什麼是排氣管的回壓?為什麼要很講究?

▲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。
 
 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。其實,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,氣團的密度很高,而且前方的氣團與後方的氣團之間的距離會形成一股真空壓力(負壓狀態),假設氣團的距離適當,負壓就會「拉走」後面的氣團,形成往前走的牽引力量,使排氣比較順暢,引擎的動力得以發揮,稱作回壓。
 

▲大排氣量的V型引擎的排氣管路是左右獨立的,目的是減少排氣干涉的問題。
 
尤其在中低轉速時需要較大的扭力帶動車子,這時較大的回壓能快速吸走剩餘的廢氣(汽缸內處於進排氣重疊角度的換氣過程)。一旦引擎轉速拉高,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,就不能盡快的吸出下一個氣團,造成短時間內無法讓排氣量提昇,而產生排氣回堵,就像大量的流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,所以性能車的排氣口徑遠比一般房車還要大的原因在這。
 
不過氣團之間的距離太遠也不是好事,形成的真空壓力不夠,導致前方氣團無法吸著後方氣團往外排放,排氣效率變差,引擎動力也會被限制,稱為回壓不足,原因在於排氣管口徑太大和太直通,對自然進氣引擎的影響力很大,反觀渦輪增壓引擎的廢氣反而能快速排出,不會有太大影響,因此同樣改裝排氣管,NA與Turbo引擎的改法也不太相同。

人人都很愛排氣聲浪,漫長的過程誰知道?

油門催下去,享受著改裝排氣聲浪很令人亢奮,車子快不快就另當別論。其實,引擎動力的大小除了牽扯到汽缸直徑和進氣量之外,如何製造適當的排氣回壓也是關鍵之一。因此原廠在設計排氣管時,會依需求而有不同的管徑配置,利用複雜的流體力學達到過濾有害物和消音的效果,至於如何發揮極致動力就得憑各家本事了。
 
排氣系統就像工廠流水線
     每一站都有重要的任務
 
以一般的四缸引擎為例,分開的進排氣行程設計,除了能夠吸入更多的進氣量來提高引擎效率,也創造一個完全燃燒的燃燒室,讓廢氣有足夠的時間排出,排氣系統的開端從排氣歧管(排氣頭段)算起,往後延伸有觸媒轉換器、消音器和尾管,一切都是為了符合現今的環保法規而設計。
 
然而引擎的汽缸數較多,同時有製造成本和空間配置的考量,無法讓各汽缸有自己的排氣管,排氣頭段都採用「4—1」或「4—2—1」的管路設計,所謂的「4—1」就是從四根排氣歧管合併成一根管路,利用各歧管的「等長化」優勢來抵消之間的排氣壓力差,不容易產生壓力波互相干涉的現象,使整體的排氣效率大幅提高,讓引擎在中高轉速的反應順暢。


▲「4—1」的排氣頭段設計,利用等長化的優勢來抵消之間的排氣壓力差,在中高轉速時不易產生干涉現象,排氣就會順暢,有效的提升引擎效率。
 
而「4—2—1」則是四根歧管合併成兩支管後再合成為一根管路,歧管不等長的形式就容易使各汽缸排出的廢氣互相擠壓(干涉現象),不利於引擎高轉速的表現,卻對中低轉速的扭力釋放有很好的效果,適合一般乘坐車穿梭在車多窄道的大城市中,所以兩者之間的設計還得根據車廠對引擎的輸出特性,和正反置的擺放來作出抉擇。


▲「4—2—1」的排氣頭段設計,是以不等長的歧管來製造排氣干涉,雖然不利於高轉速需要的排氣順暢,但在低轉速的扭力表現較佳,許多小房車都採用這種設計來達到低速輕快的油門效果。
 
一般來說,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(Pt)、鈀(Pa)、銠(Rh)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排出在外,例如NOX被還原成氮氣(N2)和氧氣(O2),而CO和HC則被氧化成CO2和H2O,正常的工作溫度範圍在400℃-600℃,這個階段由O2 Sensor監控含氧量,將訊號傳回ECU來判斷當下的噴油量。



▲排氣系統的「首站」從排氣歧管(排氣頭段)開始,往後延伸有三元觸媒轉換器、消音器和尾管,當中有O2 Sensor監控含氧量回報給ECU去下達指令,很像工廠流水線的運作。
排氣管圖解  左邊順時針
排氣歧管
O2 Sensor
O2 Sensor
消音器
排氣尾管
三元觸媒轉換器 



▲為了符合今日的環保法規,有的車款從排氣頭段就有三元觸媒轉換器,裡面的重金屬催化劑能將HC、CO和NOX轉換成無害的N2、O2、H2O和CO2 ,旁邊有感知器將訊號傳回給ECU去判斷當下的噴油量。


圖解 右上角順時針
ECU
NOX 感知器
NOX觸媒轉換器
溫度感知器
含氧感知器
三元觸媒轉換器
含氧感知器 
由於高速氣流的廢氣衝擊會有音波而產生噪音污染,需要消音器的設計來符合法規的分貝值,裡面由不同長度的管道組成,利用隔板創造不同的氣室,讓廢氣音波撞擊,藉由反射波發生干涉而互相抵消,音量就變小。相對的阻礙廢氣排放的順暢,限制引擎的動力。
 

▲OEM的消音器是利用隔板和不同長度的內管去打造氣室,讓廢氣的音波互相撞擊而抵消波長,音量就會變小,但相對的會阻礙排氣的順暢度,影響引擎的動力輸出。
 

可變閥門排氣系統 超跑流傳的神器

▲可變排氣閥門是利用真空作動器去控制蝴蝶閥的開關,改裝市場的技術已經非常成熟。
 
排氣回壓會決定馬力和扭力的輸出特性,但要同時兼顧是非常困難的,所以可變閥門排氣系統就此誕生,藉由隨時改變排氣管內的回壓來決定當下的動力表現,最初是安置在超跑上,直到現在已經有適合一般房車的改裝品販售。
 
其實構造不會太複雜,由一個類似節氣門的蝴蝶閥和真空作動器組成。當引擎處於低轉速,排氣管內的可變閥門會關閉,廢氣只能從小口徑的流管排出,這樣可以保持排氣管內較大的回壓,以保持扭力的作動;如果拉到高轉速,閥門則立刻開啟,直接通過大口徑排管或雙重管路排出急速膨脹的廢氣,以降低排氣管內的回壓,讓高轉速的馬力發揮得更有延續性(也就是馬力可以往更高的轉速區域上升後才慢慢減弱),而閥門就透過引擎真空的吸引去控制開關,這樣就能同時兼顧到馬力扭力的輸出。
 

▲早期的超跑就有可變排氣閥門的裝置,現今的超跑已全部採自動化設計,如R8 V10的閥門是設計在排氣出口,關閉狀態會讓廢氣繞遠路才排放,閥門一旦開啟就能直接導出,讓動力立即上升。
 
早期的超跑是用手動按鈕去控制閥門的開關,由車主隨心所欲的下達指令,但缺點是在激烈駕駛中容易分心,所以這個90年代的產物很快就走入非主流世界。而自動控制則是偵測引擎轉速和油門深度的訊號,只要達到閥門在預設的轉速值和油門踏板深度值就會自動開啟,不僅僅是超跑的標配,一些性能等級的跑房車也有排氣閥門控制。藉由這個裝置將安靜駛過你家面前的超跑引擎聲,轉為高亢的排氣聲浪去山路/賽道熱血,也是很多人為之著迷的一點。
 

▲中置引擎的R8,使排氣管路的設計較短,利於廢氣急速膨脹的排出,提高引擎的熱效率。