Максимизирането на ефективността на изпускателната система означава балансиране на три основни фактора, които често се противопоставят един на друг. За добра ефективност на потока е необходимо да се поддържа ниско противоналягане чрез използване на гладки завои и тръби с подходящ диаметър. При прекалено голямо ограничение мощността намалява с около 3–5 % за всеки допълнителен паунд на квадратен инч (това е установено в проучване на SAE от 2022 г.). Следва проблемът с топлината. Температурите в изпускателната система могат да надхвърлят 1200 °F (около 650 °C), поради което производителите трябва да използват материали като неръждаема стомана марка 409 и да монтират подходящи топлоизолационни предпазители, за да се предотврати повреждането на съседни компоненти. Пространството е още един напълно отделен проблем. Днес модерните автомобили имат изключително стеснени моторни отсеки, което затруднява правилното разположение на колекторите и коректната инсталация на глушителите. А ако някой иска и принудително подаване? Това създава още повече трудности, тъй като сега е необходимо да се интегрират турбинните корпуси, без да се жертва просветът под колата на друго място.
Повечето автомобилни производители използват колектори от чугун при серийното производство на автомобили, тъй като те по-ефективно контролират шума и вибрациите в сравнение с други възможности. Освен това тези колектори са проектирани с вградени места за катализатори и струват с 40 до 60 процента по-малко в сравнение с тръбчестите колектори (хедъри). Формата на тръбите допринася за увеличаване на въртящия момент при по-ниски обороти, което е от голямо значение за обикновеното улично шофиране. Ентусиастите по производителност често предпочитат тръбчести колектори (хедъри). Те действат по различен начин — чрез вакуумния ефект, създаден в тръбите им, извеждат изгорелите газове по-бързо и според последни проучвания осигуряват около 6–8 процента повече мощност в средния диапазон на оборотите. Но има и недостатък: хедърите позволяват по-голяма загуба на топлина, поради което е необходима допълнителна охладителна система. Освен това те могат да предизвикат проблеми при тестовете за емисии, освен ако кислородните сензори не са разположени точно правилно. За хора с по-ограничен бюджет кратките хедъри все още могат да осигурят известни подобрения, без да се налага промяна на местата за монтиране на всички компоненти върху двигателя.
За да се установи какъв тип изпускателен поток работи най-добре, инженерите анализират количеството въздух, което двигателят всъщност засмуква при генериране на максимален въртящ момент. Изчислението включва вземане на обема на двигателя в кубични инчове и умножаването му по оборотите в минута, след което целият резултат се дели на 3456. След това се прилага корекционен коефициент, базиран на обемния КПД, който обикновено варира между 75 % и 85 % за двигатели без принудително подаване. Нека разгледаме практически пример: ако имаме двигател с обем 350 кубични инча, който работи при 5000 об/мин и има ефективност около 80 %, той ще изисква приблизително 405 кубични фута въздух в минута. Също така много важно е и диаметърът на тръбите. Твърде тесните тръби водят до натрупване на налягане, тъй като отработените газове не могат да се изпускат достатъчно бързо, когато скоростта им надвиши 350 фута в секунда. От друга страна, прекалено широките тръби водят до загуба на полезното ефектно изсмукване (scavenging), когато скоростта падне под 250 фута в секунда. Повечето механици препоръчват диаметър между 2,5 и 3 инча за типични V8 конфигурации при тези нива на въздушния поток, за да се осигури оптимално протичане.
Когато става дума за изпускателни системи, има доста голяма разлика в зависимост от типа двигател, за който говорим. Вземете например големите атмосферни V8 двигатели. Те имат нужда от много по-големи тръби – с диаметър около 3–3,5 инча, за да се справят с целия изгорял газ, който се отделя от тези двигатели с голям обем. Добър пример е 6,2-литровият двигател LS3, който работи при 6500 об/мин и има нужда от приблизително 590 кубични фута в минута въздушен поток през системата. При турбо четиритактовите четирицилиндрови двигатели нещата функционират напълно по друг начин. Начинът, по който те работят, всъщност е доста интересен – изгорелият газ първо задвижва турбокомпресора, преди изобщо да напусне двигателя; след турбината можем да използваме значително по-малки тръбни диаметри, обикновено между 2,25 и 2,75 инча. Това става възможно, защото самата турбина създава своеобразен ефект на „ботле“ (ограничение), което намалява количеството изгорял газ, което трябва да премине през останалата част от системата. Благодарение на това ограничение производителите могат да проектират далеч по-компактни изпускателни системи, като все пак постигат подобни нива на мощност, тъй като съзнателно поддържат по-високо налягане точно преди турбината – там, където то има най-голямо значение за производителността.
Добрият отвод на изгорелите газове зависи в значителна степен от правилния подбор на диаметъра на първичните тръби за онзи обем от обороти, в който двигателят обикновено работи. Оптималният диаметър се определя чрез намиране на баланс между скоростта на изгорелите газове и противоналягането. По-малките тръби значително увеличават скоростта, което е полезно при по-ниски обороти, когато отвеждането е най-необходимо, но ако тръбите са твърде тесни, нараства противоналягането. От друга страна, по-големите тръби позволяват по-голям поток въздух при по-високи обороти, но жертват част от производителността при ниски обороти. Важно е и дължината на първичните тръби, тъй като тя определя момента, в който достигат вълните на налягане. По-дългите тръби всъщност преместват оптималния ефект от отвеждане към по-ниските обръщения. Повечето хора, които целят около 5000 об/мин, установяват, че тръбите с дължина приблизително 28–32 инча работят доста добре, тъй като създават отрицателни вълни на налягане точно когато започват да се отварят изпускателните клапани. Целият този процес функционира благодарение на закона на Бернули, който е формулиран още преди векове и гласи, че бързо движещите се течности (и газове) създават области с ниско налягане, които „изсмукват“ или увличат със себе си други вещества. Не забравяйте и управлението на топлината: обвивките от титан помагат температурата да се запази достатъчно висока, така че вълните на налягане да останат силни, вместо да се разсеят прекалено бързо.
При разглеждане на различните диаметри на основните тръби се наблюдават ясни разлики в производителността, които заслужават внимание. При двигателите с турбонаддух и обем 2,0 л установихме, че основните тръби с диаметър 1,75 инча осигуряват около 11% повишаване на въртящия момент в средния обхват при около 3500 об/мин спрямо стандартните тръби с диаметър 2 инча. Причината е по-високата скорост на изгорелите газове – приблизително 312 фута в секунда вместо 265 – което подобрява отвеждането на изгорелите газове по време на припокриване на клапаните. Обаче нещата се променят при по-високи обороти. Над 5800 об/мин по-големите тръби с диаметър 2 инча намаляват обратното налягане с около 4 kPa, което води до почти 5% по-висока максимална мощност. Следователно за обикновено улично шофиране, където най-важно е бързата реакция, по-тесните основни тръби работят по-добре. За автомобилите, използвани на писта, обаче по-широките тръби обикновено осигуряват по-добра производителност. Още един аспект, който инженерите трябва да имат предвид: промяната на дължината също оказва влияние. Съкращаването на тези 1,75-инчови тръби само с три инча измести кривата на въртящия момент нагоре с почти 500 об/мин според динамометричните ни тестове миналия месец.
Обратното налягане по същество се отнася до това колко голямо съпротивление изпускателните газове срещат, докато напускат горивната камера. Много хора погрешно разбират този аспект на изпускателните системи. Всъщност поддържането на ниско обратно налягане помага двигателите да работят по-добре, тъй като позволява на изпускателните газове да се извеждат бързо, което подобрява както процеса на изхвърляне (scavenging), така и обемната ефективност в цилиндрите. Ако обаче има прекалено голямо ограничение — например над приблизително 40 kPa за двигатели с мощност под 50 kW — показателите започват бързо да се влошават. Мощността намалява между 2 % и около 5 %, горивото изгаря по-бързо, отколкото е необходимо, а тези горещи изпускателни газове продължават да се нагряват все повече, което ускорява износването на компонентите. Турбоподуваните двигатели особено остро усещат този проблем, тъй като високото обратно налягане принуждава турбините им да извършват по-голяма работа, за да се завъртят правилно. Швейцарската програма VERT е определила тази граница от 40 kPa като критичен параметър, който инженерите внимателно следят, а изследвания показват, че малките двигатели всъщност са по-уязвими към този проблем, защото клапаните им не се отварят и затварят напълно коректно по време на работа. Разполагането на компоненти като глушители по-далеч от блока на двигателя и осигуряването на достатъчно широки тръби помага да се поддържа обратното налягане на управляемо ниво, без да се загубят предимствата от процеса на изхвърляне (scavenging), за които споменахме по-горе.
Днес каталитичните преобразуватели регулират както емисионните стандарти, така и производителността на двигателя предимно чрез плътността на клетките си, която се измерва в клетки на квадратен инч (CPSI). При по-високите стойности на CPSI между 600 и 900 тези устройства по-бързо достигат работна температура при студени старти, което помага за намаляване на първоначалните вредни емисии. Всъщност обаче има и компромис: увеличената бройка клетки води до по-голямо обратно налягане, което може да намали максималната мощност с около 3–5 процента. От друга страна, каталитичните преобразуватели, проектирани за по-добра пропускливост, обикновено имат стойности на CPSI в диапазона 200–400. Тези модели ограничават подаването на въздух по-малко значително — с подобрение от около 15–20 процента, — макар и да изискват по-дълго време за достигане на работна температура. За автомобили, при които производителността е от първостепенно значение, инженерите често избират материали с по-ниска стойност на CPSI в комбинация с по-нови технологии за нанасяне на катализаторни покрития. Този подход позволява да се компенсира по-бавното загряване, без да се нарушават изискванията на Агенцията по опазване на околната среда (EPA), постигайки деликатен баланс между екологичната отговорност и динамиката на управление.
| Плътност на клетките (CPSI) | Време за запалване | Влияние на противоналягането |
|---|---|---|
| 600–900 | По-бързо (≈45 s) | Високо (7–12 kPa) |
| 200–400 | По-бавно (≥90 s) | Ниско (3–5 kPa) |
Новата технология за глушители променя правилата при намаляване на шума от двигателя, без да се нарушава работата на изпускателната система. Вземете например перфорираните тръби в резонаторите – те всъщност са проектирани така, че да съответстват на определени обороти на двигателя, за да отменят нежеланите звуци чрез т.нар. деструктивна интерференция. Това намалява нивото на шума с около 8–12 децибела, но все пак осигурява гладко протичане на изпускателните газове. За мощните V8 двигатели, които обикновено боботят при по-ниски скорости, се използват специални Хелмхолцови камери. Тези камери са доста ефективни при борбата с дразнещия нискофреновен шум, който повечето хора мразят. Начинът, по който тези глушители функционират, включва сложни вътрешни структури, които насочват изпускателните газове точно както трябва, като гарантират преминаването на важните налягащи импулси, които помагат за правилно почистване на цилиндрите. Изпитанията показват, че тези системи остават добре в рамките на законовите граници за шум (около 95 dB), като при това позволяват преминаването на около 98–99 процента от изпускателния поток в сравнение с директна тръба. Какво означава това за шофьорите? Автомобилите им запазват силна мощност дори при пълно натискане на педала на газта – точно това искат ентусиастите от производителността от своите превозни средства.
Оптималната изпускателна система хармонизира регулаторните изисквания с производителността чрез стратегично комбиниране на катализатори с ниско съпротивление и акустично настроени глушители.
EN