В автомобильной технике выпускной коллектор собирает выхлопные газы из нескольких цилиндров в одну трубу. Слово коллектор происходит от древнеанглийского слова manigfeald (от англосаксонского manig [много] и feald [складывать]) [1] и относится к складыванию вместе нескольких входов и выходов (в отличие от впускного или впускного коллектора, который подает воздух в цилиндры).
Выпускные коллекторы, как правило, представляют собой простые чугунные или нержавеющие стальные [2] блоки, которые собирают выхлопные газы двигателя из нескольких цилиндров и доставляют их в выхлопную трубу. Для многих двигателей существуют трубчатые выпускные коллекторы вторичного рынка, известные как коллекторы в американском английском , как коллекторы экстракторов в британском и австралийском английском , [3] и просто как «трубчатые коллекторы» в британском английском . [ требуется ссылка ] Они состоят из отдельных выхлопных труб для каждого цилиндра, которые затем обычно сходятся в одну трубу, называемую коллектором. Коллекторы, у которых нет коллекторов, называются zoomie headers .
Наиболее распространенные типы коллекторов вторичного рынка изготавливаются из труб из мягкой стали или нержавеющей стали для первичных труб вместе с плоскими фланцами и, возможно, коллектором большего диаметра, изготовленным из того же материала, что и первичные. Они могут быть покрыты керамическим покрытием (иногда как внутри, так и снаружи), или окрашены термостойким покрытием, или быть голыми. Доступны хромированные коллекторы, но они имеют тенденцию к синеве после использования. Полированная нержавеющая сталь также будет окрашиваться (обычно в желтый оттенок), но в большинстве случаев меньше, чем хром.
Другой формой модификации является изоляция стандартного или вторичного коллектора. Это уменьшает количество тепла, отдаваемого в моторный отсек, тем самым снижая температуру впускного коллектора. Существует несколько типов теплоизоляции , но три из них особенно распространены:
Целью производительных выпускных коллекторов является главным образом снижение сопротивления потоку ( противодавление ) и увеличение объемной эффективности двигателя, что приводит к увеличению выходной мощности. Происходящие процессы можно объяснить законами газа , в частности, законом идеального газа и комбинированным законом газа .
Когда двигатель начинает свой такт выпуска, поршень движется вверх по отверстию цилиндра, уменьшая общий объем камеры. Когда выпускной клапан открывается, выхлопные газы высокого давления выходят в выпускной коллектор или коллектор, создавая «выхлопной импульс», состоящий из трех основных частей:
Это относительно низкое давление помогает извлечь все продукты сгорания из цилиндра и ввести впускной заряд в период перекрытия, когда и впускной, и выпускной клапаны частично открыты. Эффект известен как «продувка». Длина, площадь поперечного сечения и форма выпускных отверстий и трубопроводов влияют на степень эффекта продувки и диапазон оборотов двигателя, в котором происходит продувка. [4]
Величина эффекта продувки выхлопных газов является прямой функцией скорости компонентов высокого и среднего давления импульса выхлопных газов. Коллекторы производительности работают, чтобы максимально увеличить скорость выхлопных газов. Один из методов - это первичные трубы настроенной длины. Этот метод пытается синхронизировать возникновение каждого импульса выхлопных газов, чтобы они происходили один за другим последовательно, пока они все еще находятся в выхлопной системе. Затем хвостовая часть импульса выхлопных газов с более низким давлением служит для создания большей разницы давлений между головкой высокого давления следующего импульса выхлопных газов, тем самым увеличивая скорость этого импульса выхлопных газов. В двигателях V6 и V8, где имеется более одного выхлопного банка, "Y-образные трубы" и "X-образные трубы" работают по тому же принципу использования компонента низкого давления импульса выхлопных газов для увеличения скорости следующего импульса выхлопных газов.
При выборе длины и диаметра первичных трубок следует проявлять большую осторожность. Слишком большие трубки приведут к расширению и замедлению выхлопных газов, что снизит эффект продувки. [4] Слишком маленькие трубки создадут сопротивление потоку выхлопных газов, которое двигатель должен будет преодолеть, чтобы вытеснить выхлопные газы из камеры, снижая мощность и оставляя выхлопные газы в камере для разбавления входящего впускного заряда. Поскольку двигатели производят больше выхлопных газов на более высоких скоростях, коллектор(ы) настраиваются на определенный диапазон оборотов двигателя в соответствии с предполагаемым применением. Обычно широкие первичные трубки обеспечивают наилучший прирост мощности и крутящего момента на более высоких скоростях двигателя, в то время как узкие трубки обеспечивают наилучший прирост на более низких скоростях.
Многие коллекторы также настроены на резонанс , чтобы использовать импульс разрежения отраженной волны низкого давления , который может помочь продуть камеру сгорания во время перекрытия клапанов. Этот импульс создается во всех выхлопных системах каждый раз, когда происходит изменение плотности, например, когда выхлопные газы сливаются в коллектор. Для ясности, импульс разрежения — это технический термин для того же процесса, который был описан выше в описании «голова, тело, хвост». Настраивая длину первичных трубок, обычно с помощью настройки резонанса, импульс разрежения можно синхронизировать так, чтобы он совпадал с точным моментом перекрытия клапанов. Обычно длинные первичные трубки резонируют при более низкой скорости двигателя, чем короткие первичные трубки.
Двигатели Crossplane V8 имеют левый и правый ряд, каждый из которых содержит 4 цилиндра. Когда двигатель работает, поршни срабатывают в соответствии с порядком срабатывания двигателя. Если ряд имеет два последовательных срабатывания поршней, это создаст область высокого давления в выхлопной трубе, потому что два импульса выхлопных газов движутся через него близко по времени. Когда два импульса движутся в выхлопной трубе, они должны столкнуться либо с трубой X, либо с трубой H. Когда они сталкиваются с трубой, часть импульса отклоняется в трубу XH, что снижает общее давление на небольшую величину. Причина этого снижения давления заключается в том, что жидкость (жидкость, воздух или газ) будет перемещаться по трубе, и когда она достигает пересечения, жидкость пойдет по пути наименьшего сопротивления, и часть будет вытекать, таким образом, немного снижая давление. Без трубы XH поток выхлопных газов был бы прерывистым или непостоянным, и двигатель не работал бы с максимальной эффективностью. Двойной выхлопной импульс может привести к тому, что часть следующего выхлопного импульса в этом блоке не выйдет из этого цилиндра полностью и вызовет либо детонацию (из-за обедненного соотношения воздух-топливо (AFR)), либо пропуски зажигания из-за обогащенного AFR, в зависимости от того, какая часть двойного импульса осталась и какова была смесь этого импульса. [5]
Сегодняшнее понимание выхлопных систем и динамики жидкости привело к ряду механических усовершенствований. Одно из таких усовершенствований можно увидеть в выпускном клапане предельной мощности («EXUP»), установленном на некоторых мотоциклах Yamaha. Он постоянно регулирует обратное давление в коллекторе выхлопной системы, чтобы улучшить формирование волны давления в зависимости от скорости двигателя. Это обеспечивает хорошую производительность в диапазоне низких и средних оборотов.
На низких оборотах двигателя волновое давление в сети труб низкое. Полное колебание резонанса Гельмгольца происходит до закрытия выпускного клапана, и для увеличения крутящего момента на низкой скорости искусственно вызываются волны давления выхлопных газов большой амплитуды. Это достигается частичным закрытием внутреннего клапана в выхлопной системе — клапана EXUP — в точке, где соединяются четыре первичные трубы от цилиндров. Эта точка соединения по сути ведет себя как искусственная атмосфера, поэтому изменение давления в этой точке управляет поведением отраженных волн при этом внезапном увеличении разрыва площади. Закрытие клапана увеличивает локальное давление, тем самым вызывая образование отрицательных отраженных волн расширения большей амплитуды. Это увеличивает крутящий момент на низкой скорости до скорости, на которой потери из-за повышенного противодавления перевешивают эффект настройки EXUP. На более высоких скоростях клапан EXUP полностью открыт, и выхлопные газы могут свободно течь.