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【百問】排氣管這樣改才有效!(上)
大聲不見得有力

2023.10.17  作者:童秉豐  

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文、圖/OP編輯部

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,也可以提升引擎動力表現,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。

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。

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。

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。

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。

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,有充分的時間排出,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。

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。

所以改裝排氣系統最根本的目的,不是為了加大排氣聲浪,而是為了提升馬力,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,達到提升高轉速反應和流暢度之目的。

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。

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,是影響性能提升的關鍵,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。

各段排氣管示意圖。

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。

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。

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須的,也應以駕駛用途及引擎輸出,來考量回壓之大小。

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。

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,對性能提升往往相當明顯。

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,驅使愈往後方愈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,自然對馬力的提升有相當大的助益。

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