Здесь показан бензиновый вариант. У дизеля очистка может включать сажевый фильтр и систему SCR. Катализатор не делает выхлоп безопасным для вдыхания.
Выпуск: устройство и принцип работы
Выводит газы, снижает шум и помогает очищать выхлоп.
Выход из цилиндра
Выпускной клапан открывает канал для газов.
Очистка
Прогретый катализатор помогает уменьшать вредные выбросы.
Снижение шума
Глушитель уменьшает шум, газы выходят по трубе.
Как выхлоп становится тише и чище
Из цилиндров выходит газ с температурой до 900 °C, давлением импульсов и примесями: угарный газ CO, несгоревшие углеводороды CH и оксиды азота NOx. Выпускная система отводит его, очищает и глушит.
Собрать и измерить. Коллектор собирает газы четырёх цилиндров в одну трубу. Датчик кислорода сразу за ним сообщает блоку состав смеси.
Нагреть катализатор. Платина, палладий и родий работают только горячими: около 250–300 °C половина вредных газов уже превращается. Поэтому катализатор ставят ближе к двигателю.
Держать λ = 1. В богатой смеси не хватает кислорода, чтобы дожечь CO и CH; в бедной некому забрать кислород у NOx. Блок качает смесь вокруг λ = 1, а катализатор сглаживает эти качания запасом кислорода.
Погасить звук. Средний глушитель поглощает шум волокнистой набивкой, задний — отражением волн в камерах. Подвесы не пускают вибрацию в кузов.
Детали в модели «Выпускная система и катализатор»
Выпускной коллектор. Чугунный коллектор «4 в 1» собирает газы четырёх цилиндров. На полной нагрузке газы у фланца головки нагреты до 850–950 °C, коллектор раскаляется докрасна.
Верхний датчик кислорода (широкополосный). Планарный циркониевый датчик с подогревом до 750 °C. Измеряет λ от 0,7 до 4 и выдаёт непрерывный сигнал: блок управления по нему держит смесь у λ = 1.
Нижний датчик кислорода (после катализатора). Обычный «пороговый» датчик: 0,1 В в бедной смеси, 0,8–0,9 В в богатой. По нему блок проверяет, запасает ли катализатор кислород.
Каталитический нейтрализатор. Керамические соты со стенками 0,1 мм покрыты платиной, палладием и родием. Начиная с 250–300 °C они превращают CO, CH и NOx в CO₂, воду и азот более чем на 95 %.
Гибкая гофра. Сильфон в металлической оплётке длиной 120 мм гасит качание двигателя на опорах, чтобы трубы и катализатор не трескались.
Средний глушитель (резонатор). Прямоточная перфорированная труба в корпусе, набитом базальтовой ватой. Поглощает высокочастотный шум и почти не создаёт сопротивления.
Основной (задний) глушитель. Три камеры и три перфорированные трубы: газ проходит через глушитель трижды, меняя направление, звуковые волны гасят друг друга. В средней камере набивка.
Трубы. Алюминизированная или нержавеющая сталь Ø50 мм, стенка 1,5–2 мм. Перед задним мостом труба выгнута вверх.
Резиновые подвесы. Резиновые подушки на стальных крючках держат систему под кузовом и не пускают вибрацию в салон. Резина выдерживает до 120–150 °C.
Показ по шагам
Холодный пуск. Катализатор холодный, соты не работают: CO, CH и NOx проходят насквозь — частицы почти не меняют цвет. Блок задерживает зажигание, чтобы выхлоп был горячее.
Датчик кислорода. Верхний датчик меряет λ сразу за коллектором. Блок поправляет впрыск так, чтобы смесь качалась около λ = 1 — только там катализатор чистит все три газа.
Катализатор проснулся. Передний блок прогрелся выше 250–300 °C и начал работать: газы на выходе меняют цвет, а реакции сами добавляют тепла.
Нижний датчик проверяет. Исправный катализатор запасает кислород и сглаживает колебания: нижний датчик держится около 0,6–0,7 В, хотя верхний «качается». Смотрите график сигналов.
Глушители. Средний глушитель поглощает высокие частоты ватой, задний гонит газ через три камеры и гасит низкий гул.
Что ломается и как это проявляется
Катализатор оплавлен и забит. Признаки: горит лампа «ошибка двигателя» с кодом эффективности катализатора. Двигатель плохо набирает обороты, на высоких «задыхается», расход растёт, иногда пахнет тухлыми яйцами. Что проверить: сравнить сигналы датчиков: исправный катализатор «сглаживает» нижний. Замерить противодавление (на холостом ходу обычно меньше 0,1 бар) или разрежение во впуске на оборотах. Сначала устранить причину: пропуски зажигания, расход масла.
Отказал верхний датчик кислорода. Признаки: расход топлива вырос на 10–20 %, холостой ход неровный, на срезе трубы чёрная сажа, горит лампа двигателя. Что проверить: данные сканера: сигнал датчика и коррекции топлива, сопротивление нагревателя (обычно 2–4 Ом у широкополосного). Причину налёта — расход масла, антифриз в цилиндрах — тоже нужно найти.
Подсос у фланца перед датчиком. Признаки: на холодную слышно частое тиканье у двигателя, под капотом пахнет выхлопом. Смесь «плавает», растёт расход, может появиться ошибка «смесь бедная». Что проверить: слушать на холодном двигателе, проверить фланец и шпильки на сажу, закрыть срез трубы тряпкой на холостом ходу (осторожно!) — будет шипение у щели. Прокладку и самоконтрящиеся гайки меняют.
Оборвался подвес глушителя. Признаки: на холостом ходу и на неровностях под днищем стучит и дребезжит, глушитель провис, при перегазовке бьётся о кузов. Что проверить: покачать систему рукой на холодной машине, осмотреть все подушки. Подвес меняют, заодно проверяют, не треснула ли труба у переднего крепления глушителя.
Прогорел задний глушитель. Признаки: выхлоп стал громким и «рычащим», в салоне гул, особенно при разгоне. Снизу на корпусе ржавое пятно с дырой. Что проверить: осмотреть корпус снизу и швы, закрыть срез трубы на холостом ходу и слушать, откуда шипит. Сквозную коррозию варить бесполезно — глушитель меняют.
Упрощения модели
Трасса укорочена примерно вдвое, двигатель показан силуэтом. Нагрев катализатора ускорен в 4 раза.
Сигналы датчиков и эффективность посчитаны по упрощённым формулам, без химической кинетики и точного запаса кислорода.
Перфорация и вата нарисованы текстурой, отверстия в трубах не моделируются по отдельности.
Уровень шума — оценка, а не расчёт акустики.
Связанные узлы и детали
Модель показывает принцип работы. Геометрия и режимы упрощены для обучения.