Задача выпускной системы состоит в том, чтобы отводить выходящие из камеры сгорания газы от машины и водителя, охлаждать их и снижать уровень шума. Если горячие газы из выпускного канала вытеснялись бы непосредственно в атмосферу, то помимо того, что оплавилось бы переднее крыло и шина, уровень шума был бы невыносим, а при контакте любого невыработанного топлива с кислородом воздуха происходило бы его взрывное сгорание. Поэтому выпускная система отводит газы в направлении нижний задней части машины, позволяя им несколько охладиться и устраняя нажелателыые тенденции к внешнему сгоранию.
Менее очевидной (но не менее важной) задачей выпускной системы является использование знакопеременных пульсаций давления, образующихся на каждом рабочем такте, для улучшения очистки и наполнения камеры сгорания.
Выпускные системы изготавливаются из стали, а затем покрываются хромом или окрашиваются жаростойкой краской, хотя в некоторых системах для противостояния коррозии используется нержавеющая сталь.
Влияние пульсаций отработавших газов не продувку[]
Говоря доступным языком, в результате каждого такта сгорания при движении газа в выпускной трубе образуются волны высокого давления. За волной высокого давления следует волна низкого давления. В некоторой точке (определяемой конструкцией) системы выпуска часть волн высокого давления соударяются с системой, и, в то время, как оставшаяся волна высокого давления покидает трубу, волна низкого давления, следующая за ней, отражается назад.
Эта волна низкого давления способствует наполнению камеры сгорания свежей горючей смесью для следующего цикла. Затем отраженная волна высокого (положительного) давления используется для предотвращения непосредственного вытекания поступающей свежей смеси через выпускной канал, при закрытии выпускного клапана. А следующая за ней волна низкого (отрицательного) давления используется для удаления отработавшего газа из камеры сгорания, по мере того, как выпускной клапан снова открывается.
Длина каждой трубы выпускной системы тщательно подбирается для того, чтобы эти пульсации давления оказались в необходимой точке в заданный момент времени, поэтому конструкция этой системы во многом решающая. Выпускная система сконструирована так, что наилучшие характеристики ее работы (а вместе с ними и характеристики мощности двигателя) обеспечиваются в узком диапазоне частот вращения. Это означает, что при остальных частотах вращения двигателя показатели его работы будут хуже.
Влияние конструкции выпускной системы более заметно на двухтактных двигателях, чем на четырехтактных, но в целом вклад выпускной системы в характеристики мотоцикла значителен.
Глушитель шума[]
Разрез типичной выпускной системы четырехтактного двигателя
Учитывая взрывной характер процессов внутри камеры сгорания, неудивительно, что с отработавшими газами образуется довольно много шума, и для соответствия актам, регламентирующим уровень шума, его необходимо заглушать. Возможно, термин "глушитель шума" звучит слишком оптимистично, но, несмотря на все, это замечательное устройство. Задача состоит в том. чтобы обеспечить максимально свободное прохождение газов с одновременным отводом избыточной энергии, проявляющейся в виде шума.
Часто это достигается за счет поглощения: вырывающиеся газы замедляются благодаря их расширению в корпусе глушителя. Дальнейшее дробление импульсов шума происходит при проходе через перфорированные экраны или через металлическую сетку и набивку из минеральной ваты или ей подобного материала. Другими словами, грубые изначальные колебания разрушаются на меньшие по величине звуковые волны, многие из которых взаимно погашаются. Ко времени выхода отработавших газов из выхлопной трубы глушителя уровень шума достигает приемлемого уровня.
Другой подход к конструкции глушителя шума заключается в том, чтобы разделить корпус глушителя на множество небольших отсеков, по ним газы движутся в различных направлениях по довольно извилистому пути. До того как покинуть выхлопную трубу, звуковые волны неоднократно отражаются, каждый раз теряя небольшую долю энергии.
На большинстве современных дорожных машин оба этих подхода часто объединяются для получения максимально эффективных систем.
Виды систем выпуска четырехтактных двигателей[]
Обычно на четырехтактных двигателях устанавливают по одному патрубку на каждый цилиндр, хотя на некоторых одноцилиндровых двигателях большого объема их два. Эти патрубки называются "коллекторами" или "выпускными трубами". Довольно часто на многоцилиндровых двигателях выпускные трубы соединяются и выводятся в один глушитель шума, но конкретные схемы широко меняются в зависимости от числа цилиндров, их расположения, типа мотоцикла, обшей конструкции, распределения веса и ограничений по расположению узлов выпускной системы.
На данный момент общеприняты системы "два в один", "два в два", "три в один", "четыре в два в один", "четыре в один*, "шесть в два" и так далее. Также существуют системы, в которых присутствуют поперечные трубы, связывающие выпускные трубы или коллекторы, которые устанавливаются между выпускными трубами и гпушителем(ями) шума.
Системы EXUP, SET и H-VIX[]
Узлы системы EXUP кампании Yamaha
Как упоминалось ранее, путем настройки можно обеспечить наилучшее влияние пульсаций газов на продувку (только для определенных частот вращения двигателя), а когда это объединяется с другими факторами конструкции двигателя так, что они все работают гармонично, получаются замечательные
мощностные показатели. Однако за пределами этих режимов двигатель работает относительно неэффективно.
Компания Yamaha первой разработала систему изменения внутреннего сечения системы выпуска и, таким образам, добилась получения максимальной мощности во всем диапазоне частот вращения. Их EXUP (Exhaust Ultimate Power Valve) располагается между четырьмя выпускными трубами и глушителем шума. Мощностной клапан закрыт в диапазоне частот вращения от низких до средних, тем самым уменьшая сечение трубы, и открыт при более высоких, увеличивая сечение трубы. Управление его открытием и закрытием при заданных частотах вращения двигателя осуществляется с помощью электроники, посредством сервомотора и тросов.
Позже появились конструкции, представленные компанией Suzuki в виде их системы SET (Suzuki Exhaust Tuning), в которой используется дроссельная заслонка, расположенная непосредственно за местом соединения четырех выпускных труб в одну, и компанией Honda. В их H-VIX (Honda Variable Intake/Exhaust) для изменения расхода газа используются отдельные клапана в выпускных трубах
Выпускные системы двухтактных двигателей[]
На двухтактных двигателях на каждый цилиндр всегда устанавливается по одному комплекту выпускной системы (выпускная труба и глушитель шума), потому что общее влияние глушителя на характеристики двигателя гораздо существеннее, чем на четырехтактных двигателях. Таким образом, для достижения максимальной эффективности необходимо, чтобы у каждого цилиндра была своя выпускная труба.
Как описывалось ранее, отработавшие газы, покидающие цилиндр, выполняют второстепенную функцию, способствуя наполнению камеры сгорания через окна продувочного канала свежей смесью; а свежий заряд, в свою очередь, способствует продувке (иначе - вытеснению), отработавших газов. Выбор конструкции системы простого скутера или мотоцикла для разъездов определяется требованием наиболее эффективной работы мотоцикла. При этом мощность имеет решающее значение, тем не менее, существует интригующая возможность достижения ее прироста за счет естественной склонности пульсаций выхлопа резонировать внутри выпускной системы. Этот эффект можно усилить тщательной совместной проработкой конструкции выпускной трубы и глушителя. Система сконструирована так, что выпускная труба постепенно переходит в прямой конус глушителя шума, в конце которого располагается обратный конус, заканчивающийся небольшой выхлопной трубой. Это устройство носит название "расширительной камеры" (резонатора) и встречается на наиболее динамичных дорожных и всех спортивных двухтактных машинах. Оно выполняет функции управления волнами сжатия внутри расширительной камеры для достижения наилучшего наполнения цилиндра. Такого эффекта невозможно добиться каким либо иным способом.
Разрез расширительной камеры (резонатора) выпускной системы двухтактного двигателя
При открытии выпускного окна газы вытесняются в выпускную систему, чему способствует поступающий свежий заряд, идущий из окон продувочного канала. Отработавшие газы в виде волн продвигаются по расширительной камере (резонатору), постепенно расширяясь и теряя скорость. Когда волна достигает обратного конуса, она сжимается и частично отражается обратно, в виде обратной волны. Камера сгорания к этому моменту времени переполнена, и избыточная смесь начинает заполнять верхнюю часть выпускной трубы. По мере того, как поршень закрывает окна продувочного канала, обратная волна достигает выпускного окна, возвращая избыточную смесь в камеру сгорания, где она удерживается за счет перекрытия поршнем выпускных окон. Таким образом, достигается легкий эффект "наддува", и мощность двигателя возрастает по сравнению с обычными условиями.
К сожалению, оптимальное для создания этого эффекта время прохождения обратной волны к выпускным окнам достигается при определенной частоте вращения двигателя, выше и ниже которой двигатель работает как обычно. Для того, чтобы воспользоваться этим эффектом, необходима тщательная настройка системы, обеспечивающая максимальное использование дополнительной мощности и "подхвата", поскольку при достижении двигателем узкого диапазона прироста мощности это совершенно отчетливо ощущается. Несмотря на ограниченную продолжительность, получается небольшой прирост на фоне равномерной выходной мощности. По последней причине обычно избегают применения расширительных камер на разъездных машинах, где неожиданное или внезапное возрастание мощности считается ненужным или даже опасным при интенсивном движении.