Выпускной коллектор двигателя: конструкция и модификации

Введение

Структура, собирающая выпускные отверстия двигателя

В автомобильной технике выпускной коллектор собирает выхлопные газы из нескольких цилиндров в одну трубу. Слово «коллектор» происходит от староанглийского слова *manigfeald* (от англосаксонских *manig* [многие] и *feald* [складка]) и относится к объединению нескольких входов и выходов (в отличие от впускного коллектора, который подает воздух в цилиндры). Выпускные коллекторы обычно представляют собой простые отливки из чугуна или нержавеющей стали, которые собирают выхлопные газы двигателя из нескольких цилиндров и направляют их в выхлопную трубу. Для многих двигателей существуют aftermarket (дополнительные) трубчатые выпускные коллекторы, известные как *headers* в американском английском, *extractor manifolds* в британском и австралийском английском, и просто как «трубчатые коллекторы» в британском английском. Они состоят из отдельных выхлопных труб для каждого цилиндра, которые затем обычно сходятся в одну трубу, называемую коллектором. *Headers*, не имеющие коллектора, называются *zoomie headers*. Наиболее распространенные типы aftermarket *headers* изготавливаются из углеродистой или нержавеющей стали для основных труб, с плоскими фланцами и, возможно, коллектором большего диаметра из того же материала, что и основные трубы. Они могут быть покрыты керамическим покрытием (иногда как внутри, так и снаружи), окрашены термостойкой краской или оставлены необработанными. Доступны хромированные *headers*, но они имеют тенденцию покрываться синевой после использования. Полированная нержавеющая сталь также может менять цвет (обычно приобретая желтоватый оттенок), но в большинстве случаев в меньшей степени, чем хром. Другой вид модификации – изоляция штатного или aftermarket коллектора. Это уменьшает количество тепла, выделяемого в моторный отсек, и, следовательно, снижает температуру впускного коллектора. Существует несколько типов теплоизоляции, но три наиболее распространены: Керамическая краска наносится распылением или кистью на коллектор, а затем обжигается в печи. Обычно она тонкая и обладает небольшими изоляционными свойствами; однако она снижает нагрев моторного отсека за счет уменьшения теплоотдачи излучением. Керамическая смесь наносится на коллектор методом термического напыления, образуя прочное керамическое покрытие с очень хорошей теплоизоляцией. Это часто используется на высокопроизводительных серийных автомобилях и гоночных машинах. Выхлопная лента полностью оборачивается вокруг коллектора. Хотя это дешево и относительно просто, это может привести к преждевременному износу коллектора. Основная цель высокопроизводительных выпускных *headers* – уменьшить сопротивление потоку (противодавление) и повысить объемную эффективность двигателя, что приводит к увеличению мощности. Процессы, происходящие при этом, можно объяснить законами газов, в частности законом идеального газа и комбинированным законом газов.

In automotive engineering, an exhaust manifold collects the exhaust gases from multiple cylinders into one pipe. The word manifold comes from the Old English word manigfeald (from the Anglo Saxon manig [many] and feald [fold]) and refers to the folding together of multiple inputs and outputs (in contrast, an inlet or intake manifold supplies air to the cylinders). Exhaust manifolds are generally simple cast iron or stainless steel units which collect engine exhaust gas from multiple cylinders and deliver it to the exhaust pipe. For many engines, there are aftermarket tubular exhaust manifolds known as headers in American English, as extractor manifolds in British and Australian English, and simply as "tubular manifolds" in British English. These consist of individual exhaust headpipes for each cylinder, which then usually converge into one tube called a collector. Headers that do not have collectors are called zoomie headers. The most common types of aftermarket headers are made of mild steel or stainless steel tubing for the primary tubes along with flat flanges and possibly a larger diameter collector made of a similar material as the primaries. They may be coated with a ceramic type finish (sometimes both inside and outside), or painted with a heat resistant finish, or bare. Chrome plated headers are available but these tend to blue after use. Polished stainless steel will also color (usually a yellow tint), but less than chrome in most cases. Another form of modification used is to insulate a standard or aftermarket manifold. This decreases the amount of heat given off into the engine bay, therefore reducing the intake manifold temperature. There are a few types of thermal insulation but three are particularly common:
Ceramic paint is sprayed or brushed onto the manifold and then cured in an oven. These are usually thin, so have little insulatory properties; however, they reduce engine bay heating by lessening the heat output via radiation. A ceramic mixture is bonded to the manifold via thermal spraying to give a tough ceramic coating with very good thermal insulation. This is often used on performance production cars and track only racers. Exhaust wrap is wrapped completely around the manifold. Although this is cheap and fairly simple, it can lead to premature degradation of the manifold. The goal of performance exhaust headers is mainly to decrease flow resistance (back pressure), and to increase the volumetric efficiency of an engine, resulting in a gain in power output. The processes occurring can be explained by the gas laws, specifically the ideal gas law and the combined gas law.

Почему для поперечной плоскости V8 нужна выхлопная труба H или X

Двигатели V8 с кросспланом имеют левый и правый ряд, каждый из которых содержит 4 цилиндра. Когда двигатель работает, поршни воспламеняются в соответствии с порядком работы двигателя. Если в ряду происходит два последовательных воспламенения поршней, это создает область высокого давления в выхлопной трубе, поскольку два выхлопных импульса проходят через нее почти одновременно. По мере движения этих двух импульсов по выхлопной трубе они должны встретить либо X-образную, либо H-образную трубу. При встрече с трубой часть импульса отводится в X- или H-образную трубу, что незначительно снижает общее давление. Это снижение давления происходит потому, что жидкость (жидкость, воздух или газ), двигаясь по трубе, при достижении развилки выбирает путь наименьшего сопротивления, и часть потока рассеивается, слегка снижая давление. Без X- или H-образной трубы поток выхлопных газов был бы прерывистым или нестабильным, и двигатель не работал бы с максимальной эффективностью. Двойной выхлопной импульс может привести к тому, что часть следующего выхлопного импульса в этом ряду не полностью выйдет из цилиндра, вызывая либо детонацию (из-за обедненной топливно-воздушной смеси (AFR)), либо пропуск зажигания из-за обогащенной смеси (AFR), в зависимости от того, сколько осталось от двойного импульса и каким был состав этой смеси.

Динамическая геометрия выхлопных газов

Сегодняшнее понимание систем выпуска отработавших газов и гидродинамики привело к ряду механических усовершенствований. Одним из таких усовершенствований является выхлопной клапан максимальной мощности ("EXUP"), устанавливаемый на некоторые мотоциклы Yamaha. Он постоянно регулирует встречное давление внутри коллектора выхлопной системы для оптимизации формирования волн давления в зависимости от оборотов двигателя. Это обеспечивает хорошую производительность в нижнем и среднем диапазонах. При низких оборотах двигателя волновое давление в системе труб низкое. Полный цикл колебаний резонанса Гельмгольца завершается до закрытия выхлопного клапана, и для увеличения крутящего момента на низких оборотах искусственно создаются волны давления выхлопных газов большой амплитуды. Это достигается частичным закрытием внутреннего клапана в выхлопной системе – клапана EXUP – в точке соединения четырех первичных труб, идущих от цилиндров. Эта точка соединения фактически ведет себя как искусственная камера, поэтому изменение давления в ней контролирует поведение отраженных волн при резком увеличении площади поперечного сечения. Закрытие клапана повышает локальное давление, тем самым индуцируя формирование отраженных расширительных волн большей амплитуды. Это увеличивает крутящий момент на низких оборотах до тех пор, пока потери из-за увеличения встречного давления не превысят эффект настройки EXUP. На более высоких оборотах клапан EXUP полностью открывается, и выхлопные газы могут свободно выходить.