Norint išgarinimo sistemos pasiekti maksimalų naudingumą, reikia subalansuoti tris pagrindinius veiksnius, kurie dažnai prieštarauja vienas kitam. Norint pasiekti gerą srauto efektyvumą, reikia išlaikyti žemą atpūzdį naudojant lygius lenkimus ir tinkamo skersmens vamzdžius. Kai pasipriešinimas per didelis, galia sumažėja apie 3–5 % už kiekvieną papildomą svarą kvadratiniame colyje (šią informaciją pateikė SAE tyrimas 2022 m.). Toliau kyla šilumos problema. Išmetamųjų dujų temperatūra gali viršyti 1200 °F (apytiksliai 650 °C), todėl gamintojams reikia naudoti tokias medžiagas kaip 409 nerūdijantis plienas ir įrengti tinkamus šilumos izoliacinius ekranus, kad būtų užkirstas kelias pažeidimams kitiems arti esantiems komponentams. Dar viena problema – vietos trūkumas. Šiuolaikiniuose automobiliuose šiandien variklių skyriai yra labai suspausti, todėl sunku teisingai įrengti kolektorius ir tinkamai sumontuoti slopintuvus. Be to, jei kažkas pageidauja priverstinio įsiurbimo? Tai sukelia dar daugiau sunkumų, nes dabar reikia integruoti turbinos korpusus, neprarandant automobilio žemės nuotolio kitoje jo vietoje.
Dauguma automobilių gamintojų masinėms gamybos automobilėms naudoja liejamojo geležies kolektorius, nes jie geriau kontroliuoja triukšmą ir vibracijas nei kitos galimos parinktys. Be to, šie kolektoriai turi įmontuotus vietos katalizatorių montavimui ir yra 40–60 procentų pigesni už galines kolektorines vamzdynų sistemas (angl. headers). Vamzdžių forma padeda padidinti sukimo momentą žemesniuose sūkių dažniuose, kas ypač svarbu įprastai miesto važiavimui. Našumo entuziastai dažnai renkasi vamzdynų tipo galines kolektorines sistemas (angl. tubular headers). Šios sistemos veikia kitaip – jų vamzdžiuose susidaro tam tikras vakuumo poveikis, kuris greičiau ištraukia išmetamąsias dujas ir, kaip rodo naujausi tyrimai, vidutiniame sūkių diapazone padidina galią apie 6–8 procentų. Tačiau čia yra viena problema: galinės kolektorinės sistemos leidžia išeiti daugiau šilumos, todėl reikia papildomos aušinimo sistemos. Taip pat jos gali sukelti problemų atliekant išmetamųjų dujų emisijų tyrimus, nebent deguonies jutikliai būtų įrengti tiksliai nurodytose vietose. Žmonėms, dirbantiems su ribotais biudžetais, trumpieji galiniai kolektoriniai vamzdynai (angl. shorty headers) vis tiek gali suteikti tam tikrų patobulinimų be reikalingumo keisti visų detalių tvirtinimo vietų variklyje.
Norėdami suprasti, koks išmetamųjų dujų srautas veikia geriausiai, inžinieriai tiria, kiek oro variklis iš tikrųjų įsiurbia, kai sukuria maksimalų sukimo momentą. Skaičiavimams naudojama variklio darbinis tūris kubiniais coliais, padaugintas iš apsukų per minutę, o gautas rezultatas padalijamas iš 3456. Po to taikomas koregavimo koeficientas, grindžiamas tūrinės naudingosios veiksmingumo verte, kuri paprastai svyruoja nuo 75 % iki 85 % varikliams be priverstinio įsiurbimo. Panagrinėkime praktinį pavyzdį: jei turime 350 kubinių colių variklį, dirbantį 5000 apsukų per minutę ir turintį apie 80 % naudingosios veiksmingumo vertę, jam reikėtų maždaug 405 kubinių pėdų per minutę oro srauto. Taip pat labai svarbu ir vamzdžio skersmuo. Per maži vamzdžiai sukelia slėgio kaupimąsi, nes dujos negali pakankamai greitai išsisklaidyti, kai jų greitis viršija 350 pėdų per sekundę. Kita vertus, per dideli vamzdžiai reiškia, kad prarandamas naudingasis išmetamųjų dujų išplėšimo (scavenging) poveikis, kai dujų srauto greitis nukrenta žemiau 250 pėdų per sekundę. Dauguma mechanikų rekomenduoja naudoti 2,5–3 colių skersmens vamzdžius tipiškoms V8 variklių konfigūracijoms šiuose oro srauto lygiuose, kad užtikrintų optimalų srautą.
Kai kalbama apie išmetimo sistemas, yra ganėtinai didelis skirtumas priklausomai nuo to, kokio tipo variklis naudojamas. Paimkime, pavyzdžiui, tuos didelius natūraliai įsiurbiamus V8 variklius. Jiems reikia daug didesnių vamzdžių – apie 3–3,5 colio skersmens – tik tam, kad būtų galima valdyti visą šią išmetamąją dujas, kurią sukuria tokie didelio darbinio tūrio varikliai. Gerą pavyzdį sudaro 6,2 litro LS3 variklis, dirbantis 6500 apsukų per minutę, kuriam reikia maždaug 590 kubinių pėdų per minutę oro srauto per sistemą. Visiškai kitaip veikia turboaušinti keturcylindriai varikliai. Jų veikimo principas iš tikrųjų yra gana įdomus – išmetamosios dujos pirmiausia suka turboaušintuvą dar prieš išeidamos iš variklio, todėl po turboaušintuvo galima naudoti žymiai mažesnio skersmens vamzdžius, paprastai nuo 2,25 iki 2,75 colio. Štai kas leidžia taikyti mažesnius vamzdžius: pats turboaušintuvas sukuria tam tikrą „susiaurėjimo“ efektą, sumažindamas kiekį išmetamųjų dujų, kurios turi praeiti per likusią sistemą. Dėl šios ribotos pralaidumo savybės gamintojai gali sukurti žymiai kompaktiškesnes išmetimo sistemas, vienu metu pasiekdami panašius galingumo rodiklius, nes sąmoningai palaiko aukštesnį slėgį ties pačiu turbinos įėjimu – ten, kur tai labiausiai svarbu našumui.
Gerai išmetimo dujų išsiurbimas labai priklauso nuo to, ar tinkamai parinkti pagrindinių vamzdžių matmenys atsižvelgiant į variklio veikimo apsukų diapazoną. Optimalus skersmuo nustatomas ieškant balanso tarp išmetamųjų dujų srauto greičio ir atgalinio slėgio. Mažesni vamzdziai žymiai padidina srauto greitį, kas ypač naudinga žemesnėse apsukose, kai išsiurbimas reikalingas labiausiai, tačiau per maži vamzdziai sukelia per didelį atgalinį slėgį. Kita vertus, didesni vamzdziai leidžia pratekti daugiau oro aukštesnėse apsukose, bet prarandama dalis žemojo galios diapazono našumo. Taip pat svarbus ir pagrindinių vamzdžių ilgis, nes jis nulemia, kada susidaro slėgio bangos. Ilgesni vamzdziai iš tikrųjų perkelia geriausią išsiurbimo efektą į žemesnes apsukas. Dauguma žmonių, kurie orientuojasi į apytiksliai 5000 apsukų/min ribą, nustato, kad vamzdziai, kurių ilgis yra apie 28–32 colius, veikia ganėtinai gerai, nes jie sukuria neigiamąsias slėgio bangas būtent tuo metu, kai pradeda atsidaryti išmetimo vožtuvai. Šis reiškinys veikia dėka Bernulio senovės atradimo apie tai, kaip greitai judantys skysčiai sukuria žemo slėgio zonas, kurios „traukia“ aplinkinius skysčius ar dujas. Taip pat nepamirškite ir šilumos valdymo: titano apvyniojimai padeda išlaikyti pakankamai aukštą temperatūrą, kad slėgio bangos išliktų stiprios, o ne išsisklaidytų per greitai.
Kai vertinami skirtingi pirminių vamzdžių dydžiai, pastebimi aiškūs našumo skirtumai. 2,0 L turbo varikliuose nustatėme, kad 1,75 colio (44,45 mm) pirminiai vamzdziai suteikė apie 11 % didesnį vidurinės srities sukimo momentą aplink 3500 apsukų minutėje lyginant su standartiniais 2 colio (50,8 mm) vamzdžiais. Kodėl taip? Dėl greitesnio išmetamųjų dujų srauto – maždaug 312 pėdų per sekundę (95,1 m/s) vietoj 265 pėdų per sekundę (80,8 m/s), kas padeda geriau išvalyti išdegusias dujas, kai vožtuvai persidengia. Tačiau aukštesniuose apsukų režimuose situacija keičiasi. Viršijus 5800 apsukų minutėje, tie didesni 2 colio vamzdziai iš tikrųjų sumažina atgalinį slėgį maždaug 4 kPa, todėl maksimalus galios pajėgumas padidėja beveik 5 %. Taigi įprastiniam miesto eismui, kur svarbiausia greita reakcija, tinka siauresni pirminiai vamzdziai. O trasos automobiliai dažniausiai geriau veikia su platesniais vamzdžiais. Dar vienas dalykas, kurį inžinieriai turi turėti omenyje: ir vamzdžių ilgio reguliavimas taip pat turi įtakos. Pagal mūsų praėjusio mėnesio dinamometro bandymus net tris colių (76,2 mm) sutrumpinus 1,75 colio vamzdzius, sukimo momento kreivė pasislinko aukštyn beveik 500 apsukų minutėje.
Atgalinė slėgio kryptis esminiu požiūriu reiškia, kiek pasipriešinimo išmetamieji dujų srautai patiria, bandydami palikti degimo kamerą. Daugelis žmonių klaidingai supranta išmetimo sistemų veikimą. Iš tikrųjų kuo mažesnė yra atgalinė slėgio kryptis, tuo geriau veikia variklis, nes tai leidžia išmetamoms dujoms greitai išeiti, pagerinant tiek cilindruose vykstančią dujų nuvalymo (scavenging) procesą, tiek tūrinę naudingumo koeficientą. Tačiau jei pasipriešinimas per didelis – pavyzdžiui, viršytų apie 40 kPa varikliams, kurių galia mažesnė nei 50 kW, – našumas staigiai pradeda mažėti. Galia gali sumažėti nuo 2 % iki net 5 %, kuro sąnaudos padidėja, nes jis deginamas greičiau, nei reikia, o karštos išmetamosios dujos dar labiau įkaista, dėl ko komponentai susidėvi greičiau, nei turėtų. Turboaukštintiems varikliams ši problema ypač akivaizdi, nes didelė atgalinė slėgio kryptis priverčia jų turbinais dirbti sunkiau, kad būtų pasiektas reikiamas sukimosi dažnis. Šveicarijoje vykdoma VERT programa nustatė 40 kPa ribą kaip vieną iš pagrindinių parametrų, kurį inžinieriai turi atidžiai stebėti; tyrimai rodo, kad maži varikliai šia problema kenčia dar labiau, nes jų vožtuvai eksploatacijos metu ne visada atsidaro ir užsidaro tinkamai. Komponentų, tokių kaip silikatiniai slopintuvai, įrengimas kuo toliau nuo variklio bloko bei vengimas per siaurų išmetimo vamzdelių padeda palaikyti priimtiną atgalinę slėgio kryptį, nepažeidžiant anksčiau minėtų dujų nuvalymo privalumų.
Šiandien kataliziniai konvertoriai valdo tiek išmetamųjų teršalų normas, tiek variklio našumą daugiausia dėl savo ląstelių tankio, kuris matuojamas ląstelėmis viename kvadratiniame colyje (CPSI). Kai žvelgiame į aukštesnius CPSI rodiklius – nuo 600 iki 900, – šie įrenginiai greičiau pasiekia veikimo temperatūrą šaltuoju paleidimu, todėl sumažinama pradinių pavojingų išmetamųjų teršalų kiekis. Tačiau čia taip pat yra kompromisas: padidėjęs ląstelių skaičius sukuria didesnį atgalinį slėgį, dėl kurio maksimalus galios našumas gali sumažėti apie 3–5 procentų. Kita vertus, kataliziniai konvertoriai, suprojektuoti geriau praleisti orą, paprastai turi CPSI reikšmes nuo 200 iki 400. Šie modeliai mažiau riboja oro srautą – galima pasiekti apytiksliai 15–20 procentų pagerėjimą, nors jiems ilgiau užtrunka pasiekti darbinę temperatūrą. Transporto priemonėse, kur našumas yra svarbiausias, inžinieriai dažnai pasirenka žemesnio CPSI medžiagas kartu su naujausiomis dengimo technologijomis. Toks požiūris padeda kompensuoti lėtesnį įšilimą, nepažeisdami JAV Aplinkos apsaugos agentūros (EPA) reglamentų ir išlaikydamas subtilų pusiausvyrą tarp aplinkosauginės atsakomybės ir važiavimo dinamikos.
| Ląstelių tankis (CPSI) | Užsidegimo laikas | Atgalinio slėgio poveikis |
|---|---|---|
| 600–900 | Greitesnis (≈45 s) | Aukštas (7–12 kPa) |
| 200–400 | Lėtesnis (≥90 s) | Žemas (3–5 kPa) |
Nauja auspicio technologija keičia žaidimo taisykles, kai reikia sumažinti variklio triukšmą, nepažeidžiant išmetamosios sistemos veikimo. Paimkime tuos skylėtus vamzdelius vidiniuose rezonatoriuose – jie iš tikrųjų suprojektuoti taip, kad atitiktų tam tikrus variklio sūkius, todėl gali pašalinti netikėtus garsus naudodami reiškinį, vadinamąjį žalingąjį interferenciją. Tai sumažina triukšmo lygį apie 8–12 decibelų, tačiau išmetamosios dujos vis tiek laisvai tekėja. Dideliems V8 varikliams, kurie dažnai dunda esant žemesniems sūkiams, pritaikomos specialios Helmholtzo kamerų sistemos. Šios kameros ypač efektyviai pašalina nemalonų žemo dažnio „dūzgėjimą“, kurio dauguma žmonių nekenčia. Šių auspicių veikimo principas remiasi sudėtingomis vidinėmis konstrukcijomis, kurios tiksliai nukreipia išmetamąsias dujas, užtikrindamos, kad svarbios slėgio impulsai pasiektų cilindrus ir tinkamai juos išvalytų. Bandymai parodė, kad šios sistemos gerai atitinka teisėtus triukšmo ribojimus (apie 95 dB), tuo pat metu leisdamos per savo vidų išleisti apie 98–99 procentus išmetamųjų dujų palyginti su tiesiu vamzdeliu. Ką tai reiškia vairuotojams? Jų automobiliai išlaiko stiprią galią net pilnai spaudžiant akceleratorių – būtent tokį rezultatą našumo entuziastai ir tikisi iš savo transporto priemonių.
Optimali išmetimo sistema derina reglamentinius reikalavimus su našumu strategiškai derindama mažo pasipriešinimo katalizatorius ir akustiškai sureguliuotus slopintuvus.
EN