एक कुशल एक्जॉस्ट सिस्टम को लागू करना: अनुसरण करने वाले चरण

मुख्य एक्जॉस्ट सिस्टम डिज़ाइन सिद्धांत

प्रवाह दक्षता, तापीय प्रबंधन और पैकेजिंग प्रतिबंधों के बीच संतुलन

एक एग्जॉस्ट सिस्टम का अधिकतम लाभ उठाने का अर्थ है तीन प्रमुख कारकों के बीच संतुलन बनाए रखना, जो अक्सर एक-दूसरे के विपरीत कार्य करते हैं। अच्छी प्रवाह दक्षता के लिए, हमें चिकने मोड़ों और उचित आकार के पाइपों का उपयोग करके बैकप्रेशर को कम रखने की आवश्यकता होती है। जब प्रतिबंध अत्यधिक होता है, तो प्रत्येक अतिरिक्त पाउंड प्रति वर्ग इंच के लिए शक्ति लगभग 3 से 5% तक कम हो जाती है (यह 2022 में SAE द्वारा किए गए शोध से प्राप्त हुआ है)। फिर ऊष्मा संबंधी समस्या है। एग्जॉस्ट का तापमान 1,200 डिग्री फ़ारेनहाइट (लगभग 650 सेल्सियस) से अधिक हो सकता है, इसलिए निर्माताओं को निकटवर्ती भागों को क्षति से बचाने के लिए 409 स्टेनलेस स्टील जैसी सामग्रियों का उपयोग करना और उचित ऊष्मा रोधकों को स्थापित करना आवश्यक होता है। स्थान एक और पूरी तरह से अलग समस्या है। आजकल के आधुनिक वाहनों में इंजन कम्पार्टमेंट बहुत अधिक संकरे हो गए हैं, जिससे कलेक्टर्स को उनके उचित स्थान पर स्थापित करना और मफलर को ठीक से फिट करना कठिन हो गया है। और यदि कोई व्यक्ति बल प्रेरण (फोर्स्ड इंडक्शन) भी चाहता है? तो यह और अधिक समस्याएँ पैदा कर देता है, क्योंकि अब उन्हें टर्बाइन हाउसिंग को वाहन के किसी अन्य हिस्से पर ग्राउंड क्लीयरेंस की बलि दिए बिना एकीकृत करना होगा।

मैनिफोल्ड बनाम हेडर्स: टॉर्क, उत्सर्जन या लागत के लिए प्रत्येक कब आदर्श है

अधिकांश कार निर्माता मात्रा में कारों के निर्माण के समय शोर और कंपन को अन्य विकल्पों की तुलना में बेहतर नियंत्रित करने के कारण ढलवाँ लोहे के मैनिफोल्ड का उपयोग करते हैं। इसके अतिरिक्त, ये मैनिफोल्ड कैटलिटिक कन्वर्टर्स के लिए अंतर्निर्मित स्थानों के साथ आते हैं और हेडर्स की तुलना में 40 से 60 प्रतिशत तक की बचत कराते हैं। रनर्स का आकार निचले आरपीएम पर टॉर्क में वृद्धि करने में सहायता करता है, जो सामान्य सड़क ड्राइविंग के लिए बहुत महत्वपूर्ण है। प्रदर्शन के शौकीन अक्सर ट्यूबुलर हेडर्स का चयन करते हैं। ये हेडर्स अपनी नलिकाओं के माध्यम से एक प्रकार के वैक्यूम प्रभाव को उत्पन्न करके अलग तरीके से काम करते हैं, जिससे एक्जॉस्ट गैसें तेज़ी से बाहर निकलती हैं, और हालिया अध्ययनों के अनुसार यह मध्य सीमा में लगभग 6 से 8 प्रतिशत अधिक शक्ति प्रदान करता है। लेकिन इसमें एक समस्या है। हेडर्स से अधिक ऊष्मा निकलती है, अतः अतिरिक्त शीतलन की आवश्यकता होती है। इनसे उत्सर्जन परीक्षण में भी समस्याएँ उत्पन्न हो सकती हैं, जब तक कि ऑक्सीजन सेंसर्स को सही स्थान पर नहीं लगाया जाता है। उन लोगों के लिए, जो सीमित बजट के साथ काम कर रहे हैं, शॉर्टी हेडर्स भी कुछ सुधार प्रदान कर सकते हैं, बिना इंजन पर सबके माउंटिंग स्थानों को संशोधित किए।

एक्जॉस्ट क्षमता को इंजन के वायु प्रवाह आवश्यकताओं के अनुरूप बनाना

आवश्यक एक्जॉस्ट प्रवाह (CFM) की गणना करना और शिखर टॉर्क RPM के आधार पर पाइप व्यास का चयन करना

यह पता लगाने के लिए कि किस प्रकार का एक्जॉस्ट प्रवाह सबसे अच्छा काम करता है, इंजीनियर इंजन द्वारा अधिकतम टॉर्क उत्पन्न करते समय वास्तव में ली गई वायु की मात्रा का विश्लेषण करते हैं। इस गणना में इंजन की डिस्प्लेसमेंट (घन इंच में) को उसकी प्रति मिनट क्रांतियों (आरपीएम) से गुणा करने के बाद पूरे परिणाम को 3,456 से भाग देना शामिल है। इसके बाद आयतनिक दक्षता के आधार पर समायोजन गुणक का उपयोग किया जाता है, जो सामान्यतः बिना बल प्रेरण (फोर्स्ड इंडक्शन) वाले इंजनों के लिए 75% से 85% के बीच होता है। आइए एक व्यावहारिक उदाहरण लेते हैं: यदि हमारे पास एक 350 घन इंच का इंजन है जो 5,000 आरपीएम पर चल रहा है और जिसकी दक्षता लगभग 80% है, तो उसे वायु प्रवाह की लगभग 405 घन फुट प्रति मिनट की आवश्यकता होगी। पाइप के आकार का भी इस पर बहुत प्रभाव पड़ता है। बहुत छोटे पाइपों में दबाव बढ़ जाता है, क्योंकि जब गैसें 350 फुट प्रति सेकंड से अधिक की गति तक पहुँच जाती हैं, तो वे पर्याप्त तेज़ी से बाहर नहीं निकल पातीं। दूसरी ओर, बहुत बड़े पाइप चुनने पर गैसों के वेग 250 फुट प्रति सेकंड से कम हो जाने पर लाभदायक स्कैवेंजिंग प्रभाव का कुछ हिस्सा खो दिया जाता है। अधिकांश मैकेनिक इन वायु प्रवाह स्तरों पर सामान्य V8 सेटअप के लिए प्रवाह को ठीक से बनाए रखने के लिए 2.5 इंच से 3 इंच के बीच व्यास के पाइप की सिफारिश करते हैं।

तुलनात्मक विश्लेषण: प्राकृतिक रूप से एस्पिरेटेड V8 बनाम टर्बोचार्ज्ड चार-सिलेंडर एग्जॉस्ट सिस्टम का आकार निर्धारण

एक्जॉस्ट सिस्टम की बात करें तो, यह बहुत कुछ इस बात पर निर्भर करता है कि हम किस प्रकार के इंजन की चर्चा कर रहे हैं। उदाहरण के लिए, उन बड़े प्राकृतिक रूप से एस्पिरेटेड V8 इंजनों को लें। इन्हें ऐसे बड़े डिस्प्लेसमेंट वाले इंजनों से निकलने वाले समग्र एक्जॉस्ट को संभालने के लिए काफी बड़े पाइप की आवश्यकता होती है, जिनका व्यास लगभग 3 से 3.5 इंच होता है। एक अच्छा उदाहरण 6.2 लीटर LS3 इंजन है, जो 6,500 RPM पर चल रहा है और जिसे सिस्टम के माध्यम से लगभग 590 घन फुट प्रति मिनट के वायु प्रवाह की आवश्यकता होती है। हालाँकि, टर्बोचार्ज्ड चार-सिलेंडर इंजनों के साथ स्थिति पूरी तरह से अलग होती है। ये इंजन जिस तरह काम करते हैं, वह वास्तव में काफी रोचक है — एक्जॉस्ट गैस पहले टर्बोचार्जर को संचालित करती है, और फिर इंजन से बाहर निकलती है; अतः टर्बो के बाद हम बहुत छोटे पाइपिंग आकारों का उपयोग कर सकते हैं, जो आमतौर पर 2.25 से 2.75 इंच के बीच होते हैं। यह संभव होने का कारण यह है कि टर्बो स्वयं एक प्रकार का बोटलनेक प्रभाव उत्पन्न करता है, जो सिस्टम के शेष भाग से गुजरने वाली एक्जॉस्ट की मात्रा को कम कर देता है। इस प्रतिबंध के कारण, निर्माता बहुत अधिक संकुचित एक्जॉस्ट सिस्टम बना सकते हैं, जबकि अभी भी समान शक्ति स्तर प्राप्त कर सकते हैं, क्योंकि वे जानबूझकर टरबाइन के ठीक पहले उच्च दबाव को बनाए रखते हैं, जहाँ यह प्रदर्शन के लिए सबसे अधिक महत्वपूर्ण होता है।

निकास ट्यूनिंग: स्कैवेंजिंग दक्षता के लिए

लक्ष्य आरपीएम बैंड में अनुनादी पल्स ट्यूनिंग के लिए प्राथमिक ट्यूब के व्यास और लंबाई का अनुकूलन

अच्छी एक्जॉस्ट स्कैवेंजिंग प्राप्त करना मुख्य रूप से इंजन की वह आरपीएम श्रेणी के अनुसार प्राथमिक ट्यूब के आयामों को सही ढंग से निर्धारित करने पर निर्भर करता है, जिसमें इंजन आमतौर पर कार्य करता है। व्यास का सुनहरा बिंदु एक्जॉस्ट गैस की गति और बैकप्रेशर के बीच संतुलन खोजने पर निर्भर करता है। छोटे व्यास के ट्यूब गैस की वेग को काफी बढ़ा देते हैं, जो निचली आरपीएम पर स्कैवेंजिंग की आवश्यकता होने के समय बहुत उपयोगी होते हैं; लेकिन यदि ट्यूब बहुत छोटे हो जाएँ, तो बैकप्रेशर बढ़ने लगता है। दूसरी ओर, बड़े व्यास के ट्यूब उच्च आरपीएम पर अधिक वायु प्रवाह को सक्षम बनाते हैं, लेकिन निचली आरपीएम पर प्रदर्शन में कुछ कमी आ जाती है। प्राथमिक ट्यूब की लंबाई भी महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह निर्धारित करती है कि दबाव तरंगें कब पहुँचेंगी। लंबे ट्यूब वास्तव में सर्वोत्तम स्कैवेंजिंग प्रभाव को निचली आरपीएम श्रेणी में स्थानांतरित कर देते हैं। अधिकांश लोग जो लगभग 5,000 आरपीएम के लक्ष्य पर काम कर रहे हैं, उन्हें आमतौर पर लगभग 28 से 32 इंच लंबाई के ट्यूब बहुत अच्छे परिणाम देते हैं, क्योंकि ये ट्यूब एक्जॉस्ट वाल्व के खुलने के ठीक शुरू होने के समय ऋणात्मक दबाव तरंगें उत्पन्न करते हैं। यह पूरी प्रक्रिया बर्नौली द्वारा प्राचीन काल में खोजे गए सिद्धांत पर आधारित है, जिसके अनुसार तीव्र गति से गतिमान द्रव निम्न दाब के क्षेत्र उत्पन्न करते हैं, जो अन्य पदार्थों को भी अपने साथ खींच लेते हैं। इसके अतिरिक्त, ऊष्मा प्रबंधन को भी नज़रअंदाज़ नहीं किया जाना चाहिए। टाइटेनियम व्रैप्स तापमान को पर्याप्त रूप से ऊँचा बनाए रखने में सहायता करते हैं, ताकि दबाव तरंगें मज़बूत बनी रहें और जल्दी विसरित न हों।

प्रायोगिक प्रदर्शन में वृद्धि: 1.75" बनाम 2.0" प्राथमिक और मध्य-श्रेणी के टॉर्क में सुधार

जब विभिन्न प्राथमिक ट्यूब के आकारों पर विचार किया जाता है, तो स्पष्ट प्रदर्शन अंतर ध्यान देने योग्य होते हैं। 2.0L टर्बो इंजनों पर, हमने देखा कि मानक 2 इंच की तुलना में 1.75 इंच के प्राथमिक ट्यूबों से लगभग 3,500 RPM के आसपास मध्य-श्रेणी के टॉर्क में लगभग 11% की वृद्धि होती है। इसका कारण क्या है? निकास गैस की गति में वृद्धि—लगभग 312 फुट प्रति सेकंड के मुकाबले 265 फुट प्रति सेकंड—जो वाल्वों के ओवरलैपिंग होने के समय उपयोग की गई गैसों को बेहतर ढंग से निकालने में सहायता करती है। लेकिन उच्च आरपीएम पर स्थिति बदल जाती है। एक बार 5,800 RPM के बाद, वे बड़े 2 इंच के ट्यूब वास्तव में बैकप्रेशर को लगभग 4 kPa तक कम कर देते हैं, जिससे शिखर शक्ति में लगभग 5% की वृद्धि होती है। अतः सामान्य सड़क चालन के लिए, जहाँ त्वरित प्रतिक्रिया सबसे अधिक महत्वपूर्ण होती है, संकरे प्राथमिक ट्यूब बेहतर प्रदर्शन करते हैं। दूसरी ओर, ट्रैक कारें आमतौर पर चौड़े ट्यूबिंग के साथ बेहतर प्रदर्शन करती हैं। इंजीनियरों को एक और बात ध्यान में रखनी चाहिए: लंबाई को समायोजित करने से भी प्रभाव पड़ता है। पिछले महीने हमारे डायनो परीक्षणों के अनुसार, उन 1.75 इंच के ट्यूबों की लंबाई को केवल तीन इंच कम करने से टॉर्क वक्र लगभग आधे हज़ार RPM तक ऊपर की ओर स्थानांतरित हो गया।

बैकप्रेशर को स्पष्ट करना और इसका एक्जॉस्ट सिस्टम के प्रदर्शन से संबंध

बैक प्रेशर मूल रूप से यह दर्शाता है कि निकास गैसें दहन कक्ष से बाहर निकलने के प्रयास में कितनी प्रतिरोधकता का सामना करती हैं। कई लोग निकास प्रणाली के संबंध में इस बात को गलत समझते हैं। वास्तव में, बैक प्रेशर को कम रखने से इंजन के बेहतर कार्य करने में सहायता मिलती है, क्योंकि इससे गैसें जल्दी से बाहर निकल सकती हैं, जिससे सिलेंडरों के अंदर गैसों के निकास (स्कैवेंजिंग) और आयतनिक दक्षता दोनों में सुधार होता है। लेकिन यदि प्रतिबंध बहुत अधिक हो जाए—उदाहरण के लिए, 50 किलोवाट से कम शक्ति वाले इंजनों के लिए लगभग 40 किलोपास्कल से अधिक—तो स्थिति तेज़ी से खराब होने लगती है। शक्ति में लगभग 2% से 5% तक की कमी आ जाती है, ईंधन आवश्यकता से अधिक तेज़ी से जलता है, और उच्च तापमान वाली निकास गैसें और भी गर्म होती जाती हैं, जिससे घटकों का अत्यधिक घिसावट होता है। टर्बोचार्ज्ड इंजन इस समस्या का विशेष रूप से अधिक अनुभव करते हैं, क्योंकि उच्च बैक प्रेशर के कारण उनके टर्बाइन को ठीक से घूमने के लिए अधिक प्रयास करना पड़ता है। स्विट्ज़रलैंड के वर्ट (VERT) कार्यक्रम ने 40 किलोपास्कल को एक महत्वपूर्ण सीमा के रूप में निर्धारित किया है, जिस पर इंजीनियर्स विशेष ध्यान देते हैं; और परीक्षणों से पता चलता है कि छोटे इंजन इस समस्या के प्रति अधिक संवेदनशील होते हैं, क्योंकि उनके वाल्व संचालन के दौरान सही ढंग से खुलते-बंद होते नहीं हैं। इंजन ब्लॉक से दूर निकास प्रणाली के घटकों—जैसे मफलर्स—को स्थापित करना और सुनिश्चित करना कि पाइपों का व्यास बहुत संकरा न हो, बैक प्रेशर को नियंत्रित रखने में सहायता करता है, बिना उन स्कैवेंजिंग लाभों को खोए जिनके बारे में हमने पहले चर्चा की थी।

प्रवाह की गुणवत्ता को बनाए रखते हुए उत्सर्जन और शोर नियंत्रण का एकीकरण

उच्च-प्रवाह उत्प्रेरक कनवर्टर का चयन: प्रकाश-ऑफ समय और बैकप्रेशर के बीच सीपीएसआई के व्यापारिक समझौते

आज के उत्प्रेरक कनवर्टर अपने कोशिका घनत्व (सेल प्रति वर्ग इंच या CPSI में मापा जाता है) के माध्यम से मुख्य रूप से उत्सर्जन मानकों और इंजन प्रदर्शन दोनों को नियंत्रित करते हैं। जब हम 600 से 900 के बीच उच्च CPSI रेटिंग्स पर विचार करते हैं, तो ये इकाइयाँ ठंडी शुरुआत के दौरान तेज़ी से काम करना शुरू कर देती हैं, जिससे प्रारंभिक हानिकारक उत्सर्जन को कम करने में सहायता मिलती है। हालाँकि, इसका एक सौदेबाज़ी भी है, क्योंकि इस बढ़ी हुई कोशिका संख्या के कारण अधिक बैकप्रेशर उत्पन्न होता है, जो शिखर अश्वशक्ति को लगभग 3 से 5 प्रतिशत तक कम कर सकता है। दूसरी ओर, बेहतर वायु प्रवाह के लिए डिज़ाइन किए गए उत्प्रेरक कनवर्टरों में आमतौर पर 200 से 400 के बीच CPSI मान होते हैं। ये मॉडल वायु प्रवाह को कम महत्वपूर्ण रूप से प्रतिबंधित करते हैं—शायद लगभग 15 से 20 प्रतिशत का सुधार—हालाँकि इन्हें कार्य करने के तापमान तक पहुँचने में अधिक समय लगता है। उन वाहनों के लिए, जहाँ प्रदर्शन सर्वाधिक महत्वपूर्ण होता है, इंजीनियर अक्सर धीमी गर्म होने की अवधि को कम्पेंसेट करने के लिए निम्न CPSI सामग्री के साथ-साथ नवीनतम कोटिंग प्रौद्योगिकियों का उपयोग करते हैं। यह दृष्टिकोण पर्यावरणीय जिम्मेदारी और ड्राइविंग गतिशीलता के बीच एक सूक्ष्म संतुलन स्थापित करते हुए EPA के नियमों का पालन किए बिना भी गर्म होने के समय की कमी की भरपाई करने में सहायता करता है।

प्रदर्शन मफलर प्रौद्योगिकियाँ जो शोर विनियमों को पूरा करते हुए स्कैवेंजिंग को बनाए रखती हैं

नए मफलर टेक्नोलॉजी के कारण इंजन के शोर को कम करने का तरीका बदल गया है, बिना एग्जॉस्ट सिस्टम के काम करने के तरीके में कोई बाधा डाले। उदाहरण के लिए, रिज़ोनेटर्स के अंदर स्थित छिद्रित ट्यूब्स—वे वास्तव में कुछ विशिष्ट इंजन गति के अनुरूप सेट किए गए होते हैं, ताकि वे 'विनाशकारी हस्तक्षेप' (डिस्ट्रक्टिव इंटरफेरेंस) के माध्यम से अवांछित ध्वनियों को रद्द कर सकें। इससे शोर स्तर में लगभग ८ से १२ डेसिबल की कमी आ जाती है, लेकिन फिर भी एग्जॉस्ट प्रवाह सुचारू रूप से बना रहता है। उन बड़े V8 इंजनों के लिए, जो कम गति पर गुंजयमान होने की प्रवृत्ति रखते हैं, विशेष हेल्महोल्ट्ज़ चैम्बर्स का उपयोग किया जाता है। ये चैम्बर्स उस अप्रिय निचली आवृत्ति के गुंजन (ड्रोन) को दबाने में काफी समझदारी दिखाते हैं, जिसे अधिकांश लोग नापसंद करते हैं। इन मफलर्स का कार्य संकुल आंतरिक संरचनाओं पर आधारित होता है, जो एग्जॉस्ट गैसों को सही दिशा में मार्गदर्शित करती हैं, ताकि महत्वपूर्ण दाब आवेग सिलेंडरों को उचित रूप से साफ करने में सहायता कर सकें। परीक्षणों से पता चला है कि ये प्रणालियाँ कानूनी शोर सीमाओं (लगभग ९५ डेसिबल) के भीतर पूरी तरह से कार्य करती हैं, और सीधे पाइप व्यवस्था की तुलना में लगभग ९८ से ९९ प्रतिशत एग्जॉस्ट प्रवाह को बनाए रखती हैं। इसका ड्राइवरों के लिए क्या अर्थ है? उनकी कारें अधिकतम एक्सेलरेशन (फ्लोर पर दबाए जाने) की स्थिति में भी मजबूत पावर डिलीवरी बनाए रखती हैं—जो कि प्रदर्शन-उन्मुख उपयोगकर्ताओं के लिए उनके वाहनों से अपेक्षित बिल्कुल वही है।

आदर्श एक्जॉस्ट प्रणाली निम्न-प्रतिबंध उत्प्रेरकों और ध्वनि-समायोजित साइलेंसरों के रणनीतिक युग्मन द्वारा विनियामक आवश्यकताओं को प्रदर्शन के साथ सामंजस्यित करती है।