Säukestesüsteemi maksimaalse kasutamise saavutamine tähendab kolme peamise teguri tasakaalustamist, mis sageli toimivad vastuollu. Hea vooluefektiivsuse saavutamiseks tuleb tagasurve hoida madalal, kasutades siledaid paindeid ja õige suurusega torusid. Liiga suur takistus vähendab võimsust umbes 3–5% iga lisapoundi kohta ruuttolli kohta (see on SAE 2022. aasta uuringust). Siis tuleb arvesse võtta soojusprobleemi. Säukeste temperatuur võib tõusta üle 1200 °F (umbes 650 °C), mistõttu peavad tootjad kasutama näiteks 409-stainless-terast ja paigaldama sobivad soojuskaitsekilbid, et vältida kõrvuti asuvate osade kahjustumist. Ruumi küsimus on täiesti teine probleem. Tänapäevastes autodes on mootoriruumid väga kitsad, mistõttu on keeruline paigutada kogujad õigesse kohta ja sobitada mufflerid õigesti. Ja kui keegi soovib ka sundlaadimist? See teeb asjast veelgi keerulisema, sest nüüd tuleb turbiinikorpused integreerida ilma, et see mõjutaks autol muus kohas maapinnaga vahemaad.
Enamik autotootjaid kasutab massitootmises auto mootorite jaamade valmistamiseks valuraua, sest see kontrollib müra ja vibratsiooni paremini kui muud variandid. Lisaks on neil jaamadel olemas sisseehitatud kohad katalüsaatorite paigaldamiseks ning nad maksavad 40–60 protsenti vähem kui kollektorid. Torude kuju aitab suurendada pöördemomenti madalatel pöördearvudel, mis on tavalisele tänavasõidule väga oluline. Jõudlusehuvilised eelistavad sageli torukujulisi kollektoreid. Need toimivad teisiti: nende torudes tekib vaakumiefekt, mis tõmbab väljaegasid kiiremini ja annab viimaste uuringute kohaselt keskmises pöördearvuvahemikus umbes 6–8 protsenti rohkem võimsust. Kuid siin on ka üks probleem: kollektorid lasevad rohkem soojust lahti, seega on vajalik lisajahutus. Samuti võivad nad põhjustada probleeme heitkoguste testidega, kui hapnikusensorid pole täpselt õiges kohas. Inimestele, kes töötavad piiratud eelarvega, võivad lühikesed kollektorid siiski anda mõningaid parandusi ilma selleta, et tuleks muuta mootorile kõigi komponentide paigalduskohad.
Selleks, et välja selgitada, milline suitsu väljatõmbesüsteem sobib kõige paremini, analüüsivad insenerid seda, kui palju õhku mootor tegelikult sisse imab maksimaalse pöördemomendi saavutamisel. Arvutus toimub nii, et võetakse mootori töömaht kuup tollides ja korrutatakse see pöördearvuga minutis ning tulemus jagatakse 3456-ga. Seejärel rakendatakse täpsustuskoefitsient, mis põhineb ruumilisel tõhususel ja mis tavaliselt jääb mootoritel ilma sundlaadimiseta vahemikku 75–85%. Vaatleme praktilist näidet: kui meil on 350 kuuptolli suurune mootor, mis töötab 5000 pööret minutis ja mille ruumiline tõhusus on umbes 80%, siis vajab see ligikaudu 405 kuupjalga minutis õhuvoolu. Samuti on väga oluline ka toru läbimõõt. Liiga väikesed torud põhjustavad rõhu tõusu, kuna gaasid ei suuda piisavalt kiiresti välja põgeneda, kui nende kiirus ületab 350 jalga sekundis. Teisest küljest põhjustab liiga suur toru läbimõõt kiiruse languse alla 250 jalga sekundis ja seetõttu ka soovitud puhastusmõju kadumise. Enamik mehaanikuid soovitab selliste õhuvoolu tingimuste korral tüüpiliste V8-mootorite jaoks toru läbimõõduks 2,5–3 tolli, et tagada õige õhuvoolu regulaarsus.
Kui tegemist on äärmuslikult erinevate mootoritega, siis ka väljalaske süsteemides on suur erinevus. Võtmem näiteks suured loomulikult sissetõmbuvad V8-mootorid. Neile on vaja palju suuremaid torusid – umbes 3 kuni 3,5 tolli läbimõõduga – lihtsalt selleks, et suudelda kogu seda väljalaskegaasi, mis pärineb nii suure töömahuga mootoritest. Hea näide on 6,2-liitrine LS3-mootor, mis töötab 6500 pöörde minutis ja millele on vaja süsteemi kaudu umbes 590 kuupjalat õhuvoolu minutis. Turbolaetud neljasilindriliste mootorite puhul toimub aga kõik täiesti teisiti. Nende tööpõhimõte on tegelikult üsna huvitav – väljalaskegaas liigub esmalt turbiinaga juhtimiseks mootorist välja enne kui see üldse mootorist välja jõuab, seega pärast turbiini saame kasutada palju väiksemaid toru läbimõõduid, tavaliselt 2,25 kuni 2,75 tolli vahel. Seda võimaldab turbiin ise, mis loob kindla kitsenduse efekti ja vähendab sellega seda, kui palju väljalaskegaasi peab süsteemi ülejäänud osas läbi minema. Selle kitsenduse tõttu saavad tootjad ehitada palju kompaktemaid väljalaske süsteeme, samas saavutades sarnase võimsustaseme, kuna nad hoivavad rõhku intensiivselt kõrgemana just turbiini ees, kus see on jõudluse jaoks kõige olulisem.
Hea väljalaskepuhastuse saavutamine sõltub suuresti esmaste torude mõõtmete õigesti valimisest selle pöördearvu vahemiku jaoks, milles mootor tavaliselt töötab. Toru läbimõõdu ideaalne väärtus tuleneb tasakaalust väljalaskegaaside kiiruse ja tagasurve vahel. Väiksemad torud suurendavad kiirust oluliselt, mis aitab madalatel pöördearvudel, kui puhastus on kõige vajalikum, kuid liiga väikesed torud põhjustavad tagasurve tõusu. Teisalt võimaldavad suuremad torud suuremat õhuvoolu kõrgematel pöördearvudel, kuid ohverdavad osa madala pöördearvu jõudlust. Samuti on oluline esmaste torude pikkus, sest see määrab, millal rõhklained torusse jõuavad. Pikemad torud nihutavad parima puhastuse efekti tegelikult madalamatele pöördearvudele. Enamik inimesi, kes eesmärgiks on umbes 5000 p/min, leiab, et torud, mille pikkus on umbes 28–32 tolli, toimivad üsna hästi, kuna need teevad negatiivseid rõhklaineid just siis, kui väljalaskeklapid hakkavad avanema. Kogu see süsteem toimib Bernoulli seaduse põhjal, mille ta andis välja juba ammu ja mis ütleb, et kiiresti liikuvad vedelikud (või gaasid) loovad madala rõhu alasid, mis „süüvad“ kaasa teisi aineosi. Ärge unustage ka soojusjuhtimist. Tiitaniumpihid aitavad hoida torusid piisavalt kuumana, et rõhklained säiliks tugevad ja ei laguneks liiga kiiresti.
Erinevate esitöötorude suuruste analüüsimisel on selged tootmiseringid, mida tuleb silmas pidada. 2,0-liitrise turboaurikaga mootorite puhul nägime, et 1,75 tollise läbimõõduga esitöötorud andsid umbes 11% tõusu keskmises pöördemomendis ligikaudu 3500 min⁻¹ juures võrreldes standardsete 2 tolliste torudega. Miks? Kiirem väljaheitegaaside kiirus – umbes 312 jalga sekundis asemel 265 – aitab paremini eemaldada kasutatud gaase, kui ventiilid üle kattuvad. Kuid asjad muutuvad kõrgematel pöörduvustel. Üle 5800 min⁻¹ läbinud, vähendavad suuremad 2 tollised torud tagasurvet umbes 4 kPa võrra, mis annab peaaegu 5% rohkem tippvõimsust. Seega tavalisele tänavasõidule, kus olulisim on kiire reageerimisvõime, sobivad paremini kitsamad esitöötorud. Ringrajakarbide puhul aga annavad laiemad torud paremaid tulemusi. Samuti peaksid insenerid silmas pidama veel ühte asja: pikkuse muutmine mõjutab samuti tulemusi. Värgisime 1,75 tolliseid torusid viimasel kuu dünamomeetriliste testide järgi vaid kolme tolli võrra lühemaks ning see tõstis pöördemomendikõverat peaaegu 500 min⁻¹ võrra.
Tagasurve viitab põhimõtteliselt sellele, kui suur takistus on äärmiselt gaasidel, kui nad püüavad väljuda süttimiskambrist. Paljud inimesed eksivad selles küsimuses, mis puudutab äärmiselt süsteeme. Tegelikult aitab madal tagasurve mootoritel paremini töötada, kuna see võimaldab gaasidel kiiresti väljuvad, parandades nii tsüklite puhastust (scavenging) kui ka ruumalaefektiivsust silindrites. Kuid kui takistus on liiga suur – näiteks üle umbes 40 kPa mootoritel, mille võimsus on alla 50 kW – siis muutub olukord kiiresti halvemaks. Võimsus langeb umbes 2–5%, kütus põletatakse kiiremini, kui seda vajatakse, ja need kuumad äärmiselt gaasid muutuvad järjest soojemaks, mistõttu kuluvad komponendid kiiremini kui peaks. Turbolaetud mootorid tundevas probleemi eriti tugevalt, sest kõrgem tagasurve sunnib nende turbiine raskemini pöörlema. Šveitsi VERT-programm määras selle 40 kPa piiri mõõdupuuks, millele insenerid tähelepanu pööravad, ja katsete tulemused näitavad, et väiksemad mootorid kannatavad sellest probleemist tegelikult rohkem, kuna nende klappide avamine ja sulgemine ei toimu käigus täpselt nii, nagu peaks. Komponentide, näiteks müürkate, paigutamine kaugemale mootoriplokist ning torude läbimõõdu tagamine, et need ei oleks liiga kitsad, aitab tagasurvet haldatavaks pidada ilma kaotada eespool mainitud puhastus- (scavenging) eeliste.
Tänapäevased katalüütilised konverterid juhivad nii heitkoguste norme kui ka mootori jõudlust peamiselt oma rakukontsentratsiooni kaudu, mida mõõdetakse rakkude arvuna ruuttolli kohta (CPSI). Kui vaadata kõrgemaid CPSI-väärtusi vahemikus 600–900, siis hakkavad need seadmed kiiremini tööle minema külmalt käivitumisel, mis aitab vähendada esialgseid kahjulikke heitkoguseid. Siiski on sellega ka kaasas kompromiss, sest suurem rakkude arv teeb tagasurvest suuremaks ning see võib vähendada maksimaalset väntvõimsust umbes 3–5 protsendi võrra. Teisalt on katalüütilised konverterid, mille eesmärk on parandada õhuvoolu, tavaliselt varustatud CPSI-väärtustega vahemikus 200–400. Need mudelid takistavad õhuvoolu vähem oluliselt – võib-olla kuni 15–20 protsenti paremini –, kuid neil kulub rohkem aega töötemperatuuri saavutamiseks. Sõidukite puhul, kus prioriteediks on jõudlus, valivad insenerid sageli madalama CPSI-ga materjale koos uue pinnakatte tehnoloogiaga. See lähenemine aitab kompenseerida aeglasemat soojenemist ilma EPA-normide rikkumiseta ning tagada õhukesese tasakaalu keskkonnasäästlikkuse ja sõidudünaamika vahel.
| Rakkude tihedus (CPSI) | Valgus välja lülitamise aeg | Tagantrõhk mõju |
|---|---|---|
| 600–900 | Kiirem (≈45 s) | Kõrge (712 kPa) |
| 200–400 | Aeglasem (≥ 90s) | Väike (35 kPa) |
Uued müüridtehnoloogiad muudavad mängu, kui tegu on mootori müra vähendamisega ilma süsteemi tööd halvandamata. Näiteks on perforeritud torud resonatorites paigutatud nii, et nad vastavad teatud mootorikiirustele ja suudavad eemaldada soovimatuid helisid nii nimetatud destruktiivse interferentsi abil. See vähendab müranivoot 8–12 dB võrra, kuid säilitab siiski gaasivoolu väljatõmbesüsteemis sujuva. Suurte V8-mootorite puhul, mis tavaliselt rumblevad madalatel kiirustel, kasutatakse erilisi Helmholtzi kambrid. Need kambrid on väga tarkade lahendustega, et kõrvaldada see tüütav madalpikka drone, mida enamik inimesi ei salli. Selliste müüride tööpõhimõte põhineb keerukatel sisemistel struktuuridel, mis juhivad väljatõmbe gaase täpselt õiges suunas, tagades oluliste rõhkiirguste läbimise, et silindrid puhastuksid korralikult. Testid on näidanud, et need süsteemid jäävad hästi alla seaduslike müranivoo piiride (umbes 95 dB), samas kui väljatõmbe voolu läbilaskvus on umbes 98–99 protsenti sirge toru korral. Mida see tähendab juhtijatele? Nende autod säilitavad tugeva võimsuse ülekanne isegi täieliku aktseleratsiooniga – just seda ootavad oma sõidukestelt jõudluskärbetegijad.
Optimaalne väljatõstesüsteem ühendab regulaatorsete nõuete ja toorsoorituse, paigaldades strateegiliselt väikese takistusega katalüsaatoreid ja akustiliselt säästetud müraähituid.
EN