هدرز چیست و چه نقشی در افزایش قدرت موتور دارد؟ + فیلم با زیرنویس فارسی

مقدمه

هدرز (Header) در بین علاقمندان به صنعت خودرو و تیونینگ موتور در داخل و خارج از کشور، واژه ای ناشناس نیست هرچند در میان عموم چندان هم اطلاعات زیادی در مورد آن وجود ندارد. در این مقاله هدف ما ارائه اطلاعاتی در این مورد است که امیدواریم برای مخاطبان عادی و همچنین متخصص جذابیت داشته باشد.

نخست هدف ما تعریف " هدرز " و نقش آن در وسایل نقلیه موتوری می باشد . سپس با انواع آن آشنا می شویم و رفته رفته به جزئیات طراحی و اصول نصب آن می پردازیم. در انتها نیز با مشهور ترین سازندگان این قطعه آشنا می شویم.

هدرز چیست و چه نقشی دارد؟

همانطور که می دانیم در موتور های احتراق داخلی ، دود حاصل از احتراق در سیلندر ها باید خارج گردد تا سیکل احتراق مجددا با مکش هوای تازه به درون سیلندر ها تکرار شود. اینجاست که خروج سریع و کامل گازهای حاصل از احتراق از سیلندر اهمیت پیدا می کند،چراکه در غیر اینصورت عمل احتراق بازده لازم را نخواهد داشت و حجم گاز ناشی از احتراق در سیکل قبل، فضای درون سیلندر را اشغال کرده و مانع از ورود هوای تازه برای احتراق به صورت بهینه می شود. این عمل یعنی هدایت و خارج کردن گاز های ناشی از احتراق، در اکثر خودرو های امروزی توسط مانیفلد ها انجام می گردد. اما در بسیاری از موارد برای بهبود این عمل از هدرز ها استفاده می شود لذا هدرز را بهتر است در دسته لوازم جانبی یا Accessories ، جای دهیم. به این دلیل که کمتر سازنده ای وجود دارد که از ابتدا در خودروهای ساخته شده این وسیله را نصب نماید. در شکل 1، یک نمونه از هدرز را مشاهده می کنید.

شاید این سوال در ذهن پیش بیاید که ؛

"تفاوت هدرز با مانیفلد خروجی به اگزوز در چیست؟"

شاید در نگاه اول از دید یک فرد غیر متخصص تفاوت عمده ای بین این دو وجود نداشته باشد. اما با توجه به شکل-2، مشخص است که علاوه بر تفاوت در جنس، ساختمانی متفاوت بین این دو وجود دارد.

درحقیقت می توان گفت،درهدرز برای هر سیلندر یک خروجی منحصر بفرد در نظر گرفته شده تا بلافاصله پس از اشتعال و بالاآمدن پیستون در سیلندر،گازهای خروجی با کمترین مقاومت موجود در دیواره های مجرای خروجی از سیلندر خارج شده و نسبت به مانیفلد چدنی معمولی،این کار سریعتر و آسانتر انجام می شود که البته در خنکسازی موتور هم بی تاثیر نیست. در نتیجه اگر بخواهیم مهمترین مزایای هدرزها را برشمریم باید به موارد زیر اشاره کنیم:

 عملکرد بهتر و سریعتر در خروج گازها به سمت اگزوز

 دسترسی به توان و گشتاور بیشتر

 خنک شدن بهتر موتور

 مصرف سوخت بهینه تر (بدون کاهش توان موتور)

انواع هدرز

تنوع هدرزها از نظر ظاهری اگر بیش ازتنوع موتورهای احتراقی ساخته شده تا به امروز نباشد، کمتر از آن هم نیست. مطمئنا هر شرکت سازنده ای با توجه به مشخصات موتور و فضایی که در اختیارش قرار داده می شود، باید یک شکل از هدرز را طراحی کند. اما منطقی تر است که انواع رایج هدرز را بر اساس جنس آن بر شماریم که عبارتند از:

 هدرز های کرومی

 هدرز های فولادی (stainless steel)

 هدرز های سرامیکی (با روکش سرامیکی)

لازم به ذکر است برای دسته بندی هدرزها،شرکت های سازنده آنها را به صورت ترکیب عددی معرفی می کنند که بسته به شکل ظاهری آنها نامگذاری می شوند. در واقع این تعداد لوله ها و نحوه اتصال آنها به یکدیگر است که آن را نامگذاری می کند. برای مثال در شکل 3-الف یک هدرز 1-4 را مشاهده می کنیم،که عدد سمت چپ تعداد ورودی و عدد سمت راست خروجی هدرز را بیان میکند که البته همواره به 1 ختم می شود. اما در شکل 1، هدرز در دو مرحله وظیفه خود را انجام می دهد که طی آن،ابتدا 4 لوله ورودی به 2 لوله و در نهایت همگی به یک لوله تبدیل می شوند. لذا شکل 1، مربوط به یک هدرز از دسته 1-2-4 می باشد.

طراحی،تحلیل و ساخت

همانگونه که گفته شد،مهمترین هدف از ساخت هدرز و تجهیز خودرو به آن، افزایش سرعت تخلیه گازهای حاصل از احتراق است. به اصطلاح تخصصی تر باید گفت برای اینکه Back pressure ، یا فشار بازگشتی ایجاد نگردد و یا به کمترین مقدار برسد، می بایست طراحی و ترکیب لوله ها از قواعد خاصی تبعیت کنند. چرا که اگر این فشار وجود داشته باشد نه تنها به بهبود عملکرد موتور نخواهد شد،بلکه تاثیر منفی خواهد داشت و به جای تقویت توان موتور، با تضعیف آن روبه رو خواهیم بود.در واقع پیامد های وجود Back pressure عبارتند از:

I. با وجود فشار بازگشتی، موتور خودرو باید گازهای خروجی را تا حد بیشتری فشرده کند که این مستلزم صرف کار مکانیکی بیشتر و یا به عبارت دیگر به قیمت توان خروجی کمتر است. در نتیجه باعث مصرف سوخت بیشتر و تولید CO بیشتر و همچنین بالا رفتن دمای گازهای خروجی می شود.

II. افزایش فشار بازگشتی، میتواند عملکرد توربوشارژر را تحت تاثیر قرار دهد. به دلیل اینکه نسبت هوا به سوخت را تغییر می دهد و می تواند عملکرد موتور را تحت تاثیر قرار دهد. البته میزان این تاثیر به سیستم تغذیه هوای خودرو ها بستگی دارد.

III. فشار بازگشتی اگزوز همچنین می تواند موجب آسیب به چفت وبست های توربو شارژر شود و درنتیجه باعث نشت روغن به سیستم اگزوز شود و نیز در برخی موارد موجب ازکار افتادن کاتالیزور شود.

IV. تمامی موتورهای ساخته شده فشار بازگشتی مجازی را برای کارکرد موتور تعریف می کنند اما در صورتی که فشار از حد معینی تجاوز کند در بلند مدت در صورت نیاز به استفاده از ضمانت نامه، شرکت سازنده موتوراین گارنتی را فسخ می کند.

V. از نظر اکثر مهندسین خودرو، به ازای هر اینچ جیوه (تقریبا معادل 25.4 میلی متر جیوه) فشار بازگشتی،مقدار 2-1 اسب بخار اتلاف توان خواهیم داشت که البته به ویژگی های موتور ازجمله: بازده موتور،طراحی محفظه احتراق و ... بستگی دارد.

بنابراین کنترل فشار بازگشتی در وحله اول والبته نحوه انتقال گرمای موجود در درجه بعدی بسیار حائز اهمیت است. از دیگر مشخصه هایی که حتما باید در طراحی یک هدرز درنظر گرفته شود، تاثیر در مصرف بهینه سوخت و همچنین سرعت ورود و خروج گاز در لوله هاست.

مهندسین برای طراحی هدرز از انواع مختلفی از نرم افزارهای مدلسازی و تحلیلی استفاده می کنند که از بین آنها می توان به نرم افزارهای Piping،solidworks،Ansys و... اشاره کرد. درواقع از بین تمامی نرم افزار ها آن دسته که به روش CFD حرکت گاز درون لوله ها را تحلیل می کند از اهمیت بیشتری برخوردار است. در واقع پس از مدلسازی ظاهری لوله ها، تحلیل دینامیکی جریان سیال موجود در لوله انجام می پذیرد و تمامی متغیر های موثر در رفتار سیال، بدون استفاده از ابزار های مختلف قابل اندازه گیری هستند.

با CFD می توان نرخ انتقال حرارت، نرخ جریان سیال عبورکننده،افت فشار و تحلیل گرمایی به منظور تعیین توزیع دما و همچنین شار حرارتی موجود را که به مواد استفاده شده در ساخت هدرز ها بستگی دارد، بررسی نمود. با این اوصاف مهندسین برای طراحی این لوازم ظاهرا ساده باید دید وسیع و همه جانبی داشته باشد و البته با علم به اینکه این جریانات در درون لوله ها مدام در حال تغییر دمایی و حجمی هستند طراحی آنها سخت تر از آنچه که هست به نظر می رسد.

اگر به زبان مهندسی بیان کنیم، در خودرو وظیفه هدرز در سیستم اگزوز،کاهش مقاومت هوا یا همان فشار بازگشتی و افزایش بازده حجمی در موتور است. در نتیجه توان خروجی بیشتر در دسترس خواهد بود. فرایند های موجود در لوله های هدرز را می توان به کمک قوانین مربوط به گازها (گازهای ایده آل ومختلط) توجیه کرد.

همانگونه که می دانید درخواست های مهم ازیک طراح هدرز را باید در سه مورد زیر خلاصه نمود:

• افزایش توان

• توجه به میزان آلایندگی

• میزان تاثیر در مصرف سوخت

که البته به شرطی این موارد محقق خواهد شد که پس از انتخاب چندین مواد با خصوصیات حرارتی مختلف و طراحی اولیه، تحلیل و بررسی دقیقی ازعملکرد هدرز به عمل آید. تا از بین طرح های ارایه داده شده، طرحی که بهترین مطابقت با درخواست های فوق را دارد انتخاب گردد.

باید اضافه کنیم که در ساخت هدرز نیز نکاتی وجود دارد که باید رعایت شود تا در عملکرد به بهترین شکل باشد. برای مثال اگر نوع اتصال لوله ها به یکدیگر یا اتصالات در محل تجمیع لوله ها (موسوم به کالکتور) از طریق جوش انجام می شود، باید پس از انجام جوشکاری دقیق و ظریف، لوله ها از درون آنقدر صاف و صیقلی باشند که کمترین آشفتگی در مسیر سیال ایجاد شود .در بسیاری از موارد از لوله هایی با روکش سرامیکی استفاده می کنند تا علاوه بر سطح صاف از خاصیت حرارتی مناسب آن نیز بهره ببرند. این اهمیت فرایند ساخت هدرزها به خوبی بیان می کند. همچنین نصب هدرز باید به راحتی صورت پذیرد تا برای جا دادن آن در کنار سایر تجهیزات خودرو به مشکل برنخوریم و این نکته زمانی میسر می گردد که برای هر خودرو با هر مشخصات موتوری، هدرز مخصوص آن خودرو طراحی و ساخته شود.

سازندگان مشهور هدرز در ایران و جهان

با توجه به اینکه شرکت های بسیار متعددی در حال حاضر هدرزز تولید می کنند و نمی توان سوابق تمامی آنها را برشمرد،در اینجا صرفا به آشنایی با چند شرکت تولید کننده با سابقه و شناخته شده در این زمینه می پردازیم.

Gibson: این شرکت آمریکایی در اوایل دهه 90 میلادی شروع به کار کرده و به صورت تخصصی روی طراحی سیستم اگزوز خودرو کار می کند. طی مدت فعالیت این سازنده نه تنها هدرز،مافلر و انواع متعلقات سیستم اگزوز خودرو را عرضه کرده بلکه در صنایع دریایی نیز شناخته شده است. خصوصیت هدرزهای این شرکت طبق گفته آنها نصب ساده و سریع است.

BBK: نام این برند اختصار نام موسسین کارخانه است که در حال حاضر یکی از بزرگترین تولید کنندگان هدرز در دنیاست. تنوع محصولی این کمپانی بیش از 600 قطعه بوده و مخصوص برندهایی مثل فورد،داج،جیپ است.

DC Sports: سازنده ای که در در سال 1987 به سفارش شرکت هوندا نخستین هدرز 1-4 خود را طراحی کرد،امروزه یکی از برترین برند ها در ساخت این قطعه برای خودورهای اسپرت است. هر چند از سال 2004 در صنعت خودروهای آفرود و سنگین هم فعالیت دارد.

اما در کشور ما نیز چندین سال است که سازندگان سیستم های اگزوز فعالیت می کنند و برای انواع موتور موجود در داخل اعم از داخلی و خارجی هدرز طراحی می کنند که یک از آنها شرکت Engine Arts می باشد که از سال 2010 شروع به فعالیت کرده است.

نویسنده: نیما محمدی