В автомобилестроении выпускной коллектор собирает выхлопные газы из нескольких цилиндров в одну трубу. Слово коллектор происходит от староанглийского слова manigfeald ( от англосаксонского manig [много] и feald [сложить]) и относится к соединению нескольких входов и выходов (напротив, впускной или впускной коллектор подает воздух в цилиндры).
Выпускные коллекторы, как правило, представляют собой простые агрегаты из чугуна или нержавеющей стали, которые собирают выхлопные газы двигателя из нескольких цилиндров и доставляют их в выхлопную трубу. Для многих двигателей на вторичном рынке имеются трубчатые выпускные коллекторы, известные как коллекторы в американском английском , коллекторы экстрактора в британском и австралийском английском [1] и просто «трубчатые коллекторы» в британском английском . [ нужна цитация ] Они состоят из отдельных выхлопных патрубков для каждого цилиндра, которые затем обычно сходятся в одну трубку, называемую коллектором. Заголовки, у которых нет коллекторов, называются заголовками Zoomie .
Наиболее распространенные типы коллекторов послепродажного обслуживания изготавливаются из трубок из мягкой или нержавеющей стали для первичных трубок вместе с плоскими фланцами и, возможно, из коллектора большего диаметра, изготовленного из того же материала, что и первичные обмотки. Они могут быть покрыты керамической отделкой (иногда как внутри, так и снаружи), окрашены термостойкой краской или голы. Доступны хромированные разъемы, но после использования они имеют тенденцию синеть. Полированная нержавеющая сталь также будет иметь цвет (обычно желтый оттенок), но в большинстве случаев меньший, чем хром.
Другая форма используемой модификации — это изоляция стандартного или вторичного коллектора. Это уменьшает количество тепла, отдаваемого в моторный отсек, тем самым снижая температуру впускного коллектора. Существует несколько типов теплоизоляции , но наиболее распространены три:
Целью высокопроизводительных выхлопных коллекторов является главным образом уменьшение сопротивления потоку ( противодавление ) и увеличение объемного КПД двигателя, что приводит к увеличению выходной мощности. Происходящие процессы можно объяснить газовыми законами , в частности законом идеального газа и комбинированным газовым законом .
Когда двигатель начинает такт выпуска, поршень перемещается вверх по отверстию цилиндра, уменьшая общий объем камеры. Когда выпускной клапан открывается, выхлопные газы под высоким давлением выходят в выпускной коллектор или коллектор, создавая «импульс выхлопа», состоящий из трех основных частей:
Это относительно низкое давление помогает удалить все продукты сгорания из цилиндра и ввести впускной заряд в период перекрытия, когда и впускной, и выпускной клапаны частично открыты. Эффект известен как «очистка». Длина, площадь поперечного сечения и форма выпускных отверстий и трубопроводов влияют на степень продувочного эффекта и диапазон оборотов двигателя, в котором происходит продувка.
Величина эффекта продувки выхлопных газов является прямой функцией скорости компонентов высокого и среднего давления выхлопного импульса. Высокопроизводительные коллекторы работают над тем, чтобы максимально увеличить скорость выхлопа. Один из методов — первичные трубки настроенной длины. Этот метод пытается определить время возникновения каждого импульса выхлопа, который будет происходить один за другим подряд, пока он еще находится в выхлопной системе. Хвост выпускного импульса с более низким давлением затем служит для создания большей разницы давлений между напором высокого давления следующего выпускного импульса, тем самым увеличивая скорость этого выпускного импульса. В двигателях V6 и V8, где имеется более одного ряда выхлопных газов, «Y-образные» и «X-пайпы» работают по одному и тому же принципу использования компонента низкого давления выхлопного импульса для увеличения скорости следующего выхлопного импульса.
Необходимо проявлять большую осторожность при выборе длины и диаметра первичных трубок. Слишком большие трубы приведут к расширению и замедлению выхлопных газов, уменьшая эффект продувки. Слишком маленькие трубы будут создавать сопротивление потоку выхлопных газов, с которым двигатель должен работать, чтобы вытеснить выхлопные газы из камеры, снижая мощность и оставляя выхлопные газы в камере для разбавления поступающего всасываемого заряда. Поскольку двигатели производят больше выхлопных газов на более высоких скоростях, коллектор(ы) настраиваются на определенный диапазон скоростей двигателя в соответствии с предполагаемым применением. Обычно широкие первичные трубы обеспечивают лучший прирост мощности и крутящего момента на более высоких оборотах двигателя, тогда как узкие трубы обеспечивают лучший прирост на более низких скоростях.
Многие коллекторы также настроены на резонанс , чтобы использовать импульс разрежения отраженной волны низкого давления , который может помочь продувать 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 пояснения: импульс разрежения — это технический термин для того же процесса, который был описан выше в описании «голова, тело, хвост». Настраивая длину первичных трубок, обычно посредством резонансной настройки, импульс разрежения можно синхронизировать так, чтобы он совпадал с точным моментом перекрытия клапанов. Обычно длинные первичные трубки резонируют при более низких оборотах двигателя, чем короткие первичные трубки.
Некоторые современные выхлопные патрубки имеют керамическое покрытие. Это покрытие предотвращает появление ржавчины и уменьшает количество тепла, излучаемого в моторный отсек. Снижение нагрева поможет предотвратить перегрев впускного коллектора, что снизит температуру воздуха, поступающего в двигатель.
Двигатели Crossplane V8 имеют левый и правый ряд по 4 цилиндра в каждом. Когда двигатель работает, поршни срабатывают в соответствии с порядком зажигания двигателя. Если блок имеет два последовательных срабатывания поршня, это создаст область высокого давления в выхлопной трубе, потому что через нее проходят два импульса выхлопа, близкие 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 направляется в трубу XH, что немного снижает общее давление. Причина этого снижения давления заключается в том, что жидкость (жидкость, воздух или газ) будет перемещаться по трубе, и когда она достигнет пересечения, жидкость пойдет по пути наименьшего сопротивления, а часть будет стравливать, тем самым немного снижая давление. . Без трубы XH поток выхлопных газов был бы прерывистым или непостоянным, и двигатель не работал бы с максимальной эффективностью. Двойной импульс выхлопа может привести к тому, что часть следующего импульса выхлопа в этом ряду не выйдет полностью из этого цилиндра и вызовет либо детонацию (из-за бедного состава топливовоздушной смеси (AFR)), либо пропуск зажигания из-за богатого AFR, в зависимости от от того, какая часть двойного импульса осталась и какова была смесь этого импульса.
Сегодняшнее понимание выхлопных систем и гидродинамики привело к ряду механических усовершенствований. Одно из таких улучшений можно увидеть в выпускном клапане предельной мощности («EXUP»), установленном на некоторых мотоциклах Yamaha. Он постоянно регулирует противодавление в коллекторе выхлопной системы, чтобы улучшить формирование волны давления в зависимости от частоты вращения двигателя. Это обеспечивает хорошую производительность на низких и средних частотах.
На низких оборотах двигателя волновое давление внутри трубопроводной сети невелико. Полное колебание резонанса Гельмгольца происходит до закрытия выпускного клапана, и для увеличения крутящего момента на низких скоростях искусственно вызываются волны давления выхлопных газов большой амплитуды. Это достигается за счет частичного закрытия внутреннего клапана выхлопной системы — клапана EXUP — в месте соединения четырех основных трубок цилиндров. Эта точка соединения по существу ведет себя как искусственная атмосфера, следовательно, изменение давления в этой точке контролирует поведение отраженных волн при этом внезапном увеличении разрыва площади. Закрытие клапана увеличивает местное давление, вызывая тем самым образование отрицательно отраженных волн расширения большей амплитуды. Это увеличивает крутящий момент на низких скоростях до скорости, при которой потери из-за увеличения противодавления перевешивают эффект настройки EXUP. На более высоких скоростях клапан EXUP полностью открывается, и выхлопные газы могут свободно течь.