排気システム

ほとんどのオートバイでは、排気システムの全部または大部分が露出しており、ディスプレイ機能としてクロムメッキが施されている場合がある。アフターマーケットの排気システムは、スチール、アルミニウム、チタン、またはカーボンファイバーで作られている。

オートバイの排気管は、エンジンの種類や用途に応じてさまざまな種類があります。2気筒バイクの場合、カワサキEX250 (米国ではNinja 250、GPX 250 としても知られています) に見られるように独立した排気管セクションを持つものもあれば、2-1 と呼ばれる単一の排気管セクションを持つものもあります。4気筒バイク、カワサキの ZX シリーズ、ホンダの CBR シリーズ、ヤマハの YZF シリーズ (後に R6 および R1 と名付けられました)、スズキの GSX-R などのスーパースポーツバイクは、多くの場合、ツイン排気システムを備えています。「フル システム」はアフターマーケット アクセサリーとして購入でき、レイアウトによっては 4-2-1 または 4-1 とも呼ばれます。かつては、これらのバイクには標準で単一の排気マフラーが装備されていました。この慣習は、EU の騒音および汚染規制により、オートバイの性能を向上させるために企業が他の方法を採用せざるを得なくなった 2000 年代初頭まで続きました。

多くのトラックでは、排気システムの全部または大部分が露出しており、多くの場合、排気管は垂直になっています。通常、このようなトラックでは、人が高温のサイレンサーに触れて火傷するのを防ぐため、サイレンサーは穴の開いた金属製のシースで覆われています。このシースは、見栄えを良くするためにクロムメッキされている場合もあります。エンジンとサイレンサーの間のパイプの一部は、多くの場合、柔軟な金属製の工業用ダクトでできており、エンジンの振動が排気システムに伝わるのを防ぐのに役立ちます。場合によっては、高温で有毒なガスを人から十分に遠ざけるために、大型ディーゼル排気管が垂直になっていることがあります。このような場合、排気管の端には、ゴミ、鳥、雨水が内部に入り込むのを防ぐために、ヒンジ付きの金属製のフラップが付いていることがよくあります。

かつてイギリスでは、トラックの排気システムは通常、シャーシの下に隠れていて見えなかった。

ダートバイクなどに使われる2ストロークエンジンでは、排気管の膨張室と呼ばれる膨らみが排気圧を利用してポンプの役割を果たし、吸気行程中にシリンダー内に空気と燃料をより多く送り込みます。これにより、出力と燃費が向上します。詳しくはカデナシー効果を参照してください。

船舶の船底には、ディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンが搭載されている。

• 排気管を断熱材で覆うことで、エンジン整備作業を行う人が作業する機関室が過熱するのを防ぐことができる。
• 排気管に水を供給することで排気ガスが冷却され、エンジンのシリンダー内の背圧が軽減される。船舶用エンジンでは、排気マニホールドは熱交換器と一体化されていることが多く、海水によってエンジン内部を循環する淡水冷却システムが冷却される。

船外機の場合、排気システムは通常、エンジン構造を垂直に貫通する通路となっており、水上での騒音を低減するために、水中では排気され、場合によってはプロペラの中央部から排出される。

ほとんどの量産エンジンでは、マニホールドは2つ以上のシリンダーからの排気ガスを1本のパイプに集めるように設計されたアセンブリです。市販車の場合、マニホールドは鋳鉄で作られていることがよくあります。マニホールドには、使用する金属の量を最小限に抑えたり、必要なスペースを最小限に抑えたり、製造コストを最小限に抑えたりするなど、材料を節約するための設計上の特徴が備わっている場合があります。これらの設計上の制約により、多くの場合、エンジンからガスを最も効率的に排出することができない、コスト効率の良い設計になっています。非効率性は一般的に、燃焼エンジンとそのシリンダーの性質に起因します。シリンダーは異なるタイミングで点火するため、排気ガスも異なるタイミングで排出され、あるシリンダーから排出されたガスによる圧力波が、別のシリンダーから排出されるときに排気システムを通して完全に排出されない場合があります。これにより、エンジンの排気システムに背圧と抵抗が生じ、エンジンの性能が制限されます。

鋼管製排気口構造にはいくつかの欠点があるにもかかわらず、エンジン部品を設計するエンジニアは、従来の鋳鉄製排気マニホールドを選択する。なぜなら、鋳鉄製排気マニホールドは、さまざまな熱管理特性や、他のどのタイプの排気口設計よりも優れた耐久性など、多くの利点を備えているからである。

ヘッダーは、性能向上を目的として特別に設計されたマニホールドです。^{[ 1 ]}設計段階では、エンジニアは重量やコストを考慮せず、排気ガスの最適な流れを考慮してマニホールドを作成します。この設計により、シリンダーから排気ガスをより効率的に掃き出すことができるヘッダーが実現します。ヘッダーは一般的に円形の鋼管で、各シリンダーの排気ポートから共通の出口までの経路がすべて同じ長さになるように曲げや折り曲げが計算され、圧力波が出口を通って流れ、他のシリンダーに逆流しないように狭い角度で接合されています。チューニングされたヘッダーでは、特定のエンジン回転数範囲で排気流量を向上させるために、パイプの長さが慎重に計算されています。

エンジンの出力を向上させる一般的な方法は、アップグレードされたヘッダーを使用することです。^{[ 2 ]}出力の向上は、パイプの断面積を大きくすること（排気ガスの抵抗を減らすこと）と、圧力波が排気掃気を助けるようにパイプの長さを設計することによる場合が多いです。直列4気筒エンジンとV8エンジンの場合、排気マニホールドは通常、4-2-1設計（4本のパイプが2本に合流し、その後、この2本のパイプが1本に合流する）または4-1設計（4本のパイプが直接1本に合流する）のいずれかです。

ヘッダーは一般的にアフターマーケットの自動車メーカーが製造していますが、自動車ディーラーの高性能パーツ部門で購入できる場合もあります。一般的に、ほとんどの自動車パフォーマンス愛好家は、信頼性が高く、コスト効率が良く、優れた設計のヘッダーを自社の車専用に製造しているアフターマーケットのヘッダーを購入します。ヘッダーは専門のショップでカスタム設計することもできます。一部のアフターマーケットのヘッダーは高度な素材で作られているため、高価になる場合があります。排気システムは多くの車両向けにカスタムビルドすることができ、エンジンにしっかりと接続する必要があることを除いて、一般的に車のエンジンや設計に特化しているわけではありません。これは通常、設計段階で適切なサイズを設定し、エンジンに適したガスケットの種類とサイズを選択することによって実現されます。

一部のシステム（キャットレスまたはデキャットシステムと呼ばれる）は触媒コンバーターを取り外します。触媒コンバーターの装着は米国法で義務付けられています。^{[ 3 ] [ 4 ]}米国では「オフロード」走行のみに使用される車両からコンバーターを取り外すことはできません。^{[ 5 ]}自動車の触媒コンバーターの主な目的は、大気中への炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物の有害な排出を削減することです。触媒コンバーターは、汚染された排気成分を水と二酸化炭素に変換することで機能します。^{[ 6 ]}触媒コンバーターが効率的に機能し始めるには、点灯温度があります。^{[ 7 ]}

触媒コンバーターは、詰まったり、必要な流量に合わせて設計されていない場合、背圧を引き起こす可能性があります。このような状況では、触媒コンバーターをアップグレードまたは取り外すことで、高回転域での出力を向上させることができます。しかし、触媒コンバーターは車両の排出ガス制御システムにとって不可欠です。したがって、標準以外の製品を使用すると、車両が走行不能になる可能性があります。^{[ 8 ]}

排気システムの個々のコンポーネントすべてを接続するパイプは排気管と呼ばれます。直径が小さすぎると、高回転時の出力が低下します。^{[ 9 ]}パイプの直径が大きすぎると、低回転時のトルクが低下し、排気システムが地面に近づきすぎて、走行中に衝突して損傷するリスクが高まります。^{[ 10 ]}

排気管が2本ある車では、2本の排気管を接続するためにクロスオーバーパイプがよく使用されます。クロスオーバーパイプの典型的な設計としては、垂直に交わるパイプ（形状から「Hパイプ」と呼ばれる）や、角度をつけて徐々に合流・分離するパイプ（「Xパイプ」）などがあります。

純正マフラーは通常、マフラーの背面、前面、側面で音波を反射させることで排気管からの騒音レベルを低減します。^{[ 11 ]}これらは、政府の規制で要求される最大許容騒音レベルを満たすように設計されています。しかし、一部の純正マフラーは、背圧の大きな発生源となります。

グラスパックマフラー（「キャノン」または「ホットドッグ」とも呼ばれる）は、内側の穴あきチューブ、外側のソリッドチューブ、および2つのチューブ間のグラスファイバー製遮音材で構成されるストレートスルー設計のマフラーです。純正マフラーよりも背圧が低いことが多いですが、音量を下げる効果は比較的低いです。もう1つの一般的なタイプのマフラーはチャンバーマフラーで、膨張室の空洞内に一連の同心円状または偏心状のパイプで構成されています。これらのパイプは音波を内部に通過させ、音波がパイプの閉じた平らな端で反射します。これらの反射は部分的に互いに打ち消し合い、音量を下げます。

共鳴器とは、管の内径が拡大して音波が壁面で反射して打ち消し合い、騒音レベルを低減するパイプのことです。共鳴器はマフラー内部に組み込むことも、排気システムの独立した部品として使用することもできます。

トラックの場合、サイレンサーがキャブの前部下に横向きに配置され、排気管がオフサイド（左側通行の場合は右側、右側通行の場合は左側）に横向きに排気されることがあります。乗用車の場合、リアバンパーの下から排気管が出ている側は、通常、その車両が設計された市場を示しています。つまり、日本車やイギリス車は左側通行の国で縁石から最も遠くなるように右側に排気管があり、ヨーロッパ車は左側に排気管があります。

排気管の最終部分、つまり外気に開放される末端部分は、一般的に車両の排気システム部品の中で唯一目に見える部分であり、多くの場合、直線または斜めにカットされていますが、装飾的な先端部が付いている場合もあります。先端部はクロムメッキされていることもあります。多くの場合、排気システムの他の部分よりも太いパイプになっています。これにより最終的な圧力低下が実現され、車の外観を向上させるために用いられることもあります。

1950年代後半、アメリカでは、リアバンパーの両端に排気管を通すための穴を設けるのが自動車メーカーの流行だった。2つの排気口はV8エンジンを象徴していた。キャデラック、リンカーン、インペリアル、パッカードなど、多くの高級車にこのデザインが採用された。当時の高級車はリアオーバーハングが非常に長かったため、スロープを走行する際に排気管が地面に擦れてしまうという理由もあった。しかし、顧客が車両後部が低圧領域であり、排気ガスから煤が溜まりやすく、その酸性成分がクロムメッキのリアバンパーを腐食させることに気付くと、この流行は廃れていった。

バス、トラック、トラクター、掘削機などに垂直の排気管（運転席の後ろにあるスタックまたはパイプと呼ばれる）がある場合、排気管の先端が湾曲していたり​​、排気ガスの流れによって吹き飛ばされるヒンジ付きのカバーフラップが付いていることがあります。これは、車両が使用されていないときに排気管にとまっている鳥の糞など、異物が排気管内部に入り込むのを防ぐためです。

トラックによっては、サイレンサー（マフラー）がシャーシの下に前後方向に取り付けられている場合、排気管の先端が下向きに回転して排気ガスを吹き出すようになっている。これにより、停車中のトラックの近くにいる人が排気ガスの直撃を受けるのを防ぐことができるが、建設現場のような乾燥した埃っぽい路面を走行する際には、しばしば粉塵が舞い上がる。

サスペンションの形状が変更されたラダーフレームまたはボディオンフレームシャーシ構造の車両のアンダーキャリッジに大径排気管を適合させる際の問題点から、レイクパイプは、1930年代、1940年代、1950年代のモータースポーツエンジン専門家によって作られたフロントエンジン車の排気管の原型へと進化しました。彼らの焦点は、高出力内燃機関に関連する音響効果の最適化でした。その名前は、ロサンゼルス郡の北東にある広大で空っぽの乾燥した湖底での使用に由来しており、そこでエンジン専門家は、温度、湿度、標高、気候を予測して、さまざまな厚さの一体型ヘッダーマニホールドをカスタム製作、交換、評価していました。

それ自体に性能向上をもたらすものではなく、レイクパイプは実用性から生まれた。通常、マニホールドがフロントホイールウェルからまっすぐ伸びているため、レースドライバーが窒息する危険性があった。そこで、ヘッダーフランジからロッカーパネル、車両の下側、ドアの下まで伸びる「レイクパイプ」が作られ、(1)サスペンションチューナーが地上速度記録に挑戦するのに十分な低い車高を実現し、(2)エンジンチューナーが車両を持ち上げることなくさまざまな排気マニホールドを簡単に交換できるため、車両の下部をレンチで締める必要がなくなった。

フレーム構造のシャシーがスーパーレッジェーラ、ユニボディ、モノコックといった原型に取って代わられ、さらに大気汚染対策法制の施行に伴い、レイクパイプはパフォーマンスオプションとしては時代遅れとなった。現代の車両では、レイクパイプによる性能向上は意味をなさない。レイクパイプは通常クロムメッキされた装飾品である。一部のレイクパイプでは、排気ガスを標準排気システムに送るか、レイクパイプを通すかをドライバーが制御できる。また、一部のレイクパイプには、排気チップの末端にファスナーで固定するレイクキャップが装備されており、(1) 使用していないときに排気システムを「キャップ」したり、(2) レイクパイプの存在が単なる装飾であることを示す役割を果たしている。

ヘッダーバック（またはヘッダーバック）とは、ヘッダー出口から最終的な排気口（外気への排気口）までの排気システムの一部、つまりヘッダーより後ろの部分を指します。ヘッダーバックシステムは一般的に、ターボチャージャー非搭載車向けのアフターマーケット用高性能システムとして製造されています。

ターボバック（またはターボバック）とは、ターボチャージャーの排気口から最終的な排気口（外気への排出口）までの排気システムの一部を指します。ターボバックシステムは一般的に、ターボチャージャー搭載車向けのアフターマーケット用高性能システムとして製造されています。ターボバック（およびヘッダーバック）システムの中には、純正の触媒コンバーターを交換するものもあれば、排気抵抗が少ないものもあります。

キャットバック（cat back、catbackとも表記）とは、触媒コンバーターの出口から最終的な排気口（大気開放部）までの排気システム部分を指します。一般的には、コンバーターからマフラーまでのパイプ、マフラー本体、そして大気開放部までの最終排気管が含まれます。

キャットバック式排気システムは、一般的に純正システムよりも大径のパイプを使用します。背圧を低減するため、これらのキットに含まれるマフラーはグラスパック式であることが多いです。システムが機能性よりも見た目を重視して設計されている場合、高回転・小排気量エンジンの低音域を強調するようにチューニングされていることがあります。