排气管改造学堂
2020-07-12

文、图/童国辅

马力与扭力的取捨

车辆改装的目的无非在求更快速与更安全的驾驶环境,而当中又以排气管改装,为最基础的动力提昇路径,排气管改得好不只加速变快,如同跑车的浑厚排气声浪,更是令人着迷,不过排气管到底该怎幺改才有用?这就是本单元要为大家介绍的内容。

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原厂设计屈就成本 引擎性能受限封印

四行程引擎的设计,原本就把进排气行程独立分开,造就成一个可完全燃烧之设计,也因为独立进排气行程之设计,让燃烧过之废气,有充份的时间排出;空出气缸之空间,以便吸入更多更密集的新鲜空气,来使引擎有更良好的输出功率。但由于引擎之缸数多,各缸间无法有独立之排气管,同时需考量噪音、空间整体配置与量产成本之因素,排气管只沦为消音及排除冷却废气之功用。量产排气管,于是就有不够顺畅之问题产生,进而降低了引擎性能,在探讨改装排气管是否增加多少马力之时,是否也可谓之寻回多少漏失之马力,发挥原输出之本能?排气管之顺畅程度,可称之为回压的多寡,也就是排气管内部之阻力。阻力大小和头段的设计角度、中尾段的管径粗细/触媒大小、总体长度和弯曲角度、尾部消音器之迴路都有相当之关连。改装排气管主要的目的,是在于减低回压,让进排气的运作交替更顺畅,也可谓增加气门重叠时间之延伸,进而改变引擎出力特性、转变扭力输出时机、提昇高转速的反应和流畅度。排气管改造学堂多数市售车对于排气系统的设计,最大考量首先是消音、环保,最后才是排气效率,因此在其上可见到触媒转换器与巨大消音器的蹤影,加上管径较为保留,因此对于高转速时的马力输出往往无法尽兴发挥。排气管改造学堂 

口径的掌握很重要 先降低阻力再加大

机械设计本属物理现象之延伸,话说有利必有弊;减低回压有助于排气顺畅,对于高转速是好的,但过低之回压使得排气管毫无阻碍,中低转混合气在未完全燃烧时便被排出,将造成扭力牺牲。且当引擎回油时,排气管内的回压过低,废气极有回流至燃烧室之可能,所以为了因应一般道路,中低转速之应用,相当程度的回压仍然是必需的,也应以驾驶用途及引擎输出来考量回压之大小。一般而言,改装排气管大多从中尾段下手,常见的手法不外乎增加管径之尺寸、缩短消音器迴绕之路程,努力使其消音路线呈直线化,不过一般道路使用的改装排气管,应先考虑降低内部排气阻力,例如拔除触媒、更换直通尾管等,然后才是在管径上来变化,如此才能兼顾到全转区域的表现。我们先来谈谈管径调整部分,依照现今的测试及表现来说,中段管径的增加大都保持在原厂的10%至15%为佳,也就是NA引擎在52mm至60mm左右,涡轮引擎则约为65mm至75mm不等。当然引擎的排气量愈大,改装幅度又增加的话,也有可能达到80mm之谱。至于中尾段管径的搭配比例,由粗变细或从头至尾一样口径,对重视「扭力」需要的使用者较为恰当,如果是马力派的诉求,则适合「渐次放大」的型式。此种放大式的管径设计,是採慢慢扩大管径的方式,驱使愈往后方愈急速膨胀的废气增快流速,特别是在持续高转速的情形下愈加有利。

排气管改造学堂改装排气管为获得最佳的峰值马力输出,通常会採用直通管,并减少弯曲角度的设计,改装后的高转速加速力道与排气声浪,虽可脱胎换骨,但却不见得能兼顾低速扭力反应,尤其在小排气量NA引擎上,更容易感觉出扭力流失的差异。排气管改造学堂赛车引擎的工作转速经常维持在极高範围,加上一切设计都是为压榨引擎动力,也不需触媒阻碍排气效率,因此排气管的设计可以设计的更粗、更直通,整个设计方向与市售车是截然不同,不能全部移植沿用。排气管改造学堂 

拔触媒改以代管 要注意共振现象

至于如何减少排气阻力,则可从中段与尾段两个部分着手起,首先是中段排气管,其上有个重要元件会大幅影响排气阻力,那就是「触媒」,触媒基本的功用在于净化排气的污染,可是它还有消除共鸣的功能,减少共鸣噪音传至驾驶舱中;由许多贵金属密密麻麻所组成的蜂巢结构,依照流体力学的原理来衡量,的确是阻碍排气顺畅的一大原兇,而且又是排气管中高温的聚热点,所以拔除触媒,改以代触媒取代就能使排气顺畅,提昇高转速的马力。代触媒大致都做成较轻较小型、来增进排气速度,当排气管整体口径过大时,唯一能补救之道,就是在代触媒段的改变,还能在增加马力之余也能兼顾中低转之扭力,不过许多新世代车款一旦拔除触媒,可能会导致引擎亮灯,最好能以200~300目的高流量赛车触媒取代之。

排气管改造学堂涡轮引擎因有涡轮本体阻碍排气效率,因为对于排气管的设计往往可以比NA引擎来得宽鬆点,不过如果能将Down Pipe更换为排气阻力更小的产品,对性能提昇往往相当明显。排气管改造学堂各段排气管示意图。

负责消音工作的尾段排气管,则是另一个排气阻力来源,原厂排气管的消音过程是利用隔板让排气撞击,藉由反射波的形成减低音量,而高性能车种及改装型式则採用直线筒式,缠绕消音棉来吸收噪音,如此无隔板直线式的通路,自然对马力的提昇有相当大的助益。值得一提,排气管改造中种类最多也最常见的就是直通式尾段,不过价格及耐用度上往往有着很大差异,其间全然是使用的金属材质及消音棉使然;在直通式尾消噪音的吸收是靠消音棉来完成,一般皆使用单纯的玻璃纤维棉来对应,但是长时间使用后玻璃棉会因高热而劣化、熔蚀,使得排气噪音变大,故讲究的品牌为了因应此现象,会先用高耐久度的不鏽钢丝消音棉包覆内网管,然后再将玻璃棉填入,其用意是利用不鏽钢丝来防止高热传导至玻璃棉上,进而延长玻璃吸音棉的寿命,排气管用久也不会破声。

排气管改造学堂部分大排气量高性能V型引擎的排气管,都是左右独立的管路设计,目的也是在减少排气干涉的问题,不过如何让两边的排气管路内压力平衡,使引擎出力平顺,是排气管设计者需考量的新问题。

中尾段排气管改造秘诀

1.自排车NA车口径不要加大。

2.自排车NA车触媒或尾段择一更换,以免回压过低。

3.手排车NA口径加大原厂10~15%为限。

4.涡轮引擎的Down Pipe必换。

5.新世代引擎换触媒需用赛车触媒才不会亮灯。

6.中消不能太短,低转速车内会有共鸣声。

7.动力没有强化,尾段使用口径一样但直通产品。

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头段排气管改装 着重等长设计

至于头段排气管的改造,算是在排气系统升级中,最重要的部分了,由于原厂几乎都是大量开模的铸铁製品,内管壁粗糙不堪,各歧管长度也不尽相同,加上接合的方式、距离、形状等等的不够周全,因此非常容易产生排气干涉的现象,使得各缸排出之废气相互冲突产生阻碍。尤其此位置又最为靠近汽缸头,对进气燃烧会产生多严重之影响!在改装厂所推出的排气头段,绝大多数都是使用管内壁平滑的不鏽钢材质,更讲究的品牌则在歧管底座和接管部位使用开模铸造的方式,实施无段差的接口,并尽量延展弯角之角度,藉此使得阻力减少、加速排出气体之流速。

排气管改造学堂原厂中段排气管上都会设有体积不小的触媒转换器与消音器,这两个元件都是形成排气阻力的来源之一,因此许多改装用中段排气管都会针对这两个元件进行调整。

更高档的型式则将头段排气管的各歧管长度统一,致力于等长化,让排气脉冲一致化,彻底消除各歧管间的压力差,不但有利于后段排气管的回压设定,更能使整体的吸排气效率大幅度提昇,让引擎高转速时运作顺畅。最后在集合部分的型式上,最普遍的四缸引擎,若为四合一型式则强调不易干涉的高转速马力式样,四合二合一则有利于中低转扭力之表现,但二者设计之间也拜引擎的输出特性与设计厂家的诉求特点,且等长头段在NA引擎有着关键性的表现,对涡轮车来说也能提昇相当的效果。

排气管改造学堂 排气管改造学堂虽然中段排气管上的触媒是阻碍排气效率的兇手,但有些新款车辆又不能拔除,会亮电脑灯且更耗油,因此就衍生了金属赛车触媒。其内构造是较疏的金属网板结构,虽然一样会有些微阻碍,但在节省油耗与性能这两点的考量下,算是折衷的做法。

涡轮专用头段 攸关增压反应

等长的涡轮用头段,能将各缸排气均等且定质定量的驱动涡轮叶片,当此顺畅而持续的冲击频率,能使得增压效能的效率和稳定度大幅提昇,例如Impreza STI原厂所使用的排气头段就是最好例子。涡轮用头段除等长外,歧管至涡轮本体的总长度,亦为其头段製造时的重要考量依据,愈短的歧管、涡轮叶片的运转反应才能愈早加快,所以愈接近排气头的涡轮,愈能减少其迟滞的现象。而同样减压原理也适用在涡轮出口的前段管Front Pipe上,通常换装大口径的规格就能有效减低二次排压,因为涡轮藉由废气来推动,推动叶片过的废气能迅速排出,无阻碍的话才能使叶片前的废气更易推动涡轮运行,所以当以性能诉求为出发点的话,涡轮引擎的全段排气管皆需要粗径化!

排气管改造学堂现在的涡轮车在Down Pipe上也会设有另外一颗触媒,如果能换装赛车触媒製品的话,能降低高转速时的排气压力,对性能提昇有绝佳帮助。排气管改造学堂大口径粗短型的尾段排气管,在高转速时拥有极佳的排气效率,能彻底发挥引擎马力,不过却会大大降低在低转速的扭力反应,因此比较适合手排车款换装,自排车换了只有声浪兇狠,车不见得会跑。

可变排气阀门协助 排气声浪随时调整

从以上的排气管改造理论来看,要打造出兼顾马力与扭力的排气管,似乎是件相当複杂且不易的事情,甚至是很难达成的目标,毕竟想要降低尾消的排气阻碍、又想保持扭力输出,本来是相反的论点,不过这样的限制,近年来「可变回压排气阀门」的推出后,理想的排气改造效果,似乎不在遥不可及!该装置的功能就如同其名般,主要是用来控制排气管内回压大小,从外观来看,整体机构设计就如同一颗构造较为简单的节气门,在其上可看到一蝴蝶阀与真空作动器。透过引擎真空的吸引,可让阀门进行开与关的动作,只要将此阀门安装在排气管系统中的适当位置,就可让引擎拥有均衡的扭力与马力表现。

排气管改造学堂原厂型排气管虽然外观温驯,且加入较多的消音棉之后,能有效抑制排气噪音,减少路上条伯伯的关注,不过内在却已改为直通化,对于排气效率提昇依旧有着相当程度的帮助,适合自排车或低调的车主使用。排气管改造学堂原厂尾段是利用隔板反射与抵消声音的原理,来达到消弭排气噪音,不过却有排气阻力大的特性,至于排气顺畅的直线排气管,则是透过内网管外缠绕消音棉的方式来吸收噪音,消音棉的材质与残绕方式会影响排气管的寿命。

该系统的原理是在排气管内设置一具可变阀门,当转速较低时阀门会关闭让排出气流由较小管径位置或单一管路排出,保持排气管内的回压,让低转速扭力不流失;高转速时阀门则会开启,而排出的废气就会直接通过大管径位置或双重管路排出,让废气有更多的通道与出口宣洩,进而降低排气管内回压,如此一来马力的延续性会有更理想的表现。

排气管改造学堂Mugen排气尾管最为人津津乐道的,就是其双迴旋的设计,这样的设计让大气回压在转速提昇时会自动递减,达到高转马力与中低转扭力双赢的局面,后来也成为许多国产排气管模仿的对象。排气管改造学堂 

控制方式可分两种 手动自动任君挑选

至于可变回压排气阀门作机时机的控制技术,目前主要可分成手动与自动控制两种,两者皆需透过电子系统的辅助才能顺利控制排气阀门,只是前者的作动时机较为被动,启闭的切换皆需透过车主下达命令才会执行,如此一来在激烈驾驶往往容易发生分心的问题,因此并非主流配备。

排气管改造学堂图示Impreza EJ引擎的不鏽钢头段,可以看出为了等长之设计要点,转折弧度、角度变化都下了相当的苦心,且不鏽钢内径平滑具有低流阻之优点,营造出最好的排气效率,而少了水平对卧引擎独有的排气打鼓声,则是唯一的缺点。

所谓的自动控制,则主要可透过可侦测「引擎转速」或「油门踏板深度」的控制电脑辅助,让阀门在引擎达到某个「预先设定」的转速或油门踏板达到某个深度后,便会自动开启,如此车主只要专心驾驶车辆即可,事实上这样的系统还可分成全时开启、全时关闭或是自动开启等不同开启方式,可依车主的使用需求自行做调整。而该项产品的功能,除了获得全面的动力反应外,还可让车辆开起来更加热血,原因就在于其附加的排气声浪效果。透过阀门的启闭,除可控制排气效率外,只要透过适当的排气管路设计,将阀门安装在较为直通的管路上,一旦开启后,原本安静的排气声会转为分贝提高的声浪,只要浪却不尖锐刺耳,且浑厚饱满,相信会让许多车主深深着迷。

排气管改造学堂原厂为了成本考量,大多将排气管尽量精简,例如头段使用翻砂的铸铁材质,内管壁粗糙不堪,各歧管长度也不尽相同,加上接合的方式、距离、形状等等的不够周全,因此非常易产生排气干涉的现象,使得各缸排出之废气相互冲突产生阻碍。排气管改造学堂涡轮车使用的头段,由于牵扯到要驱动涡轮叶片,因此除了等长之外,缩短排气管到涡轮之间的距离,能使得涡轮反应变快、迟滞降低,甚至使得叶片端入口的排压降低,整体上都有明显的效果显现。

排气管设计是本质 阀门只能强化效果

至于阀门该装在何处才能真正发挥其效果呢?不同车款因有不同排气管路走向与管径设计,因此很难找出一个安装排气阀门的固定方法,不过倒是几个原则可以提出与大家分享,那就是排气阀门只是用来辅助排气管打造者进行更灵活的回压管理,排气效率好不好还是必须先回归到排气管整体的设计,如果整个排气管的设计原本就不佳,也不会因为多装了阀门就把所有缺点完全改善,因此不能过度依赖排气阀门,有优异的设计与製造本质,再透过排气阀门强化,其效果才能相得益彰。另外,排气阀门的作动方式也建议最好採用「全开」与「全关」的方式来进行,最好不要有微开的情况,有损真空作动器的寿命,这是因为微开的排气阀门,须不断面对强大排气压力冲击,而此冲击最后的吸收者为真空作动器,该作动器内构造相当简单,只有一耐高热膜片负责维持内部真空并提供作用力,一旦长时间承受排压推挤,使用寿命可能难以维持长久。

排气管改造学堂涡轮增压引擎换装大口径的Down Pipe,其排气效率与涡轮增压反应就有明显的提昇,就是因为大口径的顺畅度,不但让流体快速排放,排气压力降低之后、增压效果当然也会更好,有些比赛车甚至直接让Down Pipe朝大气排放,彻底解决二次排压问题。排气管改造学堂其实许多超跑早已使用可变回压阀门的设计,如图中Audi R8 V10就是最好的例子,阀门就设计在排气出口端,关闭时废气需经过网管与隔板后,绕比较远的路径才能排放出去,开启后则可直接排放,导致排气顺畅性差异极大。

以上如此众多的原理叙述,或许读者一时也无法完全理解其中理论之真谛,但改装排气管前,必先确认自己所需之特性,好比自排车自动换档时机受制,千万别更换管径太粗、直通性太大之製品,否则将丧失低转扭力,严重的话连高转速都达不到。而更换排管气使其排气顺畅的效能之下,势必造成进气效率的增加,如此一来引擎的燃烧效率也会变动,最高档的检测方法,还是需要架上混合比机,来确定A/F值的变化,从而适切的调整供油比例,才能使改装排气管的功效达到完美的境界。

排气管改造学堂图中即为可变回压阀门的本体,又可分成常时关或常时开的设计,前者比较适合街车使用,后者比较适合会下场比赛的半厂车使用。排气管改造学堂目前可变回压排气阀门的改装风气,在欧系车友间有愈来愈兴盛的趋势,这或许是因为阀门可降低市区行驶的噪音,较能符合这些车友的改装风格。


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