進排氣系統強化介紹 (上)

吸吐氣要順暢才有效
相信許多人改裝愛車的動力,都是從更換進排氣系統強化套件開始,希望藉由增加引擎呼吸順暢度來獲得提昇動利的效果,不過這樣改真的有效嗎?有時錯誤的改法反而會得到反效果。到底該怎麼改才有效,看下去就知道。
 

▲這組是86/BRZ的原廠集氣箱與進氣管路,採用塑膠材質製成,雖然美觀性不如亮晶晶的金屬改裝品,不過隔熱效果卻極佳,效果也足敷使用。
 
進氣系統改造方向
降溫提高充填效率
說道進氣系統的強化方式,通常可藉由下列方式來進行,分別是「提高進氣充填效應」、「強化進氣管路隔熱材質」與「控制進氣管徑」三方向做起。「自然進氣」引擎與「增壓」引擎在進氣過程的差別在於,前者是靠引擎本身活塞下行時的真空吸力,被動地將新鮮空氣導引至燃燒室內,後者則可透過增壓器本身的主動推送,將空氣灌注到燃燒室內,兩者單位時間內的進氣量與密度差異頗大,也造就不同的出力效率,進氣量大者配合較多的油料,自然可壓榨出更大的馬力,而這樣的原理其實也可運用在自然進氣引擎上,重點就在於提高進氣系統的「撞風效應」。
 

▲現在新車的進氣歧管都採用塑鋼材質製成,優點在於內璧光滑有助於氣體流動,且隔熱效果佳,缺點則是無法成受太大的增壓值。
 
大家應該都曾在電視上看過F1賽車,其進氣口就設在駕駛艙的正上方,目的就是希望透過高速所形成的強大風壓,將大量的空氣「擠入」進氣管路內,引擎一開口就有一堆空氣等著它使用,甚至在極高速時還可達到正壓狀態,空氣簡直就是「硬塞」進燃燒室內,這就是提高撞風效應的優點,而這樣的進氣系統改造原理其實也可實現於一般房車上,只不過受限於房車先天上形狀設計,加上必須顧慮到下雨天避免吸到水等,全天候的用車環境,打造起來頗有難度。
 

▲內行的改裝技師都會想辦法讓香菇頭轉到引擎室的角落,不要引擎吸到熱氣,以降低進氣溫度,增加空氣中的含氧量,如此才能提昇燃燒與爆炸效率。
 
進氣溫度影響甚大
管路隔熱特別注意
此外,除注意到吸氣口的位置需朝向車頭方向,以避免吸到高熱的氣體外,管路本身的材質是否具有「隔熱效果」也是不可忽視的問題,最好的材質是碳纖維或塑膠製品,應該避免採用金屬製管路(渦輪引擎高壓進氣條件不得已可使用),因為金屬管路很容易吸收引擎室內的高溫,尤其是夏季動輒35、36度以上的溫度,如果又剛好開在市區環境的話,進氣溫度可是會高得離譜的,一旦超過70度,空氣內過度膨脹的氧分子,將會減少可用來燃燒的條件,引擎出力自然就會下降,且進氣高溫連帶也會導致水溫油溫偏高,如此惡性循環下車只會愈開愈耗油、無力,因此進氣管路的隔熱材質要求也是強化進氣套件時,不可忽略的一項重要環節。
 

▲閃亮亮的進氣鋁管雖然漂亮,不過卻比塑鋼材質更不易隔絕高溫,渦輪改裝引擎因考量壓力承受極限,與製造方便而採用鋁管,如果是自然進氣引擎的話,建議不要使用鋁管才不會提高進氣溫度,而使引擎更沒力。
 
值得一提,許多人都會問:進氣管路可以在改裝時一併加粗嗎?答案是可以,但原廠車不可超過3mm。過粗的管路容易使引擎低速時進氣量不足,有點像小吸管比珍珠奶茶吸管好吸的道理一樣,過粗的管路引擎反倒容易減緩低速時的進氣速度,且有些採Air Flow設計的引擎,是無法加粗進氣管路,因此除非是真的希望能強化高轉速時的動力表現,否則透過上述提到兩項改造原則,即使不加粗進氣管徑也可獲得不錯的馬力提昇效果。
 
▲空氣流量計是ECU用來偵測進氣量,以提供引擎正確噴油量,如果改變管路口徑,或流量計固定後的位置未在管路中間,將會影響流量計偵測準度,輕則引擎不順,重則一踩油門就熄火,因此改裝管路在此處的口徑都會比照原廠規格。
 
▲對於進氣系統的設計最為講究的莫過於F1引擎,為此進氣口不只直接朝前方擺設,使其高速行駛時能大量灌入空氣外,極高溫的排氣頭段還特別以碳纖維隔版包覆起來,以降低引擎室的溫度。

進排氣系統強化介紹 (下)

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。
 
排氣改造注意回壓
管徑觸媒都是重點
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。
 

各段排氣管示意圖。 
 
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。
 

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。
 
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。
 

 
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。
 
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!
 
▲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。
 
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。
 
▲透過可變排氣閥門的導入,除了可使排氣管兼具馬力與扭力的輸出平衡外,還可控制排氣聲浪的大小,是非常實用的產品。
 
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。