Что такое колектор двигателя

Выпускной коллектор

Выпускной коллектор – конструктивный элемент выпускной системы, предназначенный для отвода отработавших газов от отдельных цилиндров в общую трубу. Другой функцией выпускного коллектора является обеспечение эффективного продува и наполнения камер сгорания.

Выпускной коллектор жестко закреплен на головке блока цилиндров. На выходе к нему присоединяется каталитический нейтрализатор или выпускная труба. Между выпускным коллектором и головкой блока цилиндров размещена прокладка, которая предотвращает утечку отработавших газов в подкапотное пространство. Выпускной коллектор работает в очень тяжелых условиях, характеризующихся высокой температурой (до 1300°С) и давлением.

Различают два типа выпускных коллекторов – цельный и трубчатый. Цельный коллектор имеет короткие каналы, которые объединяются в общую камеру. Изготавливается из жаропрочного чугуна. Цельный выпускной коллектор имеет низкую эффективность отвода отработавших газов и продувки камеры сгорания, т.к. короткие каналы создают препятствия в виде импульсов газов каждого цилиндра. С другой стороны цельный выпускной коллектор прост в изготовлении и имеет невысокую стоимость.

На современные легковые автомобили устанавливаются в основном трубчатые выпускные коллекторы, которые эффективны в диапазоне средних и высоких оборотов, улучшают мощностные характеристики двигателя. Трубчатые выпускные коллекторы изготавливаются из нержавеющей стали, реже из керамики. Для достижения наилучших параметров отвода отработавших газов и продува камер сгорания длина, диаметр труб и их конструкция (форма) должны быть оптимизированы.

Движение отработавших газов в выпускной системе представляет собой колебательный процесс. Короткая труба выпускного коллектора позволяет достигать резонансный эффект, при котором происходит наилучшая продувка камер сгорания, на высоких оборотах двигателя. С длинной трубой наоборот, резонансный эффект достигается в области низких оборотов. При этом длинные трубы предотвращают возврат отработавших газов в соседние камеры сгорания, в которых еще не закрылись выпускные клапаны.

Малый диаметр трубы обеспечивает высокую скорость отработавших газов, при которой происходит лучшая инерционная продувка камеры сгорания и достигается номинальный крутящий момент на низких и средних оборотах. С другой стороны трубы малого диаметра создают дополнительное сопротивление потоку при высоких оборотах двигателя. С помощью трубы большого диаметра получают прирост мощности на высоких оборотах и снижение на низких.

В настоящее время распространены две схемы трубчатых выпускных коллекторов:

1. схема 4-1 или короткий коллектор (четыре трубы соединены в одну трубу);
2. схема 4-2-1 или длинный коллектор (четыре трубы соединены попарно и далее соединены в одну трубу).

Трубчатый выпускной коллектор является важным элементом тюнинга автомобиля. Для одной машины может быть предложено несколько конструкций выпускных коллекторов и, соответственно, достигнут различный эффект. Короткий коллектор дает добавочную мощность в узком диапазоне оборотов. Длинный коллектор более универсальный, так как обеспечивает прирост мощности и крутящего момента в широком диапазоне оборотов двигателя.

К примеру, выпускной коллектор по схеме 4-2-1 применен на бензиновых двигателях, которые устанавливаются на автомобилях Mazda по технологии SkyActiv-G. Помимо прироста мощности, в данных двигателях реализована более высокая степень сжатия, а за счет улучшенной вентиляции цилиндров детонация в цилиндрах не наступает.

Во время работы двигателя выпускной коллектор нагревает воздух в подкапотном пространстве, соответственно нагревается воздух во впускной системе и снижается мощность. Для противодействия данному явлению производится теплоизоляция впускного коллектора. Различают различные способы теплоизоляции: установка теплоотражающего щитка, устройство высокотемпературной оплетки труб, выполнение коллектора с двойными стенками.

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

• Основные параметры электродвигателя постоянного тока
• Характеристики коллекторного электродвигателя постоянного тока

Конструкция коллекторного электродвигателя постоянного тока

Статор — неподвижная часть двигателя.

Индуктор (система возбуждения) — часть коллекторной машины постоянного тока или синхронной машины, создающая магнитный поток для образования момента. Идуктор обязательно включает либо постоянные магниты либо обмотку возбуждения. Индуктор может быть частью как ротора так и статора. В двигателе, изображенном на рис. 1, система возбуждения состоит из двух постоянных магнитов и входит в состав статора.

Якорь — часть коллекторной машины постоянного тока или синхронной машины, в которой индуктируется электродвижущая сила и протекает ток нагрузки [2]. В качестве якоря может выступать как ротор так и статор. В двигателе, показанном на рис. 1, ротор является якорем.

Щетки — часть электрической цепи, по которой от источника питания электрический ток передается к якорю. Щетки изготавливаются из графита или других материалов. Двигатель постоянного тока содержит одну пару щеток или более. Одна из двух щеток соединяется с положительным, а другая — с отрицательным выводом источника питания.

Коллектор — часть двигателя, контактирующая со щетками. С помощью щеток и коллектора электрический ток распределяется по катушкам обмотки якоря [1].

Типы коллекторных электродвигателей

По конструкции статора коллекторный двигатель может быть с постоянными магнитами и с обмотками возбуждения.

Коллекторный двигатель с постоянными магнитами

Коллекторный двигатель постоянного тока (КДПТ) с постоянными магнитами является наиболее распространенным среди КДПТ. Индуктор этого двигателя включает постоянные магниты, которые создают магнитное поле статора. Коллекторные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами (КДПТ ПМ) обычно используются в задачах не требующих больших мощностей. КДПТ ПМ дешевле в производстве, чем коллекторные двигатели с обмотками возбуждения. При этом момент КДПТ ПМ ограничен полем постоянных магнитов статора . КДПТ с постоянными магнитами очень быстро реагирует на изменение напряжения. Благодаря постоянному полю статора легко управлять скоростью двигателя. Недостатком электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами является то, что со временем магниты теряют свои магнитные свойства, в результате чего уменьшается поле статора и снижаются характеристики двигателя.

Преимущества:
• лучшее соотношение цена/качество
• высокий момент на низких оборотах
• быстрый отклик на изменение напряжения

Недостатки:
• постоянные магниты со временем, а также под воздействием высоких температур теряют свои магнитные свойства

Коллекторный двигатель с обмотками возбуждения

По схеме подключения обмотки статора коллекторные электродвигатели с обмотками возбуждения разделяют на двигатели:
• независимого возбуждения
• последовательного возбуждения
• параллельного возбуждения
• смешанного возбуждения

Двигатели независимого и параллельного возбуждения

В электродвигателях независимого возбуждения обмотка возбуждения электрически не связана с обмоткой якоря (рисунок выше). Обычно напряжение возбуждения U_ОВ отличается от напряжения в цепи якоря U. Если же напряжения равны, то обмотку возбуждения подключают параллельно обмотке якоря. Применение в электроприводе двигателя независимого или параллельного возбуждения определяется схемой электропривода. Свойства (характеристики) этих двигателей одинаковы [3].

В двигателях параллельного возбуждения токи обмотки возбуждения (индуктора) и якоря не зависят друг от друга, а полный ток двигателя равен сумме тока обмотки возбуждения и тока якоря. Во время нормальной работы, при увеличении напряжения питания увеличивается полный ток двигателя, что приводит к увеличению полей статора и ротора. С увеличением полного тока двигателя скорость так же увеличивается, а момент уменьшается. При нагружении двигателя ток якоря увеличивается, в результате чего увеличивается поле якоря. При увеличении тока якоря, ток индуктора (обмотки возбуждения) уменьшается, в результате чего уменьшается поле индуктора, что приводит к уменьшению скорости двигателя, и увеличению момента.

Преимущества:
• практически постоянный момент на низких оборотах
• хорошие регулировочные свойства
• отсутствие потерь магнетизма со временем (так как нет постоянных магнитов)

Недостатки:
• дороже КДПТ ПМ
• двигатель выходит из под контроля, если ток индуктора падает до нуля

Коллекторный электродвигатель параллельного возбуждения имеет механическую характеристику с уменьшающимся моментом на высоких оборотах и высоким, но более постоянным моментом на низких оборотах. Ток в обмотке индуктора и якоря не зависит друг от друга, таким образом, общий ток электродвигателя равен сумме токов индуктора и якоря. Как результат данный тип двигателей имеет отличную характеристику управления скоростью. Коллекторный двигатель постоянного тока с параллельной обмоткой возбуждения обычно используется в приложениях, которые требуют мощность больше 3 кВт, в частности в автомобильных приложениях и промышленности. В сравнении с КДПТ ПМ, двигатель параллельного возбуждения не теряет магнитные свойства со временем и является более надежным. Недостатками двигателя параллельного возбуждения являются более высокая себестоимость и возможность выхода двигателя из под контроля, в случае если ток индуктора снизится до нуля, что в свою очередь может привести к поломке двигателя [5].

Двигатель последовательного возбуждения

В электродвигателях последовательного возбуждения обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря, при этом ток возбуждения равен току якоря (I_в = I_а), что придает двигателям особые свойства. При небольших нагрузках, когда ток якоря меньше номинального тока (I_а &lt I_ном) и магнитная система двигателя не насыщена (Ф

I_а), электромагнитный момент пропорционален квадрату тока в обмотке якоря:

,

• где M – момент электродвигателя, Н∙м,
• с_М – постоянный коэффициент, определяемый конструктивными параметрами двигателя,
• Ф – основной магнитный поток, Вб,
• I_a – ток якоря, А.

С ростом нагрузки магнитная система двигателя насыщается и пропорциональность между током I_а и магнитным потоком Ф нарушается. При значительном насыщении магнитный поток Ф с ростом I_а практически не увеличивается. График зависимости M=f(I_a) в начальной части (когда магнитная система не насыщена) имеет форму параболы, затем при насыщении отклоняется от параболы и в области больших нагрузок переходит в прямую линию [3].

Способность двигателей последовательного возбуждения развивать большой электромагнитный момент обеспечивает им хорошие пусковые свойства.

Преимущества:
• высокий момент на низких оборотах
• отсутствие потерь магнетизма со временем

Недостатки:
• низкий момент на высоких оборотах
• дороже КДПТ ПМ
• плохая управляемость скоростью из-за последовательного соединения обмоток якоря и индуктора
• двигатель выходит из под контроля, если ток индуктора падает до нуля

Коллекторный двигатель последовательного возбуждения имеет высокий момент на низких оборотах и развивает высокую скорость при отсутствии нагрузки. Данный электромотор идеально подходит для устройств, которым требуется развивать высокий момент (краны и лебедки), так как ток и статора и ротора увеличивается под нагрузкой. В отличии от КДПТ ПМ и двигателей параллельного возбуждения двигатель последовательного возбуждения не имеет точной характеристики контроля скорости, а в случае короткого замыкания обмотки возбуждения он может стать не управляемым.

Двигатель смешанного возбуждения

Двигатель смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения, одна из них включена параллельно обмотке якоря, а вторая последовательно. Соотношение между намагничивающими силами обмоток может быть различным, но обычно одна из обмоток создает большую намагничивающую силу и эта обмотка называется основной, вторая обмотка называется вспомогательной. Обмотки возбуждения могут быть включены согласовано и встречно, и соответственно магнитный поток создается суммой или разностью намагничивающих сил обмоток. Если обмотки включены согласно, то характеристики скорости такого двигателя располагаются между характеристиками скорости двигателей параллельного и последовательного возбуждения. Встречное включение обмоток применяется, когда необходимо получить неизменную скорость вращения или увеличение скорости вращения с увеличением нагрузки. Таким образом, рабочие характеристики двигателя смешанного возбуждения приближаются к характеристикам двигателя параллельного или последовательного возбуждения, смотря по тому, какая из обмоток возбуждения играет главную роль [4].

Преимущества:
• хорошие регулировочные свойства
• высокий момент на низких оборотах
• менее вероятен выход из под контроля
• отсутствие потерь магнетизма со временем

Недостатки:
• дороже других коллекторных двигателей

Двигатель смешанного возбуждения имеет эксплуатационные характеристики двигателей с параллельным и последовательным возбуждением. Он имеет высокий момент на низких оборотах, так же как двигатель последовательного возбуждения и хороший контроль скорости, как двигатель параллельного возбуждения. Двигатель смешанного возбуждения идеально подходит для устройств автомобилей и промышленности (таких как генераторы). Выход двигателя смешанного возбуждения из под контроля менее вероятен, так как для этого ток параллельной обмотки возбуждения должен уменьшиться до нуля, а последовательная обмотка возбуждения должна быть закорочена.

Характеристики коллекторного электродвигателя постоянного тока

Эксплуатационные свойства двигателей постоянного тока определяются их рабочими, электромеханическими и механическими характеристиками, а также регулировочными свойствами.

Основные параметры электродвигателя постоянного тока

Постоянная момента

Для коллекторного электродвигателя постоянного тока постоянная момента определяется по формуле:

,

• где Z — суммарное число проводников,
• Ф – магнитный поток, Вб [1]

Выпускной коллектор

Выпускной коллектор — часть навесного оборудования двигателя внутреннего сгорания. Выпускной коллектор предназначен для сбора выхлопных газов из нескольких цилиндров в одну трубу.

Содержание

• 1 Теория
• 2 Спорт
• 3 Примечания
• 4 Ссылки

Теория [ править | править код ]

В основном выпускные коллекторы изготавливаются из чугуна. С одной стороны коллектор крепится непосредственно к двигателю внутреннего сгорания, с другой — к катализатору или, если катализатор не установлен, к выхлопной трубе. В связи со специфичностью расположения коллектора он работает в достаточно экстремальных условиях. Температура выхлопных газов достигает нескольких сотен градусов. Таким образом, после глушения двигателя происходит достаточно быстрое охлаждение с последующим неминуемым выпадом конденсата. Как результат, основная проблема коллектора — быстрое появление ржавчины.

Дополнительно к своей основной функции — удаление выхлопных газов из камеры сгорания, выпускной коллектор помогает в продуве камеры сгорания и её наполнении. Это происходит в результате резонирующих волн выхлопа. Во время открытия выпускного клапана, в камере сгорания газ находится под давлением, тогда как в коллекторе давление нормальное. Сразу после открытия выпускного клапана из-за разницы давлений создаётся волна. Отражаясь от ближайшего препятствия (которым в обычных автомобилях является резонатор или катализатор), она идёт обратно к цилиндру и, в некотором диапазоне оборотов (как правило, средних), подходит к цилиндру ко времени очередного такта выпуска, «помогая» следующей порции отработанных газов покидать цилиндр.

Стоячие волны (резонанс) возникают в трубе в достаточно широком диапазоне оборотов, так как волна распространяется не со скоростью звука, а со скоростью выхода из цилиндра, соответственно чем больше обороты двигателя, тем быстрее выходят газы из цилиндра, тем быстрее движется и возвращается волна, и как раз успевает вернуться к более короткому (по времени, для больших оборотов) очередному циклу.

Для создания одинаковых и благоприятных условий работы (выпуска) каждого цилиндра, выпускные трубы должны быть, во первых, персональны для каждого цилиндра (для разделения цилиндров и создания стоячих волн на определённых оборотах), и во-вторых, должны быть одинаковой длины, что и является причиной применения «паука» или «штанов» из труб.

На тракторных дизелях, в силу низкой номинальной частоты вращения (до 2000 об/мин), применяют общие коллекторы из чугуна.

Как правило, для избежания случайных ожогов, уменьшения пожарной опасности и повреждения других деталей от высокой температуры, в большинстве случаев коллектор (приёмные трубы) огораживают металлическим экраном.

Спорт [ править | править код ]

В сфере автоспорта и автотюнинга данный элемент занимает важное место и ему уделяется много внимания. В сфере автотюнинга в России выпускной коллектор называют «паук», что обусловленно его внешним видом.

На некоторых гоночных автомобилях выпускной коллектор отсутствует вовсе — у каждого цилиндра установлена своя выхлопная труба чётко определённой длины, без катализатора и без глушителя. Для тюнинга выпускается множество выпускных коллекторов с разными характеристиками заметно влияющими на работу двигателя. Выпускные коллекторы изготавливают из стали, чугуна, нержавеющей стали и титана. Выпускные коллекторы, изготовленные из нержавеющей стали, не поддаются коррозии вследствие воздействия высоких температур и отработанных газов. Из-за высоких температур внешняя часть выхлопного коллектора меняет цвет на синий [1] . Выхлопные коллекторы из чугуна обладают высокой степенью теплоизоляции, поэтому в случае установки выхлопного коллектора из этого материала остальные части автомобиля менее подвержены влиянию высоких температур. Титановые коллекторы самые легкие, и зачастую устанавливаются в гоночные автомобили. Выхлопные коллекторы из черного металла со временем разрушаются, поскольку этот материал сильно подвержен ржавлению и коррозии. Поэтому, как правило, их покрывают слоем керамики, термостойкой краски или хромируют. Большинство выпускных коллекторов выполнено из нержавеющей стали или керамики. Хотя коллекторы из керамики и получаются гораздо более лёгкими, но при сильном нагреве, с последующим охлаждением, они дают трещины, что моментально отражается на качестве выполняемой функции.

Устройство выпускного коллектора

Важным конструктивным элементом выхлопной системы является выпускной коллектор, в котором происходит смешение всех отработанных газов в единый поток, с целью их последующего отвода через трубу в глушитель и за пределы автомобиля. Между тем выхлопной коллектор предназначен и для обеспечения процесса эффективного продува, а также наполнения камер сгорания.

Элемент выхлопной системы, представленный выпускным коллектором, должен быть максимально жестко закреплен на головке блока цилиндров. Устройство выпускного коллектора выглядит следующим образом:

• непосредственно выпускной коллектор;
• выпускная труба;
• прокладка выпускного коллектора (размещена между коллектором и головкой блока, установка прокладки необходима с целью предотвращения утечки выхлопных газов в пространство под капотом транспортного средства; прокладка выхлопного коллектора должна быть изготовлена из качественного материала).

Процесс работы выпускного коллектора происходит в крайне некомфортных условиях, когда на конструкцию влияют не только высокие температуры, но и давление.

На сегодняшний день производители предлагают два типа выхлопных коллекторов: цельный и трубчатый. В первом случае конструкция коллектора будет цельной с наличием коротких каналов, объединенных в единую камеру. Материалом для производства цельного выхлопного коллектора чаще всего является жаропрочный чугун, чьи безупречные эксплуатационные свойства не имеют аналогов. Несмотря на то, что цельный выхлопной коллектор прост в изготовлении и отличается доступной стоимостью, эффективность отвода выхлопных газов довольно низкая, что отражается и на качестве продувки камер сгорания.

На современные транспортные средства чаще всего устанавливают трубчатый выпускной коллектор, который может быть изготовлен как из нержавеющей стали, так и из керамики. Преимуществом установки трубчатых выхлопных коллекторов является возможность с их помощью улучшить характеристики мощности автомобиля. В спортивных и тюнингованных автомобилях зачастую вместо обычного коллектора используется выпускной паук, он оптимален при частой работе двигателя на средних и высоких оборотах. Для того, чтобы продув камер сгорания осуществлялся с максимальной эффективностью, а вывод выхлопных газов проводился качественно и быстро, такие параметры коллектора как длина, диаметр труб, а также их конструкция должны быть подобраны правильно.

Процесс движения выхлопных газов в коллекторе выхлопной системы имеет колебательный характер. В случае с короткими трубами коллектора, будет достигаться эффект резонанса, при котором продувка камер сгорания на высоких оборотах работы двигателя проводится максимально эффективно. Длинная труба, напротив, оптимальна для работы на низких оборотах. Однако именно длинные трубы коллектора отвечают за то, чтобы выхлопные газы не вернулись назад в камеры сгорания (в случае если выпускные клапаны еще открыты).

Номинальный крутящий момент, как на малых, так и на средних оборотах достигается благодаря малому диаметру трубы. Однако в случае с высокими оборотами работы двигателя именно малый диаметр трубы может спровоцировать появление дополнительного сопротивления. Труба большого размера в свою очередь позволяет увеличивать мощностные показатели авто на высоких оборотах, при этом в случае с низкими оборотами действуя на снижение мощностных показателей.

Современные трубчатые выхлопные коллекторы сегодня производятся в двух оптимальных схемах:

• выпускной коллектор 421, именуемый длинным коллектором или в случае со спортивными авто – выпускной паук 421;
• выпускной коллектор 41 – короткий коллектор.

В первом случае четыре трубы коллектора соединены попарно с последующим соединением в единую трубу. В случае если имеет место тюнингованная или спортивная машина, коллектор именуют не иначе как коллектор — паук. Во втором случае коллектор выхлопной трубы будет представлен конструкцией, состоящей из четырех труб соединенных в одну.

На сегодняшний день трубчатый выпускной коллектор 422 является одним из самых востребованных элементов тюнинга. В зависимости от конструктивных особенностей авто и имеющихся технических параметров, может быть установлен как спортивный выпускной коллектор, так и иные виды коллекторов.