сжимая топливо-воздушную смесь, приближается к ВМТ. В момент зажигания (А) искровой разряд вызывает мгновенный (около 10-5с или одной сотой доли микросекунды) разогрев смеси до температуры более 1000°С в очень малом объеме между электродами свечи, приводящий к термическому разложению, ионизации молекул топлива и кислорода и воспламенению смеси. Возникает очаг горения, насыщенный продуктами сгорания, и поверхность раздела между ним и несгоревшей смесью (фронт пламени). Если объем очага достаточен для прогрева и воспламенения соприкасающихся с ним слоев смеси (это зависит, в основном, от мощности искрового разряда, температуры и давления смеси в конце такта сжатия), то процесс сгорания начинает распространяться по объему камеры сгорания от свечи в сторону еще не сгоревшей смеси со скоростью менее 1 м/с. Турбулентные потоки, возникающие при наполнении и сжатии смеси, искривляют и разрушают четкие границы фронта пламени: объемы горящих компонентов внедряются в негорящую смесь. Площадь поверхности фронта резко возрастает, а вместе с ней повышается и скорость распространения фронта  до 50-80 м/с.(точка (В) на индикаторной диаграмме).

Ускоряющееся движение фронта вызывает все более быстрое воспламенение и сгорание новых порций смеси. В результате температура и давление в камере сгорания резко увеличиваются. Точка С, соответствующая максимуму давления (56 МПа), примерно совпадает с моментом достижения фронтом пламени стенок цилиндра. Уменьшение количества смеси и теплоотвод от газов в стенки цилиндра приводят к падению скорости сгорания. Температура продуктов сгорания, достигнув максимума (более 2000°С) несколько позже, чем давление, начинает падать вместе с началом движения поршня вниз. Процесс сгорания, занявший З0  400 ПКВ, закончился. Начинается процесс расширения  такт рабочего хода.


Нормальный процесс сгорания характеризуется следующими параметрами:

  • скорость распространения пламени  50-80 м/с.
  • величина и момент максимального давления  5-6 МПа, 12150 после ВМТ
  • величина и момент максимальной температуры  2100-2300°С, 25300 после ВМТ.

На указанные параметры существенное влияние оказывают многие факторы:

  1. Конструкция и размеры камеры сгорания;
  2. Степень сжатия;
  3. Количество остаточных газов;
  4. Опережение зажигания;
  5. Мощность искры;
  6. Скорость вращения коленвала;
  7. Температура стенок камеры сгорания;
  8. Температура топливовоздушной смеси;
  9. Давление топливовоздушной смеси;
  10. Качество топливовоздушной смеси;
  11. Свойства топлива;
  12. Состояние двигателя.

Только часть из этих параметров эксплуатант может контролировать и еще меньшую часть обязан контролировать. При выполнении требований по установке, эксплуатации и обслуживания двигателя все параметры будут в норме, и производитель гарантирует нормальный процесс сгорания, т.е. нормальную работу двигателя.

Это в идеале, а в реальных условиях эксплуатации получить аномальный процесс сгорания не сложно, учитывая особенности национального воздухоплавания и бензиноварения.

Возникает необходимость контролировать сам процесс сгорания. Самый доступный способ  контроль температур: головки цилиндра (ТГЦ) и выхлопных газов (ТВГ).

ТГЦ  комплексный параметр. На величину ТГЦ оказывает влияние температура сгорания и эффективность система охлаждения. Инерционность параметра зависит от теплопроводности материала головки.

ТВГ  параметр, косвенно характеризующий процесс сгорания топлива. Измерение практически безинерционно. Существенным недостатком данного параметра является неоднозначность и сложность анализа. Для полноценного использования указателя ТВГ как оперативного и диагностического средства контроля необходимо, как минимум, знать нормальные значения ТВГ и влияние на них различных изменений в условиях эксплуатации и отклонений в процессе сгорания. На рис 2. Представлен типовой график зависимости ТВГ от частоты вращения коленвала.

Установка термоленты

Есть две технологии установки термоленты — мокрая и сухая. Мокрая установка предполагает предварительной вымачивание ленты в воде для того чтобы она при нагревании и высыхании более плотно уселась на коллекторе. Обматывается труба лентой с напуском в 10-15 мм в один слой, а края ленты скрепляются хомутами. Поверхность коллектора должна быть обработана термостойкой краской перед тем как обмотать коллектор лентой. После установки ленты также рекомендуется задуть ее термокраской. Следует помнить о том, что термолента — это расходный одноразовый материал и вторичному использованию она не подлежит.

Особенной прибавки в мощности термолента сама по себе, безусловно, не даст, но самолюбие потешит. Поэтому в качестве визуального тюнинга выхлопного коллектора и с точки зрения техники безопасности, лента имеет право на жизнь под капотом. Тюнингуйтесь обертыванием внимательно и не перегревайте двигатель. Удачных и прямых дорог!

Cостав и температура отработавших газов

Рециркуляция отработавших газов

Часть отработавших газов направляется во впускную систему для уменьшения количества кислорода в свежем заряде с одновременным увеличением его теплоемкости. Оба этих фактора приводят к понижению температуры сгорания и, таким образом, снижению образования NO. Повышенное количество рециркулируемых газов вызывает более высокие выбросы сажи и оксида углерода из-за недостатка воздуха в смеси. Поэтому количество рециркулируемых отработавших газов должно быть ограничено.

Очистка отработавших газов

Выброс углеводородов может быть уменьшен при использовании в выпускной системе каталитических нейтрализаторов. В них часть газообразных углеводородов, включая и те, что соединяются с твердыми частицами (сажа), сгорают в присутствии кислорода, содержащегося в отработавших газах. Для снижения выбросов твердых частиц (сажи) в настоящее время используются специальные фильтры, устанавливаемые в выпускной системе автомобиля.

Все более ужесточающиеся нормы определяют снижение предельного содержания количества токсичных комонентов в отработавших газах. Эти выбросы могут быть замерены при заданных определенных условиях работы двигателя. >

Причины повышения показателя температуры

Существует несколько причин, из-за которых температура двигателя повышается:

  • Наиболее распространенной причиной повышения температуры мотора является неисправность клапана термостата. Его может заклинить в закрытом состоянии.
  • Сломан электрический вентилятор, предназначенный для искусственного охлаждения системы. Выйти из строя может сам моторчик, гидромуфта, нередко перегорает предохранитель. Стоит проверить проводку, возможно, где-то произошел обрыв, если все остальное исправно. Отказать может и датчик температуры, в этом случае его требуется заменить.
  • Стоит проверить радиатор: он периодически забивается разнообразным мусором.
  • В крышке расширительного бачка имеются клапана, они могут неправильно работать или забиться.
  • Пробой прокладки блока цилиндра или трещина на его корпусе
  • Кроме этого, помпа может начать протекать и вызывать повышение термальных условий.
  • Дополнительные механизмы могут иметь собственные ремни, при ослаблении натяжки которых возникают разнообразные проблемы.
  • Система охлаждения в исправном состоянии должна быть герметично, но при ее разгерметизации температура мотора может резко повышаться.

Многих интересует, какая рабочая температура двигателя должна быть минимально. В некоторых случаях мотор не перегревается, а, наоборот, не греется до рабочей температуры, это не так опасно, однако в этом случае не стоит ожидать от силового агрегата эффективной работы. Дело в том, что топливо не будет сгорать до конца, тяга станет слабой. Конденсат от топливной смеси попадет сначала на стенки цилиндров, затем в картер. Последнее приводит к разжижению масла и ухудшению его свойств. Из-за этого смазываться и очищаться детали изнутри будут хуже, что приведет к их повышенному износу. Больше всего страдает от этого ЦПГ, распредвал и вкладыши коленвала, могут выйти из строя и балансировочные валы.

Если игнорировать прогрев, в зимний период на внутренних поверхностях ЦПГ будет образовываться увеличенное количество конденсата, который будет попадать в масло. К тому же присадки, содержащиеся в смазочном материале, вступают в реакцию только при определенных температурах, поэтому при придвижении на небольшие расстояния на непрогретом автомобиле вы создаете для мотора повышенную нагрузку, так как автомасло почти не выполняет своих функций и не может эффективно смазывать детали.

Более густая смазка с трудом попадает в отдаленные места конструкции, для работы деталей мотора требуется прикладывать больше усилий, что приводит не только к повышенному износу частей, но и к повышению расхода топлива. Мощность тоже упадет, так как цилиндры не смогут нормально функционировать. Причины того, что двигатель не нагревается до рабочей температуры, могут быть следующими:

  • Клапан термостата заклинило, и он остался в открытом положении.
  • Частое совершение поездок на непрогретом моторе в холодное время.
  • Неисправен датчик температуры или термостат.

Учитывая все факторы, можно сделать вывод, что оптимальная температура двигателя играет огромную роль, так как только в этом случае агрегат может функционировать оптимально, без вреда для каких-либо узлов и потери мощности.

Факторы

В процессе сгорания дизеля основную роль играют следующие факторы:

  • Индуцированный заряд воздуха, его температура и его кинетическая энергия в нескольких измерениях.
  • Распыляемость впрыскиваемого топлива, проникновение брызг, температура и химические характеристики.

Хотя эти два фактора являются наиболее важными, существуют другие параметры, которые могут существенно повлиять на работу двигателя. Они играют вторичную, но важную роль в процессе сгорания. Например:

Конструкция впускного канала. Она оказывает сильное влияние на движение наддувочного воздуха (особенно в тот момент, когда он входит в цилиндр) и на скорость перемешивания в камере сгорания. От этого может меняться температура горения дизельного топлива в котле. Конструкция впускного отверстия также может влиять на температуру наддувочного воздуха. Это может быть достигнуто путем передачи тепла от водяной рубашки через площадь поверхности впускного отверстия. Размер впускного клапана. Контролирует общую массу воздуха, впускаемого в цилиндр за конечное время. Степень сжатия. Она влияет на испарение, скорость перемешивания и качество сгорания, независимо от температуры горения дизельного топлива в котле. Давление впрыска. Оно контролирует продолжительность впрыска для заданного параметра отверстия сопла. Геометрия распыления, которая непосредственно влияет на качество и температуру горения дизельного топлива и бензина за счет использования воздуха. Например, больший угол конуса разбрызгивания может поместить горючее сверху поршня и снаружи бака сгорания в дизельных двигателях DI с открытой камерой. Это условие может привести к чрезмерному «курению», так как горючее лишается доступа к воздуху. Широкие углы конуса могут также привести к разбрызгиванию топлива на стенках цилиндра, а не внутри камеры сгорания, где это требуется. Распыленное на стенку цилиндра, оно в конечном итоге будет перемещено вниз в масляный поддон, что сократит срок службы смазочного масла. Поскольку угол разбрызгивания является одной из переменных, влияющих на скорость перемешивания воздуха в топливной струе вблизи выходного отверстия инжектора, он может оказать существенное влияние на общий процесс сгорания. Конфигурация клапана, которая контролирует положение инжектора. Двухклапанные системы создают наклонное положение инжектора, что подразумевает неравномерное распыление. Это приводит к нарушению смешивания топлива и воздуха. С другой стороны, конструкции с четырьмя клапанами допускают вертикальную установку инжектора, симметричное расположение распыления топлива и равный доступ к доступному воздуху для каждого из распылителей. Положение верхнего поршневого кольца. Оно контролирует мертвое пространство между верхней площадкой поршня и гильзой цилиндра. Это мертвое пространство задерживает воздух, который сжимается и расширяется, даже не участвуя в процессе сгорания

Поэтому важно понимать, что система работы дизельного двигателя не ограничивается камерой сгорания, распылителями форсунок и их непосредственным окружением. Сгорание включает в себя любую часть или компонент, которые могут повлиять на конечный результат процесса

Потому ни у кого не должно быть сомнений по поводу того, горит ли дизельное топливо.

Сажа и частицы

Сажа — это чистый углерод и нежелательный продукт неполного сгорания углеводородов. Причиной образования сажи является недостаток кислорода при сгорании или преждевременное охлаждение сжигаемых газов. Частицы сажи часто связываются с несгоревшими остатками топлива и моторного масла, а также воды, продуктов износа деталей двигателя, сульфатов и пепла. Частицы сильно отличаются друг от друга по форме и размеру.

В таблице показана классификация и размеры частиц. Наиболее часто при работе двигателя образуются частицы диаметром около 100 нанометров (0,0000001 м или 0,1 мкм); такие частицы способны естественным путем попадать в легкие человека. При агглютинации (склеивании) частичек сажи друг с другом и другими компонентами масса, количество и распределение частиц в воздухе могут значительно меняться. Основные компоненты частиц представлены на рисунке.

Благодаря своей губчатой структуре частички сажи могут захватывать как органические, так и неорганические вещества, образующиеся при сгорании топлива в цилиндрах двигателя. В результате масса частичек сажи может возрасти в три раза. Это будут уже не отдельные частички углерода, а правильной формы агломераты, образующиеся вследствие молекулярного притяжения. Размер таких агломератов может достигать 1 мкм. Выбросы сажи и других частиц особенно активно происходят при сгорании дизельного топлива. Эти выбросы считаются канцерогенными. Опасные наночастицы представляют количественно большую долю частиц, но по массе составляют лишь небольшой процент. По этой причине предлагается ограничивать содержание частиц в ОГ не по массе, а по количеству и распределению. В перспективе предусмотрено дифференцирование между размером частиц и их распределением.

Выбросы частиц при работе бензиновых двигателей на два-три порядка ниже, чем при работе дизельных двигателей. Тем не менее, данные частицы обнаруживаются даже в выхлопе бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива. Поэтому есть предложения по ограничению предельного содержания частиц в отработавших газах автомобилей. Сублимация — непосредственный переход вещества из твердого состояния в газообразное, и наоборот. Сублиматом называют твердый осадок газа при его охлаждении.

Углеводороды (СН)

Углеводороды выбрасываются в атмосферу в виде несгоревшего топлива. Они оказывают раздражающее действие на слизистые оболочки и органы дыхания человека. Дальнейшая оптимизация рабочего процесса двигателя возможна лишь путем совершенствования производственных технологий и углубления знаний о процессах сгорания.

Углеводородные соединения возникают в виде парафинов, олефинов, ароматов, альдегидов (особенно формальдегидов) и полициклических соединений. Экспериментально доказаны канцерогенные и мутагенные свойства более 20 полициклических ароматических углеводородов, которые в силу своего малого размера способны проникать до легочных пузырьков. Самыми опасными углеводородными соединениями считаются бензол (С6Н6), толуол (метилбензол) и ксилол (диметилбензол, общая формула С6Н4 (СН3)2). К примеру, бензол может вызвать у человека изменения картины крови и привести к возникновению рака крови (лейкемии).

Причиной выбросо углеводородов в атмосферу всегда является неполное сгорание топлива, недостаток кислорода, а при очень обедненной смеси — слишком медленное сгорание топлива.


С этим читают