Системы выхлопа работа по превращению этих вредных токсичных выхлопных газов во что-то менее опасное до их выброса в атмосферу. В большинстве автомобилей установлен каталитический нейтрализатор, наполненный драгоценными металлами, такими как платина, палладий и родий. Эти материалы способствуют превращению окиси углерода в обычный углекислый газ, а остатки топлива — в водяной пар и дополнительное количество CO₂. Более новые модели автомобилей, выпускаемые сегодня, фактически снижают выбросы загрязняющих веществ примерно на 90 %, что является весьма впечатляющим результатом при сравнении с такими нормативами, как стандарты Euro 6. Автопроизводителям не оставалось ничего иного, кроме как разработать эти сложные многоступенчатые нейтрализаторы, как только правительства начали вводить в действие строгие ограничения по выбросам. И не стоит забывать, что происходит при несоблюдении графика технического обслуживания автомобиля. Исследования показывают, что ненадлежащее обслуживание может снизить эффективность таких нейтрализаторов почти вдвое, что означает увеличение количества загрязняющих веществ в атмосфере и возможные штрафы для водителей, не прошедших проверку на соответствие нормам выбросов.
Система играет ключевую роль в предотвращении проникновения смертельно опасного угарного газа в салон автомобиля. Выпускные коллекторы нагреваются чрезвычайно сильно — порой до температуры свыше 1400 °F (около 760 °C), поэтому необходимо отводить всё это тепло от компонентов, которые могут быть повреждены. Именно для этой цели применяются теплозащитные экраны. Они отражают интенсивное тепловое излучение, защищая важные элементы, такие как топливные магистрали, электрические провода и различные материалы, расположенные под днищем транспортного средства. Также имеет значение и расположение выхлопных труб. При правильной установке выхлопные газы направляются вниз и назад, а не проникают в зону пассажиров. Такая конструкция обеспечивает содержание угарного газа в салоне на уровне менее 0,1 %, что значительно ниже опасного порога в 1,28 %, установленного промышленными нормами безопасности, соблюдаемыми повсеместно.
Кислородные датчики, устанавливаемые в большинстве современных автомобилей, расположены как перед, так и после каталитического нейтрализатора и постоянно контролируют процессы, происходящие внутри выхлопной системы. Эти датчики передают информацию обратно в «мозг» автомобиля — электронный блок управления (ЭБУ). На основе полученных данных ЭБУ корректирует соотношение воздуха и топлива, подаваемого в двигатель. Оптимальное соотношение достигается при примерно 14,7 частях воздуха на 1 часть топлива. При исправной работе кислородных датчиков расход топлива может снизиться примерно на 15 % по сравнению с автомобилями, в которых эти датчики начали выходить из строя со временем. При этом речь идёт не только об экономии средств на заправке. Поддержание точного соотношения воздуха и топлива означает, что из двигателя выделяется меньше вредных газов. Это особенно важно для дизельных двигателей, поскольку предотвращает образование сажи в дорогостоящих фильтрах твёрдых частиц, продлевая тем самым интервалы между их заменой.
Способ, которым осуществляется отвод выхлопных газов, оказывает значительное влияние на работу двигателей, в первую очередь из-за трёх взаимосвязанных факторов. Во-первых, это обратное давление — то есть сопротивление, которое выхлопные газы испытывают при движении по системе. При чрезмерном сопротивлении объёмный КПД может снизиться примерно на 15 %. В результате часть продуктов сгорания остаётся в цилиндрах и мешает поступлению свежей топливовоздушной смеси. С другой стороны, так называемая импульсная продувка использует волновое давление выхлопных газов для дополнительного подсоса воздуха и топлива в цилиндры. При правильной настройке этот метод способен повысить наполнение цилиндров примерно на 8–12 %. Также важна скорость движения выхлопных газов. Слишком широкие трубы замедляют поток газов, что снижает крутящий момент на низких оборотах. Если же трубы слишком узкие, они ограничивают мощность на высоких оборотах. Именно поэтому многие тюнинговые мастерские предпочитают использовать трубы с гибкой (мандрильной) гибкой для своих выхлопных систем. Такие трубы сохраняют постоянный внутренний диаметр даже в местах изгиба, что снижает турбулентность потока газов при их прохождении. Само по себе снижение турбулентности позволяет сократить потери мощности на 3–5 %.
При обсуждении тюнинга производительности каждый основной компонент выполняет свою собственную функцию. Например, выпускные коллекторы заменяют ограничивающие чугунные коллекторы на трубки одинаковой длины. Это способствует так называемому «очищению импульсов». Коллекторы с длинными трубками обеспечивают прирост крутящего момента на низких оборотах примерно на 10–15 %, тогда как коллекторы с короткими трубками направлены на достижение максимальной мощности при высоких оборотах двигателя. В двигателях с турбонаддувом выпускные трубы (даунпайпы) регулируют поток отработавших газов после турбины. Хорошие даунпайпы снижают противодавление примерно на 20–30 %, что уменьшает задержку реакции турбокомпрессора при ускорении. Каталитические нейтрализаторы представляют собой более сложный элемент. Штатные каталитические нейтрализаторы значительно ограничивают поток выхлопных газов, однако существуют высокопроизводительные модели с металлическим носителем, которые соответствуют более чем 95 % норм выбросов и одновременно обеспечивают прохождение выхлопных газов на 35 % легче. Правильное сочетание всех этих компонентов может повысить мощность примерно на 5–10 % без риска повреждения деталей или несоответствия требованиям по выбросам, хотя конечный результат будет зависеть от того, насколько точно все элементы согласованы между собой.
Современная система выпуска отработавших газов работает в строго определённой последовательности. Начиная с выпускного коллектора или, в случае турбонагнетателей, с интегрированного корпуса турбины, эта деталь собирает все горячие продукты сгорания, поступающие из цилиндров двигателя. Наиболее важным здесь является способность выдерживать экстремальные температуры — зачастую свыше 1400 °F (около 760 °C), — при этом обеспечивая низкое противодавление, поскольку чрезмерное сопротивление может существенно снизить производительность двигателя, возможно, уменьшив его эффективность примерно на 15 %. После выхода из зоны выпускного коллектора эти газы проходят по трубопроводам к каталитическому нейтрализатору, где происходит их очистка в целях контроля выбросов. Далее газы проходят через глушитель, выполняющий именно ту функцию, которую от него и ожидают: снижение уровня шума. В конечном итоге всё это выбрасывается наружу через выпускную трубу, расположенную в задней части транспортного средства.
Выбор материалов всегда означает сложный выбор между тем, что работает лучше всего, и тем, что соответствует бюджету. Чугун отлично сохраняет стабильность при перепадах температуры, однако он неизбежно добавляет лишний вес. Нержавеющая сталь? Она лучше сопротивляется коррозии, значительно эффективнее выдерживает высокие температуры и в целом служит дольше, но за эти качества покупателям приходится платить премиальную цену. В настоящее время многие высокопроизводительные системы используют трубчатые выпускные коллекторы, длина которых специально подобрана как с акустической, так и с тепловой точки зрения для достижения максимального эффекта продувки импульсами. Минус такого решения? Тонкостенные версии склонны к растрескиванию после многократных циклов нагрева и охлаждения. Теплозащитные покрытия помогают поддерживать более низкую температуру в моторном отсеке во время работы — это прекрасная новость для расположенных поблизости компонентов. Однако производители, как правило, сталкиваются с ростом себестоимости продукции примерно на 30 % из-за применения таких покрытий. При работе с турбонаддувными двигателями инженеры выбирают литые выпускные коллекторы из никелевых сплавов, способные выдерживать температуру отработавших газов до 1800 °F (около 982 °C). Такой конструктивный выбор позволяет полностью отказаться от всех раздражающих фланцевых соединений и обеспечивает плавный, беспрепятственный путь для отработавших газов — от камеры сгорания непосредственно к турбине.
EN