اختبار الضغط الخلفي بالعادم
Exhaust Backpressure

نظام العادم بالسيارة The automotive exhaust system

نظام العادم هو احد انظمة السيارة وهو نظام من انظمة تشغيل المحرك. نظام العادم يقوم بالتخلص من الغازات المتولدة من احتراق الوقود والهواء داخل غرفة الاحتراق. إبقاء نظام العادم في حالة تشغيل جيدة مهم لاقتصاديات الوقود fuel mileage, البيئة environment, والسلامة safety.

اجزاء نظام العادم  Exhaust system components and its function:

- مجمع العادم Exhaust manifold:

  يتم تجميع الانابيب المتصلة بعادم كل اسطوانة بانبوب واحد يطلق عليه مجمع العادم. المجمع يمكن أن يصنع من الصلب steel, الالومنيوم aluminum, الصلب الغير قابل للصداء stainless steel, أو الاكثر انتشارا من الحديد الزهر cast iron.

- حساس الاكسجين Oxygen sensor:

كل نظم الحديثة للوقود تستخدم حساس اكسجين لقياس كمية الاكسجين في العادم. من تلك المعلومة يمكن لحاسب السيارة تحديد مقدار الإضافة أو الأنقاص لكمية الوقود وذلك للحصول على الخليط السليم المؤدي إلى أقصى اقتصاد للوقود. حساس الاكسجين مركب في مجمع العادم أو قريب من أنبوب العادم.

- مضخة الهواء Air Pump:

مضخة الهواء أو حقن الهواء air injection تضخ هواء نقي في مجمع العادم لحرق أي من هيدركربون HC أو أول أكسيد الكربون OC مازال موجود بالعادم.

- صمام تدوير غازات العادم Exhaust Gas Recirculation (EGR) valve :

يقوم بإعادة تدوير جزء من الغازات العادم مرة أخرى إلى اسطوانات المحرك, هذا يؤدي إلى تغيير طبيعة الحريق مما يقلل من انبعاثات أكاسيد النيتروجين NOx.

- الحفاز Catalytic converter:

هذا الجزء المشابه في الشكل لكاتم الصوت يحول أول اكسيد الكربون الضار و الهيدروكربون إلى بخار ماء وثاني أكسيد الكربون. بعض الحفازات تقوم أيضا بتقليل أكاسيد النيتروجين الضارة. الحفاز يركب بين مجمع السحب وكاتم الصوت.

- كاتم الصوت Muffler:

يقوم كاتم الصوت بتقليل مستوى الضوضاء المنبعثة من العادم إلى مستويات مقبولة (تخفيض الصوت). حيث أن عملية الاحتراق هي سلسلة من الانفجارات التي تولد الكثير من الضوضاء. معظم كواتم الصوت تستخدم خمارات baffles لتبديد الطاقة حولها وتهدأ الضوضاء. بعض كواتم الصوت تستخدم حشو من الالياف الزجاجية التي تمتص الطاقة الصوتية عند تدفق/ انسياب الغازات خلالها.

- مخفض رنين/ تردد الصوت (مخمد) Resonator:

الغرض من وجود مخفض الرنين هو الغاء نطاق معين من الترددات certain range of sound frequencies بناء على الابعاد المصمم لها. من قبل كان يستخدم في السيارات الفارهة والأن يستخدم بالعديد من سيارات كنمط قياسي. وقد يصنع في وحدة واحدة تجمعه مع كاتم الصوت.

- انبوب العادم Exhaust pipe:

يقوم بنقل غازات العادم إلى خارج السيارة (الانبوب الخلفي tail pipe). وفي العادة يصنع من الصلب steel, الصلب الغير قابل للصدأ stainless steel أفضل حيث له مقاومة عالية للصدأ, أو يصنع من الصلب بالألومنيوم aluminized steel الذي ليس احسن من الصلب لمقاومة للصدأ ولكنه ارخص منه.

مشاكل نظام العادم Exhaust system common problems:

أسوأ عدو لنظام العادم هو التأكل (الصدأ) corrosion (rust). الصدأ يحدث بسبب الرطوبة التي تتفاعل مع الحديد بالصلب وتكون أكاسيد الحديد. الرطوبة, أو بخار الماء يتواجد في نظام العادم كمنتج جانبي من الاحتراق والحفاز. الرطوبة قد تأتي أيضا من الخارج في شكل مطر. السير لمسافات قليلة بالسيارة  تؤدي إلى تقصير العمر التشغيلي لنظام العادم. عند إيقاف المحرك فإن أي بخار ماء في الانابيب يتكثف ويتحول إلى ماء. المسافات القصيرة تؤدي إلى أن الماء ليكون لديه الفرصة ليسخن ليتحول مرة أخرى إلى بخار ماء, ويبقى في النظام ويؤدي إلى صدأ الأنابيب. في حالة قيادة السيارة لمسافات قصيرة قد يكون من الحكمة استبدال نظام العادم بنظام مصنع من الصلب الغير قابل للصدأ. في حال القيادة لمسافة أكثر من 15 ميل (حوالي 25 كيلومتر) في المرة الواحدة, فلا داعي للقلق من ذلك الموضوع. في حالة العيش في المناطق التي تستخدم رش الملح على الطرق في فصل الشتاء (للتخلص من الجليد), يجب التأكد من غسل اسفل السيارة بالماء كل بضعة اسابيع, حيث أن الملح يسرع في عملية الصدأ, التخلص من الملح بسرعة سوف يساعد على ايقاف التآكل.

في حالة وجود انخفاض باقتصاديات الوقود (زيادة كمية الوقود المستهلك لنفس المسافة), قد تكون بسبب أن هناك مشاكل من حساس الاكسجين. مع الوقت قد يتلف حساس الاكسجين, ويسبب في بعض الاحيان إلى تكون خليط غني (المحرك يحرق وقود أكثر عن المطلوب). في الكثير من الاحيان قد تعني إضاءة لمبة افحص المحرك check engine تحذير من تلف الحساس. يقترح البعض تغيير الحساس كل 60,000 ميل (حوالي 100,000 كيلو متر) للبقاء في الأمان (يستحسن الرجوع إلى كتيب مالك السيارة).

الجزء التالي لمصدر المشاكل هو كاتم الصوت. معظم كواتم الصوت تصدأ مع الوقت وتحتاج إلى استبدال. ويستحسن استبداله بكاتم صوت له جودة عالية وعلامة تجارية معروفة.   

في بعض الاحوال النادرة قد يصبح الحافز مسدود ويحتاج إلى استبدال. الاعراض تكون فقد في القدرة, سخونة بأسفل السيارة, حفاز متوهج, أو رائحة كبريت. لا تدع الميكانيكي يقنعك بالتخلص من الحفاز وفصله من الدائرة. إزالة الحفاز غير قانوني في معظم البلاد, لأنه يضر بالبيئة.

كما أن وجود ضغط خلفي في النظام يعمل على اعاقة انسياب الغازات من النظام, يؤدي إلى خنق المحرك, وزيادة استهلاك الوقود وفقد في القدرة. هذا الضغط الخلفي يجب الكشف عليه بالقياس لتحديد الأجزاء المتسببة في ذلك واستبدالها.

تعريف الضغط الخلفي للعادم Definition of backpressure:

يعرف الضغط الخلفي بأنه ضغط غازات العادم التي يتم انتاجها/ تولدها بواسطة المحرك للتغلب على المقاومة الهيدروليكية لنظام العادم من أجل تصريف الغازات للغلاف الجوي. في نفس السياق, الضغط الخلفي للعادم يعرف بأنه ضغط قياسي gauge pressure في نظام العادم عند مخرج توربين العادم exhaust turbine في محركات الشاحن التوربيني أو عند مخرج مجمع العادم exhaust manifold في محركات السحب الطبيعية naturally aspirated engines. الضغط الخلفي المتكون بسبب نظام عادم محرك احتراق رباعي الاشواط four-stroke engine للسيارة له تأثير سلبي على كفاءة المحرك ويسبب انخفاض في قدرة الخرج والذي يتم تعويضه عن طريق زيادة استهلاك الوقود fuel consumption. مصطلح الضغط الخلفي back pressure يمكن أيضا أن يكتب ككلمة واحدة backpressure أو استخدام شرطة بينهما back-pressure.

الضغط الخلفي بالعادم قد يسبب العديد من المشاكل. انسداد الحفاز catalytic converter يمكن أن يخنق تنفس المحرك ويؤدي إلى انخفاض كبير في أداء المحرك  engine performanceواقتصاديات الوقود fuel economy. وفي حالة انسداد الحفاز بالكامل, يمكن أن يؤدي إلى توقف المحرك عن العمل. نفس الشيء يمكن أن يحدث في حالة الانهيار الداخلي لكاتم الصوت muffler, أو مخمد الصوت resonator أو انبوب العادم مزدوج الجدار double walled exhaust pipe. أي شيء يعيق تدفق العادم سوف يخلق ضغط خلفي في نظام العادم.

أعراض الضغط الخلفي المفرط Symptoms of excessive exhaust backpressure

الاعراض الكلاسيكية للضغط الخلفي المفرط تتضمن العديد من الأشياء مثل نقص القدرة عند السرعات العالية, استهلاك عالي للوقود وحتى السخونة العالية للمحرك. أي شيء يدعم الضغط الخلفي في المحرك سيؤدي إلى دعم الحرارة أيضا. حوالي ثلث الحرارة الناجمة من الاحتراق تذهب إلى الخارج عن طريق انبوب العادم كحرارة مفقودة, في حالة عدم هروب الحرارة فإنها سوف تحمل نظام التبريد حمل زائد وتجعل المحرك اكثر سخونة عن المعتاد, وخاصة عند السرعات العالية.

في حالة وجود انسداد كامل بالعادم, فإن المحرك يبدأ التشغيل والعمل عند الحمل الخالي لمدة دقيقة أو أثنين, ثم يتوقف عن العمل جراء تراكم الضغط الخلفي وخنق المحرك. في بعض الحالات, يمكن مع زيادة الضغط الخلفي فانه قد يؤدي إلى انفجار وصلات الانبوب أو غطاء الحفاز. هذا يجعل التشخيص وتحديد المشكلة أسهل, ولكن في معظم الحالات لا يكون هناك تأكد هل هناك انسداد بالعادم أم لا. وفي هذه الحالة, تكون هناك حاجة لقياس الضغط الخلفي.

كيفية القيام بقياس الضغط الخلفي How to measure exhaust backpressure

لقياس الضغط الخلفي بالعادم, تحتاج إلى عداد ضغط بمقياس يقرأ من صفر إلى 15 رطل/ بوصة المربعة (0 إلى 100 كيلو بسكال أو أعلى) "1 رطل/ بوصة المربعة يساوي 6.89 كيلو بسكال, 1 كيلو بسكال يساوي 0.145 رطل/ البوصة المربعة". في حالة عند توفر مقياس للضغط المنخفض, يمكن شراء مجموعة/ طقم قياس الضغط الخلفي بالعادم. وفي حالة الحاجة إلى تحري الدقة في القراءة يمكن استخدام جهاز رقمي الذي يظهر القراءة بعدة وحدات مختلفة (رطل/ بوصة المربعة, كيلو بسكال, بوصة زئبق, بوصة ماء, بار, .... الخ.).

قياس الضغط الخلفي بالعادم ليس من السهولة كما يبدو لأنه لا توجد طريقة سهلة وسريعة لتوصيل الجهاز مع نظام العادم. في حالة أن المحرك به مضخة هواء air pump, يمكن التوصيل مع نظام العادم خلال صمام المعايرة/ لا رجوعي للمضخة air pump check valve. قم بفصل صمام المعايرة وصل مقياس الضغط pressure gauge. للوصول إلى نتائج دقيقة, فإن صمام المعايرة, يجب أن يتصل بنظام العادم قبل الحفاز. ملحوظة: في حالة وجود وصلات للمضخة مع الحفاز, فإن هذه الطريقة لن تعطي نتائج موثوقة.

يمكن أيضا التحقق من الضغط الخلفي عن طريق فصل حساس الاكسجين oxygen sensor من مجمع العادم exhaust manifold, وتوصيل الانبوب المتصل بعداد الضغط pressure gauge وذلك في حالة ان حساس الاكسجين يمكن الوصول إليه بسهولة وأن السيارة جديدة, فإنه من السهولة اخراجه دون الكثير من الجهد. ولكن في السيارات القديمة, قد يكون من الصعب أخرج حساس الاكسجين ويحتاج إلى كثير من الجهد. وهناك دائما خطر اتلاف الحساس.

الخيار الثالث هو عمل فتحة صغيرة بالمثقاب في أنبوب العادم قبل الحفاز وإرفاق التوصيلة المنسبة لمقياس الضغط. هذا قد يكون أسهل من محاولة فك حساس اكسجين عمره 10 سنوات, ولكن هذا يعني أنك يجب أن تقوم بسد الثقب بعد ذلك عن طريق بمسمار خاص أو عن طريق نقطة لحام.

في بعض محركات الديزل, هناك حساس الضغط الخلفي backpressure sensor في نظام العادم الذي يقيس الضغط الخلفي مباشرة. يمكنك التعرف على القيمة الحقيقية باستخدام اداة مسح scan tool بالنظر إلى تعريف العوامل لحساس الضغط الخلفي للعادم exhaust backpressure sensor PID (Parameter Identification).

ما هي قيمة الضغط الخلفي للعادم التي تعتبر عالية جدا How much exhaust backpressure is too much?

قيمة الضغط الخلفي المسموح عند سرعة الحمل الخالي لمعظم المحركات في الغالب يجب أن تكون أقل من 1.5 رطل/ بوصة المربعة (10 كيلو بسكال). هذا يختلف بعض الشيء من سيارة إلى أخرى اعتمادا على تصميم نظام العادم, وحجم الانابيب, ومقدار أعاقة الحفاز, كاتم الصوت و/ أو مخمد الصوت, وتصميم العادم (مفرد أم مزدوج single or dual exhausts). بعضها قد يصل إلى 2.75 رطل/بوصة في بعض السيارات, ولكن لمعظم السيارات 1.5 رطل/ بوصة المربعة أو أقل عند سرعة الحمل الخالي تكون أمر طبيعي.

في حالة انسداد جزئي في الحفاز, كاتم الصوت أو الانبوب قد يسمح بانسياب العادم عند سرعة الحمل الخالي ولا تسبب مشكلة, ولكنها تسبب خنق للمحرك عند السرعة العالية للمحرك. ولاختبار هذا الاحتمال, تحتاج إلى زيادة سرعة المحرك وتثبيتها عند سرعة 2000 لفة/ دقيقة. القراءة الجيدة لمعظم المحركات عند سرعة 2000 لفة/ دقيقة قد تصل إلى 3 رطل/ بوصة المربعة (20 إلى 21 كيلو بسكال) أو أقل. مرة أخرى, هناك بعض السيارات التي قد تقرأ أعلى قليلا ولا يكون بها مشكلة, ولكن القراءة يجب أن لا تكون أعلى بكثير.

يجب إيلاء اهتمام وثيق إلى قراءة الضغط الخلفي عند الابقاء على سرعة المحرك عند 2000 لفة/ دقيقة. في حالة أن القراءة ظلت ثابتة, فالاحتمالات تبين بأنه لا يوجد انسداد/ اعاقة. ولكن في حالة زيادة القراءة تدريجيا, فهذا يعني أن الضغط الخلفي يرتفع وهذا قد يعني أن هناك انسداد.

في حالة مزيد من التأكد يمكن زيادة سرعة المحرك أعلى, 4000 لفة/دقيقة مثلا وتثبيتها (يجب أجراء الاختبار بسرعة, لا ينصح بزيادة سرعة الحمل الخالي والسيارة ثابتة لفترة طويلة), في حالة زيادة الضغط بدرجة عالية. معظم سيارات الركوب سوف تظهر قراءة ضغط خلفي بين 4-8 رطل/ بوصة المربعة (27 إلى 55 كيلو بسكال), أو أعلى. كما في السابق, في حالة أن القراءة مرتفعة بشكل غير عادي أو إنها تواصل الصعود عند ثبات السرعة, فأنها في العادة تعني هناك انسداد غير طبيعي يسبب زيادة غير طبيعية للضغط الخلفي.

فحص نظام العادم Exhaust system inspection

في حالة اعطاء الجهاز قراءة للضغط الخلفي اعلى من القراءة الطبيعية فإن ذلك يعني أن هناك شيء ما يعيق تدفق العادم خارج أنبوب العادم. على الرغم من أن الحفاز يكون في العادة المشتبه الأول (منطقة المشكلة), فإن الانسداد قد يحدث أيضا داخل كاتم الصوت ومخمد الصوت في حال انهيارهما من الداخل وانسداد المسارات الداخلية.  كما أن انابيب العادم مزدوجة الجدار قد تنهار من الداخل ايضا وتسبب اعاقة.

في حالة انسداد النظام, أفحص نظام العادم من طرف إلى الطرف الأخر لأي علامات واضحة خارجية للتلف مثل تطبيق انبوب, وجود صدأ شديد, ..... الخ. ويمكن الطرق على الحفاز للتأكد من عدم وجود اجزاء مكسورة أو سائبة داخله.

الخطوة التالية هي حل انبوب العادم خلف الحفاز مباشرة لمعرفة ما إذا كان هذا يؤدي إلى  فرق في قراءة الضغط الخلفي. القراءة يفترض أن تهبط قليلا عند فصل نظام العادم من الحفاز, ولكن في حالة عدم وجود أي هبوط للضغط فهذا يعني بأن الحفاز هو المسدود. الاحتمال الأخر بأن انبوب الرأس بين مجمع العادم و الحفاز بها انهيار داخلي. في حالة وجود انخفاض في الضغط الخلفي عند فصل نظام العادم عن الحفاز, فإن ذلك يعني بأن التدفق يمر بالحفاز بدون مشاكل وأن الانسداد في مكان ما في بقية النظام (مشكلة في كاتم الصوت, مخمد الصوت أو انبوب العادم).

استخدام تخلخل السحب لاختبار الضغط الخلفي Using Intake Vacuum to Check Backpressure

طريقة أخرى لاختبار الضغط الخلفي يمكن إجرائها عن طريق اختبار تخلخل السحب intake vacuum بالمحرك. أنه من السهل (أسهل) أن تصل مقياس تخلخل بأنبوب التخلخل أو فتحة عن أن تحل حساس الاكسجين. عداد التخلخل في العادة يبين القراءة بوحدات بوصة زئبق. "واحد بوصة زئبق تساوي 0.49 رطل/ بوصة المربعة أو 3.38 كيلو بسكال".

قيمة الضغط الجوي الطبيعي تكون حوالي 14.7 رطل/ بوصة المربعة عند مستوى سطح البحر. هذا سوف يختلف قليلا مع الحرارة والرطوبة, ويهبط مع الزيادة في الارتفاع. التخلخل يتولد داخل مجمع السحب intake manifold للمحرك في شوط السحب للمكبس في محاولة للتغلب على الاعاقة المتكونة من صمام الخانق. في معظم المحركات يتولد تخلخل 16 إلى 22 بوصة زئبق تخلخل عند سرعة الحمل الخالي (باستثناء معظم محركات الديزل التي ليس لها تخلخل/ تفريغ بسبب إنها ليس لها صمام خانق). قراءة التخلخل عند سرعة الحمل الخالي تعتمد على التأكل في المحرك, وفتحة الخانق, والتراكب لعمود الكامة, والضغط الخلفي للعادم, ودرجة حرارة الهواء وكثافته.

لقياس التخلخل بمجمع السحب, أبدأ والمحرك متوقف, وتعطل حساس نظام تدوير غازات العادم EGR عن طريق إزالة أو فصل انبوبه أو واحد من ملفاته الكهربائية solenoid. صل مقياس التخلخل إلى فتحة/ ثغر مصدر التخلخل في مجمع السحب أو جسم الخانق throttle body. قم ببدء تشغيل المحرك ولاحظ قراءة التخلخل عند سرعة الحمل الخالي مع صندوق التروس transmission في وضع الحياد neutral.

في حالة أن قراءة التخلخل عند سرعة الحمل الخالي أقل من الطبيعي, أو أنها تستمر في الانخفاض مع سرعة المحرك عند الحمل الخالي, فإن هذا يعني انسداد العادم ويسبب أن ضغط العادم يرتفع.

مع زيادة سرعة المحرك, فأن قراءة العادم يفترض أن تنخفض قليلا, ثم تستقر إلى من 2 إلى 3 بوصة لقراءة التخلخل التي لاحظتها عند سرعة الحمل الخالي. أي انخفاض فجائي أكثر من 10 بوصة زئبق تخلخل قد تدل على مشكلة انسداد. التقلبات واهتزاز مؤشر عداد التخلخل قد يدل ان هناك انسداد يحدث بشكل متقطع بسبب جزء سائب يؤدي إلى انسداد نظام العادم بشكل مؤقت.

قراءة التخلخل قد تتأثر أيضا بعوامل أخرى مثل ضعف أو كسر نوابض الصمامات, تقديم زائد أو تأخير لتوقيت الصمامات أو نظام الإشعال. في حالة أن المؤشر في العداد يتأرجح, فإنه قد يدل على وجود عيب ميكانيكي بالمحرك.

تقليل الضغط الخلفي Reducing exhaust backpressure

تقليل الضغط الخلفي للعادم يحسن من اقتصاديات الوقود fuel economy والأداء performance. تقليل الانسداد في نظام العادم يسمح بالتدفق بسهولة لغازات العادم  وتسمح للمحرك بأن يتنفس بكفاءة أعلى. التعديل الأكثر شيوعا هو استبدال كاتم الصوت أو نظام العادم الأصلي من الحفاز حتى الانبوب الخلفي بنظام تسوقي لنظام عالي الأداء للعادم.

روابط ذات علاقة:

https://www.otctools.com/products/exhaust-back-pressure-gauge

http://www.aa1car.com/library/exhaust_backpressure.htm

https://www.dieselnet.com/tech/diesel_exh_pres.php

https://en.wikipedia.org/wiki/Exhaust_system

https://en.wikipedia.org/wiki/Tuned_exhaust

https://en.wikibooks.org/wiki/Engineering_Acoustics/Sonic_Supercharging_of_2_Stroke_Engines

http://www.americanmuscle.com/mustang-mufflers-and-resonators-whats-the-difference.html

https://www.dieselnet.com/tech/diesel_exh_pres.php

http://www.autospeed.com/cms/article.html?A=108185

http://www.tuneruniversity.com/blog/2012/08/how-to-measure-exhaust-backpressure-for-smarter-exhaust-upgrades/

http://www.vehicleservicepros.com/article/10334376/exhaust-backpressure-checks-are-essential