مشعب العادم

في هندسة السيارات ، يقوم مشعب العادم بتجميع غازات العادم من عدة أسطوانات في أنبوب واحد. كلمة "مشعب" مشتقة من الكلمة الإنجليزية القديمة manigfeald (من الكلمتين الأنجلوسكسونيتين manig [كثير] و feald [طي]) ^{[ 1 ]} وتشير إلى تجميع عدة مداخل ومخارج معًا (على عكس مشعب السحب الذي يزود الأسطوانات بالهواء ).

تُعدّ مشعبات العادم عمومًا وحدات بسيطة مصنوعة من الحديد الزهر أو الفولاذ المقاوم للصدأ ^{[ 2 ]،} وهي تجمع غازات عادم المحرك من عدة أسطوانات وتوصلها إلى أنبوب العادم. بالنسبة للعديد من المحركات، تتوفر مشعبات عادم أنبوبية تُعرف باسم " هيدرز" في اللغة الإنجليزية الأمريكية ، و" مشعبات استخراج " في اللغة الإنجليزية البريطانية والأسترالية ^{[ 3 ]} ، وببساطة "مشعبات أنبوبية" في اللغة الإنجليزية البريطانية . تتكون هذه المشعبات من أنابيب عادم منفصلة لكل أسطوانة، والتي تتجمع عادةً في أنبوب واحد يُسمى " المجمع" . أما مشعبات العادم التي لا تحتوي على مجمعات فتُسمى "مشعبات زومي" .

تُصنع معظم أنواع مشعبات العادم المُعدّلة الشائعة من أنابيب فولاذية عادية أو فولاذية مقاومة للصدأ للأنابيب الرئيسية، بالإضافة إلى حواف مسطحة، وربما مُجمّع أكبر قطرًا مصنوع من مادة مشابهة للأنابيب الرئيسية. قد تكون هذه المشعبات مطلية بطبقة نهائية خزفية (أحيانًا من الداخل والخارج)، أو مطلية بطلاء مقاوم للحرارة، أو غير مطلية. تتوفر مشعبات عادم مطلية بالكروم، ولكنها تميل إلى الازرقاق بعد الاستخدام. كما يتغير لون الفولاذ المقاوم للصدأ المصقول (عادةً ما يكون أصفرًا)، ولكن بدرجة أقل من الكروم في معظم الحالات.

من أشكال التعديل الأخرى المستخدمة عزل مشعب السحب القياسي أو المُعدّل. يُقلل هذا من كمية الحرارة المنبعثة إلى حجرة المحرك، وبالتالي يُخفض درجة حرارة مشعب السحب. توجد أنواع عديدة من العزل الحراري، ولكن ثلاثة منها شائعة بشكل خاص:

• يُرشّ الطلاء الخزفي أو يُدهن على مشعب السحب ثم يُجفف في فرن. عادةً ما تكون هذه الطبقات رقيقة، لذا فهي ذات خصائص عازلة ضعيفة؛ ومع ذلك، فإنها تُقلل من حرارة حجرة المحرك عن طريق تقليل انبعاث الحرارة بالإشعاع.
• يتم ربط خليط سيراميكي بالمشعب عبر الرش الحراري لتكوين طبقة سيراميكية متينة ذات عزل حراري ممتاز. يُستخدم هذا النوع من الطلاء عادةً في سيارات الإنتاج عالية الأداء وسيارات السباق المخصصة للحلبات.
• يتم لف غلاف العادم بالكامل حول مشعب العادم. على الرغم من أن هذه الطريقة رخيصة وبسيطة نسبياً، إلا أنها قد تؤدي إلى تلف مشعب العادم قبل الأوان.

يهدف تصميم مشعبات العادم عالية الأداء بشكل أساسي إلى تقليل مقاومة تدفق العادم ( الضغط الخلفي )، وزيادة كفاءة المحرك الحجمية، مما يؤدي إلى زيادة في القدرة الناتجة. ويمكن تفسير العمليات التي تحدث باستخدام قوانين الغازات ، وتحديدًا قانون الغاز المثالي وقانون الغازات الموحد .

عندما يبدأ المحرك شوط العادم، يتحرك المكبس لأعلى داخل تجويف الأسطوانة، مما يقلل من حجم غرفة الاحتراق الكلي. وعندما يُفتح صمام العادم، يتسرب غاز العادم ذو الضغط العالي إلى مشعب العادم، مُحدثًا "نبضة عادم" تتكون من ثلاثة أجزاء رئيسية:

1. ينشأ الضغط العالي نتيجةً لفرق الضغط الكبير بين غازات العادم في غرفة الاحتراق والضغط الجوي خارج نظام العادم.
2. عندما تتساوى غازات العادم بين غرفة الاحتراق والغلاف الجوي، يقل فرق الضغط وتقل سرعة العادم. وهذا يشكل مكون الجسم متوسط ​​الضغط لنبضة العادم.
3. يشكل غاز العادم المتبقي مكون الذيل منخفض الضغط . قد يتطابق ضغط هذا المكون في البداية مع الضغط الجوي المحيط، لكن زخم مكونات الضغط العالي والمتوسط ​​يقلل الضغط في غرفة الاحتراق إلى مستوى أقل من الضغط الجوي.

يساعد هذا الضغط المنخفض نسبيًا على استخلاص جميع نواتج الاحتراق من الأسطوانة وإدخال شحنة السحب خلال فترة التداخل عندما تكون صمامات السحب والعادم مفتوحة جزئيًا. تُعرف هذه العملية باسم "التنظيف". يؤثر طول ومساحة المقطع العرضي وشكل منافذ العادم والأنابيب على درجة فعالية التنظيف، وعلى نطاق سرعة المحرك الذي يحدث فيه التنظيف. ^{[ 4 ]}

The magnitude of the exhaust scavenging effect is a direct function of the velocity of the high and medium pressure components of the exhaust pulse. Performance headers work to increase the exhaust velocity as much as possible. One technique is tuned-length primary tubes. This technique attempts to time the occurrence of each exhaust pulse, to occur one after the other in succession while still in the exhaust system. The lower pressure tail of an exhaust pulse then serves to create a greater pressure difference between the high pressure head of the next exhaust pulse, thus increasing the velocity of that exhaust pulse. In V6 and V8 engines where there is more than one exhaust bank, "Y-pipes" and "X-pipes" work on the same principle of using the low pressure component of an exhaust pulse to increase the velocity of the next exhaust pulse.

Great care must be used when selecting the length and diameter of the primary tubes. Tubes that are too large will cause the exhaust gas to expand and slow down, decreasing the scavenging effect.^[4] Tubes that are too small will create exhaust flow resistance which the engine must work to expel the exhaust gas from the chamber, reducing power and leaving exhaust in the chamber to dilute the incoming intake charge. Since engines produce more exhaust gas at higher speeds, the header(s) are tuned to a particular engine speed range according to the intended application. Typically, wide primary tubes offer the best gains in power and torque at higher engine speeds, while narrow tubes offer the best gains at lower speeds.

Many headers are also resonance tuned, to utilize the low-pressure reflected wave rarefaction pulse which can help scavenging the combustion chamber during valve overlap. This pulse is created in all exhaust systems each time a change in density occurs, such as when exhaust merges into the collector. For clarification, the rarefaction pulse is the technical term for the same process that was described above in the "head, body, tail" description. By tuning the length of the primary tubes, usually by means of resonance tuning, the rarefaction pulse can be timed to coincide with the exact moment valve overlap occurs. Typically, long primary tubes resonate at a lower engine speed than short primary tubes.

محركات V8 ذات نظام الاحتراق المتقاطع تتكون من صفين من الأسطوانات، أيمن وأيسر، يحتوي كل منهما على 4 أسطوانات. عند تشغيل المحرك، تشتعل المكابس وفقًا لترتيب اشتعال المحرك. إذا حدث اشتعالان متتاليان في صف واحد، فسيؤدي ذلك إلى تكوين منطقة ضغط عالٍ في أنبوب العادم، نظرًا لتحرك نبضتين من العادم خلاله في وقت متقارب. أثناء مرور النبضتين في أنبوب العادم، يجب أن تصطدما إما بأنبوب X أو H. عند اصطدامهما بالأنبوب، ينحرف جزء من النبضة إلى أنبوب XH، مما يخفض الضغط الكلي بمقدار ضئيل. يعود سبب هذا الانخفاض في الضغط إلى أن السائل (سائل، هواء، أو غاز) يتحرك عبر الأنبوب، وعند وصوله إلى نقطة التقاطع، يسلك مسار المقاومة الأقل، ويتسرب جزء منه، مما يخفض الضغط قليلًا. بدون أنبوب XH، سيكون تدفق العادم متقطعًا أو غير منتظم، ولن يعمل المحرك بأقصى كفاءة. قد تتسبب نبضة العادم المزدوجة في عدم خروج جزء من نبضة العادم التالية في تلك المجموعة من الأسطوانات بشكل كامل، مما يؤدي إما إلى حدوث انفجار (بسبب انخفاض نسبة الهواء إلى الوقود )، أو إلى احتراق غير كامل بسبب ارتفاع نسبة الهواء إلى الوقود، وذلك اعتمادًا على مقدار النبضة المزدوجة المتبقية ونوع خليط تلك النبضة. ^{[ 5 ]}

أدى الفهم الحالي لأنظمة العادم وديناميكيات السوائل إلى ظهور عدد من التحسينات الميكانيكية. ومن هذه التحسينات صمام الطاقة القصوى للعادم (EXUP) المُجهز في بعض دراجات ياماها النارية. يعمل هذا الصمام على ضبط الضغط الخلفي داخل مجمع نظام العادم باستمرار لتعزيز تكوين موجة الضغط تبعًا لسرعة المحرك، مما يضمن أداءً جيدًا في نطاق السرعات المنخفضة والمتوسطة.

عند سرعات المحرك المنخفضة، يكون ضغط الموجة داخل شبكة الأنابيب منخفضًا. يحدث تذبذب كامل لرنين هيلمهولتز قبل إغلاق صمام العادم، ولزيادة عزم الدوران عند السرعات المنخفضة، يتم توليد موجات ضغط عادم ذات سعة كبيرة بشكل مصطنع. ويتحقق ذلك عن طريق الإغلاق الجزئي لصمام داخلي داخل العادم - صمام EXUP - عند نقطة التقاء الأنابيب الأربعة الرئيسية الخارجة من الأسطوانات. تعمل نقطة الالتقاء هذه بشكل أساسي كجو اصطناعي، وبالتالي فإن تغيير الضغط عند هذه النقطة يتحكم في سلوك الموجات المنعكسة عند هذا الارتفاع المفاجئ في عدم استمرارية المساحة. يؤدي إغلاق الصمام إلى زيادة الضغط الموضعي، مما يؤدي إلى تكوين موجات تمدد منعكسة سالبة ذات سعة أكبر. يعزز هذا عزم الدوران عند السرعات المنخفضة حتى سرعة تتجاوز عندها الخسارة الناتجة عن زيادة الضغط الخلفي تأثير ضبط صمام EXUP. عند السرعات العالية، يُفتح صمام EXUP بالكامل ويُسمح للعادم بالتدفق بحرية.

• توسيع منافذ رأس الأسطوانة
• قولبة الحقن ذات النواة القابلة للانصهار
• عادم مُعدّل
• الرش الحراري
• إدارة حرارة العادم
• طلاء عازل حراري
• زيركوتيك