為何要改排氣管?(上) 打開引擎性能受限封印

車訊網 童國輔 2018-09-20 10:06:58

排氣管改造目的與方法
馬力與扭力的取捨
 
圖/童國輔
 
車輛改裝的目的無非在求更快速與更安全的駕駛環境,而當中又以排氣管改裝為最基礎的動力提昇路徑,排氣管改得好不只加速變快,如同跑車的渾厚排氣聲浪,更是令人著迷,不過排氣管到底該怎麼改才有用?這就是本單元要位大家介紹的內容。
 
 
原廠設計屈就成本
引擎性能受限封印
四行程引擎的設計,原本就把進排氣行程獨立分開,造就成一個可完全燃燒之設計,也因為獨立進排氣行程之設計,讓燃燒過之廢氣,有充份的時間排出;空出氣缸之空間,以便吸入更多更密集的新鮮空氣,來使引擎有更良好的輸出功率。但由於引擎之缸數多,各缸間無法有獨立之排氣管,同時需考量噪音、空間整體配置與量產成本之因素,多數原廠排氣管只淪為消音及排除冷卻廢氣之功用,於是就有不夠順暢之問題產生,進而降低了引擎性能。
 

▲多數市售車對於排氣系統的設計,最大考量首先是消音、環保,最後才是排氣效率,因此在其上可見到觸媒轉換器與巨大消音器的蹤影,加上管徑較為保留,因此對於高轉速時的馬力輸出往往無法盡興發揮。
 
而排氣管改造首重內部順暢程度,可稱之為「回壓大小」,也就是排氣管內部之阻力。阻力大小和頭段的設計角度、中尾段的管徑粗細/觸媒大小、總體長度和彎曲角度、尾部消音器之迴路都有關連。改裝排氣管主要的目的,就是在於減低回壓,讓進排氣的運作交替更順暢,進而改變引擎出力特性,轉變扭力輸出時機,達到提昇高轉速反應和流暢度之目的。
 

▲改裝排氣管為獲得最佳的峰值馬力輸出,通常會採用直通管,並減少彎曲角度的設計,改裝後的高轉速加速力道與排氣聲浪,雖可脫胎換骨,但卻不見得能兼顧低速扭力反應,尤其在小排氣量NA引擎上,更容易感覺出扭力流失的差異。
 
口徑的掌握很重要
先降低阻力再加大
機械設計本屬物理現象之延伸,話說有利必有弊;減低回壓有助於排氣順暢,對於高轉速是好的,但過低之回壓使得排氣管毫無阻礙,中低轉混合氣在未完全燃燒完時便被排出,將造成扭力犧牲。且當引擎收油時,排氣管內的回壓過低,廢氣極有回流至燃燒室,所以為了因應一般道路常用的中低轉速,相當程度的排氣管回壓仍然是必需的,也應以駕駛用途及引擎輸出,來考量回壓之大小。
 

▲賽車引擎的工作轉速經常維持在極高範圍,加上一切設計都是為壓榨引擎動力,也不需觸媒阻礙排氣效率,因此排氣管的設計可以設計的更粗、更直通,整個設計方向與市售車是截然不同,不能全部移植沿用。
 
一般而言,改裝排氣管大多從中尾段下手,常見的手法不外乎增加管徑之尺寸、縮短消音器迴繞之路程,努力使其消音路線呈直線化,不過一般道路使用的改裝排氣管,應先考慮降低內部排氣阻力,例如拔除觸媒、更換直通尾管等,然後才是在管徑上來變化,如此才能兼顧到全轉區域的表現。我們先來談談管徑調整部分,依照現今的測試及表現來說,中段管徑的增加大都保持在原廠的10%至15%為佳,例如:NA引擎在52mm至60mm左右,渦輪引擎則約為65mm至75mm不等,當然引擎的排氣量愈大,改裝幅度又增加的話,也有可能達到80mm甚至更大的口徑。
 

▲渦輪引擎因有渦輪本體阻礙排氣效率,因為對於排氣管的設計往往可以比NA引擎來得寬鬆點,不過如果能將Down Pipe更換為排氣阻力更小的產品,對性能提昇往往相當明顯。
 
至於中尾段管徑的搭配比例,由粗變細或從頭至尾一樣口徑,對重視「扭力」需要的使用者較為恰當,如果是馬力派的訴求,則適合「漸次放大」的型式。此種放大式的管徑設計,是採慢慢擴大管徑的方式,驅使越往後方越急速膨脹的廢氣增快流速,特別是在持續高轉速的情形下愈加有利。
 

▲各段排氣管示意圖。
 
而負有消音工作的尾段排氣管,則是另一個排氣阻力來源,原廠排氣管的消音過程是利用隔板讓排氣撞擊,藉由反射波的形成減低音量,而高性能車種及改裝型式則採用直線筒式,纏繞消音棉來吸收噪音,如此無隔板直線式的通路,自然對馬力的提昇有相當大的助益。
 

▲部分大排氣量高性能V型引擎的排氣管,都是左右獨立的管路設計,目的也是在減少排氣干涉的問題,不過如何讓兩邊的排氣管路內壓力平衡,使引擎出力平順,是排氣管設計者需考量的新問題。
 

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