為何要改排氣管?(下) 可變排氣閥門 兼顧馬力與扭力

可變排氣閥門協助
排氣聲浪隨時調整
從以上的排氣管改造理論來看,要打造出兼顧馬力與扭力的排氣管,似乎是件相當複雜且不易的事情,甚至是很難達成的目標,畢竟想要降低尾消的排氣阻礙、又想保持扭力輸出,本來是相反的論點,不過這樣的限制,近年來「可變回壓排氣閥門」的推出後,理想的排氣改造效果,似乎不在遙不可及!
 
該裝置的功能就如同其名般,主要是用來控制排氣管內回壓大小,從外觀來看,整體機構設計就如同一顆構造較為簡單的節氣門,在其上可看到一蝴蝶閥與真空作動器。透過引擎真空的吸引,可讓閥門進行開與關的動作,只要將此閥門安裝在排氣管系統中的適當位置,就可讓引擎擁有均衡的扭力與馬力表現。
 
該系統的原理是在排氣管內設置一具可變閥門,當轉速較低時閥門會關閉讓排出氣流由較小管徑位置或單一管路排出,保持排氣管內的回壓,讓低轉速扭力不流失;高轉速時閥門則會開啟,而排出的廢氣就會直接通過大管徑位置或雙重管路排出,讓廢氣有更多的通道與出口宣洩,進而降低排氣管內回壓,如此一來馬力的延續性會有更理想的表現。
 

▲其實許多超跑早已使用可變回壓閥門的設計,如圖中Audi R8 V10就是最好的例子,閥門就設計在排氣出口端,關閉時廢氣需經過網管與隔板後,繞比較遠的路徑才能排放出去,開啟後則可直接排放,前差排氣順暢性差異極大。
 
排氣管設計是本質
閥門只能強化效果
至於閥門該裝在何處才能真正發揮其效果呢?不同車款因有不同排氣管路走向與管徑設計,因此很難找出一個安裝排氣閥門的固定方法,不過倒是幾個原則可以提出與大家分享,那就是排氣閥門只是用來輔助排氣管打造者進行更靈活的回壓管理,排氣效率好不好還是必須先回歸到排氣管整體的設計,如果整個排氣管的設計原本就不佳,也不會因為多裝了閥門就把所有缺點完全改善,因此不能過度依賴排氣閥門,有優異的設計與製造本質,再透過排氣閥門強化,其效果才能相得益彰。
 
▲圖中即為可變回壓閥門的本體,又可分成常時關或常時開的設計,前者比較適合街車使用,後者比較適合會下場比賽的半廠車使用。
 
另外,排氣閥門的作動方式也建議最好採用「全開」與「全關」的方式來進行,最好不要有微開的情況,有損真空作動器的壽命,這是因為微開的排氣閥門,須不斷面對強大排氣壓力衝擊,而此衝擊最後的吸收者為真空作動器,該作動器內構造相當簡單,只有一耐高熱膜片負責維持內部真空並提供作用力,一旦長時間承受排壓推擠,使用壽命可能難以維持長久。
 

▲目前可變回壓排氣閥門的改裝風氣,在歐系車友間有愈來愈興盛的趨勢,這或許是因為閥門可降低市區行駛的噪音,較能符合這些車友的改裝風格。
 
結語
以上如此眾多的原理敘述,或許讀者一時也無法完全理解其中理論之真諦,但改裝排氣管前,必先確認自己所需之特性,好比自排車自動換檔時機受制,千萬別更換管徑太粗、直通性太大之製品,否則將喪失低轉扭力,嚴重的話連高轉速都達不到。而更換排管氣使其排氣順暢的效能之下,勢必造成進氣效率的增加,如此一來引擎的燃燒效率也會變動,最高檔的檢測方法,還是需要架上混合比機,來確定A/F值的變化,從而適切的調整供油比例,才能使改裝排氣管的功效達到完美的境界。
 

為何要改排氣管?(上) 打開引擎性能受限封印

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。
 

為何要改排氣管?(中) 拔觸媒嗎?

拔觸媒改以代管
要注意共振現象
想要減少排氣阻力還有一個方法,那就是拔除中段排氣管上會大幅增加排氣阻力的零件,那就是「觸媒轉換器」,觸媒基本的功用在於淨化排氣的污染,另外它還有消除共鳴的功能,減少共鳴噪音傳至駕駛艙中;觸媒內部由許多貴金屬密密麻麻所組成的蜂巢結構,依照流體力學的原理來衡量,的確是阻礙排氣順暢的一大原兇,而且又是排氣管中高溫的聚熱點,所以拔除觸煤,改以全直通管路就能使排氣順暢,提昇高轉速的馬力,不過許多新世代車款一旦拔除觸媒,如果沒有透過ECU調校來修正,可能會導致儀錶亮警示燈,此時最好能以200~300目的高流量賽車觸媒取代之。
 

▲雖然中段排氣管上的觸媒是阻礙排氣效率的兇手,但有些新款車輛又不能拔除,會亮電腦燈且更耗油,因此就衍生了金屬賽車觸媒。其內構造是較疏的金屬網板結構,雖然一樣會有些微阻礙,但在節省油耗與性能這兩點的考量下,算是折衷的做法。
 
值得一提,排氣管改造中種類最多也最常見的就是直通式尾段,不過價格及耐用度上往往有著很大差異,其間的差異在於使用的金屬材質及消音棉的好壞影響;直通式尾消噪音的吸收是靠消音棉來完成,一般皆使用單純的玻璃纖維棉來對應,但是長時間使用後玻璃棉會因高熱而劣化、熔蝕,使得排氣噪音變大,故講究的品牌為了因應此現象,會先用高耐久度的不鏽鋼絲消音棉包覆內網管,然後再將玻璃棉填入,其用意是利用不鏽鋼絲來防止高熱傳導至玻璃棉上,進而延長玻璃吸音棉的壽命,排氣管用久也不會破聲。
 

▲現在的渦輪車在Down Pipe上也會設有另外一顆觸媒,如果能換裝賽車觸媒製品的話,能降低高轉速時的排氣壓力,對性能提昇有絕佳幫助。
 

▲大口徑粗短型的尾段排氣管,在高轉速時擁有極佳的排氣效率,能徹底發揮引擎馬力,不過卻會大大降低低轉速的扭力反應,因此比較適合手排車款換裝,自排車換了只有聲浪兇狠,車不見得會跑。
 
中尾段排氣管改造秘訣
1.自排車NA車口徑不要加大。
2.自排車NA車觸媒或尾段擇一更換,以免回壓過低。
3.手排車NA口徑加大原廠10~15%為限。
4.渦輪引擎的Down Pipe必換。
5.新世代引擎換觸媒需用賽車觸媒才不會亮燈。
6.中消不能太短,低轉速車內會有共鳴聲。
7.動力沒有強化,尾段使用口徑一樣但直通產品。
 
頭段排氣管改裝
著重等長設計
至於頭段排氣管的改造,算是在排氣系統升級中,最重要的部分了,由於原廠幾乎都是大量開模的鑄鐵製品,內管壁粗糙不堪,各歧管長度也不盡相同,加上接合的方式、距離、形狀等等的不夠周全,因此非常易產生排氣干涉的現象,使得各缸排出之廢氣相互衝突產生阻礙。
 

▲原廠型排氣管雖然外觀溫馴,且加入較多的消音棉之後,能有效抑制排氣噪音,減少路上條伯伯的關注,不過內在卻已改為直通化,對於排氣效率提昇依舊有著相當程度的幫助,適合自排車或低調的車主使用。
 
尤其此位置又最為靠近汽缸頭,對進氣燃燒會產生明顯影響,因此各改裝廠所推出的排氣頭段,絕大多數都是使用管內壁平滑的不鏽鋼材質,更講究的品牌則在歧管底座和接管部位使用開模鑄造的方式,實施無段差的接口,並盡量延展彎角之角度,藉此使得阻力減少、加速排出氣體之流速。
 

▲原廠尾段是利用隔板反射與抵消聲音的原理,來達到消弭排氣噪音,不過卻有排氣阻力大的特性,至於排氣順暢的直線排氣管,則是透過內網管外纏繞消音棉的方式來吸收噪音,消音棉的材質與殘繞方式會影響排氣管的壽命。
 
更高檔的型式則將頭段排氣管的各歧管長度統一,致力於等長化,讓排氣脈衝一致化,徹底消除各歧管間的壓力差,不但有利於後段排氣管的回壓設定,更能使整體的吸排氣效率大幅度提昇,讓引擎高轉速時運作順暢。最後在集合部分的型式上,最普遍的四缸引擎,若為四合一型式則強調不易干涉的高轉速馬力式樣,四合二合一則有利於中低轉扭力之表現,但二者設計之間也拜引擎的輸出特性與設計廠家的訴求特點,且等長頭段在NA引擎有著關鍵性的表現,對渦輪車來說也能提昇相當的效果。
 
▲過去Mugen排氣尾管最為人津津樂道的,就是其雙迴旋的設計,這樣的設計讓大氣回壓在轉速提昇時會自動遞減,達到高轉馬力與中低轉扭力雙贏的局面,後來也成為許多國產排氣管模仿的對象。
 

▲等長化頭段排氣管能讓排氣脈衝一致化,徹底消除各排氣頭段內的壓力差,不但是利於後段排氣管的回壓設定,更能使整體的吸排氣效率大幅度提升,是許多高檔排氣管的唯一設計。
 
渦輪專用頭段
攸關增壓反應
等長的渦輪用頭段,能將各缸排氣均等且定質定量的驅動渦輪葉片,當此順暢而持續的衝擊頻率,能使得增壓效能的效率和穩定度大幅提昇,例如Impreza STI原廠所使用的排氣頭段就是最好例子。渦輪用頭段除等長外,歧管至渦輪本體的總長度,亦為其頭段製造時的重要考量依據,愈短的歧管、渦輪葉片的運轉反應才能愈早加快,所以愈接近排氣頭的渦輪,愈能減少其遲滯的現象。
 
▲圖示Impreza EJ引擎的不鏽鋼頭段,可以看出為了等長之設計要點,轉折弧度、角度變化都下了相當的苦心,且不鏽鋼內徑平滑具有低流阻之優點,營造出最好的排氣效率,而少了水平對臥引擎獨有的排氣打鼓聲,則是唯一的缺點。
 
而同樣減壓原理也適用在渦輪出口的前段管Fornt Pipe上,通常換裝大口徑的規格就能有效減低二次排壓,因為渦輪藉由廢氣來推動,推動葉片過的廢氣能迅速排出,無阻礙的話才能使葉片前的廢氣更易推動渦輪運行,所以當以性能訴求為出發點的話,渦輪引擎的全段排氣管皆需要粗徑化。
 

▲原廠為了成本考量,大多將排氣管盡量精簡,例如頭段使用翻砂的鑄鐵材質,內管壁粗糙不堪,各歧管長度也不盡相同,加上接合的方式、距離、形狀等等的不夠周全,因此非常易產生排氣干涉的現象,使得各缸排出之廢氣相互衝突產生阻礙。
 

▲渦輪車使用的頭段,由於牽扯到要驅動渦輪葉片,因此除了等長之外,縮短排氣管到渦輪之間的距離,能使得渦輪反應變快、遲滯降低,甚至使得葉片端入口的排壓降低,整體上都有明顯的效果顯現。