Για να εκμεταλλευτεί κανείς στο έπακρο ένα σύστημα εξάτμισης, πρέπει να επιτευχθεί ισορροπία μεταξύ τριών βασικών παραγόντων που συχνά αντιτίθενται μεταξύ τους. Για καλή απόδοση ροής, πρέπει να διατηρούμε χαμηλή αντίσταση εξάτμισης (backpressure), χρησιμοποιώντας ομαλές καμπύλες και σωλήνες κατάλληλης διαμέτρου. Όταν υπάρχει υπερβολική αντίσταση, η ισχύς μειώνεται κατά περίπου 3 έως 5% για κάθε επιπλέον psi (pounds per square inch), σύμφωνα με έρευνα της SAE του 2022. Υπάρχει επίσης το πρόβλημα της θερμότητας: οι θερμοκρασίες των καυσαερίων μπορούν να υπερβούν τους 1.200 βαθμούς Φαρενάιτ (περίπου 650 °C), γεγονός που αναγκάζει τους κατασκευαστές να χρησιμοποιούν υλικά όπως ανοξείδωτο χάλυβα τύπου 409 και να εγκαθιστούν κατάλληλα θερμομονωτικά καλύμματα για να αποτρέψουν ζημιές σε γειτονικά εξαρτήματα. Το πρόβλημα του χώρου αποτελεί εντελώς ξεχωριστή πρόκληση. Σήμερα, οι σύγχρονα κατασκευασμένες αυτοκινητοβιομηχανικές μονάδες διαθέτουν εξαιρετικά στενούς χώρους μηχανής, κάτι που καθιστά δύσκολη την τοποθέτηση των συλλεκτών στις κατάλληλες θέσεις και την εγκατάσταση των σιλεντσέρ σωστά. Εάν, επιπλέον, κάποιος επιθυμεί και ενισχυμένη εισαγωγή (forced induction); Αυτό προσθέτει ακόμη περισσότερες δυσκολίες, δεδομένου ότι τώρα πρέπει να ενσωματωθούν οι θάλαμοι των τουρμπίνων χωρίς να θυσιαστεί η απόσταση από το έδαφος σε άλλο σημείο του οχήματος.
Οι περισσότεροι κατασκευαστές αυτοκινήτων χρησιμοποιούν εξαγωγικά κουτιά από χυτοσίδηρο κατά την παραγωγή αυτοκινήτων σε μεγάλη κλίμακα, διότι ελέγχουν καλύτερα τον θόρυβο και την ταλάντωση σε σύγκριση με άλλες εναλλακτικές λύσεις. Επιπλέον, αυτά τα εξαγωγικά κουτιά διαθέτουν ενσωματωμένες θέσεις για καταλύτες και εξοικονομούν από 40 έως 60 τοις εκατό σε σχέση με τα εξαγωγικά κουτιά τύπου headers. Η διαμόρφωση των αγωγών βοηθά στην αύξηση της ροπής σε χαμηλές στροφές, γεγονός που έχει μεγάλη σημασία για τη συνηθισμένη οδήγηση στο δρόμο. Οι φίλοι της απόδοσης συνήθως επιλέγουν τα τυποποιημένα εξαγωγικά κουτιά (tubular headers). Αυτά τα κουτιά λειτουργούν διαφορετικά, δημιουργώντας ένα είδος εφφέκτου κενού μέσω των σωλήνων τους, που απομακρύνει τα καυσαέρια ταχύτερα, προσφέροντας περίπου 6 έως 8 τοις εκατό περισσότερη ισχύ στο μεσαίο εύρος στροφών, σύμφωνα με πρόσφατες μελέτες. Ωστόσο, υπάρχει ένα πρόβλημα: τα headers επιτρέπουν μεγαλύτερη διαφυγή θερμότητας, οπότε απαιτείται επιπλέον ψύξη. Επιπλέον, μπορεί να προκαλέσουν προβλήματα κατά τις δοκιμές εκπομπών, εκτός εάν οι αισθητήρες οξυγόνου τοποθετηθούν ακριβώς στη σωστή θέση. Για εκείνους που εργάζονται με πιο περιορισμένο προϋπολογισμό, τα σύντομα εξαγωγικά κουτιά (shorty headers) μπορούν να προσφέρουν ακόμη κάποια βελτίωση χωρίς να απαιτείται τροποποίηση των σημείων στερέωσης στον κινητήρα.
Για να καθοριστεί ποιος τύπος ροής καυσαερίων λειτουργεί καλύτερα, οι μηχανικοί εξετάζουν την ποσότητα αέρα που πραγματικά εισέρχεται στον κινητήρα όταν παράγει μέγιστη ροπή. Η μαθηματική υπολογιστική διαδικασία περιλαμβάνει τον υπολογισμό της κυβικής χωρητικότητας του κινητήρα σε κυβικά ίντσες, τον πολλαπλασιασμό αυτής της τιμής με τις στροφές ανά λεπτό (RPM) και στη συνέχεια τη διαίρεση του αποτελέσματος με το 3.456. Στη συνέχεια, εφαρμόζεται ένας συντελεστής διόρθωσης βασισμένος στην όγκο-απόδοση (volumetric efficiency), η οποία συνήθως κυμαίνεται μεταξύ 75% και 85% για κινητήρες χωρίς επιβαλλόμενη εισαγωγή (forced induction). Ας δούμε ένα πρακτικό παράδειγμα: εάν έχουμε έναν κινητήρα 350 κυβικών ιντσών που λειτουργεί στις 5.000 RPM με απόδοση περίπου 80%, θα χρειαζόταν περίπου 405 κυβικά πόδια ανά λεπτό (CFM) ροής αέρα. Επίσης, η διάμετρος των σωλήνων έχει μεγάλη σημασία. Οι σωλήνες που είναι πολύ στενοί προκαλούν αύξηση της πίεσης, επειδή τα καυσαέρια δεν μπορούν να εκφυσηθούν αρκετά γρήγορα όταν η ταχύτητά τους υπερβεί τα 350 πόδια ανά δευτερόλεπτο. Αντιθέτως, η χρήση πολύ ευρύτερων σωλήνων οδηγεί στην απώλεια του ευεργετικού φαινομένου «καθαρισμού» (scavenging effect), όταν η ταχύτητα πέσει κάτω από τα 250 πόδια ανά δευτερόλεπτο. Οι περισσότεροι μηχανικοί συνιστούν τη χρήση σωλήνων διαμέτρου μεταξύ 2,5 και 3 ιντσών για τυπικές διατάξεις V8 σε αυτά τα επίπεδα ροής αέρα, προκειμένου να διασφαλιστεί η βέλτιστη ροή.
Όταν πρόκειται για συστήματα εξάτμισης, υπάρχει αρκετή διαφορά ανάλογα με το είδος του κινητήρα που εξετάζουμε. Ας πάρουμε για παράδειγμα εκείνους τους μεγάλους φυσικά εισαγόμενους V8 κινητήρες. Χρειάζονται πολύ μεγαλύτερους αγωγούς, διαμέτρου περίπου 3 έως 3,5 ίντσες, απλώς για να διαχειριστούν όλα εκείνα τα καυσαέρια που προέρχονται από κινητήρες με τόσο μεγάλη κυβική χωρητικότητα. Ένα καλό παράδειγμα είναι ο 6,2 λίτρων κινητήρας LS3 που λειτουργεί σε 6.500 RPM και απαιτεί περίπου 590 κυβικά πόδια ανά λεπτό ροής αέρα μέσω του συστήματος. Τα πράγματα λειτουργούν εντελώς διαφορετικά όμως με τους τετρακύλινδρους κινητήρες με υπερσυμπίεση. Ο τρόπος λειτουργίας τους είναι πραγματικά ενδιαφέρων: τα καυσαέρια πρώτα κινούν τον συμπιεστή με υπερσυμπίεση (turbocharger) προτού ακόμη εγκαταλείψουν τον κινητήρα, οπότε μετά τον turbo μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε πολύ μικρότερες διαμέτρους αγωγών, συνήθως μεταξύ 2,25 και 2,75 ιντσών. Αυτό καθίσταται δυνατό επειδή ο ίδιος ο turbo δημιουργεί ένα είδος «στενώματος», περιορίζοντας την ποσότητα των καυσαερίων που πρέπει να διέλθει από το υπόλοιπο σύστημα. Λόγω αυτού του περιορισμού, οι κατασκευαστές μπορούν να δημιουργήσουν πολύ πιο συμπαγή συστήματα εξάτμισης, ενώ παράλληλα επιτυγχάνουν παρόμοια επίπεδα ισχύος, καθώς διατηρούν εσκεμμένα υψηλότερη πίεση αμέσως πριν από την τουρμπίνα, όπου αυτή η πίεση είναι κρίσιμη για την απόδοση.
Η επίτευξη καλής εκκένωσης από το σύστημα εξάτμισης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ορθή επιλογή των διαστάσεων των πρωτεύουσων σωλήνων, ανάλογα με το εύρος στροφών (rpm) στο οποίο λειτουργεί συνήθως η μηχανή. Το ιδανικό διάμετρο προκύπτει από την εύρεση της ισορροπίας μεταξύ της ταχύτητας των καυσαερίων και της αντίστασης εξάτμισης. Οι μικρότεροι σωλήνες αυξάνουν σημαντικά την ταχύτητα, γεγονός που βοηθά στις χαμηλότερες στροφές, όπου η εκκένωση είναι πιο απαραίτητη, αλλά αν είναι υπερβολικά μικροί, αυξάνεται η αντίσταση εξάτμισης. Αντιθέτως, οι μεγαλύτεροι σωλήνες επιτρέπουν μεγαλύτερη ροή αέρα σε υψηλότερες στροφές, αλλά θυσιάζουν κάποια απόδοση στις χαμηλές στροφές. Επίσης, το μήκος των πρωτεύουσων σωλήνων έχει σημασία, καθώς καθορίζει τη χρονική στιγμή κατά την οποία φτάνουν αυτά τα κύματα πίεσης. Οι μακρύτεροι σωλήνες μετατοπίζουν πραγματικά το βέλτιστο αποτέλεσμα εκκένωσης προς τις χαμηλότερες στροφές. Οι περισσότεροι ενδιαφερόμενοι για λειτουργία περίπου στις 5.000 rpm διαπιστώνουν ότι σωλήνες μήκους περίπου 28 έως 32 ίντσες λειτουργούν αρκετά καλά, καθώς δημιουργούν αυτά τα αρνητικά κύματα πίεσης ακριβώς τη στιγμή που αρχίζουν να ανοίγουν οι βαλβίδες εξάτμισης. Όλο αυτό λειτουργεί χάρη στην αρχή που διατύπωσε ο Bernoulli πριν από αιώνες, σύμφωνα με την οποία τα ρευστά που κινούνται με μεγάλη ταχύτητα δημιουργούν περιοχές χαμηλής πίεσης, οι οποίες «ελκύουν» μαζί τους τα γειτονικά ρευστά. Μην ξεχνάτε επίσης και τη διαχείριση της θερμότητας: οι περιτυλίξεις από τιτάνιο βοηθούν να διατηρηθεί η θερμοκρασία σε επαρκές επίπεδο, ώστε τα κύματα πίεσης να παραμένουν ισχυρά και να μην αποδυναμώνονται υπερβολικά γρήγορα.
Κατά την εξέταση διαφορετικών διαμέτρων κύριων σωλήνων, παρατηρούνται σαφείς διαφορές απόδοσης που αξίζει να σημειωθούν. Σε κινητήρες 2,0 L με τουρμποσυμπιεστή, διαπιστώσαμε ότι οι κύριοι σωλήνες διαμέτρου 1,75 ιντσών παρείχαν περίπου 11% αύξηση της ροπής στο μεσαίο εύρος στροφών, γύρω στις 3.500 RPM, σε σύγκριση με τους τυπικούς σωλήνες διαμέτρου 2 ιντσών. Ο λόγος; Ταχύτερη ταχύτητα των καυσαερίων — περίπου 312 πόδια ανά δευτερόλεπτο αντί για 265 — που βοηθά στον καλύτερο εκκαθαρισμό των καυσαερίων όταν οι βαλβίδες επικαλύπτονται. Ωστόσο, οι συνθήκες αλλάζουν σε υψηλότερες στροφές. Μόλις ξεπεραστούν οι 5.800 RPM, οι μεγαλύτεροι σωλήνες διαμέτρου 2 ιντσών μειώνουν πράγματι την αντίσταση εξάτμισης κατά περίπου 4 kPa, με αποτέλεσμα σχεδόν 5% μεγαλύτερη μέγιστη ισχύ. Επομένως, για τη συνηθισμένη οδήγηση στο δρόμο, όπου η γρήγορη ανταπόκριση είναι καθοριστικής σημασίας, οι στενότεροι κύριοι σωλήνες λειτουργούν καλύτερα. Αντιθέτως, τα αυτοκίνητα που χρησιμοποιούνται σε ράσινγκ εμφανίζουν καλύτερη απόδοση με ευρύτερους σωλήνες. Κάτι ακόμη που πρέπει να λαμβάνουν υπόψη τους οι μηχανικοί: η ρύθμιση του μήκους έχει επίσης σημαντική επίδραση. Η μείωση του μήκους των σωλήνων διαμέτρου 1,75 ιντσών κατά μόλις τρεις ίντσες μετέτοπισε την καμπύλη ροπής προς τα πάνω κατά σχεδόν 500 RPM, σύμφωνα με τις δοκιμές μας στο δυναμόμετρο τον περασμένο μήνα.
Η πίεση εξάτμισης (back pressure) αναφέρεται βασικά στο πόση αντίσταση συναντούν τα καυσαέρια κατά την προσπάθειά τους να εγκαταλείψουν τη θάλαμο καύσης. Πολλοί άνθρωποι κάνουν λάθος σχετικά με τα συστήματα εξάτμισης. Στην πραγματικότητα, η διατήρηση χαμηλής πίεσης εξάτμισης βοηθά τους κινητήρες να λειτουργούν καλύτερα, καθώς επιτρέπει στα καυσαέρια να απομακρύνονται γρήγορα, βελτιώνοντας τόσο τη διαδικασία καθαρισμού (scavenging) όσο και την όγκο-μετρική απόδοση εντός των κυλίνδρων. Ωστόσο, εάν υπάρχει υπερβολική περιοριστική δράση — για παράδειγμα, πάνω από περίπου 40 kPa για κινητήρες με ισχύ κάτω των 50 kW — τα πράγματα επιδεινώνονται γρήγορα. Η ισχύς μειώνεται κατά 2% έως 5%, το καύσιμο καίγεται ταχύτερα από ό,τι απαιτείται και τα καυσαέρια, που είναι ήδη ζεστά, αυξάνουν ακόμη περισσότερο τη θερμοκρασία τους, προκαλώντας επιταχυνόμενη φθορά των εξαρτημάτων. Οι τουρμποσυμπιεστικοί κινητήρες αισθάνονται ιδιαίτερα αυτό το πρόβλημα, καθώς η υψηλή πίεση εξάτμισης αναγκάζει τους στροβιλοσυμπιεστές να καταβάλλουν μεγαλύτερη προσπάθεια για να επιτύχουν την κατάλληλη περιστροφική ταχύτητα. Το ελβετικό πρόγραμμα VERT έθεσε αυτό το όριο των 40 kPa ως ένα κριτήριο που οι μηχανικοί εξετάζουν προσεκτικά, ενώ δοκιμές δείχνουν ότι οι μικροί κινητήρες αντιμετωπίζουν στην πραγματικότητα μεγαλύτερες δυσκολίες με αυτό το ζήτημα, επειδή οι βαλβίδες τους δεν ανοίγουν και δεν κλείνουν με την κατάλληλη ακρίβεια κατά τη λειτουργία. Η τοποθέτηση εξαρτημάτων όπως οι σιλόφονοι σε μεγαλύτερη απόσταση από το σώμα του κινητήρα και η διασφάλιση ότι οι σωλήνες δεν είναι υπερβολικά στενοί βοηθούν στο να διατηρηθεί η πίεση εξάτμισης σε ελεγχόμενα επίπεδα, χωρίς να χάνονται οι πλεονεκτήματα καθαρισμού (scavenging) που αναφέραμε νωρίτερα.
Οι σύγχρονοι καταλυτικοί μετατροπείς ελέγχουν τόσο τα πρότυπα εκπομπών όσο και την απόδοση του κινητήρα κυρίως μέσω της πυκνότητας των κελιών τους, η οποία μετράται σε κελιά ανά τετραγωνική ίντσα (CPSI). Όταν εξετάζουμε υψηλότερες τιμές CPSI, μεταξύ 600 και 900, αυτές οι μονάδες ενεργοποιούνται γρηγορότερα κατά την ψυχρή εκκίνηση, γεγονός που βοηθά στη μείωση των αρχικών επιβλαβών εκπομπών. Ωστόσο, υπάρχει και μια ανταλλαγή, καθώς αυτή η αύξηση του αριθμού των κελιών δημιουργεί μεγαλύτερη αντίσταση στη ροή (backpressure), η οποία μπορεί να μειώσει τη μέγιστη ισχύ κατά περίπου 3 έως 5 τοις εκατό. Αντιθέτως, οι καταλυτικοί μετατροπείς που σχεδιάζονται για καλύτερη ροή αέρα διαθέτουν συνήθως τιμές CPSI που κυμαίνονται από 200 έως 400. Αυτά τα μοντέλα περιορίζουν λιγότερο σημαντικά τη ροή αέρα — με βελτίωση περίπου 15 έως 20 τοις εκατό — αν και χρειάζονται περισσότερο χρόνο για να φτάσουν στη λειτουργική τους θερμοκρασία. Για οχήματα στα οποία η απόδοση έχει τη μεγαλύτερη σημασία, οι μηχανικοί συνήθως επιλέγουν υλικά με χαμηλότερη τιμή CPSI σε συνδυασμό με νεότερες τεχνολογίες επικάλυψης. Αυτή η προσέγγιση βοηθά στην αντιστάθμιση των πιο αργών χρόνων θέρμανσης χωρίς να παραβιάζονται οι κανονισμοί του EPA, επιτυγχάνοντας ένα ευαίσθητο ισοζύγιο μεταξύ περιβαλλοντικής ευθύνης και δυναμικής οδήγησης.
| Πυκνότητα Κυψελίδων (CPSI) | Χρόνος Ενεργοποίησης | Επίδραση Αντίστασης Εξαγωγής |
|---|---|---|
| 600–900 | Ταχύτερο (≈45 δευτ.) | Υψηλή (7–12 kPa) |
| 200–400 | Πιο αργό (≥90 δευτ.) | Χαμηλή (3–5 kPa) |
Η νέα τεχνολογία σιλεντσέρ επαναπροσδιορίζει τους κανόνες όσον αφορά τη μείωση του θορύβου του κινητήρα, χωρίς να επηρεάζεται η λειτουργία του συστήματος εξάτμισης. Για παράδειγμα, οι διαπερατές σωλήνες εντός των αντηχείων είναι σχεδιασμένοι ειδικά για να συντονίζονται με συγκεκριμένες στροφές του κινητήρα, ώστε να εξουδετερώνουν τους ανεπιθύμητους ήχους μέσω ενός φαινομένου που ονομάζεται «καταστροφική συμβολή». Με αυτό τον τρόπο μειώνεται ο θόρυβος κατά 8 έως 12 δεκαδικά (dB), ενώ ταυτόχρονα διατηρείται η ομαλή ροή των καυσαερίων. Για τους μεγάλους κινητήρες V8, οι οποίοι τείνουν να παράγουν βαρύ θόρυβο σε χαμηλές στροφές, χρησιμοποιούνται ειδικές κοιλότητες Helmholtz. Αυτές οι κοιλότητες είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικές στην αντιμετώπιση του ενοχλητικού βαρύτονου θορύβου χαμηλών συχνοτήτων, τον οποίο οι περισσότεροι οδηγοί απεχθάνονται. Η λειτουργία αυτών των σιλεντσέρ βασίζεται σε πολύπλοκες εσωτερικές δομές που καθοδηγούν τα καυσαέρια με ακρίβεια, διασφαλίζοντας ότι οι σημαντικές πιεστικές παλμικές διαταραχές διέρχονται και βοηθούν στον καθαρισμό των κυλίνδρων με τον κατάλληλο τρόπο. Δοκιμές έχουν δείξει ότι αυτά τα συστήματα παραμένουν εντός των νομικών ορίων θορύβου (περίπου 95 dB), ενώ επιτρέπουν τη διέλευση του 98 έως 99 τοις εκατό της ροής των καυσαερίων σε σύγκριση με ένα απλό ευθύ σωλήνα εξάτμισης. Τι σημαίνει αυτό για τους οδηγούς; Τα οχήματά τους διατηρούν ισχυρή απόδοση ισχύος ακόμα και υπό μέγιστη επιτάχυνση — ακριβώς αυτό που επιθυμούν οι λάτρεις της απόδοσης από τα οχήματά τους.
Το βέλτιστο σύστημα εξάτμισης εξισορροπεί τις ρυθμιστικές απαιτήσεις με την απόδοση, συνδυάζοντας στρατηγικά καταλύτες χαμηλής αντίστασης και σιλαντέρ που έχουν ρυθμιστεί ακουστικά.
EN