اجراي یک سیستم اگزوز کارآمد: مراحل لازم برای انجام

اصل‌های اساسی طراحی سیستم اگزوز

تعادل بین کارایی جریان، مدیریت حرارتی و محدودیت‌های بسته‌بندی

بهره‌برداری حداکثری از یک سیستم اگزوز به معنای تعادل بین سه عامل اصلی است که اغلب در تضاد با یکدیگر عمل می‌کنند. برای دستیابی به بازده جریان مناسب، باید فشار معکوس را با استفاده از انحناءهای صاف و لوله‌هایی با ابعاد مناسب، در حداقل مقدار ممکن نگه داشت. هنگامی که محدودیت بیش از حد باشد، توان حدود ۳ تا ۵ درصد برای هر پوند اضافی بر اینچ مربع (psi) کاهش می‌یابد (این آمار از تحقیقات انجمن مهندسان خودرو (SAE) در سال ۲۰۲۲ استخراج شده است). سپس مسئلهٔ گرما را داریم: دمای گازهای خروجی می‌تواند از ۱۲۰۰ درجه فارنهایت (معادل تقریبی ۶۵۰ درجه سلسیوس) فراتر رود؛ بنابراین سازندگان مجبورند از موادی مانند فولاد ضدزنگ ۴۰۹ استفاده کنند و سپرهاي حرارتی مناسبی را نصب نمایند تا از آسیب‌دیدن قطعات مجاور جلوگیری شود. فضای موجود نیز مشکلی کاملاً مجزا است. امروزه محیط موتور خودروهای مدرن بسیار فشرده شده است که این امر قراردهی جمع‌کننده‌ها (collectors) در مکان مناسب و نصب صحیح سیلنسِرها را دشوار می‌سازد. و اگر کسی بخواهد از سیستم تزریق اجباری (forced induction) نیز استفاده کند؟ این موضوع سردرد بیشتری ایجاد می‌کند، زیرا اکنون باید پوسته‌های توربین را بدون اینکه در جای دیگری از خودرو ارتفاع از زمین (ground clearance) کاهش یابد، در سیستم ادغام کرد.

منیفلدها در مقابل هدرها: زمانی که هر کدام برای گشتاور، آلاینده‌ها یا هزینه بهینه‌اند

بیشتر سازندگان خودرو برای تولید انبوه خودروها از مانیفولد‌های ریخته‌گری‌شده از چدن استفاده می‌کنند، زیرا این مانیفولد‌ها نویز و ارتعاش را بهتر از سایر گزینه‌ها کنترل می‌کنند. علاوه بر این، این مانیفولد‌ها دارای محل‌های پیش‌بینی‌شده‌ای برای نصب کاتالیست‌ها هستند و هزینه‌شان ۴۰ تا ۶۰ درصد کمتر از مانیفولد‌های سرپوشی (Headers) است. شکل‌گیری شاخه‌های (Runners) آن‌ها به افزایش گشتاور در دورهای پایین موتور کمک می‌کند که این امر برای رانندگی معمولی در جاده بسیار حائز اهمیت است. علاقه‌مندان به عملکرد بالا اغلب به جای آن‌ها از مانیفولد‌های لوله‌ای (Tubular Headers) استفاده می‌کنند. این مانیفولد‌ها به‌صورت متفاوتی عمل می‌کنند و با ایجاد اثر خلاء درون لوله‌هایشان، گازهای خروجی را سریع‌تر خارج می‌کنند و طبق مطالعات اخیر، حدود ۶ تا ۸ درصد قدرت بیشتری در محدوده میانی دور موتور فراهم می‌آورند. اما نکته‌ای در این میان وجود دارد: مانیفولد‌های سرپوشی گرمای بیشتری را آزاد می‌کنند، بنابراین نیاز به سیستم خنک‌کنندگی اضافی دارند. همچنین ممکن است در آزمون‌های آلایندگی مشکل ایجاد کنند، مگر اینکه سنسورهای اکسیژن دقیقاً در مکان مناسبی نصب شده باشند. برای افرادی که با بودجه محدودی کار می‌کنند، مانیفولد‌های کوتاه (Shorty Headers) نیز می‌توانند بهبودهایی ایجاد کنند بدون اینکه نیاز به تغییر محل نصب اجزای مختلف روی موتور باشد.

تطابق ظرفیت اگزوز با نیازهای جریان هواي موتور

محاسبه جریان اگزوز مورد نیاز (CFM) و انتخاب قطر لوله بر اساس دور بر دقیقه گشتاور اوج

برای اینکه بفهمیم چه نوع جریان خروجی‌ای بهترین عملکرد را دارد، مهندسان به میزان هوایی که موتور در زمان تولید حداکثر گشتاور واقعاً وارد می‌کند، نگاه می‌کنند. محاسبات شامل این است که حجم موتور بر حسب اینچ مکعب را در دور بر دقیقه (RPM) آن ضرب کرده، سپس کل نتیجه را بر عدد ۳۴۵۶ تقسیم کنیم. پس از آن، ضریب اصلاحی مبتنی بر بازده حجمی اعمال می‌شود که معمولاً برای موتورهای بدون شارژ اجباری بین ۷۵٪ تا ۸۵٪ متغیر است. بیایید موردی عملی را بررسی کنیم: اگر موتوری با حجم ۳۵۰ اینچ مکعب در ۵۰۰۰ دور بر دقیقه و با بازدهی حدود ۸۰٪ کار کند، نیاز تقریبی آن به جریان هوا حدود ۴۰۵ فوت مکعب در دقیقه خواهد بود. اندازه لوله‌ها نیز بسیار مهم است. لوله‌هایی که بسیار کوچک باشند، فشار را افزایش می‌دهند، زیرا گازها نمی‌توانند پس از رسیدن به سرعت‌های بالاتر از ۳۵۰ فوت بر ثانیه به‌سرعت کافی از سیستم خارج شوند. از سوی دیگر، انتخاب لوله‌های بسیار بزرگ منجر به از دست دادن بخشی از اثر مفید «پاک‌سازی» (scavenging) می‌شود، زیرا سرعت گازها زیر ۲۵۰ فوت بر ثانیه کاهش می‌یابد. اکثر مکانیک‌ها برای تنظیمات معمولی V8 در این سطوح جریان هوا، توصیه می‌کنند که قطر لوله‌ها بین ۲٫۵ تا ۳ اینچ انتخاب شود تا جریان هوا به‌درستی حفظ گردد.

تحلیل مقایسه‌ای: اندازه‌گیری سیستم اگزوز موتور V8 با جذب طبیعی در مقابل موتور چهارسیلندر توربوشارژ

وقتی صحبت از سیستم‌های خروجی (اسپرت) می‌شود، تفاوت قابل توجهی بسته به نوع موتور مورد نظر وجود دارد. برای مثال، آن موتورهای V8 با جذب طبیعی (بدون توربو) که حجم زیادی دارند؛ نیازمند لوله‌های بسیار بزرگ‌تری هستند—حدود ۳ تا ۳٫۵ اینچ (۷٫۶ تا ۸٫۹ سانتی‌متر) قطر—تا بتوانند جریان گازهای خروجی حاصل از موتورهایی با حجم بالا را مدیریت کنند. نمونه‌ای خوب از این موارد، موتور ۶٫۲ لیتری LS3 است که در دور ۶۵۰۰ دور بر دقیقه کار می‌کند و نیازمند جریان هوایی حدود ۵۹۰ فوت مکعب در دقیقه (CFM) از طریق سیستم خروجی است. اما در مورد موتورهای چهار سیلندر توربوشارژر، اصول کاملاً متفاوتی حاکم است. نحوه عملکرد این موتورها در واقع بسیار جالب است: گازهای خروجی ابتدا توربوشارژر را به حرکت درمی‌آورند، حتی پیش از اینکه از موتور خارج شوند؛ بنابراین پس از عبور از توربو، می‌توان از لوله‌های بسیار کوچک‌تری استفاده کرد که معمولاً قطری بین ۲٫۲۵ تا ۲٫۷۵ اینچ (۵٫۷ تا ۷ سانتی‌متر) دارند. این امر ممکن می‌شود چرا که خود توربو اثری شبیه «تنگنا» ایجاد می‌کند و مقدار گازهای خروجی واقعی که باید از بقیه سیستم عبور کنند را کاهش می‌دهد. به دلیل این محدودیت، سازندگان قادرند سیستم‌های خروجی بسیار فشرده‌تری طراحی کنند، در حالی که همچنان سطح توان مشابهی را به دست می‌آورند؛ زیرا عمداً فشار بالاتری را دقیقاً قبل از توربین حفظ می‌کنند—جایی که این فشار برای عملکرد بهینه اهمیت اساسی دارد.

تنظیم سیستم خروجی برای بهبود بازدهی تخلیه‌ی گازها

بهینه‌سازی قطر و طول لوله‌ی اولیه برای تنظیم پالس‌های رزونانس در محدوده‌ی دور بر دقیقه‌ی هدف

دستیابی به پدیدهٔ خوب تخلیهٔ گازهای اگزوز (Exhaust Scavenging) به‌طور قابل‌توجهی وابسته به تنظیم دقیق ابعاد لوله‌های اولیه (Primary Tube) برای محدودهٔ دور بر دقیقه‌ای (rpm) است که موتور معمولاً در آن کار می‌کند. نقطهٔ ایده‌آل برای قطر لوله، یافتن تعادل بین سرعت گازهای اگزوز و فشار معکوس (Backpressure) است. لوله‌های کوچک‌تر سرعت جریان را به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای افزایش می‌دهند که این امر در دورهای پایین‌تر rpm — زمانی که نیاز به تخلیهٔ مؤثرتر است — بسیار مفید است؛ اما اگر قطر لوله‌ها بسیار کوچک شود، فشار معکوس افزایش می‌یابد. از سوی دیگر، لوله‌های بزرگ‌تر جریان هوا را در دورهای بالاتر rpm افزایش می‌دهند، اما عملکرد موتور در دورهای پایین را کاهش می‌دهند. طول لوله‌های اولیه نیز اهمیت دارد، زیرا زمان برخورد امواج فشار را کنترل می‌کند. لوله‌های بلندتر اثر بهینهٔ تخلیه را به سمت دورهای پایین‌تر جابه‌جا می‌کنند. اغلب افرادی که هدفشان عملکرد در حدود ۵۰۰۰ دور بر دقیقه است، متوجه شده‌اند که لوله‌هایی با طول تقریبی ۲۸ تا ۳۲ اینچ (حدود ۷۱ تا ۸۱ سانتی‌متر) عملکرد مناسبی دارند، زیرا امواج فشار منفی را دقیقاً در لحظه‌ای ایجاد می‌کنند که شیرهای اگزوز شروع به باز شدن می‌کنند. این کل فرآیند بر اساس اصلی که برنولی (Bernoulli) صدها سال پیش کشف کرد، انجام می‌شود: سیالات متحرک با سرعت بالا، نواحی کم‌فشار ایجاد می‌کنند که باعث مکش و جذب مواد مجاور می‌شوند. همچنین نباید از مدیریت حرارت غافل شد؛ پوشش‌های تیتانیومی (Titanium Wraps) به حفظ دمای مناسب کمک می‌کنند تا امواج فشار قدرت خود را حفظ کنند و به‌سرعت از بین نروند.

بهبود عملکرد تجربی: ۱٫۷۵ اینچ در مقابل ۲٫۰ اینچ برای لوله‌های اصلی و بهبود گشتاور در محدوده میانی

هنگام بررسی اندازه‌های مختلف لوله‌های اصلی، تفاوت‌های مشخصی در عملکرد قابل توجه است. در موتورهای توربوی ۲٫۰ لیتری، مشاهده کردیم که لوله‌های اصلی با قطر ۱٫۷۵ اینچ، نسبت به لوله‌های استاندارد ۲ اینچی، حدود ۱۱٪ افزایش گشتاور در محدوده میانی (در اطراف ۳۵۰۰ دور بر دقیقه) ایجاد می‌کنند. دلیل این امر چیست؟ سرعت بالاتر گازهای خروجی — تقریباً ۳۱۲ فوت بر ثانیه در مقابل ۲۶۵ فوت بر ثانیه — که به تخلیه بهتر گازهای سوخته‌شده در زمان همپوشانی سوپاپ‌ها کمک می‌کند. اما در دورهای بالاتر این وضعیت تغییر می‌کند. پس از عبور از ۵۸۰۰ دور بر دقیقه، لوله‌های بزرگ‌تر ۲ اینچی در واقع فشار معکوس را حدود ۴ کیلوپاسکال کاهش می‌دهند و منجر به افزایش تقریبی ۵٪ در توان اوج می‌شوند. بنابراین برای رانندگی معمولی در جاده که پاسخ‌دهی سریع اهمیت بیشتری دارد، لوله‌های اصلی باریک‌تر عملکرد بهتری دارند. اما خودروهای مسابقه‌ای معمولاً با لوله‌های پهن‌تر عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهند. نکته دیگری که مهندسان باید در نظر داشته باشند این است که تنظیم طول لوله‌ها نیز تأثیرگذار است. کوتاه‌کردن این لوله‌های ۱٫۷۵ اینچی صرفاً به اندازه سه اینچ، بر اساس آزمون‌های دینامومتری انجام‌شده در ماه گذشته، منحنی گشتاور را تقریباً به اندازه نیم‌هزار دور بر دقیقه به سمت بالا جابه‌جا کرد.

روشن‌سازی فشار معکوس و ارتباط آن با عملکرد سیستم خروجی

فشار معکوس اساساً به میزان مقاومتی اشاره دارد که گازهای خروجی هنگام تلاش برای خارج شدن از محفظه احتراق با آن مواجه می‌شوند. بسیاری از افراد در مورد سیستم‌های خروجی این مفهوم را اشتباه درک می‌کنند. در واقع، نگه‌داشتن فشار معکوس در سطح پایین، عملکرد موتور را بهبود می‌بخشد، زیرا اجازه می‌دهد گازهای خروجی به‌سرعت خارج شوند و هم کارایی پاک‌سازی (Scavenging) و هم بازده حجمی داخل سیلندرها را افزایش دهد. اما اگر میزان محدودیت بیش از حد باشد — مثلاً بیش از حدود ۴۰ کیلوپاسکال برای موتورهایی با توان کمتر از ۵۰ کیلووات — عملکرد به‌سرعت بدتر می‌شود. توان موتور حدود ۲ تا ۵ درصد کاهش می‌یابد، سوخت با سرعت بیشتر از حد لازم مصرف می‌شود و گازهای داغ خروجی هرچه بیشتر داغ‌تر می‌شوند و قطعات را سریع‌تر از حد معمول فرسوده می‌کنند. موتورهای توربوشارژ شده به‌ویژه این مشکل را احساس می‌کنند، زیرا فشار معکوس بالا باعث می‌شود توربین‌های آن‌ها برای چرخش مناسب باید تلاش بیشتری انجام دهند. برنامه سوئیسی VERT این مقدار ۴۰ کیلوپاسکال را به‌عنوان یک شاخص مهم برای مهندسان تعیین کرده است و آزمایش‌ها نشان می‌دهند که موتورهای کوچک‌تر در واقع با این مسئله بیشتر دست‌وپنجه می‌زنند، زیرا در حین کار، سوپاپ‌های آن‌ها به‌درستی باز و بسته نمی‌شوند. قرار دادن اجزایی مانند سیلنسِرها در فاصله دورتری از بلوک موتور و اطمینان از اینکه لوله‌ها باریک نباشند، به کنترل فشار معکوس کمک می‌کند، بدون اینکه مزایای پاک‌سازی (Scavenging) که قبلاً به آن اشاره شد، از بین برود.

ادغام کنترل انتشارات و نویز بدون قربانی کردن جریان

انتخاب مبدل‌های کاتالیستی با جریان بالا: تبادل‌های CPSI بین زمان روشن‌شدن اولیه و فشار معکوس

امروزه مبدل‌های کاتالیستی عمدتاً از طریق چگالی سلولی خود، که بر حسب تعداد سلول در هر اینچ مربع (CPSI) اندازه‌گیری می‌شود، هم استانداردهای انتشار آلاینده‌ها و هم عملکرد موتور را کنترل می‌کنند. هنگامی که به مقادیر بالاتر CPSI بین ۶۰۰ تا ۹۰۰ نگاه می‌کنیم، این واحدها در زمان روشن‌شدن سرد موتور سریع‌تر فعال می‌شوند که این امر به کاهش انتشار اولیهٔ آلاینده‌های مضر کمک می‌کند. با این حال، این افزایش تعداد سلول‌ها موجب ایجاد فشار معکوس بیشتری می‌شود که می‌تواند حدود ۳ تا ۵ درصد از حداکثر توان اسب بخار را کاهش دهد؛ بنابراین اینجا نیز یک جابجایی وجود دارد. از سوی دیگر، مبدل‌های کاتالیستی طراحی‌شده برای جریان هواي بهتر معمولاً دارای مقادیر CPSI در محدودهٔ ۲۰۰ تا ۴۰۰ هستند. این مدل‌ها جریان هوا را کمتر محدود می‌کنند — شاید به میزان ۱۵ تا ۲۰ درصد بهبود یافته — اما زمان بیشتری برای رسیدن به دمای کاری مطلوب نیاز دارند. برای خودروهایی که عملکرد در اولویت اصلی مهندسان است، اغلب از مواد با CPSI پایین‌تر همراه با فناوری‌های جدیدتر پوشش‌دهی استفاده می‌شود. این رویکرد به جبران زمان گرم‌شدن کندتر کمک می‌کند، بدون آنکه مقررات سازمان حفاظت از محیط زیست ایالات متحده (EPA) نقض شود و تعادل ظریفی بین مسئولیت‌پذیری زیست‌محیطی و ویژگی‌های رانندگی برقرار می‌سازد.

فناوری‌های مافلر عملکردی که از پدیدهٔ خلاء‌زدایی حفظ می‌کنند، در عین رعایت مقررات سطح صدا

فناوری جدید سیلنسراها در حال تغییر بازی است، زیرا می‌تواند سطح نویز موتور را کاهش دهد بدون اینکه عملکرد سیستم اگزوز را مختل کند. به عنوان مثال، لوله‌های سوراخ‌دار موجود در رزوناتورها به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که با سرعت‌های خاص موتور هماهنگ باشند و از طریق پدیده‌ای به نام «تداخل ویرانگر» صداهای ناخواسته را خنثی کنند. این روش حدود ۸ تا ۱۲ دسی‌بل از سطح نویز می‌کاهد، اما همچنان جریان گازهای اگزوز را به‌صورت هموار حفظ می‌کند. برای موتورهای بزرگ V8 که تمایل به ایجاد نویز در سرعت‌های پایین دارند، اتاقک‌های خاص هلمهولتز (Helmholtz) به کار گرفته می‌شوند. این اتاقک‌ها به‌طور هوشمندانه‌ای قادرند نویز آزاردهندهٔ فرکانس پایین — که بیشتر افراد آن را ناخوشایند می‌دانند — را کاهش دهند. نحوهٔ عملکرد این سیلنسرها شامل ساختارهای داخلی پیچیده‌ای است که جریان گازهای اگزوز را دقیقاً هدایت می‌کنند و اطمینان حاصل می‌کنند که پالس‌های فشار ضروری برای پاک‌سازی مناسب سیلندرها از طریق سیستم عبور کنند. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که این سیستم‌ها به‌خوبی در محدودهٔ قانونی سطح نویز (حدود ۹۵ دسی‌بل) باقی می‌مانند و در عین حال حدود ۹۸ تا ۹۹ درصد از جریان اگزوز را نسبت به یک سیستم لولهٔ مستقیم (straight pipe) حفظ می‌کنند. این امر برای رانندگان چه معنایی دارد؟ این یعنی خودروها حتی در حالت فشردن کامل پدال گاز نیز توانایی انتقال قدرت قوی را حفظ می‌کنند؛ که دقیقاً همان چیزی است که علاقه‌مندان به عملکرد بالا از وسایل نقلیهٔ خود انتظار دارند.

سیستم اگزوز بهینه با ترکیب استراتژیک کاتالیزورهای کم‌مقاومت و سیلنسرهای تنظیم‌شده از نظر آکوستیک، الزامات نظارتی را با عملکرد هماهنگ می‌کند.