Устройство выпускного коллектора автомобиля

Эффективность любого двигателя внутреннего сгорания зависит не только от типа топливной системы и от строения цилиндров с поршнями. Большую роль играет выпускная система автомобиля. Подробно о ней рассказывается в другом обзоре. Сейчас рассмотрим один из ее элементов – выхлопной коллектор.

Что такое выпускной коллектор

Коллектор двигателя это ряд труб, которые с одной стороны соединены в одну трубу, а с другой – закреплены на общей планке (фланец), и зафиксированы на головке блока цилиндров. Со стороны ГБЦ количество труб идентично числу цилиндров мотора. С противоположной стороны к трубе закреплен малый глушитель (резонатор) или катализатор, если он имеется в машине.

Устройство коллектора напоминает впускной коллектор. Во многих модификациях моторов в выпускной системе устанавливается турбина, крыльчатка которой приводится в движение потоком выхлопных газов. Они вращают вал, на другой стороне которого тоже установлена крыльчатка. Это устройство нагнетает свежий воздух во впускной коллектор мотора для увеличения его мощности.

Обычно эта деталь изготавливается из чугуна. Причина в том, что данный элемент постоянно находится в условиях экстремально высоких температур. Выхлопные газы раскаляют выпускной коллектор до 900 градусов и более. Кроме того, когда запускается холодный мотор, на внутренней стенке всей выхлопной системы образуется конденсат. Подобный процесс происходит, когда мотор глушится (особенно если погода влажная и холодная).

Чем ближе к мотору, тем быстрее во время работы мотора вода испарится, но постоянный контакт металла с воздухом ускоряет окислительную реакцию. По этой причине, если в машине будет использоваться железный аналог, он быстро поржавеет и прогорит. Покрасить эту запчасть не представляется возможным, потому что при нагреве до 1000 градусов слой краски быстро сгорит.

В современных автомобилях в выпускном коллекторе (чаще возле катализатора) устанавливается датчик кислорода (лямбда-зонд). Подробно об этом датчике рассказывается в другой статье. Если коротко, то он помогает электронному блоку управления контролировать состав воздушно-топливной смеси.

Обычно эта часть выхлопной системы служит столько же, сколько и весь автомобиль. Так как это просто труба, то в ней нечему ломаться. Единственное, что выходит из строя, это датчик кислорода, турбина и другие детали, связанные с работой выхлопа. Если говорить о самом пауке, то он со временем из-за особенностей условий эксплуатации может прогореть. Но такое происходит редко. По этой причине автомобилистам редко когда приходится сталкиваться с ремонтом или заменой выпускного коллектора.

Принцип работы выпускного коллектора

Работа выпускного коллектора автомобиля очень простая. Когда водитель заводит мотор (независимо от того, это бензиновый или дизельный агрегаты), в цилиндрах происходит сгорание воздушно-топливной смеси. На такте выпуска газораспределительный механизм открывает выпускной клапан (на цилиндр может быть один или два клапана, а в некоторых модификациях ДВС для лучшей вентиляции полости их даже три).

Когда поршень поднимается к верхней мертвой точке, он выталкивает все продукты горения через образовавшееся выпускное отверстие. Далее поток поступает в приемную трубу. Во избежание попадания горячего выхлопа в полость над соседними клапанами для каждого цилиндра устанавливается отдельная труба.

В зависимости от конструкции эта труба на некотором расстоянии соединяется с соседней, а затем они объединяются в общий тракт перед катализатором. Через каталитический нейтрализатор (в нем вредные для окружающей среды вещества нейтрализуются) выхлоп идет через малый и основной глушители на выхлопную трубу.

Так как данный элемент может в некоторой степени изменить мощностные характеристики двигателя, производители разрабатывают разные типы пауков для моторов.

При удалении выхлопных газов в выпускном тракте образуется пульсация. Во время изготовления этой детали производители стараются спроектировать ее таким образом, чтобы эти колебания были максимально синхронными с волновым процессом, происходящим во впускном коллекторе (в некоторых автомобилях на определенном режиме работы агрегата непродолжительное время для лучшей вентиляции открываются как впускной, так и выпускной клапаны). Когда порция выхлопных газов резко выталкивается в тракт, она создает волну, которая отражается от катализатора и создает вакуум.

Этот эффект достигает выпускного клапана практически в тот момент, когда соответствующий поршень снова выполняет такт выпуска. Этот процесс облегчает удаление отработанных газов, благодаря чему мотору приходится тратить меньше крутящего момента на преодоление сопротивления. Такая конструкция тракта позволяет максимально облегчить удаление продуктов горения топлива. Чем больше оборотов мотора, тем эффективней будет проходить этот процесс.

Однако в случае с классическими выхлопными системами наблюдается небольшая проблема. Дело в том, что когда выхлопные газы создают волну, из-за коротких труб она отражается в соседние тракты (они находятся в спокойном состоянии). По этой причине при открытии выпускного клапана другого цилиндра эта волна создает препятствие выводу выхлопа. Из-за этого мотор задействует часть крутящего момента на преодоление этого сопротивления, и мощность мотора падает.

Для чего нужен выпускной коллектор

Итак, как видно, выпускной коллектор в авто принимает непосредственное участие в удалении выхлопных газов. Конструкция этого элемента зависит от типа мотора и методики производителя, которую он внедряет в изготовление коллектора.

Независимо от модификации эта деталь будет состоять из:

• Приемных труб. Каждая из них предназначена для закрепления над конкретным цилиндром. Часто для простоты монтажа все они закреплены на общей планке или фланце. Размеры этого модуля должны полностью совпадать с размерами соответствующих отверстий и пазов на головке блока цилиндров, чтобы выхлоп не просачивался через это несоответствие.
• Выпускной трубы. Это конечная часть коллектора. В большинстве автомобилей все трубы сходятся в одной, которая затем подсоединяется к резонатору или катализатору. Однако бывают модификации выхлопных систем, в которых две отдельные выхлопные трубы с индивидуальными глушителями. В этом случае парное число труб соединяются в один модуль, относящийся к отдельной магистрали.
• Уплотнительной прокладки. Эта запчасть устанавливается между корпусом головки блока цилиндров и планкой паука (а также на фланце между приемной трубой и пауком). Так как этот элемент постоянно сталкивается с высокими температурами и вибрациями, он должен быть выполнен из прочных материалов. Эта прокладка предотвращает утечку выхлопных газов в подкапотное пространство. Так как свежий воздух для салона авто поступает именно из этой части, то для безопасности водителя и пассажиров важно, чтобы этот элемент был качественным. Конечно, если прокладку пробьет, это сразу будет слышно – появятся сильные хлопки из-за большого давления внутри тракта.

Типы и виды выпускных коллекторов

Вот основные виды выпускных коллекторов:

1. Цельный. В этом случае деталь будет цельной, а внутри выполнены каналы, сходящиеся в одну камеру. Такие модификации изготавливаются из жаропрочного чугуна. По устойчивости к серьезным перепадам температуры (особенно в зимний период, когда холодный корпус за считанные секунды нагревается от -10 и меньше в зависимости от региона до +1000 градусов по Цельсию) аналогов этому металлу нет. Такая конструкция проста в изготовлении, но она не так эффективно отводит выхлопные газы. Это отрицательно сказывается на продувке камер цилиндров, из-за чего некоторая часть крутящего момента задействуется на преодоление сопротивления (газы удаляются через небольшое отверстие, поэтому вакуум в выпускном тракте имеет большое значение).
2. Трубчатый. Такая модификация используется на современных авто. Обычно их изготавливают из нержавейки, а реже – из керамики. У этой модификации есть свои преимущества. Они позволяют улучшить характеристики продувки цилиндров за счет вакуума, образующегося в тракте за счет волновых процессов. Так как в этом случае поршню не приходится преодолевать сопротивление на такте выпуска, коленвал быстрее раскручивается. В некоторых моторах за счет этого усовершенствования возможно повысить мощность агрегата на 10%. На обычных машинах этот прирост мощности не всегда заметен, поэтому данный тюнинг используется на спорткарах.

Немаловажное значение для выхлопного коллектора играет диаметр труб. Если на машину установить паук с малым диаметром, то достижение номинального крутящего момента смещается в сторону малых и средних оборотов. С другой стороны, установка коллектора с трубами большего диаметра позволяет снимать максимальную мощность ДВС при высоких оборотах, но на малых мощность агрегата падает.

Помимо диаметра труб большое значение имеет их длина и порядок соединения с цилиндрами. Поэтому среди элементов для тюнинга выхлопной системы можно встретить модели, в которых трубы перекручены, как будто их соединили вслепую. Для каждого мотора требуются свои модификации коллекторов.

Для тюнинга стандартного 4-цилиндрового мотора часто используется паук с типом соединения 4-1. В этом случае четыре патрубка сразу соединяются в одну трубу, только на как можно максимальном расстоянии. Такая модификация называется короткой. Повышение мощности мотора наблюдается только если он форсированный, и то на оборотах выше 6000 в минуту.

Также среди вариантов для тюнинга спортивных машин используются так называемые длинные пауки. Обычно они имеют формулу соединения 4-2-1. В этом случае все четыре трубы сначала соединяются попарно. Эти пары труб соединяются в одну на самом максимальном расстоянии от мотора. Обычно в пару берутся трубы, соединенные с цилиндрами, у которых максимально параллельный выпуск (например, первый и четвертый, а также второй и третий). Такая модификация обеспечивает повышение мощности в гораздо большем диапазоне оборотов, но этот показатель не так заметен. На отечественных моделях авто этот прирост наблюдается только в диапазоне от 5 до 7 процентов.

Если в машине устанавливается прямоточная выхлопная система, то для облегчения вентиляции цилиндров и гашения звука могут использоваться промежуточные трубы с увеличенным сечением. Нередко в модификации длинных пауков может использоваться малый глушитель с пониженным сопротивлением. Некоторые модели коллекторов на определенных участках в трубы врезаются сильфоны (металлические гофры). Они гасят резонирующие волны, препятствующие свободному удалению выхлопа. С другой стороны гофры недолговечны.

Также среди длинных пауков присутствуют модификации с типом соединения 4-2-2. Принцип тот же, что и у предыдущего варианта. Прежде чем решаться на подобную модернизацию выхлопной системы, нужно учесть, что прирост мощности только за счет удаления катализатора (чтобы трубы были длиннее) дает максимум до 5%. Установка паука приплюсует к характеристикам мотора еще около двух процентов.

Чтобы модернизация силового агрегата была более ощутимой, помимо этих работ нужно еще провести ряд некоторых процедур, в том числе и чип-тюнинг (подробно о том, что это такое, читайте отдельно).

Что влияет на состояние коллектора

Хотя выпускной коллектор часто имеет такой же рабочий ресурс, что и весь автомобиль, он тоже может выйти из строя. Вот типичные поломки, связанные с выпускным коллектором:

• Прогорела труба;
• Образовалась коррозия (касается стальных модификаций);
• Из-за чрезмерно высокой температуры и производственного брака на поверхности изделия может образоваться окалина;
• Образовалась трещина в металле (когда мотор долгое время работал на высоких оборотах, и на поверхность коллектора попадает холодная вода, например, при заезде в лужу на большой скорости);
• Металл ослаб из-за частых перепадов температуры стенок детали (при нагреве металл расширяется, а при охлаждении – сжимается);
• На стенках труб образуется конденсат (особенно если машина редко выезжает, например, зимой), из-за которого ускоряется процесс окисления металла;
• На внутренней поверхности появился сажевый нагар;
• Прогорела прокладка коллектора.

На эти неисправности могут указывать следующие факторы:

• Загорелся сигнал двигателя на приборной панели;
• В салоне или под капотом появился сильный запах выхлопных газов;
• Мотор нестабильно работает (обороты плавают);
• Когда двигатель заведен, слышны посторонние звуки (их сила зависит от типа повреждения, например, если труба прогорела, то это будет очень громко);
• Если в машине имеется турбина (крыльчатка вращается за счет давления выхлопных газов), то ее мощность падает, что сказывается на динамике агрегата.

Некоторые поломки коллекторов связаны с факторами, на которые автомобилист неспособен повлиять, но кое-что он может предпринять, чтобы предотвратить поломку детали.

При слишком высоких оборотах продукты сгорания способны раскалиться не до 600 градусов, как в нормальном режиме, а в два раза сильнее. Если в нормальном режиме приемные трубы нагреваются приблизительно до 300 градусов, то в максимальном режиме этот показатель также увеличивается в два раза. От такого сильного нагрева коллектор может даже изменить свой цвет на малиновый.

Чтобы избежать перегрева детали, водителю не следует часто доводить агрегат до максимальных оборотов. Также на температурный режим влияет настройка системы зажигания (неправильный УОЗ может провоцировать выброс догорающей ВТС в выпускной тракт, что также приведет к прогоранию клапанов).

Чрезмерное обеднение или обогащение смеси – еще одна причина, по которой приемные трубы будут перегреваться. Периодическая диагностика неисправностей в этих системах позволит сохранять коллектор в исправном состоянии максимально долго.

Ремонт выпускного коллектора

Обычно выпускной коллектор не ремонтируется, а меняется на новый. Если это модификация для тюнинга, и она прогорела, некоторые латают поврежденное место. Однако из-за того, что при сварке металл подвергается высокой температурной обработке, шов может быстро проржаветь или прогореть. Плюс стоимость таких работ намного выше установки новой детали.

Если нужно заменить деталь, то эту работу нужно выполнять в правильной последовательности.

Замена выпускного коллектора

Чтобы заменить коллектор своими руками, нужно:

1. Обесточить бортовую сеть, отсоединив АКБ (о том, как это сделать безопасно, описано здесь);
2. Слить тосол;
3. Демонтировать термоэкран (кожух, который устанавливается на многих современных автомобилях), ресивер инжекторной системы (у карбюраторных моторов этого элемента нет) и воздушный фильтр;
4. Открутить крепежи фланца коллектора от приемной трубы;
5. Открутить коллектор от головки блока цилиндров. В зависимости от модификации силового агрегата эта процедура будет отличаться. Например, на 8-клапанниках сначала снимается впускной коллектор, а затем выпускной;
6. Удалить прокладку и почистить поверхность ГБЦ от ее остатков;
7. Если в процессе демонтажа повреждены шпильки или резьба в крепежных отверстиях, то эти элементы важно восстановить;
8. Установить новую прокладку;
9. Подсоединить к ГБЦ новый коллектор (если 4-цилиндровый ДВС имеет 8 клапанов, то сборка происходит в обратной последовательности демонтажу, то есть сначала выпускной, а затем впускной коллектор);
10. Закрутить, но не затягивать до конца крепежные болты и гайки на соединениях с ГБЦ;
11. Соединить коллектор с приемной трубой или катализатором, установив перед этим необходимую прокладку;
12. Затянуть крепление на ГБЦ (это делается динамометрическим ключом, а момент затяжки указывается в технической литературе к автомобилю);
13. Затянуть крепежи фланца на приемной трубе;
14. Залить новый или отфильтрованный тосол;
15. Подключить аккумулятор.

Как видно, сама процедура замены паука несложная, но при выполнении работы нужно быть аккуратным, чтобы не сорвать резьбу в головке блока цилиндров (саму шпильку заменить легко, а нарезать новую резьбу в ГБЦ намного сложнее). По этой причине, если нет опыта в работе с динамометрическим ключом или этого инструмента вообще нет, то работу необходимо доверить специалисту.

В завершение предлагаем посмотреть небольшой пример, как заменить выпускной коллектор на Renault Logan:

ЗАМЕНЫ (СНЯТИЕ-УСТАНОВКА( ВЫПУСКНОГО КОЛЛЕКТОРА НА ДВИГАТЕЛЕ РЕНО 1,4 и 1,6 8ми КЛАПАННЫЙ K7J K7M

Вопросы и ответы:

Как работает впускной коллектор? Воздух всасывается за счет разрежения, которое создается в каждом цилиндре. Поток сначала идет через воздушный фильтр, а затем по трубам – к каждому цилиндру.

Как выпускной коллектор влияет на работу двигателя? В нем образуется резонанс. Клапан резко закрывается и часть газов задерживается в коллекторе. Когда клапан снова открывается, оставшиеся газы могут препятствовать следующему потоку удаляться.

Как отличить впускной и выпускной коллектор? Впускной коллектор подсоединяется к трубе, идущей от воздушного фильтра. Выпускной коллектор соединяется с выхлопной системой автомобиля.