Двигатель и система выхлопа автомобиля: устройство, симптомы неисправностей и диагностика

Автор материала: Олег Тимошенко

Двигатель и система выхлопа работают как единый комплекс. Двигатель преобразует энергию топлива в механическую работу, а выпускная система отводит отработавшие газы, снижает шум, участвует в очистке выхлопа и обеспечивает данные для электронного управления двигателем.

Поэтому потеря мощности, повышенный расход топлива, нестабильный холостой ход, дым, ошибки по смеси или чрезмерный шум не всегда означают неисправность только самого двигателя. Причина может находиться во впуске, топливной системе, зажигании, турбонаддуве, катализаторе, DPF, EGR, датчиках или негерметичности выпуска.

Как двигатель превращает топливо в движение

В двигателе внутреннего сгорания тепловая энергия, возникающая при сгорании топлива, преобразуется в механическую работу.

В типичном четырехтактном двигателе цикл состоит из четырех этапов:

Впуск - цилиндр заполняется воздухом или топливно-воздушной смесью в зависимости от конструкции системы питания.
Сжатие - поршень сжимает заряд в цилиндре.
Рабочий ход - после воспламенения давление газов перемещает поршень.
Выпуск - отработавшие газы выходят через выпускной клапан в систему выхлопа.

Поршни через шатуны передают усилие на коленчатый вал, а далее крутящий момент через трансмиссию передается к колесам.

Какие системы обеспечивают работу двигателя

Современный двигатель не работает изолированно. Его работу обеспечивают:

система впуска;
топливная система;
система зажигания - для двигателей, где она предусмотрена;
газораспределительный механизм;
система смазки;
система охлаждения;
вентиляция картера;
турбонаддув - если он предусмотрен;
система выпуска и доочистки газов;
датчики и электронный блок управления.

Неисправность одной системы часто изменяет работу других. Например, пропуски воспламенения могут перегревать катализатор, негерметичный впуск влияет на топливные коррекции, а чрезмерное сопротивление выпуска может ухудшать наполнение цилиндров.

Бензиновый и дизельный двигатель: в чем разница

Бензиновый двигатель

В большинстве бензиновых двигателей воспламенение смеси инициируется свечой зажигания.

Для систем с трехкомпонентным катализатором особенно важно точное регулирование состава смеси. Электронный блок использует сигналы кислородных датчиков и других сенсоров для корректировки подачи топлива.

Чрезмерно богатая смесь может вызывать:

рост расхода топлива;
увеличение количества несгоревших компонентов в выхлопе;
образование нагара;
перегрев катализатора при серьезных нарушениях сгорания.

Чрезмерно бедная смесь также может приводить к нестабильной работе, потере мощности и повышенной тепловой нагрузке в отдельных режимах.

Дизельный двигатель

В дизеле воздух сжимается в цилиндре, после чего топливо впрыскивается в нагретый сжатием воздух и самовоспламеняется.

Современные дизельные двигатели могут использовать сложную систему контроля выбросов, в которую в зависимости от конструкции входят:

EGR;
окислительный катализатор;
DPF;
SCR;
датчики температуры;
датчики дифференциального давления;
NOx-датчики;
другие элементы системы доочистки.

Основные механические узлы двигателя

Блок цилиндров

Блок является основной несущей частью двигателя. В нем или связанных с ним элементах расположены цилиндры, каналы смазки, каналы охлаждения и опоры коленчатого вала.

Конструкция может использовать чугун, алюминиевые сплавы, гильзы или специальные рабочие покрытия.

Головка блока цилиндров

В головке могут располагаться:

впускные и выпускные клапаны;
распределительные валы;
элементы привода клапанов;
форсунки;
свечи зажигания или накаливания;
каналы впуска и выпуска;
часть камеры сгорания.

Цилиндропоршневая группа

Поршни, кольца, пальцы, шатуны и рабочие поверхности цилиндров обеспечивают преобразование давления газов в механическое усилие.

Износ этой группы может проявляться:

снижением компрессии;
повышенным расходом моторного масла;
дымностью;
падением мощности;
увеличением прорыва газов в картер.

Ни один из этих признаков сам по себе не определяет конкретную неисправную деталь.

Коленчатый вал

Коленчатый вал преобразует возвратно-поступательное движение поршней во вращение.

Его опоры и шейки работают в условиях гидродинамической смазки, поэтому для ресурса важны правильное моторное масло, достаточная подача смазочного материала, чистота каналов и исправность системы смазки.

Газораспределительный механизм

ГРМ обеспечивает согласованное открытие и закрытие клапанов относительно положения поршней.

Привод может использовать:

ремень;
цепь;
шестерни;
комбинацию механических элементов.

В современных двигателях также применяются системы изменения фаз и подъема клапанов.

Нарушение фаз газораспределения может проявляться:

затрудненным запуском;
нестабильной работой;
потерей тяги;
повышенным расходом топлива;
ошибками синхронизации;
изменением характера выхлопа.

Последствия обрыва или перескока привода ГРМ зависят от конструкции конкретного двигателя.

Как работает турбокомпрессор

Турбокомпрессор использует часть энергии потока отработавших газов. Турбинное колесо в выпускном тракте приводит компрессорное колесо, которое повышает давление воздуха во впускной системе.

Работа турбокомпрессора зависит от:

подачи моторного масла;
состояния воздушного фильтра;
герметичности впуска;
работы системы управления наддувом;
состояния выпуска;
охлаждения - если оно предусмотрено конструкцией.

Почему неисправность выпуска может влиять на турбокомпрессор

Если после турбины возникает чрезмерное сопротивление потоку газов, условия ее работы изменяются. Причиной может быть, например, критически загрязненный или поврежденный элемент системы доочистки.

Поэтому при проблемах с наддувом необходимо проверять не только сам турбокомпрессор, но также впуск, выпуск, датчики и систему управления.

Система выхлопа: какие функции она выполняет

Выпускная система имеет несколько задач:

отводить отработавшие газы;
снижать уровень шума;
компенсировать перемещения силового агрегата;
участвовать в контроле состава выхлопа;
снижать выбросы вредных веществ;
обеспечивать данные для электронной системы управления.

Конкретный состав системы зависит от типа двигателя и экологического исполнения автомобиля.

Выпускной коллектор

Коллектор собирает газы от отдельных цилиндров и направляет их далее в выпускную систему или к турбокомпрессору.

Трещина, прогар прокладки или другая негерметичность могут вызывать:

повышенный шум;
запах выхлопа;
искажение показаний датчиков в зависимости от места утечки;
следы сажи возле негерметичного соединения.

Гофра выхлопной системы

Гофра компенсирует часть перемещений двигателя относительно кузова и уменьшает передачу механических нагрузок на трубы и соединения.

Повреждение гофры может проявляться:

более громким выхлопом;
металлическим или шипящим звуком;
запахом выхлопных газов;
следами сажи;
ошибками по смеси - если негерметичность влияет на измерение содержания кислорода.

Резонатор и глушитель

Резонатор и глушитель используют акустические камеры, перфорацию, внутренний объем и звукопоглощающие материалы для уменьшения нежелательных частот и общего уровня шума.

Повреждения могут возникать из-за:

коррозии;
термических циклов;
механических ударов;
повреждения подвесов;
конденсата внутри корпуса;
усталости материала.

Запах выхлопных газов в салоне требует немедленного внимания. Негерметичный выпуск может создавать риск попадания токсичных газов в пассажирское пространство.

Компоненты двигателя, турбонаддува и системы выхлопа

Как работает каталитический нейтрализатор

Катализатор не является обычным механическим фильтром. Он ускоряет химические реакции, в результате которых изменяется состав отработавших газов.

В бензиновых системах с трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором происходят реакции окисления угарного газа и углеводородов, а также восстановления оксидов азота.

Активный слой может содержать благородные металлы, включая платину, палладий и родий.

Почему катализатор выходит из строя

Возможные причины:

продолжительные пропуски воспламенения;
попадание несгоревшего топлива в выпуск;
значительный расход моторного масла;
механическое разрушение носителя;
перегрев;
химическое загрязнение активной поверхности;
другая неисправность двигателя, изменяющая состав и температуру выхлопа.

Поэтому замена катализатора без поиска первопричины его повреждения может привести к повторной неисправности.

Лямбда-зонд: что он измеряет

Кислородный датчик оценивает содержание кислорода в выхлопе. Его сигнал используется электронным блоком для контроля состава смеси и диагностики системы.

Во многих автомобилях применяются несколько кислородных датчиков с различными функциями.

В общем случае:

датчик перед катализатором может использоваться для управления составом смеси;
датчик после катализатора может участвовать в контроле эффективности нейтрализатора.

Ошибка по лямбда-зонду не всегда означает неисправный датчик

Отклонение сигнала может быть следствием:

негерметичного впуска;
утечки выхлопных газов;
неправильного давления топлива;
неисправных форсунок;
пропусков воспламенения;
проблем с компрессией;
другого нарушения процесса сгорания.

DTC фиксирует обнаруженное системой отклонение, а не автоматически определяет деталь, которую необходимо заменить.

EGR: для чего нужна рециркуляция отработавших газов

Система EGR возвращает контролируемую часть отработавших газов во впуск в определенных режимах работы двигателя. Это используется для уменьшения образования оксидов азота.

В процессе эксплуатации в системе могут накапливаться отложения из сажи и компонентов масляного тумана.

Возможные последствия:

ограничение движения клапана;
изменение фактического потока рециркулируемых газов;
загрязнение впускного коллектора;
ошибки системы управления;
ухудшение работы двигателя.

DPF: как работает сажевый фильтр

DPF задерживает значительную часть твердых частиц дизельного выхлопа.

В процессе эксплуатации сажа накапливается в фильтре, поэтому система периодически выполняет регенерацию. Ее алгоритм зависит от конкретного автомобиля.

Для корректной работы DPF важны:

исправная топливная система;
корректные сигналы датчиков температуры и давления;
исправный EGR;
правильная работа турбонаддува;
соответствующее моторное масло;
возможность завершать предусмотренные системой циклы регенерации.

Почему DPF быстро заполняется

Причиной может быть не только режим коротких поездок. Необходимо проверять:

форсунки;
турбонаддув;
EGR;
датчики дифференциального давления;
датчики температуры;
процесс сгорания;
расход моторного масла;
условия и историю регенераций.

Высокая расчетная или измеренная загрузка DPF является основанием для диагностики причины, а не только для попытки принудительно очистить фильтр.

SCR и AdBlue

SCR применяется для снижения выбросов оксидов азота в части дизельных автомобилей.

В систему дозируется AdBlue - водный раствор мочевины, из которого в условиях выпускного тракта образуются соединения, участвующие в преобразовании NOx преимущественно в азот и воду.

Для нормальной работы системы важны:

качество жидкости;
исправность дозатора;
датчики NOx;
температурный режим;
отсутствие критической кристаллизации;
исправность электронного управления.

Что означает цвет дыма из выхлопа

Цвет выхлопа может быть полезным диагностическим признаком, но не является окончательным диагнозом.

Синеватый дым

Часто связан с попаданием моторного масла в процесс сгорания.

Возможные причины:

цилиндропоршневая группа;
маслосъемные колпачки;
турбокомпрессор;
система вентиляции картера;
другие источники попадания масла.

Черный дым

Может указывать на повышенное образование сажи из-за нарушения соотношения воздуха и топлива или процесса сгорания.

Проверяют:

топливную систему;
подачу воздуха;
датчики воздуха;
турбонаддув;
EGR;
состояние фильтров;
другие параметры конкретного двигателя.

Белый выхлоп

Легкий водяной пар после холодного запуска может быть нормальным следствием конденсации.

Устойчивый густой белый выхлоп после прогрева может потребовать проверки, в частности системы охлаждения, топливной системы и процесса сгорания.

Почему двигатель теряет мощность

Причину необходимо искать системно.

Возможные группы неисправностей:

недостаточная подача воздуха;
нарушение подачи топлива;
неисправность зажигания;
низкая компрессия;
нарушение фаз газораспределения;
неисправность турбонаддува;
чрезмерное сопротивление выпуска;
некорректные данные датчиков;
аварийный режим системы управления.

Загрязненный DPF или поврежденный катализатор являются только одними из возможных причин.

Почему выхлоп стал громким

Проверяют:

выпускной коллектор;
прокладки;
гофру;
трубы;
резонатор;
глушитель;
фланцы и хомуты;
подвесы системы.

Металлический звон внутри системы может быть связан с механически поврежденным внутренним элементом, но источник звука необходимо локализовать.

Запах выхлопа в салоне

Этот симптом нельзя игнорировать. Необходимо проверить герметичность выпускной системы, особенно ее передней части, а также уплотнения кузова и систему вентиляции.

Выхлопные газы могут содержать угарный газ и другие опасные компоненты. Если запах выхлопа попадает в салон, неисправность нужно устранить до нормальной эксплуатации автомобиля.

Нестабильный холостой ход и пропуски воспламенения

Возможные причины:

свечи;
катушки;
форсунки;
негерметичный впуск;
неправильное давление топлива;
компрессия;
фазы газораспределения;
датчики;
другие нарушения процесса сгорания.

Продолжительные пропуски воспламенения опасны для катализатора, поскольку несгоревшее топливо может попадать в выпуск и создавать чрезмерную тепловую нагрузку.

Как правильно диагностировать двигатель и выхлоп

Диагностика должна начинаться с фиксации симптомов и условий их появления.

Считать DTC и сохранить сопутствующие данные, если они доступны.
Проверить фактические параметры датчиков.
Оценить топливные коррекции для систем, где они применяются.
Проверить герметичность впуска.
Проверить герметичность выпускной системы.
Оценить работу топливной системы.
Проверить систему зажигания для бензинового двигателя.
Оценить компрессию или герметичность цилиндров, если симптомы этого требуют.
Проверить турбонаддув и его управление.
Оценить состояние катализатора, DPF, EGR и SCR в соответствии с конструкцией автомобиля.

Код неисправности не следует использовать как команду на замену детали. Он определяет направление дальнейшей проверки.

Что может показать диагностический сканер

В зависимости от автомобиля можно анализировать:

температуры;
топливные коррекции;
давление топлива;
массовый или расчетный расход воздуха;
давление наддува;
сигналы кислородных датчиков;
дифференциальное давление DPF;
историю или состояние регенерации;
положение EGR;
параметры NOx;
другие доступные данные.

Однако электронная диагностика не заменяет механические измерения и осмотр.

Механические проверки двигателя

В зависимости от симптомов могут применяться:

измерение компрессии;
тест утечки цилиндра;
проверка давления моторного масла;
проверка давления топлива;
осмотр свечей;
эндоскопия;
проверка фаз газораспределения;
дымогенератор для поиска негерметичности;
измерение параметров выпускной системы.

Точные процедуры и допустимые значения необходимо брать из технической документации конкретного двигателя.

Обслуживание двигателя

Базовое обслуживание непосредственно влияет на ресурс двигателя.

Важно:

использовать моторное масло требуемой спецификации;
заменять фильтры по регламенту;
контролировать систему охлаждения;
использовать соответствующее топливо;
следить за состоянием системы зажигания;
не игнорировать пропуски воспламенения;
устранять утечки масла и охлаждающей жидкости;
реагировать на изменение шума, дыма и расхода технических жидкостей.

Масло для двигателей с DPF и катализатором

Для части современных двигателей производитель устанавливает специальные требования к составу моторного масла, включая содержание сульфатной золы, фосфора и серы.

Необходимость Low SAPS или другой конкретной спецификации определяется документацией автомобиля.

Не следует подбирать масло только по SAE - одинаковая вязкость не означает одинаковую совместимость с системой доочистки.

Воздушный фильтр и ресурс двигателя

Воздушный фильтр должен одновременно обеспечивать достаточный поток воздуха и задерживать загрязнения.

Чрезмерно загрязненный элемент может ограничивать поток, а некачественный или неправильно установленный - пропускать пыль.

Для турбированного двигателя чистота воздуха также важна для компрессорной части турбокомпрессора.

Как обслуживать выхлопную систему

Во время осмотра проверяют:

коррозию;
трещины;
следы сажи возле негерметичных соединений;
гофру;
фланцы;
хомуты;
подвесы;
тепловые экраны;
проводку датчиков;
механические повреждения.

Особенно важно устранять негерметичность в зоне датчиков, поскольку она может влиять на результаты измерения состава выхлопа.

Как правильно подбирать запчасти двигателя и выхлопа

Для точного подбора необходимо учитывать:

VIN;
OE-номер;
код или модификацию двигателя;
год выпуска;
рынок автомобиля;
экологическое исполнение;
тип топливной системы;
тип турбонаддува;
расположение детали;
конструктивную ревизию.

Свечи зажигания

Должны соответствовать требованиям двигателя по конструкции, резьбе, длине, тепловым характеристикам и другим параметрам.

Форсунки

Внешне похожая форсунка не обязательно совместима. Имеют значение тип системы, характеристики подачи, электрическое исполнение, калибровка и OE-соответствие.

Датчики

Лямбда-зонд, датчик давления, температуры или NOx необходимо подбирать под конкретную систему. Неподходящий датчик может физически устанавливаться, но иметь другую характеристику или интерфейс.

Катализатор и DPF

Необходимо учитывать соответствие двигателю, экологической версии, датчикам, геометрии и пропускной способности системы.

Гофра, трубы и глушители

Должны точно соответствовать геометрии, диаметру, фланцам, креплениям и подвесам. Монтаж системы с механическим напряжением может сократить ресурс соединений.

Типичные ошибки при ремонте

замена лямбда-зонда только по DTC без проверки смеси;
замена катализатора без поиска причины его повреждения;
принудительная регенерация DPF без проверки причин заполнения;
игнорирование пропусков воспламенения;
поиск проблемы турбины без проверки впуска и выпуска;
подбор деталей только по модели автомобиля;
использование моторного масла без необходимого допуска;
игнорирование негерметичности выпуска;
попытка устранить механическую неисправность присадкой.

Симптомы, требующие быстрой проверки

внезапное значительное падение мощности;
интенсивные пропуски воспламенения;
мигающий индикатор неисправности двигателя;
сильный дым после прогрева;
резкое увеличение расхода моторного масла;
запах топлива или выхлопа в салоне;
сильный металлический шум;
перегрев катализатора или элементов выхлопа;
аварийный режим вместе с выраженными нарушениями работы двигателя.

Частые вопросы

Означает ли ошибка по катализатору, что его нужно сразу менять?

Нет. Необходимо проверить сам катализатор и причины, которые могли повлиять на его работу: состав смеси, пропуски воспламенения, расход масла, датчики и герметичность выпуска.

Означает ли DTC по лямбда-зонду неисправность самого датчика?

Не обязательно. Причиной могут быть нарушения состава смеси, негерметичность впуска или выпуска, топливная система и другие факторы.

Почему дизельный автомобиль часто регенерирует DPF?

Нужно оценить фактическую загрузку, режим эксплуатации, работу датчиков, EGR, форсунок, турбонаддува и процесс сгорания. Частые регенерации являются симптомом, а не самостоятельным диагнозом.

Может ли забитый катализатор или DPF уменьшить мощность?

Да. Значительное ограничение потока выхлопных газов может влиять на работу двигателя. Однако потеря мощности имеет много других возможных причин, поэтому необходима диагностика.

Почему из выхлопа идет белый пар после холодного запуска?

В холодную погоду водяной пар может быть обычным результатом конденсации. Если густой белый выхлоп не исчезает после прогрева или сопровождается другими симптомами, систему необходимо проверить.

Можно ли определить неисправность двигателя только по цвету дыма?

Нет. Цвет помогает определить направление диагностики, но для вывода необходимы дополнительные проверки.

Товарная группа TESMA

Двигатель и система выхлопа

Вывод

Двигатель и система выхлопа являются взаимосвязанным техническим комплексом. Качество сгорания влияет на катализатор, DPF и датчики, а состояние выпускной системы может влиять на мощность, турбонаддув и работу электронного управления.

Главный принцип диагностики - не менять деталь только по коду ошибки или одному симптому. Сначала необходимо определить, правильно ли двигатель получает воздух и топливо, имеет ли достаточную компрессию, корректно ли происходит воспламенение, исправен ли турбонаддув и может ли поток отработавших газов проходить через систему доочистки без чрезмерного сопротивления.