Что такое выпускной коллектор

В автомобильной практике коллекторами называют специальные технические устройства. Коллектор находится в двигательной системе автомобиля. В этом случае выделяют два вида коллектора: впускной и выпускной. В них газ и различные потоки смесей собираются в один общий коллектор. Таким образом, этот механизм способствует обеспечению бесперебойной работы двигателя.

Особенно значимым в двигательной системе является выпускной коллектор. Через него отводятся все отработавшие газы, которые через цилиндры поступают в общую трубу. Такой коллектор находится на головке блока цилиндров. Он также оснащен выпускной требой или каталитическим нейтрализатором. Между головкой блока цилиндров и коллектором находится специальная прокладка. Она предотвращает попадание отработавших газов в пространство под капотом. Выпускной коллектор работает при очень высоких температурах. Так, в среднем температура составляет от 1 200 градусов.

Выпускной коллектор – это конструктивный элемент, расположенный в выпускной системе, который предназначен для того, чтобы происходил отвод отработавших газов в области отдельных цилиндров непосредственно в общую трубу. Также основной задачей выпускного коллектора является обеспечивать эффективный продув и наполнять камеры сгорания.

Выпускной коллектор достаточно хорошо закреплен на блоке цилиндров. С выходной стороны к нему присоединен каталитический нейтрализатор, либо выпускная труба. Между головкой блока цилиндров и выпускным коллектором находится прокладка, которая необходима для предотвращения утечки отработавших газов в область подкапотного пространства. Выпускному коллектору приходится функционировать свою работу в весьма тяжелых условиях, которые характеризуются большой температурой (она может достигать 1300 °С), а также давлением.

Существует два вида выпускного коллектора:

У цельного коллектора присутствуют короткие каналы, объединяющиеся в общей камере. Выполняются они их чугуна, достаточно жаропрочного. У такого выпускного коллектора весьма низкая эффективность отводов отработавших газов, как и продувов камеры сгорания. Это происходит из-за того, что у коротких каналов создаются препятствия, характеризующиеся импульсами газов в каждом цилиндре. Но, если посмотреть с другой стороны на это, цельный вид выпускного коллектора довольно прост в своем изготовлении, а также в ценовой категории не дорогой.

В современных легковых автомобилях в основном устанавливают трубчатый тип выпускного коллектора. Он достаточно эффективен при высоких и средних оборотах, и он способствует улучшению мощностных характеристик автомобильного двигателя. Выполняются выпускные коллекторы из нержавеющей стали, хотя встречаются и керамические, но реже. Для того, чтобы достичь наиболее лучшие параметры в области отработавших газов и продува камер, необходимо оптимизировать конструкцию длины и диаметра труб.

Движение отработавших газов, происходящее в выпускной системе, само по себе осуществляет некоторый колебательный процесс. За счет короткой трубы в выпускном коллекторе достигается резонансный эффект, при нем получается максимально улучшенный продув в области камер сгорания, когда двигатель работает на высоких оборотах. А вот с длинной трубой – все наоборот, только когда двигатель работает на низких оборотах, достигается резонансный эффект. Причем за счет длинных труб происходит предотвращение возврата отработавших газов в область соседних камер сгорания, где выпускные клапаны еще не успели закрыться.

За счет малого диаметра трубы идет обеспечение высокой скорости отработавших газов. При такой скорости инерционная продувка камер становится наиболее лучшей, а также когда двигатель работает на средних и низких оборотах, происходит номинальный крутящий момент. Трубы с малым своим диаметром придают дополнительное сопротивление в области потока, когда двигатель работает на высоких оборотах. При помощи трубы с большим диаметром придается большая мощность на высоких оборотах двигателя, а также снижается на низких оборотах.

На данный момент наиболее распространенными считаются два вида схем относительно трубчатых выпускных коллекторов:

1. Короткий коллектор (4-1)
2. Длинный коллектор (4-2-1)

Выпускной коллектор — первый узел выхлопной системы автомобиля. Конструктивно это несколько каналов, объединенных в один общий канал, передающий выхлопные газы далее по выпускному тракту. Выпускные коллекторы устанавливаются на все типы двигателей внутреннего сгорания независимо от их марки или назначения. Выпускные коллекторы необходимы для сбора и отвода выхлопных газов.

Правильно спроектированный и подобранный коллектор способствует более эффективной вентиляции цилиндров, а значит, более оптимальному наполнению топливовоздушной смесью. Достигается подобный эффект благодаря движению выхлопных волн внутри каналов коллектора.

Принцип работы выпускного коллектора

Перед тактом выпуска отработанные газы находятся в цилиндре под большим давлением. После открытия выпускного клапана происходит перепад давлений, выхлопные газы устремляются в выпускной коллектор (где давление значительно ниже). Поршень при этом начинает движение вверх, выталкивая содержимое камеры сгорания в выхлопную систему. Часть газов уходит далее по выхлопному тракту, часть — отражается и стремится к соседним цилиндрам. Подобные движения отработанных газов принято называть волновыми. Побочным положительным эффектом является разряжение среды в выпускном коллекторе после прохождения такой волны.

Комплексная работа впускного коллектора, газораспределительного механизма и выпускного коллектора обеспечивает дополнительную продувку камеры сгорания. Все дело в том, что выпускной клапан всегда «запаздывает» с закрытием (во время начала такта впуска, выпуск еще открыт). Накопленное давление топливовоздушной смеси в впускном коллекторе в определенных условиях выше давления в выпускном коллекторе. Происходит резкий перепад давлений, цилиндр дополнительно продувается от выхлопных газов, наполняется свежей порцией топливовоздушной смеси. Выпуск закрывается.

Виды выпускных коллекторов

Все выпускные коллекторы можно разделить на цельные и трубчатые. Цельный выпускной коллектор — это, как правило, единая деталь, отлитая из чугуна. Трубчатый коллектор изготавливается из сваренных труб, стали и фланцевых соединений для стыковки с блоком двигателя.

Виды компоновки труб коллекторов

Выпускной коллектор с компоновкой 4-1. Представляет собой четыре трубы-канала, соединенных в одну общую трубу (количество каналов соответствует количеству цилиндров).

Выпускной коллектор 4-2-1. В таких коллекторах трубы сначала соединяют цилиндры, работающие в паре (на одном такте), а потом переходят в одну общую трубу.

Важным параметром выпускных коллекторов является их длина, а соответственно — и объем. При недостаточной длине выпускных каналов энергии потоков выхлопных газов будет достаточно, чтобы попасть в каналы соседних цилиндров и негативно влиять на их работу. В таких коллекторах плохо синхронизированы волновые движения газов с работой двигателя. В тоже время на двигателях с небольшой длинной выпускного коллектора, как правило, «узкие» фазы газораспределения с относительно небольшим объемом выхлопных газов. Производство коллекторов с малой длиной оправдано низкой стоимостью.

На мощных и производительных двигателях используются длинные выпускные коллекторы. В таких коллекторах часть объема выхлопных газов стремится по общей трубе в следующие узлы выхлопной системы, а часть — «отражается» к остальным цилиндрам. Для перехода волны из одного цилиндра в другой потребуется значительно больше времени, что создает определенно лучшие условия для разряжения и продувки.

Выпускной коллектор с равной длиной выпускных труб (равнодлинный). Как правило, устанавливается на мощные спортивные автомобили.

Равнодлинный коллектор позволяет равномерно осуществить выпуск во всех цилиндрах и лучше синхронизировать работу двигателя с выхлопной системой. Тюнинг выпускного тракта можно делать на любом двигателе. Это гарантированно принесет дополнительные 3-5% мощности.

Не стоит забывать, что увеличение длины выпускного коллектора повлечет за собой и увеличение температуры в подкапотном пространстве.

Проблема с температурой решается установкой теплоизоляции. Для этого можно использовать металлический кожух либо специальную негорючую ткань.

Существуют модели коллекторов, в которых в качестве теплоизоляции применяется керамическое напыление.

Эксплуатация выпускных коллекторов

Типичные неисправности выпускных коллекторов:

1. Повреждение прокладки между коллектором и блоком цилиндра. Для уплотнения узла соединения «блок цилиндров – выпускной коллектор» применяется прокладка, которая изготавливается из паронита, металла либо композитных материалов. Под действием давления и высоких температур со временем прокладка разрушается, что приводит к нарушению герметичности. Часть газов прорывается, напрямую в атмосферу, двигатель работает нестабильно.
2. Деформация фланца труб коллекторов. Температура выпускного коллектора может достигать 900 ºС. При нарушении температурных режимов коллектор подвергается деформации, которая может вызвать повреждения резьбовых соединений крепежа коллектора. Например, болты выпускного коллектора может просто «сорвать» (повредить резьбу). К таким последствиям приводит нарушение режима работы двигателя либо излишний тюнинг.
3. Физические повреждения, нарушение герметичности. Выпускной коллектор работает в агрессивной среде, поэтому со временем и пройденными километрами чугунные коллекторы лопаются, а трубчатые стальные — могут прогореть. Это негативно отражается на работе двигателя. Даже небольшая трещина в выпускном коллекторе вызывает нарушения работы выхлопной системы. В случае, если трещина незначительная, проблема какое-то время может себя не проявлять.Симптомами могу быть:
4. ошибки блока управления двигателем;
5. нестабильные обороты двигателя — плавные перепады 300-500 единиц;
6. звук двигателя с ненастроенным зажиганием;
7. в подобных случаях определяется сильно прогоревшая труба.
8. Засорение каналов выпускной системы. На стенках выпускных коллекторов образуется нагар и ржавчина. Подобные отложения могут привести к уменьшению просвета каналов и ухудшению характеристик двигателя.

Для того, чтобы избежать вышеперечисленных неисправностей, следует помнить, что выпускной коллектор — узел двигателя, который стоит осматривать при плановом техническом обслуживании чуть ли не в первую очередь.

Ремонт выпускных коллекторов

Проблемы с выпускными коллекторами могут возникать даже на сравнительно молодых автомобилях. Многие автовладельцы со временем задаются вопросами: что делать, если лопнул выпускной коллектор, как снять выпускной коллектор, сколько может стоить новый выпускной коллектор, поменять или отремонтировать элементы выпускного коллектора.

Конечно, самый простой способ решения проблем — обратиться в сервисный центр. Стоимость деталей и услуг будет варьироваться в зависимости от марки автомобиля и его уникальности. Например, новый выпускной коллектор может стоить от нескольких сотен до нескольких тысяч долларов.

Но ремонт выпускного коллектора может осилить и рядовой автомобилист. Необходим лишь стандартный набор инструментов и оборудования.

Замена выпускного коллектора

В случае, если выпускной коллектор значительно прогорел или имеет сильно нарушенную геометрию, он подлежит замене. Для этого:

• ждем пока двигатель и коллектор остынут до нормальной для ремонта температуры;
• снимаем все элементы, которые могут помешать работе (защиту двигателя, защиту коллектора или прочие узлы);
• раскручиваем резьбовые соединения крепежа к блоку и приемной трубе выхлопной системы;
• выполняем снятие выпускного коллектора;
• далее — замена прокладки выпускного коллектора;
• монтируем новый коллектор с крепежом, обтягиваем его;
• устанавливаем все демонтированные элементы в обратном порядке, обтягиваем резьбовые соединения.

Чаще всего требуется только замена прокладки выпускного коллектора.

В случае если лопнул выпускной коллектор, или даже если его патрубок полностью отломан, не спешите приобретать новый. Во многих сервисах практикуется сварка выпускных коллекторов. Чугун варится особыми электродами или аргонодуговой сваркой. Стальные трубчатые коллекторы также подлежат заварке. Подобные работы не по силам новичку, лучше обратиться к специалистам.

Выпускные коллекторы физически необходимы для сбалансированной работы ДВС, поэтому современные двигатели проектируются с учетом комплексной работы узлов и механизмов. Тюнинг же систем выхлопа дает вполне ощутимый прирост мощности, а при верном подходе не повлияет на показатели автомобиля в целом.