Выпуск отработавших газов: все не так просто, как может показаться

Параметры, определяющие качество

На эффективность подавления шума и безопасность использования всей выхлопной системы влияют в первую очередь такие факторы, как конструкция глушителя, диаметр внутренних труб, надежность и способ крепления элементов системы к шасси. Также чрезвычайно важным является качество швов и уплотнений, используемых в соединениях и деталях системы.

Глушители, поставляемые на вторичный рынок, часто отличаются от оригинальных конструкций, устанавливаемых автопроизводителем при выпуске автомобиля. Даже крупные компании, производящие глушители, упрощают оригинальную конструкцию, если она оказывается слишком, на их взгляд, нетехнологичной. Существуют и такие поставщики запчастей, которые умышленно предельно упрощают заводские конструкции выпускных систем. Снижая собственные затраты, они имеют возможность предложить покупателю очень дешевые, по сравнению с оригинальными конструкциями, продуктовые линейки.

Изменение конструкции глушителя, при сохранении его оригинальных параметров и, главное, характеристик, требует проведения ряда тестов и исследований. Производители, меняющие конструкции без каких-либо согласований и тестов своих изделий, часто реализуют их на рынке, а затем их продукция нарушает нормальную работу всей выхлопной системы автомобиля.

Еще одним важным фактором, определяющим выбор выхлопной системы, является использование соответствующих диаметров труб в глушителе. Ведь можно сконструировать глушитель, используя трубы заниженного, от оригинала, диаметра, и он будет существенно понижать шумовой фон. Но подобное «дросселирование» потока выхлопных газов обязательно отразится на снижении эффективности работы двигателя.

Нельзя не остановиться на проблеме материалов, используемых в глушителях. На выхлопную систему действуют такие вредные внешние факторы, как резкие изменения температуры, например при езде во время дождя. Неблагоприятно влияет на элементы системы выпуска отработавших газов и эксплуатация в зимний период, когда на детали действуют низкие температуры; контакт со снегом, солью вызывает образование очагов коррозии. А если учесть, что и внутренняя поверхность элементов глушителя подвергается воздействию кислых сред, то становится понятно, почему выбор материала глушителя влияет не последним образом на срок его службы.

Глушители, устанавливаемые на автозаводе, как правило, изготовлены из листов и труб, материалом которых являются нержавеющие и жаропрочные стали. Из-за высокой цены этих материалов детали системы выпуска газов, предназначенные для реализации на вторичном рынке, делают из рядовой стали, но обрабатывают с обеих сторон антикоррозионным покрытием, главным образом на основе алюминия. Покрытие наносится слоем 80…120 г/м², толщина определяет устойчивость поверхности к коррозии. Качество покрытия можно оценить визуально: если слой нанесен тонкий, то поверхности деталей не блестят, а имеют матовый алюминиевый оттенок.

Кроме стали в конструкции глушителя используются материалы, поглощающие или же отражающие звуки. С функциями шумоподавления хорошо справляется стекловолокно. Материал характеризуется отличными характеристиками глушения шума и, по сравнению с другими звукоизолирующими технологиями, не наносит вреда окружающей среде. Стекловолокно не поглощает конденсат, но способствует его испарению из глушителя. Этот материал не меняет своих свойств даже при температуре  +900°С. Технология текстурирования стекловолокна позволяет тщательно заполнить «карманы» глушителя.

Выхлопная система должна быть закреплена без напряжений, ее расположение должно обеспечивать возможность свободного смещения под действием изменения окружающей и внутренней температуры. При замене отработавшей свой ресурс выхлопной системы на новую эластичные резиновые элементы также меняются.

Необходимо также добавить, что при установке нового глушителя надо обратить внимание на эстетичный вид и антикоррозионную защиту сварных швов, на кронштейны крепления, расположенные на трубах и резонаторах. Металл креплений должен быть определенной толщины, а сами крепления должны быть приварены сварными швами достаточной длины. Сварка частей системы является важнейшим фактором, влияющим на надежность всей выхлопной системы, которой приходится постоянно воспринимать динамические нагрузки различной силы.

Катализаторы на страже чистоты «выхлопа»

Как известно, назначением выхлопной системы является отвод из двигателя отработавших газов, а также снижение шумового эффекта, возникающего в результате пульсации давления выходящих газов. Однако в современных авто выхлопная система выполняет также важнейшую роль и по очистке отработавших газов. С этой целью в выхлопные системы вводятся такие компоненты, как каталитические нейтрализаторы, кислородные датчики, сажевые фильтры и некоторые другие устройства.

В связи с различием в технологиях очистки вредных выбросов каталитические реакторы, предназначенные для «дизелей», нельзя использовать в бензиновых двигателях, и наоборот. В дизельных двигателях задачей очистных устройств является снижение выбросов окиси углерода, которая образуется при работе на обедненной смеси. Снижение выбросов оксида азота в значительной степени обеспечивает действие используемой в двигателях системы рециркуляции отработавших газов (EGR), а также применение системы селективной каталитической нейтрализации (SCR). Хотя в России данная технология, в связи с целым рядом недостатков, а именно высокой ценой, низкой температурой замерзания одного из главных компонентов данной технологии, всего –11,5°С, повышенными требованиями к качеству дизтоплива, используется достаточно редко.

Задачей каталитического нейтрализатора, больше известного в народе под названием катализатор, является преобразование вредных соединений, образующихся в процессе сгорания топлива в двигателе, в несколько менее вредные для экологии вещества. В двигателях с искровой системой зажигания катализаторы окисляют и снижают вредность трех соединений. NO_x, или оксид азота, преобразуется в N₂ или нейтральный азот, углеводород CH превращается в H₂O, а окись углерода CO становится углекислым газом CO₂. Поэтому в бензиновых двигателях каталитический нейтрализатор называют трехкомпонентным.

Химические реакции происходят при рабочей температуре катализатора 350…800°С. Для оптимального осуществления процесса сгорания топлива необходимо сохранение стехиометрического состава горючей смеси. Для такой смеси устанавливается специальный коэффициент избытка воздуха λ = 1. Это значит, что для сгорания 1 кг топлива без образования остаточного кислорода потребуется 14,7 кг воздуха. Кстати, при использовании в качестве топлива пропана соотношение воздух/топливо меняется и будет равно 15,6:1.

Конечно, сгорание происходит и при λ < 1 или λ > 1, однако только при λ = 1 уровень выбросов вредных соединений минимальный. Надо сказать, что впрыск точно дозированной смеси могут обеспечить только инжекторные устройства, контролируемые и управляемые бортовым компьютером. Поэтому катализаторы работают в основном в автомобилях с инжекторной системой подачи топлива, а в машинах, где горючую смесь готовит карбюратор, используются очень редко.

Каталитические блоки бывают керамическими и металлическими. Керамическая конструкция характеризуется разделением на квадратные, в сечении, соты, с толщиной стенок между каналами 0,05…0,15 мм. В стальных блоках стенки значительно тоньше, всего 0,03…0,07 мм. Такое строение позволяет стальным блокам пропускать больший поток выхлопных газов. Металлические блоки значительно чаще керамических устанавливают на новые автомобили, они отличаются большим тепловым сопротивлением, поэтому, например, только стальные каталитические решетки используют в двигателях, работающих на газе.

К преимуществам керамических блоков можно отнести более благозвучный для человеческого уха звук, издаваемый ими при работе, чем образующийся при прохождении выхлопных газов через металлические «соты». Однако керамический блок отличается гораздо менее прочной структурой, чем металлический, стойкость его к механическим повреждениям низкая, и очень часто они выходят из строя по причине появления трещин, образовавшихся от ударов. Также керамические блоки хуже металлических переносят перепады температур, поэтому, как писалось выше, «керамику» не применяют в двигателях, работающих на газе.

Эксплуатация катализатора – в жестких рамках

Катализатор относится к устройствам автомобиля, состояние которых водителю достаточно сложно диагностировать самостоятельно. Повреждение каталитического нейтрализатора легко обнаружить в результате проведения анализа выхлопных газов, однако выполнить это можно только на диагностическом стенде. Наиболее важным показателем является процентное содержание окиси углерода СО в «выхлопе». В автомобиле с поврежденным катализатором содержание СО достигает от 1,5 до 4%, тогда как нормально работающий катализатор снижает этот показатель примерно до 0,03%, а часто и до более низкого уровня.

Однако симптомы «утраты трудоспособности» катализатора можно обнаружить в процессе эксплуатации автомобиля. Потеря мощности, проблемы с запуском, шумная работа двигателя – все это может быть признаком того, что катализатор поврежден. Также следует проверить, в каком состоянии находится окончание выхлопной трубы. Если оно сильно закопчено, покрыто сажей, это верный знак того, что выхлопная система, и особенно катализатор, может иметь серьезные дефекты.

Рабочий ресурс современных катализаторов постоянно увеличивается, однако большинство производителей рекомендуют менять катализатор после 120…150 тыс. км пробега. Бывают, конечно, случаи, когда катализаторы выхаживают и по 250 тыс. км, но это относится к разряду исключений.

Для продления «жизни» катализатора необходимо тщательно следить за тем, что попадает в заправочный бак машины. Даже незначительное количество этилированного бензина может необратимо повредить катализатор. Поэтому особенно опасно заправлять автомобиль где-то на трассе, приобретая уже разлитое в канистры горючее.

Кроме того, использование топлива низкого качества, загрязненного, приводит к тому, что за счет высокой температуры выхлопных газов внутренняя часть катализатора может расплавиться. Нормальная работа катализатора происходит примерно при 600°С, а некачественное топливо может повысить температуру до 900°С.

Необходимо также систематически контролировать состояние свечей зажигания. Отсутствие искры в одном из цилиндров будет приводить к стеканию несгоревшего бензина в выхлопную систему, что негативно отразится на состоянии катализатора.

Каталитический нейтрализатор может быть разрушен одним ударом о бордюр или выступающий камень, при движении по пересеченной местности. Следует также опасаться резкого охлаждения катализатора, которое может произойти, например, при пересечении автомобилем глубокой лужи.

Кислородный датчик

Сокращение вредных выбросов в выхлопных газах в значительной степени зависит от кислородного датчика, или лямбда-зонда. Конструкция этих устройств претерпела с годами значительные изменения: если изначально это были обычные датчики, то сегодня это уже микропроцессорные системы.

Очистка выхлопных газов первоначально производилась только с использованием каталитических нейтрализаторов. В их функции входило ускорение химической реакции, в результате которой вредные соединения должны были преобразоваться в менее вредные. В 70-х гг. прошлого века был изобретен кислородный датчик. Соединение этого прибора с катализатором позволило значительно поднять уровень очистки отработанных газов. Лямбда-зонд нагревается быстрее катализатора, а значит, система управления двигателем быстрее начинает получать сигналы об изменениях содержания кислорода в выхлопных газах, которое, как известно, определяет оптимальный для сгорания состав топливно-воздушной смеси.

Чтобы стабилизировать температурный режим работы кислородных датчиков, сделать их независимыми от температуры отработанных газов, современные лямбда-зонды оснащают электрическими подогревателями. Постоянная рабочая температура позволяет получать сигналы от датчика в большем диапазоне режимов работы двигателя, что увеличивает в целом чистоту выхлопных газов автомобиля. Благодаря появлению независимых от окружающей температуры подогреваемых датчиков стали применять монтаж сразу двух кислородных датчиков – до и после катализатора. В этом случае контроль количества кислорода в смеси значительно более точен, а функционирование всей выхлопной системы более надежно. Кроме того, таким образом легко контролировать эффективность работы катализатора.

Один из наиболее известных производителей кислородных датчиков – японская компания Denso. Первые датчики компания выпустила в 1977 г., и за прошедшие годы Denso поставила сотни миллионов своих датчиков производителям автотехники по всему миру. Сегодня высокотехнологичные конструкции Denso доступны покупателям вторичного рынка, причем качество продукции не уступает качеству датчиков, идущих на конвейеры ведущих автостроителей.

Программа выпуска Denso охватывает 277 позиций и 1700 модификаций. Большая их часть – уникальные разработки инженеров компании. Среди таких разработок – датчики циркониево-оксидные, цилиндрического либо плоского исполнения, с подогревом и без такового, титановые датчики, лямбда-зонды для обедненных смесей, линейные A/F и другие.

Не менее известна продукция фирмы NGK. За последние 30 лет компания реализовала более 600 млн кислородных датчиков марки NTK. В течение последнего десятилетия предприятие стало одним из основных поставщиков подобных компонентов, как на вторичном рынке, так и при комплектации новых машин.

Технологии, связанные с производством кислородных датчиков, были освоены компанией NGK еще в 80-х гг. прошлого века, а объемы продаж датчиков NTK увеличивались год от года. До 1999 г. было реализовано 100 млн датчиков, в 2003 г. объем реализации составил 200 млн ед. За следующие четыре года объем возрос вдвое. Сегодня, когда датчики марки NTK уже отметили свое 30-летие, в компании утверждают, что в мире за этот период было продано более 700 млн датчиков.

Увеличению спроса на лямбда-датчики способствуют все более и более жесткие экологические нормы, вводимые в мире. Например, в начале нынешнего века, перед введением OBD II (On-Board-Diagnosis II), требованиями предусматривалась установка одного регулировочного кислородного датчика, но с введением OBD II каждый вновь зарегистрированный автомобиль должен иметь, кроме регулирующего датчика, еще и диагностический. Автомобили с двумя выхлопными трубами должны оборудоваться сегодня не менее чем двумя датчиками каждого вида.

Лямбда-зонды тоже ломаются

Одной из причин значительных объемов продаж кислородных датчиков является то, что поврежденный датчик ремонту не подлежит, а меняется на новый.

Однако лямбда-зонды, изготовленные известными производителями, как правило, не ломаются в течение всего срока эксплуатации транспортного средства, если, конечно, на них не воздействуют внешние причины, например механические удары, приводящие к появлению трещин в керамических элементах либо к обрыву соединения корпуса и кабеля. Загрязнение датчика оседающими на него твердыми частицами, вылетающими вместе с выхлопными газами, приводит к задержке его реагирования на изменения в составе выхлопных газов и, как следствие, вызывает неверные действия электронного модуля, управляющего работой двигателя. Также и влияние влаги, попадающей в места электросоединений, появление коррозии на металлических поверхностях контактов отражаются на качестве сигналов, передаваемых датчиком.

Итак, как мы видим, если учесть при выборе элементов системы выпуска отработавших газов все необходимые для долгой и надежной работы факторы, то можно действительно получить качественно и надежно работающую систему, а достаточно высокая цена ее будет вполне оправданна.