ว่าด้วยเรื่องของการออกแบบท่อไอเสียของเครื่องยนต์

  หลายๆท่านคงจะเคยได้ยินเสียงท่อไอเสียรถยนต์และจักรยานยนต์ที่ดังหนวกหูกันมาบ้างแล้ว  นึกสงสัยกันไหมครับว่า ทำไมท่อไอเสียถึงได้ดังรบกวนประชาชนผู้พักอาศัยที่มีบ้านเรือนอยู่ริมถนน
  หากเปิดอ่านประกาศกระทรวงอุตสาหกรรมฉบับที่ 2629 พ.ศ. 2543 แล้ว จะพบว่า
หัวข้อ 5.2 " ระดับเสียงสูงสุดที่ออกจากท่อไอเสียที่ประกอบเข้ากับรถจักรยานยนต์ที่จะใช้ประกอบในสภาพใช้งานปกติ ในขณะที่ยานพาหนะอยู่กับที่ ต้องไม่เกิน 95 เดซิเบล เอ "

ผมจึงมาสรุปเรื่องราวของท่อไอเสียในส่วนของการออกแบบทางวิศวกรรมให้ผู้อ่านได้อ่านกันเล่นๆ
  A Graham Bell ได้ทดสอบและเขียนหนังสือชื่อ 4 Stroke Performance Tuning ในหนังสือเป็นข้อมูลศึกษาเชิงวิชาการที่น่าสนใจมาก หนึ่งในบทของหนังสือที่ขอหยิบมาในประเด็นนี้ก็คือ " The Exhaust System " คือว่ากันด้วยเรื่องของไอเสียทั้งระบบ
    เมื่อวาล์วไอเสียของเครื่องยนต์เปิดออก จะเกิดแรงดันในท่อไอเสียประมาณ 20 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว เนื่องจากการไหลออกมาจากห้องเผาไหม้ของก๊าซ ในทางกลับกัน หากแรงดันในท่อไอเสียมีค่าเป็นลบ ( หมายความว่ามีการไหลกลับเข้าห้องเผาไหม้ หรือไอเสียไหลไม่สะดวกทำให้ไหลออกไม่หมดในจังหวะวาล์วไอเสียเปิด ไอเสียบางส่วนจะถูกดูดกลับเข้าห้องเผาไหม้ในจังหวะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ลงเพื่อเติมเต็มปริมาตรที่ยังขาดจากทางฝั่งไอดี ) การแก้ไขปัญหาดังกล่าว ( ในกรณีของเครื่องยนต์ 4 สูบ ) จะใช้หลักการค่อยๆรวมท่อไอเสียของแต่ละสูบ ให้เป็นท่อเดียวกัน แบ่งเป็น 2 ลักษณะคือ หลักการ 4 มา 1 และ 4 มา 2 มา 1  หลักการนี้ จะช่วยรักษาแรงดันในท่อไอเสีย ยกตัวอย่างเครื่องยนต์ที่มีลำดับการจุดระเบิด 1-3-4-2   แรงดันหลังวาล์วไอเสียของสูบ 2 จะถูกระษาแรงดันต่อโดยสูบแรก ผู้เขียนยังบอกเลยว่า หากท่อไอเสียคำวณมาอย่างเยี่ยมยอดแล้ว การปรับแต่งแคมชาฟท์ก็ไม่จำเป็นอีกต่อไป ( ถึงขนาดนั้น !! )

หลักการรวมท่อไอเสียแบบ 4 into 1 จะมีข้อเสียคือน้ำหนักของระบบท่อไอเสียจะเยอะ แต่จะมีกำลังเครื่องยนต์สูงสุดมากกว่าแบบ 4 into 2 into 1 อยู่ราวๆ 5-7%  แต่จะได้เปรียบกว่าแบบ 4 into 1 ในช่วงรอบกลาง ดังนั้น จึงไม่แปลกที่เราจะเห็นรูปแบบของท่อไอเสียที่หลากหลาย เช่น ความยาวท่อในช่วง P1  ความยาวท่อในช่วง P2 , ลักษณะของ CL หรือแม้แต่ระยะของ TL

ตัวอย่างภาพท่อไอเสียแบบ 4-2-1 

ตัวอย่างภาพท่อไอเสียแบบ 4-1

    ปัจจัยต่อมาที่มีผลต่อระบบไอเสียก็คือ ขนาดของท่อที่นำมาทำท่อไอเสีย เพราะยิ่งมีจังหวะโอเวอร์แล๊ปของวาล์วมากเท่าไหร่ ท่อไอเสียก็ต้องมีความโตตามปริมาตรที่จำเป็นนั้นเช่นกัน เพื่อให้คายไอเสียออกให้ทันเวลาในจังหวะการเติมไอดีที่มีเพียงน้อยนิด  ขนาดของท่อไอเสียคือตัวกำหนดความเร็วในการไหลของไอเสีย โดยปกติแล้ว ความเร็วของไอเสียจะอยู่ที่ราวๆ 250 ฟุตต่อวินาที แน่นอนว่าหากเราไปเพิ่มขนาดของท่อไอเสียขึ้น ก็จะส่งผลให้เครื่องยนต์รองรับทอร์คอันเนื่องมาจากรอบที่สูงขึ้นได้  

   ขนาดของท่อไอเสียนั้นสรุปได้ตามองศาของลูกเบี้ยว หากเป็นลูกเบี้ยวองศาสูงที่ใช้ในการแข่งขัน จะสรุปขนาดท่อไอเสียไว้ดังนี้

หากเป็นรถที่ใช้งานทั่วไปที่มีองศาลูกเบี้ยวปกติ ผู้เขียนได้สรุปขนาดท่อไอเสียไว้ตามตารางนี้

   ความยาวของท่อไอเสีย ( P ) สามารถสรุปเป็นสูตรได้คือ 

P = ((850 x ED)/rpm)-3

โดยที่ P = ความยาวท่อไอเสียตามภาพแรก

          ED = 180 องศา บวกด้วยองศาลูกเบี้ยวก่อนศูนย์ตายล่าง ( BDC )

          rpm = รอบต่อนาทีของเครื่องยนต์

  ส่วนขนาดท่อไอเสียนั้น สรุปเป็นสูตรได้ดังนี้

ID = (((cc/((P+3)x25))^0.5)x2.1

โดยที่  ID = เส้นผ่านศุนย์กลางด้านในของท่อไอเสียช่วง P1

            cc = ความจุเครื่องยนต์

            P = ความยาวท่อในช่วง P1

IDS = (((ID^2)x2)^0.5)x0.93

โดยที่ IDS = เส้นผ่านศูนย์กลางในช่วง P2

           ID =  เส้นผ่านศุนย์กลางด้านในของท่อไอเสียช่วง P1

และ P2 = P - P1 ( ความยาวที่พิจารณาในรูปแรก )

การออกแบบ Collector ( CL )

มี 4 แบบ คือแบบ Baffle แบบ Merge แบบ Venturi Merge และแบบ Split Interference แสดงตัวอย่างภาพได้ดังนี้

แบบ Baffle

แบบ Merge

แบบ Venturi Merge

และแบบ Split Interference ของ 4 และ 8 สูบ

ความยาวของ Collector ( CL) ((ID2-ID3)/2)xCot A

โดยที่ CL = Collector length

          ID2 = ความโตของ Collector ฝั่งขาเข้า

          ID3 = ความโตของ Collector ฝั่งขาออก ( ความโตท่อไอเสียหลัง Collector )

          Cot A = โคแทนเจนท์ของมุมองศา  เช่นCot4.5 = 12.7 เป็นต้น ( กดเครื่องคิดเลขได้ )

และ ID3 = ((cc x 2 )/(P + 3 )x25))^0.5)x2 

         

ปัจจัยอีกตัวที่มีผลต่อการไหลของไอเสียก็คือการออกแบบรอยต่อระหว่างช่วงพอร์ทไอเสียถึงคอท่อไอเสีย โดยสรุปคร่าวๆไว้ดังนี้

          

 ส่วนเรื่องการรักษาสิ่งแวดล้อมนั้น ปัจจุบันได้มีการกำหนดมาตรฐานไว้ เช่น มาตรฐานยูโร 1 2 3 หรืออะไรก็แล้วแต่ โดยที่มีตัวการสำคัญที่เป็นผู้ทำงานคือ CAT หรือ โครงสร้างรังผึ้งที่เคลือบด้วยสารดูดซับแก๊สพิษในไอเสียและยังทำหน้าที่ลดเสียงดังในท่อไอเสีย  ไอ้เจ้า CAT ที่ว่านี้ เขาจะทำหน้าที่ของเขาอย่างเต็มที่ตามที่ออกแบบไว้ แต่จะส่งผลต่อเครื่องยนต์ นั่นคือ จะลดแรงม้าสูงสุดของเครื่องยนต์ลงราวๆ 10% แต่ไม่ต้องเป็นห่วง เพราะว่า มีวิธีชดเชยค่าสูญเสียอยู่โดยแลกกับน้ำหนักท่อไอเสียที่เพิ่มขึ้นนิดหน่อย นั่นคือ การหาหนทางการเพิ่มอัตราการไหลในช่วงโครงสร้างรังผึ้งนั่นเอง ซึ่งได้แสดงไว้ตามรูป คือปล่อยท่อฝั่งขาเข้า CAT เป็นมุมบาน 10 องศา และบีบเข้าฝั่งขาออกจาก CAT เป็นมุม 15 องศา โดยมีท่อเทเปอร์ยาวอย่างน้อย 6 นิ้ว ต่ออยู่ทั้งขาเข้าและขาออก ( นับจาก CAT )

      ในส่วนของเสียงนั้น ก็มีวิธีลดอยู่หลายวิธีด้วยกัน เช่น การใช้การระบายไอเสียผ่านแผ่นรูพรุนที่ซ้อนกันหลายๆชิ้น ที่เรียกกันว่า Trap ชื่อของท่อไอเสียแบบนี้ก็เลยเรียกกันติดปากว่า "ท่อแทร๊ป "

แสดงภาพตัวอย่างของ Trap

    การใช้ใยแก้วซับคลื่นเสียงเพื่อลดการ Resonance ก็มีใช้กันแพร่หลาย แต่ข้อเสียคือ ใยแก้ว มีอายุการใช้งานสั้น จึ้งจำเป็นต้องไปอัดใยแก้วใหม่เมื่อหมดอายุใยแก้ว

      การออกแบบห้องลดเสียงแบบหลายชั้น วิธีนี้ นิยมแพร่หลายมาก ข้อดีคือลดเสียงได้ดีมาก มีหลายหลากขั้นตอนในห้องเก็บเสียง ทั้งการกำจัดการสะท้อน การทำลายเสียงโดยออกแบบให้เสียงสะท้อนหักล้างกันเอง การออกแบบให้ไอเสียวนไปมาเพื่อลดเสียง การใช้กรวยลดเสียง เป็นต้น  แต่วิธีนี้จะมีข้อเสียคือ น้ำหนักท่อไอเสียจะเยอะ 

   

หากเป็นท่อไอเสียที่ผ่านการออกแบบคำนวณมาอย่างดีนั้น ผู้ผลิตจะมีข้อมูลเปรียบเทียบแรงม้า  ณ ที่รอบเครื่องยนต์ค่าต่างๆ เพื่อเป็นทางเลือกให้ผู้บริโภคตัดสินใจ 

   ก็เป็นอันว่า จบเรื่องของท่อไอเสียในฝั่งของหลักวิศวกรรมการออกแบบ  ส่วนเรื่องภาระสังคมนั้น ก็ต้องฝากไปยังหน่วยงานต่างๆที่เกี่ยวข้อง เพื่อทำอย่างไรก็ได้ ให้ หลักวิศวกรรม อยู่กับสังคมได้อย่างไร้รอยต่อ. 

  วีดีโอยกตัวอย่างการออกแบบท่อไอเสีย โดยการใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์  ว่างๆจะมาต่อยอดการจำลองการไหลของไอเสียในท่อใบนี้กันครับ

  

ขอบคุณหนังสือ : Four Stroke Performance Tuning 3rd Ed-A Graham Bell.