Izduvni sistem

Izduvni sistem

Kako se automobilski motor rešava svojeg ‘otpada’, odn. produkata sagorevanja  smeše goriva i vazduha, uz pohvalnu brigu o zaštiti okoliša, saznaćemo u ovom članku. Ovoga puta opisujemo celu hrpu vrućih metalnih cevi i još poneki deo.

Osnovni delovi izduvnog sistema

Osnovni delovi izduvnog sistema

 

Priča o izduvnom sistemu je zamršena (ili jednostavna, kako vam drago) verovatno jednako koliko i ona o usisu automobilskog motora. Tako ćemo u ovom poglavlju proučiti sve delove izduvnog sistema, koji uključuju izduvnu  granu (ili izduvni kolektor), izduvni lonac (prigušivač), katalizator, filter izduvnih čestica i senzor kiseonika (O2 senzor ili Lambda-sonda), a biće reči i o neobičnim, mističnim tečnostima koje se u izduv ubacuju zbog dodatnih ekoloških učinaka.

Pod zajedničkim nazivnikom, možemo reći da je zadatakizduvnog sistema (pored samog odvođenja) prikupljanje, hlađenje, stišavanje (uslovno rečeno) i pročišćavanje izduvnih gasova. No, krenimo (nekim) redom.

Izduvni kolektor – mesto gde priča počinje

Nakon sagorevanja, vrući gasovi kroz otvoreni izduvni ventil odlaze u izduvnu granu, prolaze pokraj senzora kiseonika (lamba-sonda), ulaze u katalizator te nakon njega prolaze kroz jedan ili više prigušivača. U slučaju dizel motora, u celoj se priči negde može nalaziti i filter izduvnih čestica, komercijalno najčešće označen kao DPF (Diesel Particulate Filter). Ali na posletku, sve što je preostalo odlazi putem izduvne cevi u okolinu pa mi to onda lepo udišemo, i tako to…

Izduvni kolektori za V8 motore (Holley Performance Products, Nelson Racing)

Izduvni kolektori za V8 motore (Holley Performance Products, Nelson Racing)

Izduvna grana, ili izduvni kolektor, svojim je izgledom slična usisnoj grani. Ali, ovde se radi o cevima koje se nastavljaju na izduvne otvore cilindara. Izduvna grana u “običnim” automobila je najčešće izrađena od metala livenog u kalupu, ali ima ih i koje su izrađene od međusobno zavarenih valjanih cevi, što je obično slučaj kod motora viših performansi ili sportskih automobila. O izduvnoj grani ne treba mnogo pričati, osim što ćemo spomenuti da je (dok motor radi) ne treba pipati jer su, kao što znamo, izduvni gasovi koji kroz nju prolaze izuzetno visoke temperature.

izduvni_sistem_04

Izduvni sistem V6 motora na Mercedesu SLK (Daimler AG)

Izduvni sistem V6 motora na Mercedesu SLK (Daimler AG)

 

Ali, ono što je tehnički ipak značajnije, jest konstrukcija izduvne grane, od kojih smo prikazali četiri najuobičajenije. Levo na gornjoj slici je prikazan izduvni kolektor običnog i niti prema čemu uzbudljivog 4-cilindričnog motora, obično napravljen od livenog gvožđa. Izduvni gasovi  se ovde dovode iz sva četiri cilindra cevima koje se spajaju na jednom mestu odakle sve ide prema katalizatoru i prigušnim loncima.

Ali, sledeći prikazani kolektor već je malo “pametniji”. Kod njega su izduvne cevi spajane postepeno čime se smanjuju unutrašnji otpori izduvnog sistema zahvaljujući čemu se ubrzava njihovo strujanje. Treća verzija priče u svojoj je osnovi jednaka ovoj drugoj, dok ona najkomplikovanija prikazuje izduvni kolektor motora kakvi se ugrađuju na sportske automobile, tj. motore visokih performansi.

Izduvni kolektor za BMW M3 E46 (Active Autowerke)

Izduvni kolektor za BMW M3 E46 (Active Autowerke)

Kod četvrtog, najkomplikovanijeg primera osnovni je cilj konstrukcije (sve su cevi približno jednake dužine) taj da se do najveće moguće mere smanje unutrašnji otpori izduvnog sistem kako bi izduvni gasovi strujali što brže olakšavajući tako “posao” motoru koji svoj radni vek provodi na relativno visokim brojevima obrtaja. Ovakav izduvni kolektor ima cevi čija je dužina podešena tako da omogućavaju zadržavanje visokih brzina kretanja izduvnih gasova što, s druge strane, poboljšava njihovo odvođenje iz cilindra (kada je izduvni ventil otvoren).

Recimo, još jednom, kako je izduvni kolektor jedan od izloženih delova automobilskog motora koji se najviše zagrevaju (pored, možda, kućišta turbopunjača). temperature u rasponu između 250 i 500 °C su sasvim uobičajene zbog čega je većina današnjih automobila opremljena nekom vrstom izolacije i/ili zaštite izduvnog kolektora.

Pojam “senzor kiseonika” nikome ne znači ništa, ali kada kažemo Lambda…

O2 senzor s električnim priključkom (Robert Bosch GmbH)

O2 senzor s električnim priključkom (Robert Bosch GmbH)

 

U modernim automobilima neizostavni, deo svih motora je i O2 senzor ili Lambda-sonda. Ova neobična naprava grčkog imena u stvari je senzor koji očitava količinu kiseonika u izduvu. Kako smo već pre naučili, za potpuno sagorevanje benzina potrebno je ostvariti odnos  količine goriva i vazduha od 14,7 : 1 (u korist vazduha, dakako).

Lambda, koja je postavljena na mestu gde se sve cevi izduvnog kolektora spajaju u jednu, meri količinu kiseonika u izduvnim gasovima i “upoređuje” je sa količinom njegovog procentu u atmosferi. Sama sonda, veličine prosečne svećice, je električni uređaj koji na promenu količine O2 u izduvu reaguje promenom napona na svom električnom priključku (raspon je obično između 0,15 i 1,30 V).

Smeštaj O2 senzora u izduvnom kolektoru (Robert Bosch GmbH)

Smeštaj O2 senzora u izduvnom kolektoru (Robert Bosch GmbH)

Kada je odnos goriva i vazduha ubačenih u cilindar približan stehiometrijskom idealu (14,7:1) Lambda daje napon od cca. 0,45 V (450 mV). Kada sadržaj kiseonika padne ispod te vrednosti, napon na izlaznom konektoru Lambde se povećava što upućuje na bogatu smešu. Svakako, kod siromašne mešavine je obrnuto.

Ovaj naponski signal iz Lambda-sonde putuje do središnjeg računala koje pomoću njega prilagođava količinu goriva što se ubrizgava u cilindre. U takvom slučaju možemo govoriti o sistemu nadzora nad ubrizgavanjem goriva sa zatvorenim krugom. Naime, za razliku od sistema otvorenog kruga, prvo navedeni način kontrole ubrizgavanja ne određuje potrebnu količinu goriva isključivo prema mapi pohranjenoj u memoriji upravljačke elektronske jedinice motora već se ravna prvenstveno prema podacima dobivenim s Lambda-sonde, u realnom vremenu. Cilj, dakako, je ostvariti što potpunije sagorevanje goriva čime se, pored smanjenja potrošnje, ostvaruje i efikasniji  rad motora i smanjuju štetne emisije.

Osnovni delovi O2 senzora (Denso Corporation)

Osnovni delovi O2 senzora (Denso Corporation)

Spomenimo i to da je prvu Lambda-sondu namenjenu automobilskim motorima predstavila nemačka fabrika Robert Bosch GmbH 1976. godine, a prvi proizvođač koji ju je počeo ugrađivati (zajedno s 3-stepenim  katalizatorom) bio je Volvo.

Na kraju, zanimljivo je napomenuti kako je Lambda-sondu moguće koristiti i za podešavanje starijih motora (bez katalizatora i sličnih “divota”) što, katkada, rade takmičari s ograničenim budžetima. Za tu se svrhu na izduvnoj grani (gde se sve cevi spajaju u jednu) probuši rupa u koju se zavije senzor kiseonika. Običnim se voltmetrom potom meri napon na priključku senzora te je tako moguće podesiti idealnu mešavinu, bilo na karburatoru ili sistemu s ubrizgavanjem.

Što to, u stvari, katalizator katalizira?

Katalizator za toyotin sportski model Supra (Bosal International)

Katalizator za toyotin sportski model Supra (Bosal International)

Noćna mora svih “trkača” na današnjim automobilima svakako je katalitički konverter ili, popularnije, katalizator. Ovo je, u stvari, metalna kutija u kojoj se nalazi saćasti keramički monolit, najčešće, presvučen platinom (koja zapravo jest sam katalizator, u hemijskom smislu). Uloga katalizatora, koji se koristi kod motora pokretanih bezolovnim benzinom, je u smanjivanju emisije štetnih gasova. Trostepeni katalizatori deluju na izduvne gasove tako da izazivaju oksidaciju ugljen-monoksida (CO) i ugljen-vodika (HC) i redukciju azot-oksida (NOx). No, da bi se ovi procesi mogli odvijati na šupljikavoj površini unutrašnjosti katalizatora, potrebno ga je dovesti na radnu temperaturu (300 – 800 °C). Najveći problem ovde se javlja kod pokretanja hladnog motora kada izduvni gasovi prolaze kroz nezagrejani katalizator. U svrhu što bržeg dovođenja katalitičkog konvertera na radnu temperaturu, u izduvnim sistem današnjih motora pribegava se  različitim rešenjima. Ponekad se primjenjuje sistem naknadnog ubacivanja svežeg vazduha u izduv (ispred katalizatora) čime se, dodavanjem kiseonika, povisuje temperatura izduvnih gasova.

Osnovni delovi katalitičkog konvertera (Cateran Inc.)

Osnovni delovi katalitičkog konvertera (Cateran Inc.)

Druga verzija zagrejavanja je ona s električnim grejačima unutrašnjosti katalizatora, ali najjednostavnije rešenje je u postavljanju katalizatora što bliže izduvnoj grani, na mesto gde je temperatura izduvnih gasova visoka. Noćna mora, spomenuta na početku ovog odlomka, u stvari proizlazi iz činjenice da unutrašnja struktura katalizatora stvara veliki otpor strujanju izduvnih gasova čime se smanjuje snaga motora (kod nekih, navodno, i do 20%!), pa su katalizatori danas (kako na benzinskim tako i dizel motorima) podosta zamršena tema govorimo li o sportskim automobilima. Svakako, neki postavljaju i pitanje svrhe redukcije štetnih gasova ovakvim “blokiranjem” ako, potom, za postizanje iste snage kao i bez katalizatora, treba upotrebiti snažniji motor koji sagoreva više goriva. No, ostavimo to za neku drugu, filozofsku raspravu…

3-stepeni katalizator s Lambda-sondom (Trunett Environmental Tech.)

3-stepeni katalizator s Lambda-sondom (Trunett Environmental Tech.)

Raniji katalizatori bili su 2-stepeni ili tzv. oksidacioni katalizatori. To znači da su bili sposobni odraditi dva zadatka istovremeno: oksidaciju ugljen-monoksida čime se dobija ugljen-dioksid i oksidaciju ugljen-vodonika (nesagoreno i/ili delomično sagoreno gorivo) čime nastaju ugljen-dioksid i voda. Dvostepeni katalizatori su se koristili u ranijim benzinskim motorima gde su ih zamenili 3-stepeni, no kod dizel motora se danas koriste upravo 2-stepeni, odn. oksidacioni katalizatori.

Trostepeni katalitički konverteri, odn. katalizatori imaju dodatnu mogućnost kontrole azot oksida. Dakle, ovakvi katalizatori pored funkcija koje istovremeno obavljaju 2-stepeni katalizatori imaju i funkciju redukcije azot-oksida na azot i kiseonik. A, upravo ovima se postiže značajno smanjenje emisija staklene bašte.

DPF ili filter izduvnih čestica
DPF 6-cilindričnog 3-litrenog dizel motora (BMW AG)DPF 6-cilindričnog 3-litrenog dizel motora (BMW AG)

DPF 6-cilindričnog 3-litrenog dizel motora (BMW AG)

Nepotpunim sagorevanjem goriva u dizel motorima nastaje čađa koja odlazi u izduvni sistem. Kvaliteta goriva, posebno udeo sumpora, ima značajnog uticaja na potpunost sagorevanja, odn. stvaranje čađi, dok značajan uticaj ima i pritisak u sistemu za ubrizgavanje zahvaljujući kojem se gorivo raspršuje na veće ili manje (mikro) kapljice. A, koliko je čađa štetna za okolinu, verovatno ne treba spominjati. Bitno je, u okviru ove teme, reći tek da se DP filteri razlikuju prema načinu čišćenja. Naime, stariji filteri ove vrste su se trebali menjati nakon što bi se napunili sa čađ, dok su noviji opremljeni sistemom samočišćenja, obično koristeći neki od načina povišenja temperature u samom filteru što dovodi do sagorevanja čestica čađi (npr. ubrizgavanje male količine goriva koje izgara u izduvnom sistemu kako bi se podigla temperatura u DPF-u). Prve filtere izduvnih čestica za dizel motore u masovnu je primenu uvela francuska grupacija PSA Peugeot Citroën početkom 2000-tih.

DEF sistemi SCR katalizatori

SCR sistem 2-litrenog TDI motora (Volkswagen AG)

SCR sistem 2-litrenog TDI motora (Volkswagen AG)

Dakle, upoznajte DEF (Diesel exhaust fluid) sisteme ili sisteme za ubrizgavanje otopine uree. O čemu se radi? Otopina u kojoj se nalazi 32,5% uree visoke čistoće te 67,5% deionizirane vode koristi se u procesu selektivne katalitičke redukcije (Selective Catalytic Reduction – SCR) kako bi se smanjila koncentracija azot oksida (NOx) u izduvnim gasovima dizel motora. Naime, s obzirom da dizel motori u svom radu koriste relativno siromašnu smešu (kako bi se smanjilo stvaranje čađi i sagorelo eventualno nesagoreno gorivo), višak kiseonika uzrokuje stvaranje azot oksida u izduvnim gasovima.
izduvni_sistem_0111
Kako bi se doskočilo tom problemu, neki su proizvođači počeli koristiti DEF sisteme koji u struju izduvnih gasova ubrizgavaju spomenutu otopinu koja se tako pretvara u paru i raspada na amonijak i ugljen dioksid. Na kraju puta izduvnih gasova, u SCR katalizatoru se uz pomoć amonijaka azot oksidi redukuju na neškodljive sastojke – vodu i azot. Na kraju dodajmo i kako je jedan od najpoznatijih komercijalnih naziva otopine koja se koristi za SCR procese AdBlue. Ovu tečnost, zavisno o automobilu, može dolivati i sam vlasnik na pumpama koje nude AdBlue ili se punjenje vrši isključivo u servisnoj radionici.

Svakom loncu (treba) poklopac

Refleksijski prigušivač (Toyota Motor Co.)

Refleksijski prigušivač (Toyota Motor Co.)

Na kraju izduva dolazi, verovatno i najpoznatiji deo, izduvni lonac koji smo, upravo zbog njegove pozicije, ostavili za kraj priče o ovom sistemu. Pravilnije rečeno “prigušivač”, ovaj je deo izduvnog sistema, opet, nekakva metalna kutija kojom se pokušava postići smanjenje buke. Naime, gasovi koji nastaju sagorevanjem smeše goriva i vazduha vrlo se brzo šire izlazeći iz cilindara pod visokim pritiskom (i nadzvučnom brzinom). Usled toga, u izduvnom sistemu ovi gasovi uzrokuju veoma snažne titraje (frekvencije od nekoliko hiljada u minuti) koji bi, bez adekvatnog prigušenja, stvarali ogromnu buku (verovatno ste, berem jednom, čuli motor nekog trkačkog automobila koji nije imao prigušivač na auspuhu, a o Harleyima da se i ne govori…). Kako bi se umirilo ove titraje, na kraju (posle katalizatora) izduvnog sistema postavljaju se prigušivači.

Apsorpcijski prigušivač (PD)

Apsorpcijski prigušivač (PD)

Najjeftinija, i najčešća, konstrukcija prigušnog lonca je tzv. refleksijski prigušivač koji znatno usporava strujanje gasova, no time i stvara relativno veliki protivpritisak u izduvnom sistemu, smanjujući tako upotrebljivu snagu motora. Najbolje rešenje, ovog problema, je apsorpcijski prigušivač. Kod njega gasovi prolaze perforiranom cevi omotanom apsorpcijskim (prigušnim) materijalom. Ali, kod ovakvih prigušivača se brzina strujanja gasova ne smanjuje znatno što za posljedicu ima i znatno veću buku motora (uz to, tek će dobro proračunate dimenzije aspuha dati doista veću snagu, kakav god prigušivač mi stavili). Kao i uvek, proizvođači automobila nude kompromisno rešenje. Jedno upravo takvo je i apsorpcijsko – refleksijski prigušivač koji se prema stvorenom protivpritisku i buci na izlazu nalazi, dakako, negde oko “pola puta” između prethodna dva rešenja.

Ipak, treba naglasiti kako je dozvoljena količina buke regulisana i zakonskim propisima. Stoga ćete sa šminkerskim izduvnim loncem teško izazvati vesele osmehe policije.

autor: AUTONET.HR
Izvor: www.autonet.hr

Be the first to comment on "Izduvni sistem"

Leave a comment

Your email address will not be published.


*