Максимальная эффективность выхлопной системы достигается за счёт баланса трёх основных факторов, которые зачастую противоречат друг другу. Для обеспечения хорошей пропускной способности необходимо поддерживать низкое обратное давление, используя плавные изгибы и трубы подходящего диаметра. При чрезмерном сопротивлении мощность снижается примерно на 3–5 % за каждый дополнительный фунт на квадратный дюйм (по данным исследования SAE 2022 г.). Далее следует проблема тепла. Температура отработавших газов может превышать 1200 °F (около 650 °C), поэтому производителям приходится применять такие материалы, как нержавеющая сталь марки 409, а также устанавливать надёжные теплозащитные экраны для предотвращения повреждения соседних компонентов. Ещё одна проблема — это ограниченное пространство. В современных автомобилях моторные отсеки чрезвычайно тесны, что затрудняет правильное размещение коллекторов и корректную установку глушителей. А если дополнительно требуется применение принудительного наддува? Это создаёт ещё больше сложностей, поскольку теперь необходимо интегрировать корпусы турбин, не жертвуя при этом дорожным просветом в других частях автомобиля.
Большинство автопроизводителей используют выпускные коллекторы из чугуна при серийном производстве автомобилей, поскольку они лучше, чем другие варианты, подавляют шум и вибрации. Кроме того, такие коллекторы оснащены встроенными посадочными местами для каталитических нейтрализаторов и позволяют сэкономить от 40 до 60 % по сравнению с трубчатыми коллекторами (хедерами). Форма каналов способствует увеличению крутящего момента на низких оборотах, что особенно важно для повседневной городской эксплуатации. Энтузиасты высоких характеристик зачастую предпочитают трубчатые коллекторы (хедеры). Эти коллекторы работают иначе: благодаря создаваемому в их трубах эффекту вакуума выхлопные газы удаляются быстрее, обеспечивая прирост мощности в среднем диапазоне оборотов на 6–8 %, согласно последним исследованиям. Однако есть и недостатки. Хедеры приводят к большему тепловыделению, поэтому требуется дополнительное охлаждение. Кроме того, они могут вызвать проблемы при прохождении проверки токсичности выхлопных газов, если датчики кислорода не установлены в строго определённых местах. Для тех, кто работает с ограниченным бюджетом, короткие хедеры всё же позволяют добиться определённого улучшения характеристик без необходимости изменения расположения креплений на двигателе.
Чтобы определить, какой тип выхлопного потока работает лучше всего, инженеры анализируют количество воздуха, которое двигатель фактически потребляет при создании максимального крутящего момента. Расчёт выполняется следующим образом: объём двигателя в кубических дюймах умножается на число оборотов в минуту (RPM), после чего полученный результат делится на 3456. Затем применяется поправочный коэффициент, основанный на объёмном КПД, который обычно составляет от 75 % до 85 % для двигателей без наддува. Рассмотрим практический пример: двигатель объёмом 350 кубических дюймов, работающий при 5000 об/мин и имеющий объёмный КПД около 80 %, требует примерно 405 кубических футов воздуха в минуту. Также очень важно правильно подобрать диаметр выхлопных труб. Слишком узкие трубы вызывают рост давления, поскольку выхлопные газы не могут достаточно быстро покинуть систему при скорости потока свыше 350 футов в секунду. С другой стороны, чрезмерно широкие трубы приводят к потере полезного эффекта продувки при снижении скорости потока ниже 250 футов в секунду. Большинство автомехаников рекомендуют выбирать диаметр труб в диапазоне от 2,5 до 3 дюймов для типичных V8-двигателей при таких значениях расхода воздуха, чтобы обеспечить оптимальное течение потока.
Когда речь заходит об выхлопных системах, существуют значительные различия в зависимости от типа двигателя. Возьмём, к примеру, большие атмосферные V8-двигатели. Для них требуются значительно более крупные трубы диаметром около 3–3,5 дюйма, чтобы справиться с таким объёмом отработавших газов, образующихся в двигателях большого рабочего объёма. Хорошим примером может служить 6,2-литровый двигатель LS3, работающий на 6500 об/мин и требующий приблизительно 590 кубических футов воздуха в минуту (CFM) для прохождения через систему. С турбонаддувными четырёхцилиндровыми двигателями ситуация принципиально иная. Их принцип работы на самом деле довольно интересен: отработавшие газы сначала приводят в действие турбокомпрессор ещё до того, как покинут двигатель; поэтому после турбины можно использовать значительно меньшие диаметры труб — обычно от 2,25 до 2,75 дюйма. Такая возможность обусловлена тем, что сама турбина создаёт своего рода эффект «узкого места», снижая объём отработавших газов, который должен пройти через остальную часть системы. Благодаря этому ограничению производители могут создавать гораздо более компактные выхлопные системы, сохраняя при этом сопоставимые уровни мощности, поскольку намеренно поддерживают более высокое давление непосредственно перед турбиной — там, где это наиболее критично для достижения высоких эксплуатационных характеристик.
Достижение эффективной продувки выхлопных газов в значительной степени зависит от правильного подбора диаметра первичных трубок в соответствии с тем диапазоном оборотов, в котором двигатель обычно работает. Оптимальный диаметр определяется балансом между скоростью выхлопных газов и обратным давлением. Более узкие трубки значительно повышают скорость потока, что особенно полезно на низких оборотах, когда эффект продувки наиболее необходим; однако чрезмерное уменьшение диаметра приводит к росту обратного давления. С другой стороны, более широкие трубки обеспечивают больший объём проходящего воздуха на высоких оборотах, но при этом снижают тягу на низких оборотах. Важно также и длина первичных трубок, поскольку она определяет момент прихода волн давления. Увеличение длины трубок смещает оптимальный эффект продувки в сторону более низких диапазонов оборотов. Большинство автолюбителей, ориентирующихся на работу двигателя около 5000 об/мин, обнаруживают, что трубки длиной примерно от 28 до 32 дюймов показывают достаточно хорошие результаты: они формируют отрицательные волны давления как раз в тот момент, когда начинают открываться выпускные клапаны. Всё это возможно благодаря закономерности, установленной Бернулли ещё давно: быстро движущиеся жидкости или газы создают области пониженного давления, которые «засасывают» за собой окружающие потоки. Не забудьте также и об управлении тепловым режимом: обёртки из титана помогают поддерживать достаточную температуру, чтобы волны давления сохраняли свою силу, а не рассеивались слишком быстро.
При сравнении различных диаметров первичных трубок наблюдаются заметные различия в производительности. На турбированных двигателях объёмом 2,0 л мы выяснили, что первичные трубки диаметром 1,75 дюйма обеспечивают прирост крутящего момента в среднем диапазоне оборотов (около 3500 об/мин) на 11 % по сравнению со стандартными трубками диаметром 2 дюйма. Причина заключается в более высокой скорости отработавших газов — примерно 312 футов в секунду вместо 265, — что способствует более эффективному удалению отработавших газов в фазе перекрытия клапанов. Однако при более высоких оборотах картина меняется. Начиная с 5800 об/мин, более крупные трубки диаметром 2 дюйма снижают противодавление примерно на 4 кПа, обеспечивая при этом почти на 5 % больший максимальный выход мощности. Таким образом, для повседневной городской эксплуатации, где особенно важна быстрая реакция двигателя, предпочтительнее использовать более узкие первичные трубки. В то же время гоночные автомобили, как правило, демонстрируют лучшие результаты с более широкими трубками. Ещё один момент, на который инженерам следует обратить внимание: изменение длины трубок также оказывает влияние. Сокращение длины трубок диаметром 1,75 дюйма всего на три дюйма, согласно нашим испытаниям на динамометрическом стенде в прошлом месяце, сдвинуло кривую крутящего момента вверх почти на 500 об/мин.
Обратное давление в основном относится к тому, какое сопротивление выхлопные газы испытывают при выходе из камеры сгорания. Многие люди ошибаются в понимании работы выхлопных систем. На самом деле, поддержание низкого обратного давления способствует более эффективной работе двигателя, поскольку позволяет отработавшим газам быстро покидать цилиндры, улучшая как продувку, так и объёмный КПД внутри цилиндров. Однако при чрезмерном сопротивлении — например, свыше примерно 40 кПа для двигателей мощностью менее 50 кВт — показатели начинают резко ухудшаться. Мощность снижается на 2–5 %, топливо сжигается быстрее необходимого, а температура горячих выхлопных газов продолжает расти, что приводит к ускоренному износу деталей. Турбонаддувные двигатели особенно остро реагируют на это явление: высокое обратное давление заставляет турбину прилагать больше усилий для достижения требуемой частоты вращения. Швейцарская программа VERT установила порог в 40 кПа как критический параметр, на который инженеры обращают особое внимание; испытания показывают, что малые двигатели страдают от этой проблемы в большей степени, поскольку их клапаны не обеспечивают оптимального открытия и закрытия в процессе работы. Установка компонентов, таких как глушители, на удалении от блока цилиндров и обеспечение достаточного диаметра выхлопных труб позволяют поддерживать обратное давление в допустимых пределах, не теряя при этом преимущества, связанных с эффективной продувкой, о которых говорилось выше.
Современные каталитические нейтрализаторы обеспечивают соблюдение норм по выбросам и оптимизируют работу двигателя в первую очередь за счёт плотности ячеек, измеряемой в количестве ячеек на квадратный дюйм (CPSI). При рассмотрении более высоких значений CPSI в диапазоне от 600 до 900 такие устройства быстрее выходят на рабочий режим при холодном пуске, что способствует снижению первоначальных вредных выбросов. Однако здесь существует компромисс: увеличение количества ячеек приводит к росту обратного давления, что может снизить максимальную мощность двигателя примерно на 3–5 %. С другой стороны, каталитические нейтрализаторы, ориентированные на улучшение пропускной способности, как правило, имеют значения CPSI в диапазоне от 200 до 400. Эти модели оказывают меньшее сопротивление потоку выхлопных газов — улучшение пропускной способности составляет порядка 15–20 %, однако им требуется больше времени для достижения рабочей температуры. Для транспортных средств, где приоритетом является динамика, инженеры зачастую выбирают материалы с более низким значением CPSI в сочетании с новейшими технологиями нанесения каталитических покрытий. Такой подход позволяет компенсировать более медленный прогрев без нарушения требований Агентства по охране окружающей среды США (EPA), обеспечивая тонкое равновесие между экологической ответственностью и динамическими характеристиками автомобиля.
| Плотность ячеек (CPSI) | Время выхода на рабочий режим | Влияние противодавления |
|---|---|---|
| 600–900 | Быстрее (≈45 с) | Высокое (7–12 кПа) |
| 200–400 | Медленнее (≥90 с) | Низкое (3–5 кПа) |
Новые технологии глушителей меняют правила игры, позволяя значительно снизить уровень шума двигателя, не нарушая при этом нормальную работу выхлопной системы. Возьмём, к примеру, перфорированные трубы внутри резонаторов: они специально сконфигурированы под определённые обороты двигателя, чтобы устранять нежелательные звуковые волны за счёт так называемой деструктивной интерференции. Это снижает общий уровень шума на 8–12 децибел, сохраняя при этом плавный и беспрепятственный отвод выхлопных газов. Для мощных двигателей V8, которые склонны к низкочастотному гулу на малых оборотах, применяются специальные камеры Гельмгольца. Эти камеры весьма эффективно подавляют раздражающий низкочастотный гул, который большинство водителей считают особенно неприятным. Принцип работы таких глушителей основан на сложных внутренних конструкциях, которые направляют поток выхлопных газов с высокой точностью, обеспечивая прохождение важных импульсов давления, необходимых для качественной продувки цилиндров. Испытания показали, что такие системы уверенно укладываются в установленные законодательством пределы шумности (около 95 дБ), при этом пропускная способность выхлопа составляет 98–99 % по сравнению с прямой выхлопной трубой. Что это значит для водителей? Автомобили сохраняют высокую мощность даже при полном нажатии педали акселератора — именно этого и добиваются автолюбители, ценящие спортивные характеристики своих машин.
Оптимальная выхлопная система обеспечивает баланс между требованиями регуляторов и эксплуатационными характеристиками за счёт стратегического сочетания каталитических нейтрализаторов с низким гидравлическим сопротивлением и глушителей, акустически настроенных для достижения заданных параметров.
EN