EXHAUST SYSTEMS ระบบท่อไอเสียที่คุณควรรู้ (ตอนที่ 1)

Home / tips ความรู้เรื่องรถยนต์ / EXHAUST SYSTEMS ระบบท่อไอเสียที่คุณควรรู้ (ตอนที่ 1)

การเปลี่ยนท่อ ไอเสีย แต่งเป็นกิจกรรมลำดับแรกๆ ที่นักเล่นรถต้องทำเมื่อเริ่มภารกิจตามล่าหาพละกำลังเพิ่มเติม ที่จริงแล้วไม่ว่าจะเป็นรถหรือเครื่องยนต์อะไร ความจุเท่าไหร่ ไม่ว่าจะใช้น้ำมันเบนซินหรือดีเซล หายใจเองหรือเทอร์โบ สูตรดั้งเดิมอย่าง ‘กรองกับท่อ ก็ถือเป็นการปรับจูน Stage 1 เหมือนกันทั้งนั้น พวกมันนอกจากจะช่วยทำให้เสียงประกอบฉากน่าฟังขึ้นแล้ว ระบบ ไอเสีย ที่พัฒนามาอย่างดีจะช่วยปลดปล่อยพละกำลังและแรงบิดออกมาได้มากขึ้น และถือเป็นส่วนสำคัญในการเพิ่มสมรรถนะ แต่ทำไมล่ะ? ท่อเหล็กแค่แท่งเดียวมันจะไปช่วยเพิ่มสมรรถนะเครื่องยนต์ได้ยังไงกัน?

Layout 1
ถ้าจะว่าไปแล้ว ระบบ ไอเสีย ก็คือกลุ่มของท่อสแตนเลสธรรมดาๆ ที่ดัดโค้งแบบไม่มีรอยพับและขึ้นรูปมาอย่างชาญฉลาด แต่ศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังนั้นค่อนข้างซับซ้อน เพราะฉะนั้นปัจจัยหลักของระบบไอเสียสมรรถนะสูงจึงอยู่ที่การออกแบบนั่นเอง ตัวแปรมีตั้งแต่ขนาดศูนย์กลาง ความยาวของท่อทั้งระบบ ปริมาตรเฮดเดอร์ จำนวนและรูปแบบหม้อพักที่ใช้ และรูปแบบ Catalytic converter
ซึ่งทั้งหมดจะต้องออกแบบให้ทำงานสอดประสานกันเพื่อผลลัพธ์ที่ดีที่สุด จากนั้นคุณก็อาจจะเริ่มไปเล่นกับสารเคลือบทนความร้อนชนิดต่างๆ หรือวาล์วอัจฉริยะที่ควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์ที่จะมาบังคับ ไอเสีย ให้ไหลหลบหม้อพักในระบบไปได้ การปรับตัวแปรต่างๆ เหล่านี้จะมีผลโดยตรงต่อสมรรถนะเครื่องยนต์ นั่นจึงหมายความว่าพวกมันสามารถปรับแต่งเพื่อให้รถออกมามีบุคลิกแบบที่เราต้องการได้ แล้วเราก็กำลังจะพาคุณไปดูว่ามันทำกันยังไง…

SYSTEM BORE SIZE

3คำว่า bore size หมายถึงขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในของท่อ แต่ในระบบ ไอเสีย ส่วนใหญ่ ขนาดศูนย์กลางท่อไม่ได้เป็นประเด็นมากนัก ขอแค่ให้อยู่ในช่วงที่เหมาะสมกับแรงม้าที่ผลิตได้ก็เป็นอันจบ โดยทั่วไปแล้ว หลักการคือเครื่องยนต์หายใจเองระดับ 200 แรงม้า จะต้องการท่อไอเสียขนาดศูนย์กลางอยู่ระหว่าง 2-2.5 นิ้ว เครื่องยนต์ที่แรงม้ามากขึ้นก็จะต้องการท่อขนาดใหญ่ขึ้น ในขณะที่เครื่องยนต์ที่พลังน้อยกว่าก็จะได้ประโยชน์จากการใช้ท่อเล็กกว่า

เครื่องยนต์ที่มาพร้อมระบบอัดอากาศมักจะต้องใช้ท่อที่ขนาดศูนย์กลางใหญ่กว่า เพราะอัตราการปล่อยก๊าซไอเสียไม่ได้มีลักษณะแปรผันตรง (Linear) แบบเครื่องยนต์หายใจเอง เครื่องยนต์เทอร์โบจะปล่อยไอเสียชุดใหญ่ออกมาโครมเดียวตอน Wastegate เปิด ดังนั้น จึงจำเป็นที่จะต้องใช้ท่อที่ขนาดศูนย์กลางใหญ่ขึ้น โดยช่วงที่เหมาะสมจะอยู่ที่ราว 3-3.5 นิ้ว

MANIFOLD BORE SIZE

4

อย่างไรก็ตาม เมื่อเราเริ่มพูดถึงท่อร่วม ไอเสีย ขนาดศูนย์กลางของท่อจะกลายมาเป็นประเด็นสำคัญและมีผลต่อสมรรถนะขึ้นมาทันที ท่อขนาดเล็กเกินไปจะจำกัดการไหลและหน่วงพละกำลังในรอบสูง ท่อขนาดใหญ่เกินไปจะทำให้แรงดันภายในท่อเหลือน้อยหรือไม่มีเลย ส่งผลให้ ไอเสีย เคลื่อนที่ช้าลงมากและไปจำกัดศักยภาพที่แท้จริงของเครื่องยนต์อีกทีหนึ่ง

แต่มันก็ไม่ได้แย่ไปซะทั้งหมด เพราะในขณะที่ท่อร่วม ไอเสีย ที่มีขนาดศูนย์กลางเล็กนั้นไปจำกัดการไหลของ ไอเสีย ในเครื่องยนต์แรงม้าสูงๆ แต่นั่นหมายความว่าความเร็วของก๊าซ ไอเสีย จะสูงขึ้นด้วยเช่นกัน ซึ่งมักจะทำให้แรงบิดเพิ่มขึ้น ในทางกลับกัน ท่อร่วม ไอเสีย ที่มีขนาดศูนย์กลางใหญ่อาจจะทำให้แรงดันในท่อ ความเร็วไอเสีย และแรงบิดลดต่ำลง แต่ก็ช่วยเพิ่มแรงม้าได้เหมือนกัน

คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้มันสามารถปรับจูนให้เหมาะกับโจทย์การใช้งานได้ เช่น เครื่อง 16 วาล์ว (โดยธรรมชาติจะเร่งรอบได้ไวกว่าแต่แรงบิดน้อยกว่าเครื่อง 8 วาล์ว) มักจะทำงานได้ดีขึ้น ถ้าใช้ท่อร่วมไอเสียที่ขนาดศูนย์กลางเล็กลงเล็กน้อย ซึ่งทำให้แรงบิดยังคงอยู่ในระดับสูง และด้วยแนวคิดเดียวกันนี้ เครื่องยนต์แรงบิดสูงก็สามารถเลือกใช้ท่อที่ขนาดศูนย์กลางใหญ่ขึ้นอีกเล็กน้อย ซึ่งจะเพิ่มอัตราการไหลของก๊าซไอเสียตอนรอบสูงได้ ดังนั้น รถที่น้ำหนักเบาและไม่ต้องการแรงบิดสูงมาก จึงสามารถเลือกใช้ท่อร่วมที่ขนาดศูนย์กลางใหญ่ขึ้น เพื่อเพิ่มสมรรถนะในรอบสูงและพละกำลังแรงม้าได้ เป็นต้น

กฎทั่วไปที่ใช้ คือ รถถนนมักจะขับดีกว่าถ้าใช้ท่อร่วม ไอเสีย ที่ขนาดศูนย์กลางเล็กลงหน่อย เพราะจะได้ช่วงแรงบิดที่กว้างขึ้น แต่สำหรับการแข่งขันซึ่งต้องการพละกำลังสูงสุดนั้น ก็จำเป็นต้องเลือกท่อร่วมไอเสียที่ขนาดศูนย์กลางใหญ่กว่าปกติ แต่เครื่องยนต์เทอร์โบแตกต่างจากพรรคพวกอีกแล้ว พวกมันไม่ต้องคอยกังวลเรื่องแรงดันในท่อมากนัก เพราะตัวเทอร์โบเปรียบเสมือนเป็นตัวกั้นขนาดเขื่องในระบบจนสร้างแรงดันได้สูงมาก เรื่องหลักที่รถเทอร์โบจะต้องคำนึงถึงแทน กลับเป็นการทำให้กระแส ไอเสีย ไหลมาถึงเทอร์ไบน์อย่างสม่ำเสมอ เพื่อให้เทอร์โบหมุนอยู่ตลอดเวลาและช่วยลดอาการเทอร์โบแล็ค

SYSTEM LENGTH

5

ความยาวท่อไอเสียทั้งระบบจะมีค่าที่ดีที่สุดเพียงค่าเดียว แต่วิธีการคำนวณค่อนข้างซับซ้อนและไม่ค่อยถูกนำมาใช้นอกจากรถแข่งที่ทำขึ้นพิเศษ เพราะขนาดและรูปร่างของรถจะเป็นตัวกำหนดความยาวและตำแหน่งปลายท่ออยู่แล้ว แม้แต่รถแข่งส่วนใหญ่ก็ยังต้องปฏิบัติตามกฎระเบียบที่ระบุไว้ว่าท่อ ไอเสีย ต้องเดินอย่างไรและปล่อยออกตรงจุดไหน เพราะฉะนั้น จึงโชคร้ายหน่อยที่ทำอะไรตรงนี้ไม่ได้มาก แต่ก็ยังโชคดีที่ถึงแม้จะมีค่าที่เหมาะสมที่สุดเพียงค่าเดียว การปรับความยาวให้เบนไปจากค่านั้นในรถถนนตัวแรงและรถแข่งส่วนใหญ่ก็กลับมีผลต่อสมรรถนะน้อยมากๆ

HEADER LENGTH & VOLUME

6

ในทางกลับกัน ความยาวของเฮดเดอร์มีความสำคัญต่อสมรรถนะเป็นอย่างมาก ถ้าจะให้เจาะจงลงไป ก็คือปริมาตรของเฮดเดอร์ที่จะมีผลต่อสมรรถนะอย่างแท้จริง แต่ส่วนใหญ่มันมักจะถูกเรียกว่าความยาวเพื่อให้เข้าใจง่าย นั่นจึงเป็นที่มาของคำว่า ‘เฮดเดอร์แบบยาวเสมอกัน

การทำท่อปฐมภูมิ (ท่อช่วงแรกที่ติดกับกระบอกสูบ) ให้มีปริมาตรเท่ากัน เป็นจุดที่ทำให้เรารู้จักกับ ‘pulsing effect’ โดยขณะที่ ไอเสีย ไหลจากกระบอกสูบหนึ่งผ่านเฮดเดอร์ไปนั้น มันจะทำให้เกิดปรากฏการณ์สุญญากาศขึ้นในท่อปฐมภูมิอื่นๆ และช่วยดูดไอเสียออกจากกระบอกสูบอื่นๆ ไปด้วยในตัว วัฏจักรนี้จะวนต่อไปเรื่อยๆ ในลักษณะ ‘push-and-pull’ โดยลูกสูบจะดันไอเสียออกไปจากกระบอกสูบ แล้วสุญญากาศภายในเฮดเดอร์ก็ช่วยดูดไอเสียออกจากสูบอื่นไปพร้อมๆ กัน

7

อย่างไรก็ตาม การที่ท่อปฐมภูมิจะมีปริมาตรเท่ากันหมดนั้นไม่สามารถทำได้เสมอไป เนื่องด้วยข้อจำกัดในการออกแบบ ปัญหาในการขนส่ง และต้นทุนการผลิต นี่จึงเป็นจุดหนึ่งที่สมรรถนะของระบบ ไอเสียแต่งสามารถสร้างความแตกต่างได้มากเมื่อเทียบกับท่อมาตรฐาน เมื่อจุดสนใจเปลี่ยนจากความง่ายในการผลิต (และต้นทุน) มาเป็นสมรรถนะ การทำให้ท่อปฐมภูมิให้มีปริมาตรเท่ากันหมดจึงช่วยทำให้สมรรถนะของเครื่องยนต์เพิ่มสูงขึ้นมาก

MANIFOLD DESIGN

ถ้าให้เราพูดกันตามตรง เฮดเดอร์มาตรฐานส่วนใหญ่ใช้ดีไซน์เข้าขั้นห่วยแตก พวกมันมักจะทำมาจากวัสดุราคาถูกและขึ้นรูปง่ายที่สุด และออกแบบมาให้สามารถผลิตด้วยต้นทุนต่ำได้ทีละมากๆ ส่วนใหญ่จึงทำมาจากเหล็กหล่อหนักๆ ซึ่งมีท่อปฐมภูมิยาวไม่เท่ากัน และตามธรรมชาติของการหล่อเหล็ก ขนาดศูนย์กลางแต่ละท่อก็ยังไม่ค่อยจะเท่ากันอีกด้วย

การเปลี่ยนจากเฮดเดอร์มาตรฐานมาใส่ของที่เน้นสมรรถนะ จึงแทบจะรับประกันได้เลยว่าพละกำลังต้องเพิ่มขึ้นแน่นอน สำหรับเครื่องยนต์หายใจเองสี่สูบ เราจะพบเห็นเฮดเดอร์แต่งอยู่ด้วยกันสองประเภทคือ แบบ 4-2-1 และแบบ 4-1 อย่างที่ชื่อของมันบอก เฮดเดอร์แบบ 4-2-1 จะเริ่มต้นจากท่อปฐมภูมิสี่ท่อ เชื่อมเข้ากับท่อทุตยิภูมิสองท่อ แล้วรวบเหลือหนึ่งท่อ ก่อนต่อเข้ากับระบบส่วนที่เหลือ ในขณะที่เฮดเดอร์ 4-1 จะมีท่อปฐมภูมิสี่ท่อแล้วรวบเป็นหนึ่งท่อเลย

8

โดยส่วนใหญ่แล้วเฮดเดอร์ 4-2-1 จะให้แรงบิดย่านกลางได้ดีกว่า 4-1 เพราะท่อปฐมภูมิและทุติยภูมิจะสร้างแรงสุญญากาศช่วยกันดึง ไอเสีย ที่ค้างอยู่ในสูบอื่นๆ ออกมาได้มากกว่า โดยมันจะทำงานร่วมกันไปกับเฮดเดอร์แบบยาวเสมอกัน ขณะที่ไอเสียลูกนึงวิ่งผ่านท่อปฐมภูมิ ก็จะเกิดสุญญากาศไปช่วยดึง ไอเสีย จากกระบอกสูบที่อยู่ในชุดคู่ของมันด้วย จุดที่ยากของเฮดเดอร์ 4-2-1 คือการเลือกว่าจะจับลูกสูบสองลูกไหนมาเป็นคู่กัน มันสามารถเลือกให้ต่างกันได้ตามลักษณะการใช้งาน แต่โดยปกติแล้วสูบ 1 จะคู่กับสูบ 4 และสูบ 2 จะคู่กับสูบ 3

เฮดเดอร์ 4-1 มักจะถูกใช้ในงานที่ต้องการพละกำลังสูงสุด โดยที่ความง่ายในการขับและช่วงแรงบิดที่กว้างเป็นเรื่องรอง เช่น รถแข่งที่ใช้รอบเครื่องสูงเพียงอย่างเดียวจะได้ประโยชน์จากการใช้เฮดเดอร์แบบ 4-1 มากกว่า เพราะอัตราการไหลไม่ถูกจำกัดในรอบสูง และดีไซน์แบบ 4-1 ก็ทำให้เฮดเดอร์สามารถไล่ ไอเสีย ปริมาณมากๆ ออกไปได้เร็วขึ้น ซึ่งหมายความว่าพละกำลังในรอบสูงย่อมดีกว่าแบบ 4-2-1 แค่ต้องยอมเสียแรงบิดช่วงรอบกลางไป  ดังนั้น ความเห็นส่วนมากของคนในวงการจึงบอกไว้ว่า เฮดเดอร์ 4-2-1 เหมาะกับรถถนนตัวแรง และเฮดเดอร์ 4-1 เหมาะกับรถแข่งที่ต้องใช้งานรอบสูงๆ

(ติดตามตอน 2)

ข้อมูลจาก : นิตยสาร bmwcarmag Thailand