Сварка выпускного коллектора

Назначение выпускного коллектора двигателя

Выпускной коллектор — одна из важнейших деталей системы выпуска отработанных газов двигателей внутреннего сгорания. Коллектор выполняет две ключевых функции:

• Сбор и отвод отработанных газов из цилиндров, сбор газов от всех цилиндров в одну приемную трубу;
• Помощь в продувке цилиндров и эффективном заполнении цилиндров новой порцией горючей смеси.

Неправильно считать, что коллектор — это просто сборщик выхлопных газов (собственно, это слово является калькой с английского collector — сборщик или собиратель). В действительности это деталь, с помощью которой осуществляется настройка выхлопа, повышающая эффективность и мощность двигателя. Это легко объясняет теория ДВС и коллектора.

Работа двигателя происходит циклично, в обычных четырехтактных моторах удаление отработанных газов из каждого цилиндра (а равно и заполнение цилиндра горючей смесью) происходит один раз в два оборота коленчатого вала. Об этом нужно помнить, чтобы понять суть происходящих в выхлопной системе процессов.

Отработанные газы, выходящие из цилиндра при открытии выпускного клапана, имеют высокое давление, поэтому они с высокой скоростью устремляются в коллектор. За этой порцией газа образуется разрежение (падение давления воздуха), которое играет важнейшую роль в продувке цилиндра. Непосредственно перед достижением поршня ВМТ наступает момент, когда открыты как выпускные, так и впускные клапаны. Поэтому воздух спокойно проходит через цилиндр из впуска в выпуск, обеспечивая удаление остатков отработанных газов и более полное заполнение цилиндра топливно-воздушной смесью.

Однако газы из цилиндра не просто выходят — они движутся по коллектору, достигают приемной трубы и ударяются о катализатор или глушитель (в зависимости от того, как устроена система выпуска ОГ конкретного автомобиля). Катализатор и глушитель — это довольно ощутимые препятствия для движущихся с большой скоростью газов, поэтому часть газов (около половины всего объема) не проходит дальше, а отражаются и возвращаются к цилиндру, там они снова отражаются и идут в сторону глушителя, и т.д. Так в коллекторе возникает волновой процесс (резонанс), который оказывает серьезное влияние на работу двигателя.

Дело в том, что газы могут вернуться к цилиндру до начала или в самый момент открытия выпускного клапана, и ухудшить выход новой порции отработанных газов. Это снизит эффективность работы двигателя и его мощность. Если же газы вернутся к цилиндру и отразятся до начала открытия выпускного клапана, то здесь вновь образуется разрежение воздуха, которое будет помогать выходить новой порции отработанных газов.

Здесь есть и еще один важный момент. Обычно коллекторы всех или двух цилиндров сходятся в одной точке, поэтому отработанные газы одного цилиндра будут оказывать влияние на работу других цилиндров. Например, в двигателях с порядком работы цилиндров 1-3-4-2 газы из первого цилиндра могут столкнуться с газами из третьего цилиндра, что ухудшит их отвод и снизит эффективность мотора. С другой стороны, газы от третьего цилиндра могут идти вслед за газами первого цилиндра, и в этом случае порция газа первого цилиндра вследствие образуемого ща ним разрежения будет «тянуть» за собой порцию газов третьего цилиндра, повышая эффективность их отвода и продувки цилиндра.

Поэтому важнейшая задача конструкторов заключается в том, чтобы подобрать оптимальную длину выпускного коллектора, при которой отработанные газы образовывали бы стоячие волны с областями разрежения в некоторых определенных областях — у выпускного клапана, в месте встречи потоков газов от двух цилиндров и т.д. Это называется настройкой выпуска, и благодаря ей современные двигатели максимально полно используют свой потенциал.

Настройка выпуска имеет свои сложности, например — коллектор малой длины эффективен на высоких оборотах, а коллектор большой длины проявляет себя на малых оборотах. А так как обычный двигатель может работать в широком интервале оборотов, то приходится идти на компромисс и рассчитывать коллектор только на какой-то средний интервал оборотов.

Цели, которые ставятся перед выпускными коллекторами, достигаются с помощью различных технических решений, что проявляется многообразием конструкций коллекторов.

Типы и конструкция тепловых экранов выпускного коллектора

В настоящее время существует два основных типа экранов выпускного коллектора:

— Стальные экраны без теплоизоляции;
— Экраны с одним или несколькими слоями теплоизоляции.

Экраны первого типа — это штампованные стальные листы сложной формы, закрывающие выпускной коллектор. На экране обязательно предусмотрены кронштейны, отверстия или проушины для монтажа к двигателю. Для повышения надежности и устойчивости к деформациям при нагреве на экране штампуются ребра жесткости. Также в экране могут быть выполнены вентиляционные отверстия, которые обеспечивают нормальный тепловой режим работы коллектора, одновременно предотвращая чрезмерный нагрев окружающих деталей.

Экраны второго типа также имеют стальную штампованную основу, которая дополнительно покрыта одним или несколькими слоями устойчивой к высоким температурам теплоизоляцией. Обычно в качестве теплоизоляции используются тонкие листы минерального волоконного материала, покрытого отражающим инфракрасное излучение металлическим листом (фольгой).

Все экраны изготавливаются таким образом, чтобы повторять форму выпускного коллектора или охватывать его максимальную площадь. Наиболее простые экраны представляют собой практически плоский стальной лист, накрывающий коллектор сверху. Более сложные экраны повторяют формы и обводы коллектора, что позволяет экономить место в подкапотном пространстве с одновременным улучшением теплозащитных характеристик.

Монтаж экранов осуществляется непосредственно на коллектор (чаще всего) или блок двигателя (значительно реже), для монтажа используется 2-4 болта. При таком монтаже экран не контактирует с другими деталями двигателя и подкапотного пространства, чем повышается степень его защиты и удовлетворяются требования пожарной безопасности.

В целом, экраны выпускных коллекторов очень просты по конструкции и надежны, поэтому требуют к себе минимального внимания.

Сварка коллектора из нержавейки

Трубчатые комплектующие обычно прогорают в местах изгибов. Сложности работы с нержавейкой:

• легированные сплавы в области рабочей зоны подвержены температурной деформации;
• никель, хром, другие компоненты при нагреве активно окисляются, это пагубно сказывается на качестве шва.

Для устранения дефектов применяется метод аргоновой сварки. Защитная атмосфера оберегает металл от окисления, из-за обдува меньше прогревается область, граничащая с рабочей зоной. Необходимо учитывать, что теплопроводность нержавейки ниже, чем у черных низкоуглеродистых сплавов. Нужна небольшая сила рабочего тока, она подбирается экспериментально

Важно соблюдать скорость образования шва. Металл варится большими проходами, чтобы не возникало межкристаллической коррозии в области соединения

Режим работы зависит от используемого оборудования.

Возможные методы:

• используя универсальный инвертор, для аргоновой сварки в режиме CD/АС TIG применяют тугоплавкие вольфрамовые электроды;
• для ручной электродуговой сварки нужны жаростойкие присадки марки ММА с рутиловым покрытием;
• для полуавтоматов выбирают проволоку по нержавейке, шов получается плотным, не требующим дополнительной обработки.

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. 

Типы и конструктивные особенности коллекторов

Конструктивно все выпускные коллекторы делятся на две большие группы:

• Цельные;
• Трубчатые.

Цельные коллекторы устроены просто — это литая конструкция, в которой короткие трубы от каждого цилиндра объединены в общую камеру или приемную трубу. Такие коллекторы вследствие малой длины каналов и особенностей их расположения имеют невысокую эффективность и с их помощью нельзя хорошо настроить выпуск. Однако они очень просты в изготовлении, поэтому находят широкое применение на дешевых двигателях и на малооборотистых тракторных дизелях.

Часто цельный коллектор объединяется в один узел с впускным коллектором — такая деталь называется газопроводом. Это решение широко используется на отечественных двигателях.

Трубчатые коллекторы (они в нашей стране часто называются «пауками») — это более сложная по конструкции, но при этом более эффективная система, с помощью которой можно качественно настроить выпуск. Такие коллекторы обычно изготавливаются из стальных труб, которые на определенной длине переходят в общую приемную трубу.

Трубчатые коллекторы делятся на две большие группы:

• «Короткие» коллекторы типа 4-1 — в таком коллекторе трубы от каждого цилиндра имеют одинаковую длину и в одном месте сходятся в одну приемную трубу;
• «Длинные» коллекторы типа 4-2-1 — в таком коллекторе трубы объединены попарно (обычно соединяются 1-й и 4-й, и 2-й и 3-й цилиндры, они образуют Y-образную конструкцию), а затем две пары соединяются в одну общую приемную трубу.

Эти коллекторы названы «длинными» и «короткими» из-за того пути, который проходят отработанные газы. В коллекторах 4-1 газы проходят меньший путь, поэтому они лучше подходят для высокооборотистых моторов (а лучшие режимы работы они обеспечивают двигателям с рабочей частотой вращения вала 6000 об/мин и выше). В коллекторах 4-2-1 газы проходят более длинный путь, поэтому они лучше подходят для менее оборотистых моторов и сегодня находят очень широкое применение.

Трубчатые коллекторы имеют характерные формы, за которые они и получили название «паук». Такие формы придаются трубам коллектора не просто так — трубы, выходящие из каждого цилиндра, должны иметь строго определенную длину, и чтобы все трубы сошлись в одной (для коллекторов 4-1) или в трех (для коллекторов 4-2-1) точках, их приходится изгибать и закручивать. Здесь свою роль также играет и теснота моторного отсека.

Важно отметить, что каждый двигатель должен оснащаться рассчитанным под него коллектором, в противном случае будет наблюдаться потеря мощности и ухудшение работы силового агрегата

Поэтому при форсировании и тюнинге двигателя большое внимание уделяется правильном расчету и изготовлению коллекторов для него. И при правильном подходе с помощью одно лишь коллектора можно увеличить мощность двигателя на 3-5%

Что такое коллектор + причины его поломок

В системе автомобиля под коллектором подразумевают впускную или выпускную деталь, расположенную по обеим частям двигателя. Как правило, элементы не имеют точек соприкосновения, к тому же, в 90% случаев выполнены из различных сплавов металла.

Задачи коллектора определяются его типом:

• впускной. Задача детали – это подвод и помощь в смешивании смеси топлива до того, как она попадет в цилиндры двигательной системы;
• выпускной. Выполняет отводящую функцию, где в качестве транспортного сырья выступают сгоревшие газы. Отходы поступают сначала в катализатор, а потом подаются на глушитель.

Структура обоих типов коллекторов также имеет большое сходство – это от 2 до 6 трубок, объединённые в одну, которые «одеваются» на цилиндры двигателя. Число трубок зависит от числа цилиндров, а в 2020 году могут встречаться как старые модели (та же «ОКА») с 2 цилиндрами, или продвинутые американские бензинопожирающие «монстры» с 6-ю цилиндрами. По классике – это 4 цилиндра.

Фото впускного коллектора представлено выше. Его подключение происходит к системе по подаче топлива + воздуха. В верхней части детали будет расположена или заслонка дросселя, или карбюратор.

Принцип работы выпускного коллектора:

1. После поступления в двигатель топлива, клапаны закрываются.
2. Происходит поджигание смеси свечей зажигания.
3. Поршень смещается вниз благодаря получившейся взрывной силе.
4. В работу вступают клапана на выпуске, которые отводят сгоревшие остатки топлива и газы в выпускной коллектор. К каждой трубе идет подвод коллектора, который в конце объединяет все ответвления в единое целое.
5. Катализатор поджигает смесь из трубы.
6. Горючие частички отправляются или в трубоотвод, или сразу в глушитель.
7. Газы выходят во внешнюю среду.

Выходной коллектор + глушитель подавляют звуки от работы мотора, делая ход транспортного средства для окружающих, в звуковом плане, комфортным.

Аналогичная ситуация и со сваркой. Если для залатывания коллектора будет использован низкокачественный материал, о долговечности проделанной работы не может быть и речи. В большинстве случаев отводящий коллектор дополняют специальным датчиком, который помогает отслеживать уровень кислорода в выхлопе. Он помогает корректировать состав топливной смеси, что подается в двигатель. Как итог – незримая взаимосвязь между составляющими системы.

Теперь поговорим о классификации проблем выхлопной системы.

Оговоренные проблемы возникают из-за влияния химических веществ, которые содержаться в смесях, распространяемых во время гололедицы. Вторая причина – износ детали. Система постоянно находится под влиянием высоких температур. Плавление и прогорание ее компонентов не диковинка.

Выпускной коллектор: причины выхода из строя и обслуживание

В зависимости от марки машины и типа двигателя, на двигатель устанавливаются модели различных модификаций. Их можно разделить на две группы:

• цельнометаллические, они обычно делаются методом литья из чугуна;
• трубчатые, для их производства используются нержавеющие трубы различного диаметра.

К блоку ДВС коллекторы крепятся на фланцы. При каждом такте в камеру поступают под давлением отработанные газы. Их температура достигает 900 градусов. Понятно, что деталь, работая в таком режиме, способна сломаться.

Нарушение герметичности выпускного коллектора – самый сложный дефект. Возможные ситуации:

• прогорает одна из труб;
• от динамической нагрузки появляются трещины на коллекторе;
• полностью отламывается патрубок.

Трещина на выпускном коллекторе

Все эти повреждения – проблема. Для многих автомобилей процедура замены детали затягивается на месяцы – «родные» запчасти иногда приходится заказывать.

На многих СТО их восстанавливают. Сварка коллекторов в зависимости от их модификации производится методами горячей, холодной или аргоновой сварки. Работы производят разным типом оборудования, с использованием электродов или присадочной проволоки. Реставрацией можно заняться во дворе дома или гараже. Как заварить выпускной коллектор самостоятельно? Рассмотрим подробно каждый из методов.

Сварка чугунного выпускного коллектора

Температурная обработка высокоуглеродистого сплава связана с определенными трудностями:

• углерод при термическом воздействии выгорает, металл становится рыхлым;
• у чугуна высокий коэффициент текучести;
• при быстром охлаждении, из-за внутреннего напряжения, литье начинает трескаться, становится белесым, это говорит об изменении структуры сплава.

Сварка выпускного коллектора из чугуна под силу стажистам. Новичкам лучше не браться за реставрацию детали автомобильного двигателя, или сначала нужно потренироваться на бросовых изделиях из чугуна. До недавнего времени за ремонт чугуна сварщики не брались. Шов получался с большим содержанием окалины, в зоне разогрева металл трещал. После появления специальных медесодержащих электродов, позволяющих снижать температуру в ванне расплава до +120°С, появилась возможность создавать прочные соединения.

Горячий и полугорячий способы принципиально не различаются. Трещина наплавляется медесодержащими присадками при предварительном прогреве детали. При горячем, деталь разогревают в печи до температуры +600°С, появляется малиновый отлив. Он заметен при затенении. После этого приступают к сварке. Чтобы деталь быстро не остывала, ее периодически прогревают паяльной лампой. При полугорячем способе деталь разогревают в пределах +300°С. Получается ровный шов

Очень важно поддерживать температуру во время охлаждения. Если глубина трещины большая, ее:

• предварительно разделают на всю глубину;
• края рассверливают с обеих сторон;
• кромки сглаживают под углом 30°.

Делают многослойное соединение. Каждый шов обязательно проковывается, длина проходки не более 3 см. Швы для надежности соединения делают перпендикулярно. При электродуговой сварке используют электроды марки ЦЧ-4.

Холодный способ не предусматривает предварительной подготовки. Трещина наплавляется в температурном режиме до 200°С. Для работы используют специальные электроды ОЗЧ-6, ОЗЧ-2.

Прочность на излом у холодного соединения ниже. Для ответственных соединений (когда патрубок выходного коллектора отломлен полностью) лучше брать электроды МНЧ-2. При газовой сварке полуавтоматом применяют медную присадочную проволоку.

Вопросы обслуживания и замены экранов выпускного коллектора

При эксплуатации автомобиля экран выпускного коллектора подвергается высоким тепловым нагрузкам, что приводит к его интенсивному износу. Поэтому экран следует периодически проверять на предмет его целостности — на нем не должно быть прогаров и других повреждений, а также чрезмерной коррозии

Особое внимание следует уделять местам крепления экрана, особенно если это кронштейны. Дело в том, что именно места контакта с коллектором подвержены наибольшему нагреву, а значит и наиболее всего подвержены риску повреждений

При обнаружении любых повреждений или разрушений экран следует заменить. Особенно эта рекомендация относится к автомобилям, у которых экран выпускного коллектора установлен штатно (с завода). Замена детали выполняется только на холодном двигателе, для выполнения работы достаточно выкрутить болты, удерживающие экран, снять старую деталь и установить точно такую же новую. За счет постоянного воздействия высоких температур болты «прикипают», поэтому рекомендуется обработать их каким-либо средством, облегчающим выворачивание. А после этого необходимо прочистить все резьбовые отверстия от коррозии и загрязнений. Каких-либо дополнительных действий выполнять не требуется.

Если на автомобиле не было экрана, то дооснащение следует выполнять с осторожностью. Во-первых, необходимо подобрать подходящий по конструкции, форме, размерам и конфигурации экран

Во-вторых, при монтаже экрана рядом с ним не должно быть проводки, бачков, датчиков и других компонентов. А в-третьих, экран нужно монтировать с максимальной надежностью, предотвратить его колебания и перемещения во время эксплуатации автомобиля.

Наконец, экран коллектора не рекомендуется красить (даже с помощью специальных термостойких красок), накладывать на него теплоизоляцию и изменять конструкцию. Покраска и изменение конструкции экрана снижает пожарную безопасность и ухудшает температурный режим в подкапотном пространстве.

При правильной установке и замене экрана выпускного коллектора в моторном отсеке будет поддерживаться комфортная температура, а автомобиль будет защищен от пожара.