سیستم اگزوز

وظیفه – انواع – اجزا

هر خودرو از سیستم‌ها و زیر سیستم‌های مختلفی تشکیل شده است که هرکدام از آن‌ها اهداف و وظایفی را بر عهده دارند. یکی از سیستم‌های مهم در هر خودرو، سیستم سوخت و هوارسانی است. پس از ورود سوخت و هوا به داخل موتور و انجام فرایند احتراق، محصولات این فرایند باید به خارج از موتور هدایت شود. در ادامه فعالیت سیستم سوخت و هوارسانی، گازهای تولید شده در فرایند احتراق توسط سیستم اگزوز به خارج از موتور هدایت می‌شود. در این مقاله به‌صورت مختصر وظایف سیستم اگزوز بیان خواهد شد سپس به معرفی اجزا عمومی این سیستم پرداخته می‌شود. در مقاله‌های دیگر در مورد آثار خرابی سیستم اگزوز و عیب‌یابی آن مطالبی ارائه خواهد شد.

وظایف سیستم اگزوز

همانطور که در مقدمه بیان شد سیستم اگزوز مسیری برای خروج گازهای تولید شده حاصل از احتراق است. اما این تنها وظیفه این سیستم نیست. نمودار شکل 1 وظایف اصلی سیستم اگزوز را معرفی می‌کند.

شکل 1- وظایف اصلی سیستم اگزوز

از بین موارد ذکر شده در شکل 1 شاید آشناترین موضوع همان تخلیه گازهای خروجی موتور باشد. اما از دید عمومی کاهش آلودگی‌های زیست‌محیطی و آلودگی‌های صوتی پراهمیت‌تر هستند. بعلاوه ارائه بازخورد به سیستم مدیریت موتور می‌تواند یکی دیگر از وظایف این سیستم به شمار رود.

اجزا سیستم اگزوز

سیستم اگزوز هم مانند هر سیستم دیگر از اجزا مختلفی تشکیل شده است و هر قیمت بخشی از وظایف سیستم اگزوز را بر عهده خواهد داشت. شکل 2 اجزا عمومی سیستم اگزوز را نشان می‌دهد.

1- مانیفولد دود 2- گلویی اگزوز 3- سنسور اکسیژن بالادستی 4- ECU 5- سنسور اکسیژن پایین‌دستی
6- مبدل کاتالیستی 7- لوله‌های انتقال 8- انباره میانی 9- انباره پایانی 10- لوله خروجی اگزوز
شکل 2- اجزا سیستم اگزوز

شکل 2 نوع ساده از سیستم اگزوز را نشان می‌دهد. معمولاً این مدل در خودروهای ردیفی (موتور خطی) استفاده می‌شود. البته می‌تواند سیستم اگزوز اجزا بیشتری متناسب با طول خودرو و نوع موتور نیز داشته باشد. مثلاً اگر خودرو از نوع V شکل باشد طرفین موتور دارای مانیفولد دود هستند. شکل 3 نمونه‌ای از مجموعه سیستم اگزوز برای خودروی با موتور V شکل است.

1- سنسور اکسیژن بالادستی 2- لوله U شکل 3- مبدل کاتالیستی اولیه 4- مبدل کاتالیستی ثانویه
5- سنسور اکسیژن پایین‌دستی 6- لوله میانی (رزوناتور) 7- انباره میانی 8- انباره پایانی 9- لوله انتهایی 10- ECU
شکل 3- نوعی سیستم اگزوز با موتور V شکل

مانیفولد دود (Exchust Manifold) در سیستم اگزوز

اولین عضو در سیستم اگزوز هر خودرویی مانیفولد دود است، این مانیفولد تحت عنوان مانیفولد اگزوز نیز شناخته می‌شود. این تا مانیفولد حدوداً دمای بین 750 الی 900 درجه سانتیگراد را باید تحمل کند به همین دلیل معمولاً جنس مانیفولد دود از خانواده چدن‌ها و در شرایط خاص از آلیاژ فولاد استفاده می‌شود. خواص دیگر جنس مانیفولد اگزوز آن است که باید در برابر اکسیداسیون مقاوم باشد. شکل 4 نوعی مانیفولد دود را نشان می‌دهد.

شکل 4- مانیفولد دود (چدنی 405)

از نکات مهم دیگر در مورد مانیفولد اگزوز مسیر عبور گازهای خروجی است. این راه گاه‌ها باید طوری طراحی شود که حداقل مقاومت در برابر عبور گازها را ایجاد کند به همین دلیل نحوه فرم دهی مسیر گازها بسیار مهم است. علاوه بر نحوه فرم دهی صاف بودن مسیر از نکات مهمی است که در هنگام فرایند تولید باید به آن توجه کرد.
مانیفولد دود در محل نصب روی موتور و همچنین اتصال به لوله‌ای میانی اگزوز از واشرهای نسوز (به دلیل حرارت بالا در آن بخش) استفاده می‌کند. شکل 5 و 6 واشر اگزوز سمت موتور و سمت گلویی را نشان می‌دهد.

شکل 5- واشر مانیفولد دود

شکل 6- کیت واشر گلویی اگزوز (سمند)

سنسور اکسیژن (Oxygen Sensor)

مجموعه‌ها از دید سیستمی می‌توانند از نوع مدار باز (Open loop) و یا مداربسته (Close loop) باشند. شکل 7 به‌صورت شماتیک سیستم‌های مدار باز و بسته را نشان می‌دهد.

شکل 7- مقایسه سیستم مدار باز و بسته از دید کنترل

سیستم‌های مدار باز به دلیل وجود نداشتن بازخورد در سیستم کارایی مناسبی ندارند اما سیستم‌هایی که از نوع مداربسته هستند به دلیل قدرت تصحیح سیستمی عملکرد بهتری از نظر راندمان دارند. در سیستم اگزوز، عضوی به نام سنسور اکسیژن یا سنسور لاندا (سنسور O2) وجود دارد که از نظر سیستمی به مداربسته بودن حلقه کنترلی مدیریت موتور کمک می‌کند. وظیفه این سنسور تشخیص میزان اکسیژن در گازهای خروجی و اطلاع‌رسانی آن به ECU موتور است. در واقع سنسور اکسیژن شکل 8 این سنسور را نشان می‌دهد.

شکل 8- نوعی سنسور اکسیژن

کاهش یا افزایش میزان اکسیژن موجود در گازهای خروجی نشانه نسبت نامناسب اختلاط سوخت و هوا است، بنابراین ECU موتور با کمک اطلاعات دریافتی از سنسور اکسیژن می‌تواند نسبت سوخت به هوا را تنظیم کند. حد مناسب بر اساس نسبت استوکیومتری در شرایط مختلف تعیین می‌شود برای اطلاعات بیشتر در مورد سنسور اکسیژن انواع، اجزا و عیب‌یابی آن می‌توانید سلسله مقالات مربوط به سنسور اکسیژن را در همین سایت مشاهده کنید.

مبدل کاتالیستی (Catalist convertor)

همانطور که در بسیاری از مقالات اشاره شده است امروزه مسائل زیست‌محیطی موردتوجه ویژه قرار گرفته است. کاهش میزان آلاینده‌های زیست‌محیطی موتور نیز یکی از وظایف بسیار مهم سیستم اگزوز است. در مجموعه اگزوز واحد مبدل کاتالیستی وظیفه کاهش میزان آلاینده‌ها (گازهای آلاینده) را بر عهده دارد. در بازار به‌ اختصار به آن کاتالیست و یا کاتالیزور نیز می‌گویند. شکل 9 نوعی مبدل کاتالیست را نشان می‌دهد.

شکل 9- نوعی مبدل کاتالیستی

باتوجه‌به اهمیت عملکرد مبدل کاتالیستی در فرایند کاهش آلودگی، در مقاله‌ای مجزا در مورد انواع، اجزا داخلی و شیوه‌های عیب‌یابی آن صحبت خواهد شد، اما در اینجا به‌صورت ساده در شکل 10 گازهایی خروجی موتور که نیاز به کنترل دارند (HC-NX-CO) به این واحد و خروجی آن پس از عبور از مبدل کاتالیستی (CO2-N2-H2O) را نشان می‌دهد.

شکل 10- عملکرد مبدل کاتالیستی روی گازهای حاصل از احتراق

قطعاً فرایند کاهش آلاینده‌ای گازی فقط توسط واحد مبدل کاتالیستی انجام نمی‌شود. اجزا دیگری نیز در این فرایند مؤثر هستند مانند سنسورهای بازخوردی (مانند سنسور اکسیژن یا سنسور ناک) با اطلاع‌رسانی مناسب به ECU مدیریت موتور زمینه ایجاد اختلاط مناسب‌تری را برای موتور فراهم می‌کنند و یا عملگرهایی مانند مجموعه EGR به کمک واحد مبدل کاتالیستی می‌آید.
محل نصب مبدل کاتالیستی متناسب با نوع موتور کمی تفاوت دارد. جدول شکل 11 تفاوت محل نصب محل کاتالیست را نشان می‌دهد.

شکل 11- محل نصب کاتالیست بر اساس استاندارد آلایندگی یورو

لوله‌های انتقال (Excust pipe)

اعضای مختلف مجموعه اگزوز توسط لوله‌های انتقال به یکدیگر متصل می‌شوند. شکل 12 نوعی لوله انتقال را نشان می‌دهد.

شکل 12- نوعی لوله اگزوز

جنس لوله‌های اگزوز باید طوری در نظر گرفته شود که به‌راحتی دچار اکسیداسیون (زنگ‌زدگی) نشود (نه از قسمت داخلی و نه از قسمت خارجی) اهمیت این موضوع برای خودروهایی که در مناطق با رطوبت بالا مانند شهرهایی حاشیه‌های دریاها قرار دارند بیشتر مشاهده می‌شود. زنگ‌زدگی به‌مرور باعث سوراخ شدن مسیر شده و به‌عنوان واضح‌ترین اثر صدا اگزوز را به‌صورت نامطلوبی در خواهد آورد. علاوه بر اینکه لوله‌های اگزوز باید در برابر اکسیداسیون مقاوم باشند، در برابر واکنش شیمیایی با محصولات فرایند احتراق نیز باید مقام باشند. در غیر این صورت این نوع خوردگی نیز باعث سوراخ شدن تدریجی لوله‌ها خواهد بود.

حصیری/رزوناتور (Resonator) در سیستم اگزوز

همانطور که در نمودار شکل 1 آمده است یکی از وظایف سیستم اگزوز، کاهش آلودگی‌های صوتی ناشی از خروجی گازها از موتور است. این کار با کاهش ارتعاشات گازها خروجی انجام می‌شود. معمولاً دو عضو انباره میانی و انباره انتهایی برای این موضوع شناخته شده‌اند اما در کنار این دو عضو واحد دیگری نیز در برخی خودروها وجود دارد که رزوناتور نامیده می‌شود. در بازار ایران به آن حصیری می‌گویند و می‌تواند در محل‌های متفاوتی در مسیر اگزوز نصب شود. شکل 13 نوعی از این قطعه را نشان می‌دهد.

شکل 13- نمونه‌های از رزوناتور مدار اگزوز

همانطور که در شکل مشاهده می‌شود رزوناتور به دو صورت ظاهری در خودروها استفاده می‌شود. مدل سمت راست که به نوع حصیری اگزوز نیز شناخته می‌شود در خودروهای داخلی متداول‌تر است. مزیت این نوع در آن است که علاوه بر مؤثر بودن در کاهش صدای گازهای خروجی، به دلیل فرم حصیری شکل آن امکان نصب ساده‌تر برای بخش‌های دیگر را نیز فراهم می‌کند. (انعطاف‌پذیری دارد)

انباره اگزوز (Muffler)

مهم‌ترین وظیفه انباره‌ها کاهش صدای خروجی اگزوز است. این کار با کاهش تدریجی فشار گازهای خروجی انجام می‌شود. شکل 14 نوعی انباره را نشان می‌دهد.

شکل 14- انباره اگزوز

همه خودروها حداقل یک انباره اگزوز را دارند. گاهی تعداد انباره‌ها بیش از یک عدد خواهد بود. اگر انباره اضافه شده بعد از مبدل کاتالیستی و قبل از انباره اصلی باشد به آن انباره میانی می‌گویند. اگر مسیر خروجی دود از دو طرف خودرو باشد. می‌توان از دو انباره پایانی استفاده کرد. شکل 15 این مورد را نشان می‌دهد.

شکل 15- دو نمونه برای استفاده از دو انباره پایانی اگزوز

همانطور که ذکر شد برای کاهش صدا به‌تدریج فشار گازهای خروجی را کاهش می‌دهند. شکل 16 این مورد را نشان می‌دهد.

شکل 16- شماتیک عملکرد انباره اگزوز

همانطور که در شکل مشاهده می‌شود انباره اگزوز توسط صفحاتی به بخش‌های مختلف تقسیم‌بندی‌شده است. لوله‌های ورودی و خروجی در برخی از این نواحی قرار دارند. هیچ یک از لوله‌های ورودی و خروجی به‌صورت مستقیم به هم متصل نیستند بلکه گازها در هنگام عبور از یک لوله خارج شده با برخورد به دیواره اتاق مربوطه، بخشی از انرژی آن کاسته شده وارد لوله بعدی و اتاق بعدی شده و این اتفاق چندین بار انجام می‌شود. به عبارت ساده‌تر در چند مرحله انرژی (ناشی از فشار) گازهای خروجی کاسته شده و در نهایت از انباره خارج می‌شود.
با دلیل کاهش فشار گازهای خروجی در انباره پایانی ذرات معلق مانند کربن‌های سوخته (دوده) , در این قسمت جمع می‌شوند که می‌توان گفت به‌نوعی انباره خروج ذرات معلق را مجموعه اگزوز کاهش می‌دهد.

بست‌ها در سیستم اگزوز

یکی دیگر از اجرا سیستم اگزوز که گاهی زیاد موردتوجه قرار نمی‌گیرد بست‌ها و نگهدارنده‌های مجموعه هستند. مجموعه اگزوز باید به شاسی یابنده خودرو اتصال داشته باشد و همانطور که گفته شد عبور گازهای خروجی باعث ایجاد نوسان در مسیر اگزوز می‌شود. بخشی از آن نوسان‌ها به اجزا نیز منتقل می‌گردد. نوسان اجزا مسیر اگزوز با بدنه خودرو باعث ایجاد صداهای ناخوشایند می‌شود. بست‌ها و نگه دارنده‌ها در کاهش تولید این‌گونه صداها بسیار مؤثر هستند.

شکل 17- محل اتصال مجموعه اگزوز به بدنه

متناسب با طول و انحناهای مسیر لوله‌های اگزوز تعداد اتصالات به بدنه مشخص می‌شود. اتصالات و بست‌ها معمولاً شامل یک قسمت فلزی و یک بخش لاستیکی هستند تا بتوانند به‌خوبی علاوه بر مهار لوله اگزوز، جلوی انتقال ارتعاشات را به بدنه گرفته شود. شکل 18 انواع بست‌ها مورداستفاده در اگزوز را نشان می‌دهد.

شکل 18- برخی نمونه بست‌های مورداستفاده در مسیر اگزوز

خروجی اگزوز (tail gate)

آخرین عضو در سیستم اگزوز خروجی اگزوز است. وظیفه خروجی اگزوز کمک به کاهش صدای خروجی است. البته این قسمت نسبت به انباره یا رزوناتور تأثیرگذاری بسیار کمتر در کاهش صدا دارد. از دیگر اهداف این قسمت زیبایی بخش قابل‌مشاهده از سیستم اگزوز است. شکل 19 نمونه‌ای از خروجی اگزوز را نشان می‌دهد.

شکل 19 – نوعی خروجی اگزوز

در این مقاله به‌صورت اجمالی اجزا اصلی سیستم اگزوز معرفی شد. برخی از اجزا که اهمیت بیشتر دارند در مقاله‌های مجزا تشریح خواهند شد.
برای بررسی علائم و عیب یابی این سیستم به مقاله “عیب یابی سیستم اگزوز” مراجعه کنید

نویسنده:مهندس بهروز خطیبی