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排氣聲浪好渾厚,大聲不見得有效,小心惹民怨!(上)

Goo2手車訊
排氣聲浪好渾厚,大聲不見得有效,小心惹民怨!(上)
排氣系統改造是很多熱愛改車的玩家,都會進行的工程,除了可以透過改變排氣聲浪的方式,來增加愛車運動氣息外,也可以提昇引擎動力表現,不過排氣管可不是愈大聲愈有效,有時反而會起步加速無力,更重要的是惹民怨,結果是收不完的檢舉罰單。
 
文、圖/ OP編輯部
 
問題一:排氣管改造的主要目的?適度降低排氣壓力,讓廢氣流動更順暢。

引擎本身是透過燃燒汽油產生動力的,而燃燒過程會產生爆炸,形成巨大噪音與高速氣流,這時就需要排氣管來降低有毒廢氣與排氣噪音,以符合法規的清靜值與分貝值,所有流經排氣管的廢氣,都可透過不同長度的排氣管路,或利用隔板創造不同的氣室,讓廢氣音波相互撞擊,並藉由反射波發生干涉而互相抵消,如此一來排氣音量就變小。
 
至於降低廢氣污染的方式,則是透過觸媒轉換器來完成,觸媒轉換器大多安排在排氣中段,但為了迎合更嚴苛的環保需求,讓觸媒更快的達到工作溫度,目前多數車款在頭段歧管內就有觸媒轉換器,而廢氣經過這個觸媒時,內含的鉑鈀銠等重金屬作為催化劑,會將廢氣中的HC、CO、NOX有害物質,轉換成對人體無害的氣體後再排出車外,例如NOX被還原成氮和氧,而CO和HC則被氧化成CO2和H2O。
 
然而引擎要順暢運作,順暢的吸氣與吐氣都是很重要的,一定要讓燃燒過之廢氣,有充份的時間排出,同時空出氣缸內的空間,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清淨廢氣之功用,例如排氣管內隔板太多就會造成排氣阻力,觸媒轉換器本身也是一個高阻力的立體網狀結構,這些都會讓高轉速時的排氣輸出不夠順暢,進而降低了高轉速時的引擎性能。
 
所以改裝排氣系統最根本的目的,不是為了加大排氣聲浪,而是為了提昇馬力,要怎麼做呢?大原則是提高排氣管路的內部順暢度,讓排氣管內氣體流動的阻力降低,進而減少內部的回壓,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。
 


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。
 

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。
 

觸媒轉換器本身也是一個高阻力的立體網狀結構,會讓高轉速時的排氣輸出不夠順暢,進而降低了高轉速時的引擎性能。

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問題二:什麼是排氣管回壓?排氣管內部的阻力,阻力過小也不好。 

改過排氣管的人多少都有聽過「回壓」這個詞,是影響性能提昇的關鍵,但不是很認識它,簡單來說排氣回壓指的就是排氣阻力,回壓大或小哪個比較好,其實沒有定論,要看車輛用途而定。如果是街車的話,適度的回壓是比較好的,這怎麼說呢?
 
從引擎的四行程循環來看,廢氣不是一氣呵成的排出,而是一波又一波的排放,每個氣團的密度很高,而且先前的氣團與之後的氣團間的空間,會形成一股真空壓力(負壓狀態),假設前後氣團的距離適當,負壓就會「拉走」後面的氣團,形成往排氣出口的牽引力量,使排氣比較順暢,引擎的動力得以發揮。而要讓前後氣團的距離不要離太遠,就需要適度的排氣阻力來限制氣團排放的速度,這樣NA引擎在中低轉速時會比較好開,能有較大的扭力來帶動車子,所以原廠排氣管的回壓都很高。
 
而這樣的情況在引擎轉速拉高時,就會完全不同,因為在同時間內排氣的頻率相對變高,加上原廠的排氣口徑很小,使氣團與氣團之間的距離太靠近,不只無法形成真空帶,還會造成排氣回堵,就像大量的水流進小水管,而來不及排出的困境,這就是回壓過大。高轉速造成的過大回壓,甚至會影響到進排氣重疊的換氣過程,讓多餘的廢氣跟著新鮮的油氣一起燃燒,導致馬力下降,所以如果是經常停留在高轉速的比賽車,排氣回壓就要盡可能降低會比較有助於高轉速的馬力表現。
 
總之,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。
 

各段排氣管示意圖。
 

圖說=原廠的排氣系統為了迎合環保法規,而多了阻礙排氣順暢度的觸媒轉換器和消音器,產生的回壓較大,有利於中低轉速的扭力輸出,一旦到了高轉速就有氣團「回堵」現象,馬力也跟著降低。相比改裝排氣管都盡可能將管內全直通化,減少排氣回壓,對高轉速有不錯的表現。
 

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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問題三:排氣管改造應從哪裡開始?從中尾段會比較快速省事。 

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。
 
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。
 
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。
 


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。
 

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。
 

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。
 

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。

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問題四:排氣頭段改造要怎麼做才有效?先談自然進氣引擎部分。

自然進氣引擎的頭段排氣管改造,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。
 
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。
 
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而有所不同,不是完全不變的道理,但等長頭段對於引擎的動力提昇,有著關鍵性的正面表現,這點是不會變的。
 

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。
 

愈多汽缸的等長排氣頭段,打造時的難度就愈高,所以很多高性能頂級車款所使用的原廠排氣頭段,其實都不用改,就比改裝品更好用了,圖說BMW E60 M5所使用的V10引擎等長排氣頭段。
 

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。
 

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。

 

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