Выпускной коллектор

Выпускной коллектор - массивный металлический сборник для раскаленных газов, которые отводятся из цилиндров двигателя после совершения полезной работы. В коллекторе пульсирующие потоки отработавших газов сводятся воедино, и выбрасываются в общую приемную трубу выхлопной системы.

Как устроен выхлопной коллектор

Как правило, выпускной коллектор это достаточно простая по устройству полая деталь из чугуна или нержавеющей стали. Чугунные коллекторы обычно представляют из себя единую деталь, изготовленную методом литья, так как чугун практически невозможно гнуть. Сталь - более прочный на разрыв материал, поэтому стальные коллекторы изготавливаются из изогнутых труб методом сварки. Внутри чугунного коллектора предусмотрены короткие каналы, ведущие в единую камеру. Цельные коллекторы отличаются низкой эффективностью из-за того, что короткие каналы не способны принять большое количество газов единовременно и не обеспечивают нужный уровень продува камеры сгорания. Их достоинство - низкая себестоимость и простота производства.

Стальной коллектор суперкаров покрыт слоем материала, препятствующего выделению тепла в моторный отсек

Трубчатые стальные коллекторы пришли в промышленное производства из мира автоспорта. Детали этого типа обычно изготавливают из нержавеющей стали, а в случае с наиболее дорогими марками автомобилей, из керамики. Достоинство керамики в низкой теплопроводности, поэтому коллекторы из этого материала практически не выделяют тепло в подкапотное пространство. Трубчатые коллекторы за счет увеличенной длины каналов улучшают показатели мощности, и в последнее время этим их качеством производителя начинают пользоваться все активнее. Их легче оптимизировать по давлению внутри каналов и другим параметром.

Оптимизация процессов в выпускных коллекторах

Появление трубчатых коллекторов дало толчок к развитию выхлопной системы в неожиданных направлениях. К примеру, в ряде мотоциклетных двигателей Yamaha выпускной коллектор снабжен системой интеллектуального управления обратным давлением. Это означает, что в нем есть электронно управляемые шторки, способные прикрывать и открывать выходное отверстие в зависимости от режима работы. Таким образом показатели волнообразного обратного давления в выпускном тракте выравниваются и становятся величиной более-менее постоянной, что позволяет избежать образования завихрений при резком увеличении оборотов. С подобными системами экспериментируют и многие производители автомобилей.

Особенности выпускных коллекторов для мощных автомобилей

Коллекторы двигателей с большим количеством цилиндров отличаются от обычных обязательным наличием резонатора. Дело в том, что коллекторы таких двигателей, как правило, разделены на две части. К примеру, если у двигателя 8 цилиндров, то частей будет две. В первую часть попадают выхлопные газы из первого, второго, третьего и четвертого цилиндров, а во вторую - из цилиндров с пятого по восьмой.

Равнодлинные выпускные коллекторы пришли в серийное производство из мира спорта. Сейчас такие детали можно увидеть даже на скромной Toyota Yaris

При работе двигателя существует определенный порядок срабатывания цилиндров - смесь поджигается в них не подряд, а по определенному алгоритму. Поэтому возникают ситуации, при которых выхлопные газы за короткий промежуток времени попадают в одну часть коллектора из двух и более цилиндров, а вторая часть при этом не задействована. Естественно, в работающей в данный момент части возникает высокое давление, которое приемная труба принять сразу не способна. Для снижения его две части коллектора объединяют перемычкой, резонатором, отводящим часть газов в незадействованную часть для снижения давления в рабочей. Зачастую для более кардинального решения этой проблемы такие двигатели оснащают двумя независимыми коллекторами и двумя независимыми выхлопными трактами. Именно поэтому у автомобилей с мощными двигателями нередко можно видеть две выхлопные трубы.

Принцип работы выпускного коллектора

Одной стороной коллектор крепится к головке блока цилиндров там, где в нем предусмотрены окна для выпуска отработанных газов из цилиндров. С другой стороны к коллектору через фланцевое соединение крепится приемная труба, либо катализатор, в зависимости от конструкции.

Выхлопные газы попадают в коллектор из камеры сгорания, после чего отражаются от внутренних стенок и стремятся обратно в камеру сгорания. В результате движения газов в обеих направлениях движение газов в коллекторе носит волнообразный характер.

Чугун и нержавеющая сталь - лучшие материалы для производства выпускных коллекторов, постоянно подвергающихся воздействию агрессивной среды отработавших газов

Тем не менее, основное направление потока остается неизменным – от двигателя к выпускному отверстию выхлопного тракта, что обеспечивает эффективную очистку цилиндров от продуктов сгорания. В случае, если двигатель оснащен турбонагнетателем, давление в коллекторе используется для приведения в движение крыльчатки турбины, которую устанавливают сразу за коллектором. В таком случае часть выхлопных газов возвращается в цилиндры через впускной коллектор, создавая в них повышенное давление, недостижимое путем прямого захвата атмосферного воздуха. 

Основные причины неполадок и способы ремонта

Признаком неисправности коллектора в первую очередь становится появление шумов в моторном отсеке. Часто он выходит из строя в случаях перегрева двигателя, когда происходит искривление прилегающей плоскости из-за изменений в структуре металла под воздействием чрезмерно высокой температуры. В этом случае между ним и головкой блока возникает щель, которую не способна скомпенсировать штатная прокладка, и коллектор приходится менять. Выпускной коллектор постоянно подвергается агрессивному воздействию отработавших газов, а после окончания работы двигателя коллектор остывает, вследствие чего на его внутренних стенках оседает конденсат, приводящий к появлению коррозии. Из-за ржавчины появляются трещины и каверны в металле, ведущие к нарушению герметичности. Проблему можно решить при помощи сварки, однако если процесс зашел слишком далеко, то оптимальным решением станет замена выпускного коллектора.

Проверить геометрию прилегающей плоскости перегретого коллектора можно, просто положив его на ровный стол и прижав к столешнице

При мойке двигателя следует дождаться, когда выпускной коллектор остынет. В противном случае появляется риск возникновения трещин или искривления детали вследствие резкого перепада температур.

Выпускной коллектор в спорте и тюнинге

В спортивных автомобилях практически всегда применяют коллекторы трубчатого типа, так как именно в них благодаря равной длине всех труб потоки выхлопных газов, выбрасываемых из всех цилиндров, смешиваются на выходе равномерно. В обиходе такие коллекторы называют "пауками" за характерный внешний вид. При переделке штатной выхлопной системы трубы для "паука" подбирают с сечением, превышающим сечение штатных каналов. Это необходимо для обеспечения беспрепятственного выхода отработавших газов. Стальной равнодлинный коллектор выделяет большое количества тепла в подкапотное пространство, и для снижения температуры на поверхности детали трубы изнутри и снаружи покрывают специальным керамическим напылением или окрашивают термостойкой краской, выполняющей ту же функцию. С той же целью трубы обматывают полосами ткани, сотканной из базальтовых нитей, обладающих рекордно низкой теплопроводностью. Благодаря этим мерам выхлопные газы остывают в следующих элементах выхлопного тракта, за пределами моторного отсека, и воздух, поступающий в двигатель, имеет более низкую температуру.