Противодавление в выхлопной системе автомобиля
025 — исследования: влияние диаметра трубы на противодавление в выхлопной системе
Доброго времени суток, друзья, читатели и клиенты.
Сегодня расскажу вам о результатах проведенных исследований по влиянию диаметра трубы на противодавление в выпускной системе.
Мотивом к проведению подобного исследования послужила «гигантомания», царящая в среде многих клиентов и производителей выпускных систем. Некоторые даунпайпы имеют основной диаметр 3.5 дюйма (88.9мм) при том, что в конце сужаются до 2.5-3 дюймов (63.5-76.1мм), а двигатели и штатные турбины, на которые они устанавливаются, имеют потенциал лишь до 320-400 л.с.
Использование большого диаметра объясняется тем, что сама горячая часть турбины использует большое выходное отверстие. На наш же взгляд, параметры турбины определяются прежде всего необходимостью максимально равномерно заполнить область перед катализаторами для их эффективной работы. Как правило, последние имеют диаметр 5 (127мм) и более дюймов.
Объект исследований – наша недавняя разработка – бескатализаторный даунпайп на двигатель BMW B48.
Мы будем проводить расчеты 3-х вариантов исполнения:
1) Штатная деталь с катализаторами
2) Даунпайп диаметром 3.5 дюйма (88.9мм)
3) Даунпайп диаметром 3.0 дюйма (76.1мм)
Все три варианта оканчиваются участком диаметром 80мм.
Целью исследования является:
1) определение среднего давления у выходов из крыльчатки турбины и вестгейта
2) определение разницы между средним давлением у выходов из крыльчатки и вестгейта с давлением у конечного отверстия детали
Входные условия:
1) Массовый расход воздуха из крыльчатки – 200 гр/с, из вестгейта – 50 гр/с. Общая цифра 250 гр/с примерно соответствует мощности 320-370 л.с.
2) Давление газов из крыльчатки – 2 бар, из вестгейта – 3 бар
3) Температура газов из крыльчатки – 620 С*, из вестгейта – 820 С*
4) Давление у конечного отверстия – атмосферное, температура – 20 С*
Результаты:
1) среднее давление у выходов из крыльчатки турбины и вестгейта:
a. Катализатор – 122,653 Па
b. Даунпайп 3.5 дюйма – 114,800 Па
c. Даунпайп 3 дюйма – 115,337 Па
2) разница между среднее давление у выходов из крыльчатки турбины и вестгейта с давлением у конечного отверстия детали:
a. Катализатор – 14,463 Па
b. Даунпайп 3.5 дюйма – 9,066 Па
c. Даунпайп 3 дюйма – 9,557 Па
Результаты говорят сами за себя – разница между даунпайпами 3.5 и 3 дюйма укладывается в пределы 500 Па или 0.005 бар. Оба варианта показали себя значительно лучше штатного катализатора — давление у выходного отверстия ниже штатного на 2,500 Па.
Для иллюстрации различий между тремя вариантами прилагаем иллюстрации и видео распределения давления, температуры и скорости. Шкалы для трех вариантов одинаковые.
Катализатор выхлопных газов. Мифы и заблуждения.
Катализатор (не котолизатор — это совсем другое устройство и для других целей…), он же каталитический нейтрализатор, каталитический преобразователь или каталитический конвертер — это устройство в выхлопной системе автомобиля направленное на снижение токсичных выбросов в атмосферу путем восстановления оксидов азота до азота и кислорода, дожига угарного газа и несгоревших углеводородов. В химии катализатор — это вещество ускоряющее или вызывающее химическую реакцию, но само при этом на расходующееся. Такими веществами являются медь, никель, золото, палладий, родий, хром и большинство драгоценных и редких металлических элементов. Принцип работы автомобильного катализатора как раз и основан на способности веществ-катализаторов к ускорению химических реакций. Чаще всего расположен катализатор сразу после приемной трубы, однако иногда его устанавливают прямо на приемной трубе, т.н. катколлектор. Делают это для более быстрого прогрева, так как эффективно работает он только при температурах свыше 300-400С. Однако большой минус такого расположения слишком высокие температуры в рабочем режиме и неприлично маленький срок службы катализатора.
Основные вещества, присутствующие в выхлопе, являются безвредными.
Однако процесс горения не совершенен и помимо безвредных веществ при работе двигателя выделяются крайне токсичные, канцерогенные и довольно вредные для людей вещества.
углеводороды (CHx)
оксиды азота (NOx)
окись углерода (CO)
Современные катализаторы являются трехкомпонентными, т.е. оснащены тремя каталитическими преобразователями, по одному на каждое вещество, которое необходимо снизить. Трехкомпонентный катализатор представляет собой металлический корпус из нержавеющей стали, в котором находится «сотовая» керамическая конструкция или реже конструкция типа «керамические бусины». Сотовая конструкция бывает металлической или керамической и покрыта веществами-катализаторами, обычно это платина, родий или палладий (в последнее время на некоторых моделях начинают применять золото, которое что удивительно дешевле других металлов-катализаторов). Керамическая конструкция более распространена, так как дешевле в производстве, однако у такой конструкции есть большой минус — хрупкость. Достаточно небольшого удара, чтобы керамические соты треснули и осыпались. В каталитических преобразователях используются два вида катализаторов: восстанавливающий и окислительный.
Восстанавливающий катализатор использует платину и родий, чтобы уменьшить выбросы оксидов азота. Когда молекула оксида или двуокиси азота встречается с молекулами катализатора, от нее отделяется атом азота, высвобождая кислород. Атом азота же связывается с другим атомом азота, образуя газообразный азот N2.
Окислительный катализатор уменьшает количество несгоревшего топлива СН и окиси углерода СО путем их сжигания (окисления) с помощью платины и палладия. Этот катализатор также помогает оксиду углерода вступить в реакцию с несгоревшим кислородом, образуя углекислый газ. В упрощенном виде эти химические реакции выглядят следующим образом:
Вследствие этих реакций токсичные, вредные вещества CO, CHx и NOx восстанавливаются или окисляются в безвредную воду H2O, азот N2 и углекислый газ CO2.
Каталитические преобразователи дизельных двигателей плохо справляются с сокращением выбросов NOx. Одна из причин в том, что дизельные двигатели сами по себе функционируют в более низком температурном режиме, чем бензиновые, а преобразователи работают лучше при нагреве. Ведущие эксперты в области «зеленого» автомобилестроения придумали новую выхлопную систему, которая помогает исправить этот недостаток. Они впрыскивают водный раствор мочевины в выхлопную трубу до того, как газы достигнут преобразователя. При этом возникает химическая реакция, которая уменьшает количество NOx. Карбамид, также известный как мочевина — органическое соединение углерода, азота, кислорода и водорода. Его можно обнаружить в моче млекопитающих и земноводных, что и объясняет такое название. Мочевина реагирует с NOx с получением азота и водяного пара, снижая количество оксидов азота в выхлопных газах дизельных двигателей более чем на 90 процентов.
Причины выхода катализатора из строя.
Для керамических катализаторов:
-Удар, например, о камень (достаточно небольшого удара, чтобы керамические соты рассыпались).
-Попадание воды на раскаленный катализатор, например, если заехать в лужу на прогретой машине (также может привести к тому, что соты рассыпятся).
-Неисправность в системе зажигания. Если при пуске двигателя не происходит воспламенение, то топливо может попасть в приемную трубу, а затем и в катализатор и бензин может взорваться в катализаторе (что также может привести к тому, что соты рассыпятся), многократные пропуски зажигания быстро разрушают и даже оплавляют катализатор.
Для всех катализаторов:
-Некачественный (низкое октановое число, содержание смол, дизтоплива) и этилированный бензин.
-Попадание паров и частиц несгоревшего масла (зола не имеет значения) быстро забивают соты.
-Попадание в катализатор антифриза или «левых» жидкостей для промывки топливной системы.
-Переобогощенная топливно-воздушная смесь покрывает катализатор сажей и забивает его.
-Долгая работа двигателя на холостом ходу, пробочная езда, постоянные автозапуски и прогревы.
Признаки неисправного катализатора
-Автомобиль начинает «тупить», ухудшаются динамические характеристики, автомобиль перестает «тянуть», плавают обороты на холостом ходу, двигатель может не разгоняться выше определенных оборотов, катализатор может раскалиться докрасна и даже оплавиться кожух.
-Двигатель начинает «дизелить», громко и жестко работать (сильный подпор выхлопным газам).
-Характерный звон и дребезжание в районе катализатора (соты катализатора рассыпались).
-При перегазовке из выхлопа высыпается «крупа» или белая-серая пыль — частицы катализатора.
Катализаторы не подлежат ремонту, а только замене на родной, либо на универсальный аналог. Также возможна замена катализатора на пламегаситель, с ухудшением норм экологичности до Евро-0 с невозможностью въезда в города большинства цивилизованных стран.
Предпочтительней ставить универсальный катализатор:
-Если автомобиль младше 5-10 лет.
-Если вы не хотите загрязнять атмосферу.
-Если вы планируете выезжать за границу.
-Если вы самостоятельно проходите техосмотр.
-Если работа ДВС без катализатора имеет сложности.
В других случаях более предпочтителен недорогой вариант с пламегасителем и обманкой либо прошивкой.
Средний срок службы современных катколлекторов (находящихся в непосредственной близости к ДВС) около 100-150т.км., катализаторов который устанавливаются снизу авто, после «паука», не менее 250т.км. Нередки случаи жизни катализаторов более 500т.км., только у старых авто, разработки 90х годов, сейчас такое не встречается и считают за чудо, если катализатор прожил 250-300т.км. Все дело в толщине и прочности керамики — раньше не экономили…
Заблуждения и мифы по поводу катализаторов.
-Вопреки расхожим мнениям гаражных, диванных аналитегов и автомастеров, осыпающийся катализатор не может навредить двигателю, вызвать абразивный износ, даже с фазовращателями на впуске и выпуске и катколлектором. Подсос керамической пыли в двигатель попросту НЕВОЗМОЖЕН, особенно если углубиться и посмотреть диаграммы работы двигателя. Выпускные клапана на этапе впуска закрыты ВСЕГДА, когда давление в выхлопной системе превышает давление в камере сгорания. Поэтому керамическая пыль не может попасть в камеру сгорания и наделать задиров на юбках поршня и хоне цилиндров. Тем более при разборках таких двигателей (которые имеют явные задиры и разрушенный катализатор) никакие впрессованные частицы или частицы в масле или фильтрах нигде обнаружены не были. Максимум что может сделать катализатор — постепенно разрушиться и улететь в атмосферу, а вот последнее совершенно не полезно для людей, микрочастицы катализаторной пыли, попадая в легкие (вместе с сажей от дизельных двигателей и пылью выбитой шипами из асфальта) навсегда остаются там и постепенно, накапливаясь — вызывают СИЛИКОЗ, с рубцеванием и разрушением тканей легких и провоцированием развития рака. Как вам такой расклад — любители «псевдозеленых» технологий? Небольшое количество окисей азота и углеводородов покажутся просто страшилкой. Поэтому при малейших признаках разрушения — удаляйте катализатор, меняйте на пламегаситель, спасите жизни окружающих от керамической пыли.
-Вопреки все зеленеющим технологиям, при прогреве двигателя (особенно в мороз) катализатор не работает вообще, а для более быстрого прогрева комп начинает жутко богатить смесь. Адская углеводородная вонища с утра у стоянок (у некоторых богатит аж до черного коптящего дыма в самом начале прогрева — что там про безвредный выхлоп с катализатором?) от только что заведенной машины не только от того что катализатор не работает (если он еще есть…), но и от богатой смеси, предназначенной для прогрева этого самого катализатора. Выходит что авто, комп которых рассчитан на быстрый прогрев катализатора при запуске — загрязняет атмосферу гораздо сильнее, чем те, у которых катализатора нет изначально!
—Правильно рассчитанный инжекторный двигатель, с широкополосной лямбдой, а также двигатель с непосредственным впрыском в катализаторе не нуждаются совершенно. Их выхлоп в нормальных режимах работы, а также при прогреве не содержит ничего вредного (высоких температур нет — окиси азота отсутствуют, смесь чуть бедная или нормальная, поэтому СО и СН в выхлопе тоже не будет), исключая режим работы с «прогревом» катализатора. Особенно бесполезен катализатор ДВС с непосредственным впрыском, т.к. их режимы работы предполагают почти постоянное обеднение смеси с разным соотношением воздух/топливо, вредные выбросы таких двигателей — минимальны.
-Наличие катализатора в системе приводит к росту расхода топлива (при прогреве и при низких температурах — к существенному росту, т.к. катализатор греется несгоревшим топливом), снижению момента и мощности (из-за дополнительного сопротивления в выхлопе), снижению надежности всей системы в целом и добавляет дополнительных расходов на поддержание всей систем в работоспособном состоянии — дополнительные дорогие лямбда-зонды, собственно сами катализаторы, усложнение конструкции выхлопной системы, вместе с ее утяжелением. Думаю многие заметили, что чем «экологичней» автомобиль — тем он дороже…
Вместо того, чтобы правильно настраивать двигатели и исключать появления в выхлопе окисей азота, углеводородов и моноксида углерода (таких способов сейчас существует огромное количество), производители навешали болванок с керамикой, которые еще и нужно прогревать несгоревшим топливом и повышенной температурой выхлопных газов. Т.е. мы жертвуем расходом топлива и ресурсом всей системы лишь ради того, чтобы катализатор всегда был нагрет как минимум до 300-400С, чтобы он мог дожигать несгоревшее топливо, которое подается с избытком для прогрева этого самого катализатора! Идиотизм, да и только…
Т.о. катализатор выхлопных газов был бы очень полезен во времена карбюраторных двигателей с постоянно богатой смесью и плавающей стехиометрией, из-за отсутствия нормальной обратной связи. Но в современных двигателях, очень точно регулирующих смесь до десятых долей %, имеющих широкополостные лямбда-зонды, высокоточные форсунки, а то и непосредственный впрыск применение катализаторов единственное — получение сертификата Евро с все возрастающей цифрой…к сожалению, все современные «экологичные и зеленые» системы и нормы придуманы лишь для одного — извлечения прибыли, из потребителей, организаций, автопроизводителей и всех остальных…все это не борьба за экологию…это борьба ЗА БАБЛО.
🔧 Как проверить катализатор на противодавление. 3 способа выявить забитый катализатор
В статье описаны принципы проверки катализатора в домашних условиях. Благодаря трем проверенным способам вы сможете сами проверить катализатор и вовремя распознать забитый катализатор.
Проверять катализатор нет необходимости до тех пор, пока вы не заметите следующие симптомы:
Авто словно «с якорем» набирает и едет очень туго до определенной скорости, после чего у двигателя словно просыпается второе дыхание, он начинает работать в привычном режиме.
Кроме того, эта проблема идет по нарастающей, т. е. авто сначала с трудом набирает 150, потом 120, а через некоторое время с огромным трудом преодолевает отметку в 100 км/час.
В некоторых самых тяжелых случаях мотор и вовсе может не запуститься.
Причиной всех вышеописанных симптомов могут быть разные части двигателя, однако не редко проблемы с динамикой начинаются именно когда его пропускная способность снизилась до критической отметки или когда в выхлопной системе полностью забитый катализатор. Производительность двигателя снижается в результате существенного ухудшения вентиляции цилиндров, силовой агрегат не может «вдохнуть» требуемое количество воздуха из-за того, что увеличено противодавление катализатора. Другими словами часть выхлопа застревает в цилиндрах, не позволяя топливно-воздушной смеси как следует заполнить пространство камеры сгорания, кроме того это ведет к разбавлению последней, как результат — снижение мощности (тяги) ухудшение динамики.
Что и почему забивает катализатор?
Теперь собственно о том как проверить катализатор на противодавление?
Три способа выявить забитый катализатор
1. Наиболее простым способом распознать забитый катализатор считается — полный демонтаж катализатора и последующий его визуальный осмотр на предмет просвета в нем. Крепление катализатора иногда настолько прикипает, что снять его получается только при помощи болгарки или других аналогичных приспособлений. Кроме того, конструкции выхлопных систем некоторых производителей настолько замысловатые, что для их демонтажа может потребоваться не один день, в некоторых сложных случаях снять выхлопную вообще не представляется возможным.
2. Самый верный способ как проверить катализатор на противодавление состоит в том, чтобы измерить давление в выпускной системе. Чтобы это сделать нужно вместо первого кислородного датчика, используя переходник, вкрутить манометр, после чего снять показания в разных режимах работы мотора. Общепринятым значением является давление 0,3 кгс/см2 при оборотах 2500 в минуту. Есть правда у этого способа свои недостатки, иногда бывает очень неудобно снимать датчик для проверки этой процедуры. Кроме того, датчики довольно крепко прикипают к выпуску, поэтому для того чтобы их снять приходится изрядно повозиться.
3. Третий способ можно считать самым техничным, поскольку он предусматривает измерение противодавления посредством мотор-тестера. Принцип такой: в место свечи в цилиндр устанавливается специальный датчик давления, после чего производится анализ осциллограммы на повышенных оборотах. На фото я привел типичную осциллограмму забитого катализатора.
Если давление в выпускной системе превышает 200 кПа, что равно почти 2 кгс/см2 — нужна замена катализатора.
Как обратное давление выхлопных газов влияет на мощность автомобиля?
Что такое обратное давление выхлопных газов, и насколько оно влияет на мощность?
Умудренные опытом автомеханики говорят, что высокое обратное давление выхлопных газов – это плохо. Если вы хотите сохранить максимальную мощность, то должны минимизировать обратное давление выхлопных газов*.
* Немного теории. Противодавление (обратное давление) на выхлопе является давлением, противоположенным току газов из камеры сгорания вдоль по ограниченному пространству трубы (в данном случае автомобильной). Часто причиной появления противодавления являются неровные поверхности стенок выхлопной трубы, препятствия или закругления в ней.
Обратное давление, вызванное установленной выхлопной системой (состоящей из выпускного коллектора, каталитического нейтрализатора, глушителя и соединительных труб) автомобильного четырехтактного двигателя, негативно влияет на эффективность работы двигателя, что приводит к снижению выходной мощности и должно быть компенсировано увеличением расхода топлива.
Немного практики. Возьмем автомобиль с очень «свободно дышащей» выхлопной системой: специальный гоночный автомобиль – драгстэр.
В выхлопной системе этого гоночного аппарата на каждом цилиндре применяется отдельная выхлопная труба. Длина каждой выхлопной трубы не превышает 1 метра, и служат они исключительно для управления потоком выхлопных газов, направляя их вверх и в сторону от двигателя и кузова автомобиля в процессе заезда, используя силу выхлопа для создания небольшого количества дополнительной прижимной силы для повышения тяги.
И вроде бы все в этом гоночном болиде ладно сделано и хорошо скроено, но есть одна противоречивая теория, которую время от времени озвучивают как на форумах Рунета, так и на зарубежных ресурсах, посвященных автомобилям. Главный посыл теоретической мысли – нехватка обратного давления в системе отрицательно влияет на мощность. Иными словами, если у вашего автомобиля в выхлопной системе слишком свободный ток выхлопных газов, это может фактически уменьшить выходную мощность.
К счастью, Джейсон Фенске с YouTube объяснил, что в данном случае хорошо, а что не очень.
Главная задача состоит в подборе труб системы правильной длины, от стенок которых волны выхлопных газов будут вовремя отражаться для возврата части энергии обратно, например к тому же цилиндру, во время открытия выпускного клапана, что позволит лучше очистить камеру сгорания от продуктов распада топлива. Буквально провентилировать ее изнутри.
Помимо этого, расчеты инженеров устремляются в сторону создания зон пониженного давления в трубах коллектора – другими словами, вакуума при помощи противодавления. Этот частичный вакуум может фактически высасывать выхлопные газы из цилиндра. Правильно спроектированная система выхлопа увеличивает этот эффект в широком диапазоне оборотов, эффективно очищая цилиндры от отработанных выхлопных газов при помощи точно настроенной формы выхлопной системы.
Двигатель, в котором лучше очищаются цилиндры, будет выдавать большую мощность, будет работать эффективнее, экологичнее и экономичнее. Без верно настроенных труб выхлопа, которые будут правильным образом распределять волны обратного давления, этого добиться будет крайне сложно, и отсюда неминуема потеря мощности.
Тем, кому интересно узнать больше нюансов, можно посмотреть видео, предварительно включив субтитры и выбрав перевод на русский в меню «Настройки» (шестеренка в правом нижнем углу видео).
Три способа как выявить забитый катализатор.
Как проверить катализатор на противодавление. Пять способов выявить забитый катализатор
В статье описаны принципы проверки катализатора в домашних условиях. Благодаря трем проверенным способам вы сможете сами проверить катализатор и вовремя распознать забитый катализатор.
Проверять катализатор нет необходимости до тех пор, пока вы не заметите следующие симптомы:
Авто словно «с якорем» набирает и едет очень туго до определенной скорости, после чего у двигателя словно просыпается второе дыхание, он начинает работать в привычном режиме.
Кроме того, эта проблема идет по нарастающей, т. е. авто сначала с трудом набирает 150, потом 120, а через некоторое время с огромным трудом преодолевает отметку в 100 км/час.
В некоторых самых тяжелых случаях мотор и вовсе может не запуститься.
Причиной всех вышеописанных симптомов могут быть разные части двигателя, однако не редко проблемы с динамикой начинаются именно когда его пропускная способность снизилась до критической отметки или когда в выхлопной системе полностью забитый катализатор. Производительность двигателя снижается в результате существенного ухудшения вентиляции цилиндров, силовой агрегат не может «вдохнуть» требуемое количество воздуха из-за того, что увеличено противодавление катализатора. Другими словами часть выхлопа застревает в цилиндрах, не позволяя топливно-воздушной смеси как следует заполнить пространство камеры сгорания, кроме того это ведет к разбавлению последней, как результат — снижение мощности (тяги) ухудшение динамики.
Что и почему забивает катализатор?
Теперь собственно о том как проверить катализатор на противодавление?
Пять способов выявить забитый катализатор
1. Наиболее простым способом распознать забитый катализатор считается — полный демонтаж катализатора и последующий его визуальный осмотр на предмет просвета в нем. Крепление катализатора иногда настолько прикипает, что снять его получается только при помощи болгарки или других аналогичных приспособлений. Кроме того, конструкции выхлопных систем некоторых производителей настолько замысловатые, что для их демонтажа может потребоваться не один день, в некоторых сложных случаях снять выхлопную вообще не представляется возможным.
2. Самый верный способ как проверить катализатор на противодавление состоит в том, чтобы измерить давление в выпускной системе. Чтобы это сделать нужно вместо первого кислородного датчика, используя переходник, вкрутить манометр, после чего снять показания в разных режимах работы мотора. Общепринятым значением является давление 0,3 кгс/см2 при оборотах 2500 в минуту. Есть правда у этого способа свои недостатки, иногда бывает очень неудобно снимать датчик для проверки этой процедуры. Кроме того, датчики довольно крепко прикипают к выпуску, поэтому для того чтобы их снять приходится изрядно повозиться.
3. Третий способ можно считать самым техничным, поскольку он предусматривает измерение противодавления посредством мотор-тестера. Принцип такой: в место свечи в цилиндр устанавливается специальный датчик давления, после чего производится анализ осциллограммы на повышенных оборотах.
4. Обращение в автосервис — это достаточно простой, но дорогой способ решить проблемы с катализатором, выполнив его качественную диагностику. Нужно лишь выбрать хорошие мастерские, где имеются соответствующие устройства для диагностики двигателя автомобиля и его выхлопной системы. В последующем мастера на основании полученных данных определят, каково состояние катализатора, можно ли его ещё использовать или же такая деталь требует замены или демонтажа.
Вырезаем катализатор
5. Без демонтажа и посещения СТО такую процедуру можно сделать и самостоятельно, воспользовавшись недорогим автомобильным сканером. Все что необходимо сделать — это сравнить показания лямбда-зонд на входе и выходе из катализатора. К примеру, воспользуемся недорогим мультимарочным сканером Scan Tool Pro Black Edition.
Scan Tool Pro Black Edition
При нормальном состоянии лямбда-зонда и катализатора первый датчик покажет синусоиду с напряжением от 0.1-0.3 до 0.7-0.9 V. А второй датчик, отвечающий непосредственно за катализатор, должен иметь прямую линию с показаниями 0.7-1 V.
Если напряжение составляет 0.5-0.7 V — катализатор подзабит. Если же показания будут меньше 0.5 V то катализатор неисправен.
Scan Tool Pro Black Edition универсальный сканер и подойдет практически для любого автомобиля с OBD2 разъемом подключения.
Если давление в выпускной системе превышает 200 кПа, что равно почти 2 кгс/см2 — нужна замена катализатора.