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自動車工学において、排気マニホールドは複数のシリンダーからの排気ガスを1本のパイプに集めます。マニホールドという言葉は、古英語のmanigfeald（アングロサクソン語のmanig [多くの]とfeald [折り畳み]に由来）[ 1 ]から来ており、複数の入力と出力を折り畳むことを意味します（対照的に、吸気マニホールドはシリンダーに空気を供給します）。
排気マニホールドは一般的に鋳鉄またはステンレス鋼[ 2 ]製のシンプルなユニットで、複数のシリンダーからエンジンの排気ガスを集めて排気管に送ります。多くのエンジンにはアフターマーケットのチューブ状の排気マニホールドがあり、アメリカ英語ではヘッダー、イギリス英語とオーストラリア英語ではエクストラクターマニホールド[ 3 ]、イギリス英語では単に「チューブ状マニホールド」と呼ばれています。これらは各シリンダー用の個別の排気ヘッドパイプで構成され、通常はコレクターと呼ばれる1本のチューブに収束します。コレクターのないヘッダーはズーミーヘッダーと呼ばれます。
市販のアフターマーケット製ヘッダーで最も一般的なタイプは、プライマリーチューブに軟鋼またはステンレス鋼のチューブを使用し、フラットフランジと、プライマリーチューブと同様の素材で作られた大径コレクターを備えています。表面仕上げは、セラミックコーティング（内外両面に施される場合もある）、耐熱塗装、または無塗装のものがあります。クロムメッキのヘッダーも販売されていますが、使用後に青みがかる傾向があります。研磨されたステンレス鋼も変色しますが（通常は黄色がかった色）、ほとんどの場合、クロムメッキほどではありません。
もう一つの改造方法として、標準またはアフターマーケットのマニホールドに断熱材を施す方法があります。これにより、エンジンルームへの熱放出量が減り、インテークマニホールドの温度が低下します。断熱材にはいくつかの種類がありますが、特に一般的なのは以下の3つです。
高性能エキゾーストヘッダーの主な目的は、流れ抵抗（背圧）を低減し、エンジンの体積効率を高めることで、出力向上を実現することです。これらのプロセスは、気体の法則、特に理想気体の法則と複合気体の法則によって説明できます。
エンジンが排気行程を開始すると、ピストンがシリンダーボア内を上昇し、燃焼室の容積が減少します。排気バルブが開くと、高圧の排気ガスが排気マニホールドまたはヘッダーに排出され、主に3つの部分からなる「排気パルス」が発生します。
この比較的低い圧力は、吸気バルブと排気バルブの両方が部分的に開いているオーバーラップ期間中に、シリンダーからすべての燃焼生成物を抽出し、吸気混合気を吸入するのに役立ちます。この効果は「掃気」として知られています。排気ポートとパイプワークの長さ、断面積、形状は、掃気効果の程度と、掃気が発生するエンジン回転数範囲に影響を与えます。[ 4 ]
排気掃気効果の大きさは、排気パルスの高圧成分と中圧成分の速度に直接関係します。高性能ヘッダーは、排気速度を可能な限り高めるように設計されています。その技術の一つが、プライマリーチューブの長さを調整することです。この技術は、排気システム内で各排気パルスが連続して発生するようにタイミングを調整します。排気パルスの低圧テールは、次の排気パルスの高圧ヘッドとの間に大きな圧力差を生み出し、その結果、排気パルスの速度が上昇します。排気バンクが複数あるV6およびV8エンジンでは、「Yパイプ」と「Xパイプ」は、排気パルスの低圧成分を利用して次の排気パルスの速度を高めるという同じ原理で機能します。
プライマリーチューブの長さと直径を選択する際には、細心の注意を払う必要があります。チューブが大きすぎると、排気ガスが膨張して速度が低下し、掃気効果が低下します。[ 4 ]チューブが小さすぎると、排気流抵抗が発生し、エンジンは排気ガスを燃焼室から排出するために働く必要があり、出力が低下し、燃焼室に排気ガスが残って吸入される混合気が希釈されます。エンジンは高速でより多くの排気ガスを生成するため、ヘッダーは、意図された用途に応じて特定のエンジン回転数範囲に合わせて調整されます。一般的に、幅の広いプライマリーチューブは、エンジン回転数が高いときに出力とトルクの最大のゲインを提供し、狭いチューブは、低速で最大のゲインを提供します。
多くのヘッダーは共鳴チューニングが施されており、バルブオーバーラップ時に燃焼室の掃気を助ける低圧反射波希薄パルスを利用しています。このパルスは、排気がコレクターに合流するなど、密度が変化するたびにすべての排気システムで発生します。念のため説明すると、希薄パルスは、上記の「ヘッド、ボディ、テール」の説明で説明したのと同じプロセスを表す専門用語です。プライマリーチューブの長さを、通常は共鳴チューニングによって調整することで、希薄パルスをバルブオーバーラップが発生する瞬間に正確に合わせることができます。一般的に、長いプライマリーチューブは、短いプライマリーチューブよりも低いエンジン回転数で共鳴します。
クロスプレーンV8エンジンは、左右に4気筒ずつのバンクを備えています。エンジンが作動しているときは、ピストンはエンジンの点火順序に従って点火します。バンク内でピストンが2回連続して点火すると、2つの排気パルスがほぼ同時に排気管内を通過するため、排気管内に高圧領域が発生します。2つのパルスが排気管内を移動する際に、XパイプまたはHパイプのいずれかに遭遇します。パイプに遭遇すると、パルスの一部がXHパイプに分岐し、全体の圧力がわずかに低下します。この圧力低下の理由は、流体（液体、空気、またはガス）がパイプ内を移動し、交差部に到達すると、流体は抵抗の少ない経路を選択し、一部が漏れ出すため、圧力がわずかに低下するからです。XHパイプがない場合、排気の流れは不規則または不安定になり、エンジンは最高の効率で動作しません。二重排気パルスによって、そのバンクの次の排気パルスの一部がそのシリンダーから完全に排出されず、二重パルスがどれだけ残っているか、またそのパルスの混合比がどうであるかによって、デトネーション（リーンな空燃比（AFR）による）またはリッチなAFRによる失火のいずれかが発生する。[ 5 ]
現代の排気システムと流体力学に関する理解の深化により、数々の機械的な改良が実現しました。その一例として、ヤマハの一部のオートバイに搭載されている排気パワーバルブ（EXUP）が挙げられます。EXUPは、エンジン回転数に応じて排気システムのコレクター内の背圧を常に調整し、圧力波の形成を促進します。これにより、低速域から中速域にかけての優れた性能が確保されます。
エンジン回転数が低い場合、排気管ネットワーク内の波圧は低くなります。排気バルブが閉じる前にヘルムホルツ共鳴の完全な振動が発生するため、低速トルクを増大させるために、大振幅の排気圧力波が人工的に発生します。これは、シリンダーからの4本の主排気管が合流する地点にある排気管内部のバルブ（EXUPバルブ）を部分的に閉じることで実現されます。この合流点は実質的に人工的な雰囲気として機能し、この地点での圧力変化が、断面積の急激な変化における反射波の挙動を制御します。バルブを閉じると局所的な圧力が上昇し、より大きな振幅の負の反射膨張波が発生します。これにより、背圧増加による損失がEXUPチューニング効果を上回る速度まで、低速トルクが増大します。それ以上の速度では、EXUPバルブは完全に開き、排気は自由に流れるようになります。