2.12排气系统，消声器和催化转化器
排气系统主要由四个部分组成，在一些较新的柴油发动机中，还有第五部分用于减少燃烧柴油所产生的微粒。.
1)排气歧管 - 收集来自多个气缸排放的尾气并将其引导至单个管道。
2)排气管在将废气排入空气之前需将废气引导至合适的位置。这一点通常在车辆的后部，但某些特殊类型的车辆可能需要（如汽油加油机）在其下颚设置排气点。
3)消音器 - 降低发动机运行产生的噪音。
4)催化转化器 - 在排气过程中引入化学反应和热反应以降低燃烧过程中产生的废气。
5)柴油颗粒过滤器（DPF） - 用于紧靠排气歧管之后和催化转化器之前排放的废气。其目的是过滤柴油燃烧产生的柴油颗粒，防止它们进入大气，因为将它们排放到空气中可能会导致呼吸问题。
2.12.1排气歧管
排气歧管用于收集每个气缸燃烧产生的气体并将其分配至排气系统。歧管必须尽可能有效地做到这一点，以防止排气系统的背压过高。当发动机全速运行时，排气温度可能会超过800.C，为了承受这种温度，排气歧管通常由铁铸件制成，或者由钢管通过焊接制成。
排气歧管设计
排气歧管布局中的主要问题是气缸之间可能存在干扰。如图2.124所示的歧管，该歧管安装在点火次序为1243的四缸发动机上。当活塞I在其排气冲程结束时接近TDC时，沿着排气管排出的气体动应有助于清除气缸内燃烧的气体。
燃气缸2的排气阀现在将打开并且还将充满气缸中的高压燃烧气体排出到歧管中。很明显，歧管的形状将导致气缸2排出的一些气体进入气缸1，当其排气阀关闭时，将保留过量的燃烧气体。
图 2. 124 一个简单的排气歧管
图2.125所示的歧管是对图2.124的改进，因为每个端口的歧管都是弯曲的，以保证每个端口处的气体向外流动，而不是从一个端口回流到另一个端口。
图 2. 125改进后的排气歧管
排气口有时被用来简化和消除气缸盖铸件;如图2.126就是一个常见的例子。这是我们需要注意歧管端部分支的形状，以避免气缸之间的干扰，并且还要注意，这种情况不会发生在被连接的端口所用的汽缸之间，因为在四缸发动机上，这些气缸发生一次排气冲程。
图 2. 126 用于四缸发动机上连接一对排气口的排气歧管，
干涉完全可以通过为每个气缸设置单独的管道来避免，但对于普通汽车和商用车辆来说，这种安排太笨重且昂贵。此外，可以使用来自一个气缸的气体脉动来在某些发动机转速下辅助来自另一气缸的气体流动。这是通过将每个气缸分开的管道连接起来，首先连成一对，然后将两个管道连接成一个。各部分管道的长度很重要，这取决于发动机的最佳效益所需的速度;在四缸发动机中，要连接的管道对是1和4以及2和3.因此，当性能是重要的考虑因素时，类似于图2.127中所示的管道布置常用于四缸发动机中。
图 2. 127 四缸发动机的高效排气管
对于六缸发动机，应该以这种方式配对的气缸是1和6,2和5以及3和4，但这比四缸发动机更加难以实现布置紧凑。然而，使用两个歧管却容易得多了：一个用于汽缸1,2和3;另一个用于气缸4,5和6，每个气缸组具有相等间距的点火间隔。来自这两个歧管的管道通常与歧管相距一定距离，但在少数情况下，使用两个完全独立的排气系统，每三个气缸组使用一个。
2.12.2 排气管
排气管通常由钢管制成，通常通过使用金属喷涂工艺或在表面覆铝来防止腐蚀和氧化。
由于发动机通常安装在灵活的支架上，因此必须提供相对于支架的运动。在某些情况下，管道之间有一段柔性排气管道，管道或歧管用螺栓连接到端口和管道的后部，管道通过刚性支架连接到框架上。或者，整个排气系统由刚性管道和连接件构成，但通过柔性附件支撑在框架上，通常我们使用粘合橡胶块。
由于与钢相比，钛具有优异的重量特性，所以一些高性能车辆具有钛排气管。但这并没有广泛使用的，因为它们非常昂贵。
消音器消声器
“非静音”发动机的排气噪音是由一系列高压脉动中的热气释放到大气中造成的。这种噪音必须降低到低于法规规定的法定限制的水平。
排气噪音分析表明，虽然它是由许多不同的声音组成，但可以将大多数声音分成两个主频带。
1） 低频- 由发动机的抽气动作引起。当发动机在没有发生燃烧的情况下被驱动时，也会产生这种声音。
2）高频 - 由800〜1000℃高温气体的释放和快速膨胀引起。
为了抑制这些频率，需要两个消音器：低频的容量类型和高频的吸收类型。
容量型消声器
图2.128显示了这种类型。它由一个大型腔室组成，在腔室中，可以通过容纳在腔室中的大量气体来产生常规气体脉动。理想情况下，这个膨胀室应该很大。但是，由于可用空间通常有尺寸限制，因此有时会安装多个容量型消音器。低频阻尼是通过安装挡板产生湍流区来消除消声器中的气体流动而实现的。
挡板减少了气体的自由流动，所以不好的设计可能会导致排气系统内的压力升高。背压会降低发动机功率，因为会有一些废气被留在气缸中。
残留的废气将占据新鲜充气所填充的空间（即，不良的排气系统会导致VE的降低）。发动机功率受到残留废气占据的缸体积损失以及燃烧气体的热量的影响;这种高温气体的存在加热了新进入的气体，降低了它的密度和质量。
一个好的排气系统可以通过前排气管的前后运动产生的负压和正压脉冲来在气门重叠期内启动充气过程，从而提高发动机功率。理想的管道长度能在入口阀打开的瞬间在气缸内产生负压脉冲。而这只有在某些发动机转速下才能达到，因此应在设计时加以调整。
吸收式消声器
图2.129显示了这种消声器的结构，也称为Burgess消音器。它由直通式穿孔管组成，其周围是吸音材料，如玻璃纤维。高频声波的衰减是通过材料的吸收来实现的，这会导致声波的轻微迟滞。当声波从外室返回时，它与穿过多孔管的气体的振动不同相，因此两波的相反作用削弱了高频峰值。
peaks of high-pressure waves absorbed by material
sound-absorbing material
图2. 129吸收式消声器
复合型消声器
复合型消声器（图2.130）是吸收式消声器和容量式消音器的组合。如果空间或离地间隙足以安装，这种组合是有用且经济的。
一些这种类型的消音器有许多管子或腔室产生异相声波，这些声波与进入消声器的气体产生共振;因此有时使用术语“谐振器”来描述这种类型的消声器。
消音材料
蒸汽是燃烧产物之一。遇冷时，蒸汽冷凝形成水，从尾管滴落然后收集在消声器中，直到系统升温。燃烧产生的水和酸，来自排气管的高温气体遇水产生高度腐蚀作用，迅速腐蚀普通的低碳钢排气系统。这种腐蚀可以通过用铝涂覆钢表面或通过使用更昂贵的材料如不锈钢或钛来达到防腐的目的。一些售后的排气管是由这些昂贵的材料制造的，并作为升级版本添加到现有的排气系统中。
2.12.3排气系统设计
制造商花费大量的时间和金钱来设计车辆的排气系统。制造商必须考虑许多关键点，包括：
A．发动机性能
B．噪声
C．排放
D．使用寿命
E．材料和成本
F．安装设计和可用空间
所有这些要点在制造时都必须协调好。例如，由不锈钢或钛制成的排气装置可能比用钢制成的排气装置性能更好，但成本是一个限制因素。
发动机的性能可以通过安装精心设计的微调排气系统来改善，该系统使用负压和正压脉冲，沿前排气管来回运行，在气门重叠期内启动流入气缸的新充气。排气系统的理想长度是在入口阀打开的瞬间在气缸内能产生负压脉冲。
通常，由于长度的原因，排气在较窄的发动机转速范围内表现最佳。当需要额外的发动机功率时，但最终设计应该能够在中等到高速的发动机转速下提供支持。
“可变长度”排气系统用于一些更高性能的车辆。在此，阀门使用与可变进气歧管相似的原理来改变排气系统的长度。阿斯顿马丁Vantage是使用该系统的高性能汽车的一个例子。这些阀门还允许废气绕过消音器，在较高的发动机转速下产生自由流动的较短排气。
通过使用正压力和负压力来使发动机排出废气并从排气系统排出而产生更多动力。当需要更安静的操作和更低的功率时，在较低的发动机转速下，阀门关闭。图2.131显示了安装在高性能车辆上的排气系统。注意平滑的弯曲和较大直径的管道是为了防止排气系统中产生不需要的背压。
2.12.4 排气催化转化器.
多年来，汽车制造商一直在开发他们的发动机以满足市场需求。然而，近来对空气污染的担忧意味着必须开发新设备来克服这些问题。工程师和设计师想出了一种称为“催化转化器”的装置来监测和处理废气;并在进入大气层之前除去那些有害污染物。
在设计催化转化器时，汽车制造商不得不设计一个复杂的管理系统与之配合。管理系统的设计旨在监测和调整其参数，以控制燃烧阶段的空燃比，这个比例有时被称为化学计量比。
空燃比的理想值14.7，这意味着对于每一份填充燃料，对应有14.7份空气将被燃烧以实现这个最佳空燃比。为了实现这个理想空燃比，燃料和空气的混合过程的控制将变得非常精确，因此，管理系统必须不断调整其参数，以保持非常接近理想空燃比。图2.132显示了催化转化器的结构。
HC CO N02
Figure 2.132 Structure of a catalytic converter
化学计量比：空气和燃料实现完全燃烧的理论最佳比值。
燃烧过程中会产生许多排放气体：
- 氮气-一氧化碳和二氧化碳的混合物，与主要通过发动机吸入的78％体积的空气混合。
- 二氧化碳 - 燃烧过程的产物和碳沉积物与发动机吸入的氧气结合。
- 水蒸气 - 燃烧过程的另一种产物，与碳沉积物一样，燃料中的氢气将与通过发动机吸入的氧气结合。
前面提到的气体大多是无害的，但是在测试二氧化碳时，它被认为是当今全球变暖问题的一个原因。尽管EMS旨在提供有效的控制策略，但它并不完美，在燃烧过程中会产生少量其他有害排放物。
- 一氧化碳（CO） - 一种无色无味的有毒气体，当有限量的氧气时形成。
- 碳氢化合物（HC） - 未燃烧或部分燃烧的颗粒。这些颗粒可以通过暴露在阳光下而分解，使它们转变成氧化剂。然后这些氮氧化物在进入大气时会分解臭氧层。
- 氮氧化物 - 造成的烟雾和酸雨的主要原因。这种有害的污染物也会引起对人体咽喉的刺激。
- 燃料微粒 -未完全燃烧的微小颗粒。进入大气时，可能会导致呼吸困难。通常这些微粒比柴油发动机产生的废气危害更大。
上面列出的前三项是三种主要排放污染物，这些污染物是通过催化转化器的干预进行调节和管理的，可以大大减少进入大气中的有害气体。
催化转化器的设计如何减少污染。
在设计催化转化器时，汽车制造商必须生产一个能有效减少废气的装置。由于必须监测和减少这三种排放气体（未燃烧的碳氢化合物，一氧化碳和氮氧化物），因此它被称为三元催化转化器。该转化器利用两种不同的催化剂来满足排气系统的需求：还原催化剂和氧化催化剂。每种催化转化器都使用涂有金属催化剂的陶瓷结构构成，通常使用铂或铑或钯。该组件的设计是创建一个完全暴露于热废气流的内部结构。使用诸如陶瓷蜂窝体，金属板和陶瓷珠（现在几乎是过时的材料）的材料会使得制造和购买催化剂的成本非常昂贵。
图 2. 133 废气排放
还原催化剂
在催化转化器的结构中，你会看到它被分成三部分。第一个区域被称为还原催化剂，它是装铂和铑的地方，用以尽量减少燃烧过程中产生的氮氧化物的数量。当这些分子被吸入组件时，它们将自身附着到催化剂膜上，然后通过产生化学反应来分解这些有害气体。
氧化催化剂
催化转化器的第二部分是氧化催化剂区域。在这个区域，你会发现未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳将被吸附在铂和钯的薄膜上，然后这将引起化学反应以减少其排放到大气中的量。
控制系统
在催化剂的第三部分，你会发现一个监测废气流量的传感器，并且是管理控制系统的一个功能部分，以确保燃料喷射和催化剂高效运行。传感器有时被识别为氧气传感器，或作为lambda;气传感器，通常安装在催化转化器的上游。
这意味着传感器在进入催化转化器之前需要监测废气，然后将此监测信息传回发动机控制单元（ECU），确定系统内检测到多少氧气。反过来，它允许相关系统调整空燃比以增加或减少氧气所占比例，并确保空燃比保持在化学计量值附近，并确保提供足够的氧气以燃烧催化转化器氧化部分内的未燃烧碳氢化合物和一氧化碳。
2.12.5其他减少污染的方法
尽管催化剂的结构和性能大大减少了有害污染，但仍然需要提高其整体效率。制造商已经从他们的研究和测试中发现，当催化剂处于冷态时，催化转化装置的有效性会降低。
因此，当车辆从冷启动状态启动直到达到合适的运行温度时，你会发现催化剂对产生的污染物的影响最小。这一直是一个关键性事实，如果车辆需要通过MOT认证的排放测试。
为了改善这一运行问题，一些制造商首先发现，将催化剂移动到靠近发动机的部位，并允许较热的气体排到催化转化器中，同时这又在发动机的预热期间帮助更快地加热催化剂。不幸的是，这对某些车辆有负面影响，因为极端高温会缩短组件的使用寿命。因此，为了克服这个问题，制造商设计了一种使用隔热板来转移一些热量，以增加其寿命周
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