Выхлопная система двигателя внутреннего сгорания

Введение

Часть двигателя внутреннего сгорания

Выхлопная система предназначена для отвода отработавших газов, образующихся при контролируемом сгорании в двигателе или печи. Вся система отводит сгоревшие газы от двигателя и включает в себя одну или несколько выхлопных труб. В зависимости от конструкции системы, отработавшие газы могут проходить через один или несколько из следующих элементов:
головку блока цилиндров и выпускной коллектор;
турбокомпрессор для повышения мощности двигателя;
каталитический нейтрализатор для снижения загрязнения воздуха;
глушитель (Северная Америка) / резонатор (Великобритания/Индия) для снижения шума.

Критерии проектирования

Выхлопная труба должна быть тщательно спроектирована для отвода токсичных и/или вредных газов от пользователей оборудования. Генераторы и печи, работающие в помещении, могут быстро заполнить замкнутое пространство ядовитыми выхлопными газами, такими как углеводороды, угарный газ и оксиды азота, если не предусмотрен их надлежащий вывод на улицу. Кроме того, газы, выделяемые большинством типов оборудования, очень горячие; труба должна быть термостойкой и не должна проходить через или вблизи материалов, которые могут воспламениться или быть повреждены теплом. Дымоход выполняет функцию выхлопной трубы в стационарном сооружении. Для двигателей внутреннего сгорания важно, чтобы выхлопная система была "настроена" (см. настроенный выхлоп) для достижения оптимальной эффективности. Также необходимо соответствие нормативным требованиям, действующим в каждой стране. В Китае – Китай 5; в странах Европы – EURO 5; в Индии – BS 4 и т.д.

Мотоциклы

На большинстве мотоциклов вся или большая часть выхлопной системы видна и может быть хромирована в качестве декоративного элемента. Выхлопные системы aftermarket могут быть изготовлены из стали, алюминия, титана или углеволокна. Выхлопные системы мотоциклов бывают разных типов в зависимости от типа двигателя и его назначения. Двухцилиндровый мотоцикл может иметь отдельные секции выхлопа, как, например, на Kawasaki EX250 (также известном как Ninja 250 в США или GPX 250), или единую секцию, известную как "два в один" (2-1). Четырехцилиндровые мотоциклы, суперспортивные модели, такие как серии ZX от Kawasaki, CBR от Honda, YZF от Yamaha, позднее получившие названия R6 и R1, и GSX-R от Suzuki, часто оснащаются двойной выхлопной системой. "Полная система" может быть приобретена как дополнительное оборудование, также называемое 4-2-1 или 4-1, в зависимости от ее конфигурации. Ранее эти мотоциклы комплектовались одним выхлопным глушителем, что продолжалось до начала 2000-х годов, когда европейские нормы по шуму и выбросам в основном положили конец этой практике, вынудив производителей использовать другие способы повышения производительности мотоцикла.

Грузовики

Во многих грузовиках видна вся или большая часть выхлопной системы, часто с вертикальной выхлопной трубой. В таких грузовиках глушитель часто окружен перфорированным металлическим кожухом, чтобы избежать ожогов при касании горячей поверхности. Этот кожух может быть хромирован для декоративных целей. Участок трубы между двигателем и глушителем нередко выполнен из гибкой металлической промышленной гофры, которая снижает передачу вибрации от двигателя на выхлопную систему. Иногда большая выхлопная труба дизельного двигателя расположена вертикально, чтобы отводить горячие вредные газы от людей; в таких случаях конец трубы часто снабжен откидным металлическим клапаном, предотвращающим попадание внутрь мусора, птиц и дождевой воды. Ранее выхлопные системы грузовиков в Великобритании обычно располагались под шасси и были невидимы.

Двухтактные двигатели

В двухтактном двигателе, таком как используемый на мотоциклах для бездорожья, расширение в выхлопной трубе, известное как резонансная камера, использует давление выхлопных газов для создания эффекта насоса, который нагнетает больше воздуха и топлива в цилиндр во время впускного такта. Это обеспечивает большую мощность и эффективность сгорания топлива. См. эффект Каденаци.

Заборные двигатели

В подвесных моторах выхлопная система обычно представляет собой вертикальный канал внутри корпуса двигателя, а для снижения шума, распространяющегося по воде, выхлопные газы выпускаются под воду, иногда – через центральную часть винта.

Манифолд или заголовок

В большинстве серийных двигателей выпускной коллектор представляет собой конструкцию, предназначенную для сбора выхлопных газов из двух или более цилиндров в одну трубу. Коллекторы часто изготавливаются из чугуна в серийных автомобилях и могут иметь конструктивные особенности, направленные на экономию материала, такие как использование минимального количества металла, занимать наименьшее необходимое пространство или иметь минимальную себестоимость производства. Эти конструктивные ограничения часто приводят к экономичному, но не самому эффективному решению для отвода газов из двигателя. Неэффективность обычно обусловлена особенностями двигателя внутреннего сгорания и его цилиндров. Поскольку цилиндры воспламеняются в разное время, выхлопные газы покидают их не одновременно, и волны давления от выходящих из одного цилиндра газов могут не успеть полностью рассеяться в выхлопной системе к моменту воспламенения следующего цилиндра. Это создает встречное давление и сопротивление в выхлопной системе двигателя, что может ограничивать его реальную производительность. Несмотря на недостатки стальных трубных конфигураций выхлопа, инженеры, проектирующие компоненты двигателя, выбирают традиционные чугунные выпускные коллекторы, отмечая их положительные качества, такие как широкий спектр свойств управления тепловым режимом и превосходный срок службы по сравнению с другими типами конструкций выхлопных систем. Выпускной коллектор (или "хедер") – это конструкция, специально разработанная для повышения производительности. При проектировании хедеров инженеры не учитывают вес или стоимость, а стремятся к оптимальному потоку выхлопных газов. Это приводит к созданию более эффективной системы отвода выхлопа из цилиндров. Хедеры обычно изготавливаются из круглых стальных труб с изгибами и перегибами, рассчитанными таким образом, чтобы длина пути от выхлопного порта каждого цилиндра до общего выходного отверстия была одинаковой, а соединения осуществлялись под узкими углами, стимулируя прохождение волн давления через выпускной тракт, а не обратно к другим цилиндрам. В комплекте настроенных хедеров длина труб тщательно рассчитывается для улучшения потока выхлопных газов в определенном диапазоне оборотов двигателя. Распространенным способом увеличения мощности двигателя является установка улучшенных хедеров. Увеличение мощности часто достигается за счет увеличения площади поперечного сечения труб (снижения сопротивления выхлопным газам) и/или проектирования длины труб таким образом, чтобы волна давления способствовала более эффективному удалению выхлопных газов. Для рядных четырехцилиндровых и V-образных восьмицилиндровых двигателей выпускные коллекторы обычно имеют конструкцию 4-2-1 (где четыре трубы объединяются в две, а затем эти две трубы сливаются в одну) или 4-1 (где четыре трубы напрямую объединяются в одну). Хедеры обычно производятся компаниями, специализирующимися на тюнинге автомобилей, но иногда их можно приобрести в отделах высокопроизводительных запчастей автосалонов. Как правило, энтузиасты автомобилестроения приобретают хедеры от компаний, которые специализируются исключительно на производстве надежных, экономичных и хорошо спроектированных хедеров, предназначенных для конкретных моделей автомобилей. Хедеры также могут быть изготовлены на заказ в специализированных мастерских. Из-за использования передовых материалов при изготовлении некоторых хедеров aftermarket, это может быть дорогостоящим. К счастью, выхлопную систему можно изготовить на заказ для любого автомобиля, и, как правило, она не зависит от конкретной конструкции или двигателя автомобиля, за исключением необходимости надежного соединения с двигателем. Это обычно достигается за счет правильного подбора размеров на этапе проектирования и выбора подходящего типа и размера прокладки для двигателя.

In most production engines, the manifold is an assembly designed to collect the exhaust gas from two or more cylinders into one pipe. Manifolds are often made of cast iron in stock production cars and may have material saving design features such as using the least metal, to occupy the least space necessary, or have the lowest production cost. These design restrictions often result in a design that is cost effective but that does not do the most efficient job of venting the gases from the engine. Inefficiencies generally occur due to the nature of the combustion engine and its cylinders. Since cylinders fire at different times, exhaust leaves them at different times, and pressure waves from gas emerging from one cylinder might not be completely vacated through the exhaust system when another comes. This creates back pressure and restriction in the engine's exhaust system that can restrict the engine's true performance possibilities. Regardless of the negative attributes of steel tube exhaust outlet configurations, engineers who design engine components choose conventional cast iron exhaust manifolds list positive attributes, such as an array of heat management properties and superior longevity to any other type of exhaust outlet design. A header is a manifold specifically designed for performance. During design, engineers create a manifold without regard to weight or cost but instead for optimal flow of the exhaust gases. This design results in a header that is more efficient at scavenging the exhaust from the cylinders. Headers are generally circular steel tubing with bends and folds calculated to make the paths from each cylinder's exhaust port to the common outlet all equal length and joined at narrow angles to encourage pressure waves to flow through the outlet, not back towards other cylinders. In a set of tuned headers the pipe lengths are carefully calculated to enhance exhaust flow in a particular engine revolutions per minute range. A common method of increasing the power output of an engine is the use of upgraded headers. The increased power output is often due to a result of a larger cross section area of the pipes (reducing the resistance on the exhaust gasses) and/or designing the pipe lengths so that the pressure wave assists in exhaust scavenging. For inline four engines and V8 engines, exhaust manifolds are usually either a 4 2 1 design (where the four pipes merge into two, followed by a separate merge of these two pipes into one) or a 4 1 design (where the four pipes directly merge into one). Headers are generally made by aftermarket automotive companies, but sometimes can be bought from the high performance parts department at car dealerships. Generally, most car performance enthusiasts buy aftermarket headers made by companies solely focused on producing reliable, cost effective well designed headers specifically for their cars. Headers can also be custom designed by a custom shop. Due to the advanced materials that some aftermarket headers are made of, this can be expensive. Luckily, an exhaust system can be custom built for any car, and generally is not specific to the car's motor or design except for needing to properly connect solidly to the engine. This is usually accomplished by correct sizing in the design stage, and selecting a proper gasket type and size for the engine.

Каталитический преобразователь

Некоторые системы (известные как бескатализаторные или де-катализаторные) исключают каталитический нейтрализатор. В США наличие каталитического нейтрализатора является обязательным требованием законодательства. Запрещается удалять нейтрализатор с транспортного средства, используемого исключительно для езды по бездорожью в Соединенных Штатах. Основное назначение каталитического нейтрализатора в автомобиле – снижение вредных выбросов углеводородов, угарного газа и оксидов азота в атмосферу. Он осуществляет это, преобразуя загрязняющие компоненты выхлопных газов в воду и углекислый газ. Существует температура прогрева, при которой каталитический нейтрализатор начинает эффективно работать. Каталитические нейтрализаторы могут создавать встречное давление, если они не рассчитаны на необходимую пропускную способность или если они засорены. В таких случаях модернизация или удаление каталитического нейтрализатора может повысить мощность на высоких оборотах. Однако каталитический нейтрализатор является ключевым элементом системы контроля выбросов автомобиля, и использование нестандартного продукта может сделать транспортное средство непригодным для эксплуатации на дорогах общего пользования.

Трубопроводы

Трубопроводы, соединяющие все отдельные компоненты выхлопной системы, называются выхлопной трубой. Если диаметр слишком мал, мощность на высоких оборотах будет снижена. Слишком большой диаметр может снизить крутящий момент на низких оборотах и привести к тому, что выхлопная система будет располагаться ниже к земле, увеличивая риск повреждения при движении автомобиля. На автомобилях с двумя выхлопными трубами часто используется перекрестная труба для соединения их между собой. Распространенные конструкции перекрестных труб – это перпендикулярная труба (так называемая "H-образная труба" из-за ее формы) или угловые трубы, которые плавно соединяются и разделяются ("X-образная труба").

Глушитель

Глушители оригинального оборудования обычно снижают уровень шума из выхлопной трубы, отражая звуковые волны от задней, передней и боковых стенок глушителя. Они разработаны для соответствия максимально допустимому уровню шума, установленному государственными нормами, однако некоторые глушители оригинального оборудования создают значительное встречное давление. Глушители с набивкой из стекловолокна (также известные как "пушки" или "сосиски") имеют сквозную конструкцию и состоят из внутренней перфорированной трубы, внешней цельной трубы и звукоизоляции из стекловолокна, расположенной между ними. Они часто обеспечивают меньшее встречное давление, чем глушители оригинального оборудования, но относительно малоэффективны в снижении уровня шума. Другим распространенным типом глушителя является камерный глушитель, который состоит из серии концентрических или эксцентрических труб внутри камеры расширения. Эти трубы позволяют звуку проникать внутрь и вызывают отражение звуковых волн от закрытых плоских торцов труб. Эти отражения частично гасят друг друга, снижая уровень шума. Резонаторы – это участки трубы, расширяющиеся до большего диаметра, позволяющие звуковым волнам отражаться от стенок и гаситься, тем самым снижая уровень шума. Резонаторы могут использоваться внутри глушителей, а также как отдельные компоненты в выхлопной системе.

Выхлопная труба и выхлоп

В грузовиках иногда глушитель расположен поперечно под передней частью кабины, а его выхлопная труба направлена вбок, в сторону пассажира (правая сторона, если движение слева, левая сторона – если справа). Расположение выхлопной трубы под задним бампером легкового автомобиля обычно указывает на рынок, для которого он был предназначен: у японских (и некоторых старых британских) автомобилей выхлопная труба справа, чтобы быть как можно дальше от бордюра в странах с левосторонним движением, а у европейских – слева. Конец выхлопной трубы, через который отработанные газы выходят в атмосферу – как правило, единственная видимая часть выхлопной системы – часто заканчивается прямым или скошенным срезом, но может иметь декоративную насадку. Насадка иногда хромирована и обычно имеет больший диаметр, чем остальная часть выхлопной системы. Это обеспечивает дополнительное снижение давления и иногда используется для улучшения внешнего вида автомобиля. В конце 1950-х годов в США производители автомобилей стали стилизовать задний бампер с отверстиями по краям для выхлопных газов. Двойной выхлоп символизировал двигатель V8, и такой дизайн устанавливался только на самые дорогие автомобили (Cadillac, Lincoln, Imperial, Packard). Это объяснялось тем, что у роскошных автомобилей того времени был большой задний свес, из-за чего выхлопная труба задевала землю при преодолении неровностей. Эта мода исчезла, когда покупатели заметили, что задняя часть автомобиля – это зона низкого давления, где скаплилась сажа из выхлопных газов, а кислота в ней разъедала хромированный бампер. У автобусов, грузовиков, тракторов или экскаваторов с вертикальной выхлопной трубой (иногда называемой "трубой" или "стеком", расположенной за кабиной) конец трубы может быть изогнут или иметь откидную крышку, которая отклоняется потоком газов, чтобы предотвратить попадание внутрь посторонних предметов (включая экскременты птиц, садящихся на трубу, когда машина не используется). В некоторых грузовиках, когда глушитель расположен продольно под шасси, конец выхлопной трубы поворачивается на 90° и направлен вниз. Это защищает находящихся рядом с неподвижным грузовиком от прямого потока выхлопных газов, но часто поднимает пыль при движении по сухой, пыльной грунтовой дороге, например, на строительной площадке.

With trucks, sometimes the silencer is crossways under the front of the cab and its tailpipe blows sideways to the offside (right side if driving on the left, left side if driving on the right). The side of a passenger car on which the exhaust exits beneath the rear bumper usually indicates the market for which the vehicle was designed, i. e. Japanese (and some older British) vehicles have exhausts on the right so they are furthest from the curb in countries which drive on the left, while European vehicles have exhausts on the left. The end of the final length of exhaust pipe where it vents to open air, generally the only visible part of the exhaust system part on a vehicle, often ends with just a straight or angled cut, but may include a fancy tip. The tip is sometimes chromed. It is often of larger pipe than the rest of the exhaust system. This produces a final reduction in pressure and is sometimes used to enhance the appearance of the car. In the late 1950s in the United States manufacturers had a fashion in car styling to form the rear bumper with a hole at each end through which the exhaust would pass. Two outlets symbolized V 8 power, and only the most expensive cars (Cadillac, Lincoln, Imperial, Packard) were fitted with this design. One justification for this was that luxury cars in those days had such a long rear overhang that the exhaust pipe scraped the ground when the car traversed ramps. The fashion disappeared after customers noted that the rear end of the car is a low pressure area that collected soot from the exhaust and its acidic content ate into the chrome plated rear bumper. When a bus, truck or tractor or excavator has a vertical exhaust pipe (called stacks or pipes behind the cab), sometimes the end is curved, or has a hinged cover flap which the gas flow blows out of the way, to try to prevent foreign objects (including feces from a bird perching on the exhaust pipe when the vehicle is not being used) getting inside the exhaust pipe. In some trucks, when the silencer (muffler) is front to back under the chassis, the end of the tailpipe turns 90° and blows downwards. That protects anyone near a stationary truck from getting a direct blast of the exhaust gas, but often raises dust when the truck is driving on a dry dusty unmade surface such as on a building site.

Трубы из озера

В результате сложностей адаптации выхлопных труб большого диаметра к подвеске рамных или кузовных автомобилей с измененной геометрией подвески, "lake pipes" (трубы озера) эволюционировали в архетипичную выхлопную систему переднемоторных автомобилей, созданную специалистами по спортивным двигателям 1930-х, 1940-х и 1950-х годов, которые стремились оптимизировать акустический эффект, связанный с высокопроизводительными двигателями внутреннего сгорания. Название происходит от их использования на обширных, пустынных пересохших озерах к северо-востоку от округа Лос-Анджелес, где специалисты по двигателям изготавливали на заказ, меняли местами и оценивали цельные выпускные коллекторы различной толщины металла, учитывая ожидаемую температуру, влажность, высоту над уровнем моря и климат. Хотя прямой прирост производительности не был целью, "lake pipes" стали результатом практической необходимости. В типичных случаях выпускные коллекторы выходили прямо в передние колесные арки, создавая риск отравления выхлопными газами для гонщика, поэтому были разработаны "lake pipes", идущие от фланца выпускного коллектора вдоль порога, нижней части кузова, под дверями. Это позволило (1) тюнерам подвески добиться меньшей высоты посадки, необходимой для попыток установить рекорды скорости на суше, и (2) тюнерам двигателей легко и гибко менять выпускные коллекторы, не поднимая автомобиль, что избавляло от необходимости работы под днищем. Переход к архитектуре шасси типа superleggera, цельнолитому кузову и монококу, а также принятие законодательства по борьбе с выбросами сделали "lake pipes" устаревшим вариантом для повышения производительности. В современных автомобилях "lake pipes" не дают значительного прироста мощности и являются эстетическим аксессуаром, обычно хромированным. Некоторые позволяют водителю направлять выхлопные газы либо в стандартную выхлопную систему, либо через "lake pipes". Некоторые оснащены декоративными заглушками ("laker caps"), которые крепятся болтами к концу выхлопных труб и служат для (1) закрытия выхлопной системы, когда она не используется, и/или (2) указания на то, что "lake pipes" являются чисто декоративным элементом.

A consequence of the problematic nature in the adaptation of large diameter exhaust tubing to the undercarriage of ladder frame or body on frame chassis architecture vehicles with altered geometry suspensions, lake pipes evolved to become a front engined vehicle exhaust archetype crafted by specialty motorsport engine specialists of the 1930s, 1940s, and 1950s, whose focus was the optimization of the acoustic effect associated with high output internal combustion engines. The name is derived from their use on the vast, empty dry lake beds northeast of Los Angeles County, where engine specialists custom crafted, interchanged, and evaluated one piece header manifolds of various mil thicknesses, a function of temperature, humidity, elevation and climate they anticipated. No intrinsic performance gain to be derived, per se, lake pipes evolved a function of practicality. In common instances, their manifolds routed straight out the front wheel wells posing an asphyxiation risk to the race driver, "lake pipes" were fashioned, extending from the header flange along the rocker panels, bottom side of the vehicle, beneath the doors, thus allowing (1) suspension tuners a lower ride height sufficient for land speed record attempts, and (2) engine tuners ease and flexibility of interchanging different exhaust manifolds without hoisting the vehicle, thus precluding having to wrench undercarriage of the vehicle. Body on frame chassis architecture ceding to superleggera, unit body and monocoque archetypes, in tandem with smog abatement legislation rendered lake pipes obsolete as a performance option. No meaningful performance gain to be had for contemporary vehicles, lake pipes are aesthetic accessories that are usually chrome plated. Some allow the driver to control whether the exhaust gas is routed to the standard exhaust system, or through the lake pipes. Some are equipped with laker caps which, affixed by fasteners at the terminal end of exhaust tips, serve to (1) "cap" the exhaust system when not in use, and/or (2) indicate that the presence of lake pipes is merely cosmetic.

Задние лапы

Задняя часть выхлопной системы (или выхлопная система после выпускного коллектора) — это часть выхлопной системы от выходного патрубка выпускного коллектора до конечного выхода в атмосферу, то есть всё, что расположено после выпускного коллектора. Системы задней части выхлопной системы обычно производятся как тюнинговые для автомобилей без турбонаддува.

Турбо-задняя

Турбо-задняя часть (или турбо-бэк) – это часть выхлопной системы, начинающаяся от выхода турбокомпрессора и заканчивающаяся выпускным отверстием в атмосферу. Системы турбо-бэк обычно производятся как системы повышения производительности для автомобилей, оснащенных турбокомпрессорами. Некоторые системы турбо-бэк (и хэдер-бэк) заменяют штатные каталитические нейтрализаторы на модели с меньшим сопротивлением потоку.

Кот-ребёнок

Cat back (также cat back и catback) относится к части выхлопной системы от выходного патрубка каталитического нейтрализатора до выпускного отверстия в атмосферу. Обычно это включает в себя трубу от нейтрализатора до глушителя, сам глушитель и конечный участок трубы, выводящий выхлоп в атмосферу. Выхлопные системы cat back, как правило, используют трубы большего диаметра, чем штатная система. Глушители, входящие в эти комплекты, часто представляют собой резонаторы с наполнителем из минеральной ваты для снижения сопротивления потоку. Если система разработана больше для внешнего вида, чем для функциональности, она может быть настроена для усиления низких частот, которых не хватает малообъемным двигателям с высокими оборотами.

Настройка системы выхлопных газов

Запасные части выхлопной системы могут увеличить пиковую мощность за счет снижения противодавления. Эти детали иногда могут привести к потере заводской гарантии, однако Регламент Европейского Союза о групповых исключениях 1400/2002 запрещает производителям отклонять гарантийные претензии, если запасные части соответствуют по качеству и характеристикам оригинальным деталям. Многие автопроизводители предлагают модернизацию выхлопных систем как подкатегорию тюнинга двигателя. Это часто достаточно дорого, так как обычно включает замену всего выхлопного коллектора или других крупных компонентов. Однако эти улучшения могут значительно повысить производительность двигателя за счет снижения противодавления выхлопных газов и уменьшения количества тепла, теряемого в подкапотном пространстве. Это снижает температуру под капотом и, как следствие, температуру впускного коллектора, что увеличивает мощность. Кроме того, это положительно влияет на предотвращение повреждения теплочувствительных компонентов. Противодавление чаще всего снижается заменой выхлопных коллекторов на выпускные коллекторы (headers), которые имеют более плавные изгибы и, как правило, больший диаметр труб. Управление теплом выхлопных газов помогает уменьшить количество тепла, излучаемого выхлопной трубой и компонентами. Одним из распространенных решений для модернизации является использование керамического покрытия, наносимого методом термического напыления в качестве теплозащитного экрана. Это не только снижает потери тепла и уменьшает противодавление, но и обеспечивает эффективную защиту выхлопной системы от износа, термической деградации и коррозии. Тюнинг может изменить звук выхлопной системы, известный как тембр выхлопа.