Система выпуска отработавших газов

Система выпуска обеспечивает снижение концентрации за­грязняющих веществ в отработавших газах, выделяемых двига­телем. ОГ должны выходить в атмосферу с допустимой шумностью и при минимальных потерях мощности.

Рис. 3.21. Системы выпуска отработавших газов легковых автомобилей без каталитического нейтрализатора (а) и с нейтрализаторами (б):

1 — передний глушитель; 2 — центральный глушитель; 3 — задний глушитель; 4 — каталитические нейтрализаторы

Система выпуска отработавших газов легковых автомобилей (рис. 3.21) состоит из трех основных элементов (некоторые из этих элементов могут использоваться и в выпускных системах грузовиков).

Каталитический нейтрализатор осуществляет очистку от­работавших газов двигателей с искровым зажиганием (в насто­ящее время нейтрализаторы используются и в дизелях). Его раз­мещают как можно ближе к двигателю для быстрого нагревания до рабочей температуры. Так как нейтрализатор должен играть роль первичного глушителя, его снабжают устройствами, кото­рые кроме очистки отработавших газов обеспечивают снижение шума выпуска. В зависимости от размеров автомобиля и двига­теля предусматривают установку одного или большего числа глушителей. НаV-образных двигателях левые и правые ряды цилиндров часто имеют свои нейтрализаторы или глушители, которые затем объединяются трубопроводами в одну линию с установкой в ней еще одного общего нейтрализатора.

Выпускными патрубками обеспечивается объединение всех выпускных окон в головке цилиндров в один выпускной коллек­тор, или большее их число, а также соединение друг с другом каталитических нейтрализаторов и глушителей. Длина и пло­щадь поперечного сечения патрубков и тип соединений влия­ют на мощность и акустические параметры двигателя. Поэтому система выпуска ДВС с большими рабочими объемами часто имеет две выпускные трубы.

Система выпуска крепится к днищу автомобиля с использо­ванием упругих элементов. Так как вибрация от труб, вызывае­мая выпуском отработавших газов, может передаваться на кузов и повышать шумность в салоне, то места крепления системы выпуска должны тщательно выбираться. Шум выпуска у среза выпускной трубы может также привести к возникновению ре­зонансных колебаний кузова. Общий объем глушителей на лег­ковом автомобиле должен быть приблизительно в 3 — 8 раз боль­ше рабочего объема двигателя. Масса системы выпуска состав­ляет 8... 40 кг.

Каталитический нейтрализатор содержит керамические блоч­ные носители с покрытием из активного каталитического веще­ства. Для компенсации неодинакового теплового расширения стали, из которой изготавливают корпус нейтрализатора, и ке­рамического материала и для защиты блочного носителя от ударных нагрузок и вибрации применяют два типа упругих мон­тажных элементов.

Монтажный элемент в виде проволочной сетки изготавли­вают из термо- и коррозионно-стойкой стали. Он должен про­тивостоять довольно высоким температурам, а также пульсиру­ющим воздействиям отработавших газов на режимах высоких нагрузок и скоростей.

Монтажный элемент в виде «подушки» изготавливают из керамического материала, состоящего из волокон силиката алю­миния с вкрапленными частицами слюды, которые соединяют посредством акрилового латекса. Полученная таким образом «подушка» при высокой температуре растягивается и запрессо­вывается на заданное место с образованием монолита. Так как подушка сама по себе является хорошим изолятором, то исклю­чается необходимость в дополнительной теплоизоляции.

Повышенная температура отработавших газов может приве­сти к разрушению монолитных блоков при воздействии на них чрезмерных давлений газов. Если же температура отработавших газов недостаточно высока, то малое давление газов, воздейству­ющее на монолитные блоки, может вызвать их перемещение и повреждение. Пульсирующий характер движения отработавших газов может стать причиной эрозии «подушки».

Часто для ограничения линейного расширения и обеспече­ния лучшего перемешивания отработавших газов используют­ся несколько последовательно устанавливаемых монолитных блоков. Равномерность прохождения газов через монолитный блок достигается созданием в нейтрализаторе впускного кана­ла определенной формы. Геометрическая форма керамическо­го блока, определяемая монтажным пространством под кузовом автомобиля, может быть треугольной, овальной или круглой.

Альтернативой керамическому монолитному блоку является каталитический нейтрализатор на металлическом носителе со­товой конструкции. Он изготавливается из гофрированной жа­ростойкой металлической фольги толщиной 0,05 мм, намотка и пайка которой твердым припоем осуществляются при высокой температуре. Поверхность фольги покрывается пористым сло­ем вторичного носителя с активным катализатором. Благодаря тонким стенкам фольги при тех же габаритах, что и у керами­ческого нейтрализатора, может быть размещено большее число каналов. Это уменьшает сопротивление прохождению отрабо­тавших газов.

Каталитические нейтрализаторы создают дополнительный шум. Причина этого — наличие узких каналов, по которым рас­пространяется газ, из-за чего образуется множество небольших источников звука. Звуковые волны частично гасятся за счет интерференции и поглощения. При проектировании выпускной системы необходимо подбирать каталитический нейтрализатор таким образом, чтобы избежать высоких уровней сопротивле­ния движению ОГ, в значительной мере влияющих на вибраци­онные характеристики всей системы выпуска ОГ и мощностные показатели двигателя.

Глушители предназначены для сглаживания пульсаций дав­ления в потоке отработавших газов и максимально возможного снижения шума при их выпуске. В глушителях применяются в основном два физических эффекта — резонанс и звукопоглоще­ние. В большинстве глушителей используется сочетание этих эффектов. Так как глушитель вместе с выпускным трубопрово­дом образует звуковой генератор с собственной резонансной частотой, его расположение влияет на уровень шумопоглоще-ния. Желательно располагать выпускную систему под днищем кузова как можно дальше от него, чтобы ее собственные коле­бания не вызывали резонансных явлений 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.

Резонаторные глушители состоят из камер различной длины, соединенных между собой трубами. Различия в площадях попе­речных сечений труб и камер, отклонения потока отработавших газов и наличие резонаторов, образованных соединительными трубами и камерами, обеспечивают эффективное глушение шума, особенно на низких частотах. Чем больше камер, тем эффективнее процесс глушения. Однако такой глушитель име­ет большую массу и характеризуется относительно большими потерями мощности.

Шумопоглощающие глушители имеют одну камеру, запол­ненную звукопоглощающим материалом, через которую прохо­дит перфорированная труба. Звуковые колебания через отвер­стия в этой трубе взаимодействуют со звукопоглощающим ма­териалом и преобразуются в теплоту. Звукоизолирующий материал обычно состоит из длинноволокнистой минеральной ваты (на основе базальта или силикатов), плотность которой состав­ляет 120... 150 г/дм³. Степень глушения шума зависит от плот­ности и звукопоглощающих свойств материала, а также длины и толщины стенки камеры. Глушение происходит в широком диапазоне звуковых частот.

Для обеспечения требуемых акустических параметров глуши­телей, т.е. снижения отдельных спектральных составляющих нежелательных частот в суммарном шуме выпуска, применяют различные устройства.

Резонатор Гельмголъца (сквозного типа) осуществляет сни­жение шума в области собственных частот колебаний.

Перфорированные трубки с отверстиями действуют подоб­но разбрызгивателям воды. Один большой источник шума, а именно трубка, преобразуется в множество небольших звукоиз-лучающих точек, образованных отверстиями в ней (аналогично отверстиям в распылителе). При этом вследствие интерферен­ции звуковых волн и завихрения потока отработавших газов до­стигается эффект широкополосного фильтра.

Сопла Вентури уменьшают низкочастотный шум. Они скон­струированы таким образом, что скорость газового потока в горловине сопла всегда меньше скорости звука. Расширяющий­ся патрубок должен устанавливаться под таким углом, при ко­тором отсутствует свистящий звук.

Для удаления из отработавших газов дизелей твердых частиц в выпускной системе размещают сажевые фильтры: фильтры с металлической «шерстью», керамическими фильтрующими эле­ментами, спиральные фильтры с керамическим заполнителем и др.

Фильтры с керамическими элементами находят наиболее широкое применение. В отличие от каталитического нейтрали­затора со свободным проходом отработавших газов в сажевом фильтре каналы выполнены с чередованием открытых и закры­тых концов, а отработавшие газы с частицами сажи пропуска­ются через пористые стенки ячеистой конструкции без покрытия. Сажевые частицы при этом осаждаются в порах стенок. В зави­симости от пористости керамического материала эти фильтры могут задерживать 70...90% твердых частиц.

Для нормальной работы при длительных условиях эксплуа­тации такие фильтры должны подвергаться регенерации через определенные промежутки времени с дожиганием сажевых ча­стиц. При использовании процесса химической очистки специ­альные присадки к топливу уменьшают температуру воспламе­нения сажевых частиц до температуры отработавшего газа. Не­достатком этого процесса является дополнительный выброс вредных веществ в атмосферу из-за наличия этих специальных присадок.

При осуществлении процесса термической очистки к филь­тру подключается нагревательный элемент, с помощью которо­го температура отработавших газов повышается приблизитель­но до 700 °С. Процесс регенерации фильтра чаще всего выпол­няется при неработающем двигателе. Выбор длительности реге­нерации фильтра зависит от продолжительности его работы или противодавления выпуску. Для регенерации фильтра во время работы двигателя используют два. одинаковых фильтра, которые попеременно подвергают очистке. Однако такой способ счита­ется весьма неэкономичным.

Еще один способ очистки связан с подачей части потока от­работавших газов во время регенерации через глушитель; при этом оказываются неочищенными только 5 % отработавших га­зов. Проводится разработка нагревательных элементов, позволя­ющих одновременно фильтровать газы и регенерировать фильтр (полнопоточная регенерация).

Глава 4