Að nýta útgangshækkunarkerfið á bestan hátt þýðir að jafna þrjá aðalþætti sem oft vinnast gegn hverjum öðrum. Til að upná góða streymiseinkunn þurfum við að halda afturþrýstingnum lágt með því að nota jafna bogana og rör af réttri stærð. Þegar er of mikil takmörkun fellur aflin um 3–5% fyrir hvert viðbótarlíbund (pound per square inch), sem kemur frá rannsóknum SAE árið 2022. Svo er til komið hitavandamálið. Hitastig útgangsins getur náð yfir 1.200 gráðum Fahrenheit (um 650°C), svo framleiðendur verða að nota efni eins og 409 rostfritt steypujárn og setja inn viðeigandi hitaskjöld til að koma í veg fyrir skemmdir á nágrannahlutum. Rýmið er annað vandamál alveg fyrir sig. Í daglegum bílum eru vélarúmin mjög þjöppuð, sem gerir það erfitt að setja samleitara á réttan stað og setja inn hljóðdæmifæri á réttan hátt. Og ef einhver vill líka ákveðna innblásturskerfi? Þá bætist enn meiri vandamál við, því nú verður að sameina túbínuskrín án þess að missa gólfskýlisástand á öðrum stað á bílnum.
Flestar bílafyrirtæki nota gegnskýrðar járnhráefni-útgáfur þegar þeir framleiða bíla í stórum magni, vegna þess að þær styra hljóði og titringum betur en aðrar kostlausnir. Þessar útgáfur eru einnig með innbyggða staði fyrir katalýtíska ræsir og spara 40–60 prósent miðað við ræsir með reikjaformu. Formið á rásunum hjálpar til við að auka snúninginn við lægri viftuhraða, sem er mjög mikilvægt fyrir venjulega götuför. Áhugamenn um afköst velja oft ræsir með reikjaformu í staðinn. Þessar ræsir virka öðruvísi með því að búa til tegund af dregiforssi í reikjunum sem dregur út eyðilagða loftið hraðar og gefur um 6–8 prósent meiri afl í miðsvæðinu samkvæmt nýlegum rannsóknum. En það er einnig veikur punktur. Ræsir með reikjaformu láta meira hita út og því er aukaverkun á hitanotkun nauðsynleg. Þær geta einnig valdið vandamálum við útsláttaprófun ef súrefnisgeislararnir eru ekki settir á réttan stað. Fyrir þá sem vinna með takmarkaðar fjármagnsáætlanir geta stuttar ræsir samt veitt nokkur bætibætir án þess að þurfa að breyta staðsetningu allra hluta á vélinni.
Til að ákvarða hvaða tegund útlokastraums virkar best skoða verkfræðingar hversu mikið loft vélina tekur inn í raun þegar hún framleiðir hámarksþrýsting. Þessi reikningur felur í sér að taka rúmmál vélarinnar í cubic inches (cubic inches) og margfalda það með snúningum á mínútu (RPM), svo deila öllu með 3.456. Eftir það kemur stillingaráhlutinn sem byggir á rúmmálsárangur (volumetric efficiency), sem er venjulega á bilinu 75%–85% fyrir vélar án áþrýstings. Tökum dæmi úr veruleikanum: ef við höfum 350 cubic inch vél sem keyrir við 5.000 RPM með um 80% árangri, þá þarf hún um það bil 405 cubic feet per minute (cubic feet per minute) af loftstraumi. Hvað gerist með þvermál rörsins er líka mjög mikilvægt. Rör sem eru of smá veldur þrýstingssamruna því gasin geta ekki flætt út nógu hratt þegar hraðinn fer yfir 350 fet á sekúndu. Á hinn bóginn, ef rörið er of stórt missum við einhverja af ágóðavertum útsugueffektum þegar hraðinn lækkar undir 250 fet á sekúndu. Flestir verkmenn ráða til að nota rör með þvermál á bilinu 2,5–3 tommur fyrir venjulegar V8 uppsetningar við þessa loftstraumstig til að halda straumnum í réttum hlutum.
Þegar kemur að útloka kerfum er mikill munur eftir því hvaða tegund af vél er á skilaboðum. Tökum til dæmis þessar stóru V8 vélar með náttúrulegri innblásturskerfi. Þær þurfa miklu stærri rör, um 3–3,5 tommur í þvermál, bara til að geta unnið með allt það útloki sem kemur úr slíkum stórum rúmmálsvélum. Dæmi um þetta er 6,2 lítra LS3 vélin sem keyrir við 6.500 snúninga á mínútu og þarf um 590 cubic feet (cuf) af loftstraumi á mínútu í gegnum kerfið. Með fjórglugga vélum með túbóhlöðu virka hlutirnir hins vegar alveg annað hvort. Hvernig þessar vélar virka er í raunalíku áhugavert – útlokin dreifir fyrst túbóhlöðuna áður en það fer jafnvel út úr vélinni, svo eftir túbóhlöðuna getum við notað miklu minni rör, venjulega á bilinu 2,25–2,75 tommur. Það sem gerir þetta mögulegt er að sjálfa túbóhlöðuna myndar einhvers konar „bottleneck“-áhrif, sem minnkar magnið af útloka sem þarf að fara í gegnum restina af kerfinu. Vegna þessarar takmarkanar geta framleiðendur byggt miklu þéttari útloka kerfi án þess að missa ávöxtun, þar sem þeir halda ávallt hærri þrýstingi rétt á undan túbóhlöðunni, þar sem það er mest mikilvægt fyrir afköst.
Að ná góðri útloka á lofti (exhaust scavenging) er mjög háð því að velja rétta lengd og þvermál á fyrstu rörunum (primary tubes) fyrir þann snúningstímabil sem vélvenjulega starfar í. Það besta þvermálið byggir á því að finna jafnvægi milli hraða útloka loftsins og andspennu. Minni rör hækka hraðann miklu sem hjálpar við lægri snúningstímabil þegar útloka á lofti er mest nauðsynleg, en ef rörin eru of smá veldur það aukinni andspennu. Á hinn bóginn leyfa stærri rör meiri loftrás við hærra snúningstímabil en þau gerðu brot á aflinu við lægri snúningstímabil. Lengd fyrstu röruna er líka mikilvæg því hún ákvarðar hvenær þrýstibylgjurnar komast á ákveðin stað. Langari rör flytja raunverulega bestu útlokuáhrifin niður í lægri snúningstímabil. Flestir sem hvetja vélina til umkringa 5.000 rpm finna að rör sem mæla um 28 til 32 tommur virka frekar vel því þau mynda neikvæðar þrýstibylgjur nákvæmlega þegar útlokaopnarnar byrja að opnast. Allt þetta virkar takmarkalaust vegna þess sem Bernoulli komst að áður á tímum um það hvernig fljótandi efni sem hreyfa sig hratt mynda svæði með lágri þrýstingi sem draga önnur efni með sér. Og ekki má gleyma hitastjórnunni heldur. Titanhylur hjálpa til við að halda hlutunum nógu heitum svo að þrýstibylgjurnar halda áfram að vera sterkar í stað þess að losna of hratt.
Þegar litið er á mismunandi stærðir á primærrörunum eru greinilegar afköstamunir sem verður að taka eftir. Á 2,0L þykkjuflæðisvélum sáum við að 1,75 tommu primærrör gáfu um 11% hærra miðsvalningu við um 3.500 rpm samanborið við venjulegu 2 tommu rörin. Af hverju? Hærra útgangshraði skógarins – um 312 fet á sekúndu í stað 265 – sem hjálpar betur við að losa eldsvoða skógarinn þegar klapparnar eru yfirlagðar. En hlutirnir breytast við hærra snúninga. Þegar ferð er framhjá 5.800 rpm minnka þessi stærri 2 tommu rör bakþrýstinginn um um 4 kPa, sem gefur næstum 5% meiri hámarkafrávirkni. Fyrir venjulega götuskeyti, þar sem hratt svar er mikilvægast, virka því smalari primærrör betur. Í ökutækjum fyrir keppnir virka hins vegar víðari rör betur. Eitthvað annað sem verkfræðingar þurfa að hafa í huga: að breyta lengd rörunnar hefur líka áhrif. Að stytta þessi 1,75 tommu rör um bara þrjá tommu færði svalningarlínuna upp um næstum 500 rpm samanborið við dynóprófunar niðurstöður okkar síðastliðna mánuði.
Afturþrýstingur vísar í raun til þess hversu mikla mótmæti skógarloftið á að standa frammi við þegar það reynir að fara út úr brennirýminu. Margir misskilja þetta um útgangshluta bíla. Í raun hjálpar lágt afturþrýstingur vélum að vinna betur, því það gerir því kleift að losna við skógarloftið fljótt, sem bætir bæði rýmningu (scavenging) og rýmlega ávöxtun (volumetric efficiency) innan sílindra. Ef hinsvegar er of mikil takmörkun, t.d. yfir umbert 40 kPa fyrir vélar með afl undir 50 kW, fer allt hratt niður. Ávöxtunin fellur um 2–5%, bensínið brennur of hratt og hitaða skógarloftið verður bara heitara og heitara, sem eyðir hlutum hraðar en þeir ættu að eyðast. Túrbólvélum finnst þetta sérstaklega óþægilegt, því hátt afturþrýstingur gerir því erfarið fyrir túrbinurnar að snúa upp rétt. Svissneska VERT-verkefnið setti þennan 40 kPa mark sem verkfræðingar skoða náið, og próf sýna að litlar vélar eru raunverulega meira viðkvæmar fyrir þessu vandamáli, því klapparnar þeirra opnast og loka ekki alveg rétt í rekstri. Með því að setja hluti eins og hljóðdæmifæri lengra frá vélhlutnum og tryggja að rörin séu ekki of þröng getur maður haldað afturþrýstingnum á stjórn án þess að missa þá ávinninginn af rýmningu sem við töluðum um áðan.
Í dag stjórna katalysatörum bæði útblástursstaðlarnir og virkni hráðskiptis í raun aðallega með frumþéttleika sínum, sem mælist í frumum á fermetra tomma (CPSI). Þegar við skoðum hærri CPSI-gildi á bilinu 600–900 verða þessar einingar virkar hraðar við köld upphafsræsingu, sem hjálpar til við að minnka upphaflega skaðlega útblástursefni. En það er líka viðbót við þetta, því aukinn frumfjöldi veldur meiri bakþrýstingi sem getur dregið niður hámarksafköst hráðskiptis um 3–5 prósent. Á hinn bóginn hafa katalysatörar sem eru hönnuðir fyrir betri loftstraum CPSI-gildi á bilinu 200–400. Þessi gerðir takmarka loftstrauminn minna marktækt, með um 15–20 prósent betri afköst, en þeir taka lengri tíma til að ná starfsheimildarhitastigi. Fyrir ökutæki þar sem afköst eru mikilvægust, velja verkfræðingar oft lægri CPSI-metaliði í samspili við nýjari þekjutekník. Þessi aðferð hjálpar til við að kompensera fyrir hægri hitun án þess að brjóta EPA-reglur og finna fjölhliða jafnvægi milli umhverfisábyrgðar og keyrslueiginleika.
| Frumþéttleiki (CPSI) | Ljósunartími | Áhrif bakþrýstis |
|---|---|---|
| 600–900 | Hraðari (≈45 sek) | Hátt (7–12 kPa) |
| 200–400 | Hægri (≥90 sek) | Lágt (3–5 kPa) |
Ný mufflur-techník er að breyta leikreglum þegar kemur til um að minnka hljóðvirkni vélar án þess að skemma virkni útloka kerfisins. Taktu til dæmis þá holguðu rör inni í gálgahólum – þau eru raunverulega stillt til að passa við ákveðna hraða vélar svo hægt sé að eyða óþægilegum hljóðum með því sem kallað er „afhverfandi áhrif“. Þetta lækkar hljóðstyrkinn um 8–12 decibel en heldur samt útlokaflæðinu jafnt og óbreytt. Fyrir þær stóru V8-vélar sem hafa tilhalds að grumba á lágum hraða koma sérstök Helmholtz-rými í leik. Þessi rými eru mjög snjall á að takast á við þann óþægilega lágfrekventa hljóðskræðu sem flestir hafa á móti. Hvernig þessar mufflur virka byggir á nokkuð flóknum innri uppbyggingum sem leiða útloka-gasina nákvæmlega rétt, þannig að mikilvægar ýtrispulsar geti ferðast í gegnum kerfið til að hjálpa við að hreinsa sílindra rétt. Próf hafa sýnt að þessi kerfi halda sig vel innan löglega hámarks hljóðstyrks (um 95 dB) en leyfa samt um 98–99 prósent útlokaflæðis í samanburði við beint rörkerfi. Hvað þýðir þetta fyrir ökumenn? Bílarnir þeirra halda áfram að veita sterkan aflaflytjandi jafnvel þegar ákvarðað er að reyna allt út, sem er nákvæmlega það sem afköstamálar eru að leita að í bílunum sínum.
Óttaður útgangshljóðkerfi samræmir reglugerðarkröfur við afköst með því að velja ákvörðuðum hátt lágáhrifavirkar katalysatora og hljóðlaga stillta hljóðdæmifæri.
EN