Å få mest mulig ut av et avgassystem betyr å balansere tre hovedfaktorer som ofte virker mot hverandre. For god strømningseffektivitet må vi holde tilbakedtrykket lavt ved å bruke glatte buer og rør med riktig dimensjon. Når det er for mye begrensning, reduseres effekten med ca. 3–5 % for hver ekstra pund per kvadratomtom (dette er basert på SAEs forskning fra 2022). Deretter har vi varmeproblemet. Avgastemperaturen kan overstige 1 200 grader Fahrenheit (ca. 650 grader Celsius), så produsentene må bruke materialer som 409 rustfritt stål og montere passende varmeskjermer for å unngå skade på nærliggende komponenter. Plass er et helt annet problem. Moderne biler har i dag svært trange motorrom, noe som gjør det utfordrende å plassere samleledninger der de skal være og montere demperne korrekt. Og hvis noen også ønsker tvungen innblåsing? Da oppstår enda flere problemer, for nå må turbinhusene integreres uten å ofre bakkenavstand andre steder på kjøretøyet.
De fleste bilprodusenter bruker grytejernsutløpsmanifolder når de bygger biler i stor skala, fordi de kontrollerer støy og vibrasjoner bedre enn andre alternativer. I tillegg er disse manifoldene utstyrt med integrerte monteringssteder for katalysatorer og kan spare mellom 40 og 60 prosent sammenlignet med tubulære utløpsmanifolder (headers). Formen på de enkelte rørene bidrar til økt dreiemoment ved lavere omdreininger, noe som er svært viktig for vanlig gatekjøring. Ytelsesorienterte entusiaster velger ofte tubulære utløpsmanifolder i stedet. Disse fungerer annerledes ved å skape en slags vakuumvirkning gjennom rørene, som trekker ut avgassene raskere og gir ca. 6–8 prosent mer effekt i midtområdet, ifølge nyere studier. Men det er en ulempe: utløpsmanifolder slipper ut mer varme, så ekstra kjøling er nødvendig. De kan også føre til problemer under utslippskontroller, med mindre oksygensensorer plasseres nøyaktig riktig. For personer med begrensede budsjett kan kortere utløpsmanifolder (shorty headers) fortsatt gi noen forbedringer uten at det er nødvendig å endre monteringspunktene på motoren.
For å finne ut hvilken type utslippsstrøm som fungerer best, ser ingeniører på hvor mye luft motoren faktisk trekker inn når den produserer maksimal dreiemoment. Utregningen innebærer å ta motorens slagvolum i kubikktommer og multiplisere dette med omdreininger per minutt (RPM), deretter dele hele resultatet på 3 456. Deretter kommer justeringsfaktoren basert på volumetrisk virkningsgrad, som vanligvis ligger mellom 75 % og 85 % for motorer uten påtvungen innblåsing. La oss ta et praktisk eksempel: Hvis vi har en motor på 350 kubikktommer som kjører ved 5 000 RPM med ca. 80 % virkningsgrad, vil den trenge omtrent 405 kubikkfot per minutt luftstrøm. Rørdiameteren er også svært viktig. For smale rør bygges det opp trykk, fordi gassene ikke kan strømme ut raskt nok når hastigheten overstiger 350 fot per sekund. På den andre siden fører for store rør til tap av den nyttige «scavenging»-effekten når hastighetene faller under 250 fot per sekund. De fleste mekanikere anbefaler å velge en diameter mellom 2,5 og 3 tommer for typiske V8-konfigurasjoner ved disse luftstrømnivåene, for å sikre optimal strømning.
Når det gjelder utslippsanlegg, er det ganske stor forskjell avhengig av hvilken type motor vi snakker om. Ta for eksempel de store V8-motorene med naturlig innsugning. De krever mye større rør, ca. 3–3,5 tommer i diameter, bare for å håndtere all den avgassen som kommer ut fra slike motorer med stort slagvolum. Et godt eksempel er 6,2-liters LS3-motoren som går med 6 500 omdreininger per minutt og som trenger ca. 590 kubikkfot luftstrøm per minutt gjennom systemet. Med turboopplastede firedslagsmotorer fungerer ting imidlertid helt annerledes. Hvordan disse fungerer er faktisk ganske interessant – avgassen driver først turbooppladingsenheten før den til og med forlater motoren, så etter turboen kan vi klare oss med mye mindre rørdiametre, typisk mellom 2,25 og 2,75 tommer. Det som gjør dette mulig, er at selve turboen skaper en slags flaskehals-effekt, som reduserer mengden avgass som faktisk må gå gjennom resten av systemet. På grunn av denne begrensningen kan produsenter bygge mye mer kompakte utslippsanlegg uten å ofre på tilsvarende effektnivåer, siden de bevisst opprettholder høyere trykk rett før turbinen – der det er mest avgjørende for ytelsen.
Å oppnå god utslippsrensing (scavenging) avhenger i stor grad av å velge riktige dimensjoner for de primære rørene, basert på det omdreiningsområdet der motoren vanligvis opererer. Den optimale diameteren bestäms av balansen mellom utslippsgassens hastighet og tilbakedtrykket. Små rør øker virkelig gasshastigheten, noe som er til hjelp ved lavere omdreininger der rensevirkningen er mest nødvendig, men blir rørene for smale, stiger tilbakedtrykket. På den andre siden tillater større rør mer luftstrøm ved høyere omdreininger, men ofrer noe av ytelsen ved lave omdreininger. Også lengden på de primære rørene er viktig, siden den styrer tidspunktet for når trykbølgene treffer. Lengre rør skyver faktisk den beste rensevirkningen ned i lavere omdreiningsområder. De fleste som har som mål ca. 5 000 omdr/min finner at rør med en lengde på ca. 28–32 tommer fungerer ganske bra, fordi de skaper negative trykbølger akkurat idet utslippsventilene begynner å åpne seg. Hele dette prinsippet fungerer takket være Bernoullis oppdagelse fra lenge siden om hvordan hurtigflytende væsker skaper områder med lavt trykk som «suger» med seg annet materiale. Og ikke glem heller varmehåndteringen: Titanomviklinger hjelper til å holde temperaturen høy nok, slik at trykbølgene beholder sin styrke i stedet for å svekkes for raskt.
Når man ser på ulike primærrørstørrelser, er det tydelige ytelsesforskjeller som bør merkes. På 2,0L turbo-motorer fant vi at 1,75-tommers primærrør ga omtrent 11 % økning i midtomslagsdreiemoment rundt 3 500 rpm sammenlignet med standard 2-tommers rør. Årsaken? Høyere utslippsgasshastighet – ca. 312 fot per sekund i stedet for 265 – noe som hjelper til å fjerne forbrente gasser bedre når ventilenes åpning overlapper. Men situasjonen endrer seg ved høyere omdreininger. Når man går forbi 5 800 rpm, reduserer de større 2-tommers rørene faktisk trykkfall med ca. 4 kPa, noe som resulterer i nesten 5 % mer maksimal effekt. Derfor fungerer smalere primærrør bedre ved vanlig gatekjøring, der rask respons er viktigst. Sporvogner presterer imidlertid bedre med bredere rør. En annen ting som ingeniører må ta hensyn til: justering av lengden har også betydning. Ved å forkorte de 1,75-tommers rørene med bare tre tommer, skiftet dreiemomentskurven opp med nesten 500 rpm i henhold til våre dynamometertester forrige måned.
Tilbakedtrykk refererer i prinsippet til hvor mye motstand utslippsgassene møter når de prøver å forlate forbrenningskammeret. Mange mennesker forstår feil om utslippsanlegg. Faktisk hjelper det motorene å kjøre bedre å holde tilbakedtrykket lavt, fordi det lar gassene slippe ut raskt, noe som forbedrer både spylning og volumetrisk virkningsgrad i sylindrene. Men hvis det er for mye begrensning – for eksempel over ca. 40 kPa for motorer med effekt under 50 kW – begynner ytelsen å falle raskt. Effekten reduseres med ca. 2 % til kanskje 5 %, drivstoffet brennes fortere enn nødvendig, og de varme utslippsgassene blir bare varmere og varmere, noe som fører til raskere slitasje på komponenter enn det som er normalt. Turboladete motorer føler virkelig konsekvensene her, siden høyt tilbakedtrykk tvinger turbinen til å jobbe hardere for å nå riktig omdreining. Det sveitsiske VERT-programmet har satt 40 kPa som en grenseverdi som ingeniører ser nøye på, og tester viser at små motorer faktisk har større problemer med denne utfordringen, fordi ventilenes åpning og lukking ikke skjer helt optimalt under driften. Å plassere komponenter som dempere lenger unna motorblokken og sikre at rørene ikke er for smale, hjelper til å holde tilbakedtrykket innenfor akseptable grenser uten å miste de fordeler med spylning vi nevnte tidligere.
Katalysatorer i dag håndterer både utslippskrav og motorprestasjoner hovedsakelig gjennom sin cellefordeling, som måles i celler per kvadratom (CPSI). Når vi ser på høyere CPSI-verdier mellom 600 og 900, starter disse enhetene raskere ved kalde oppstart, noe som hjelper til å redusere de innledende skadelige utslippene. Men det er også en avveining her, siden denne økte cellefordelingen skaper mer mottrykk, noe som kan redusere maksimalt hestekrefter med ca. 3–5 prosent. På den andre siden har katalysatorer som er designet for bedre luftstrøm typisk CPSI-verdier mellom 200 og 400. Disse modellene begrenser luftstrømmen mindre betydelig – muligens med en forbedring på ca. 15–20 prosent – selv om de tar lengre tid å nå driftstemperatur. For kjøretøyer der ytelse er viktigst, velger ingeniører ofte materialer med lavere CPSI kombinert med nyere belagningsteknologier. Denne fremgangsmåten hjelper til å kompensere for langsommere oppvarming uten å bryte EPA-reglene, og sikrer en fin balanse mellom miljøansvar og kjøredynamikk.
| Celletetthet (CPSI) | Oppvarmingstid | Trykkfall på utløpsiden |
|---|---|---|
| 600–900 | Raskere (ca. 45 s) | Høy (7–12 kPa) |
| 200–400 | Langsommer (≥90 s) | Lav (3–5 kPa) |
Ny mufflerteknologi endrer reglene når det gjelder å redusere motorstøy uten å påvirke hvordan utslippsystemet fungerer. Ta for eksempel de perforerte rørene inne i resonatorer – de er faktisk justert til bestemte motorspeeder, slik at de kan kansellere uønsket støy ved hjelp av noe som kalles destruktiv interferens. Dette reduserer støynivået med ca. 8–12 desibel, men sikrer likevel en jevn og ubehindret utslippstrøm. For store V8-motorer, som ofte brummer ved lave hastigheter, tas spesielle Helmholtz-kammer i bruk. Disse kammrene er svært effektive mot den irriterende lavfrekvente dronen som de fleste hater. Hvordan disse mufflerne fungerer, involverer noen komplekse interne strukturer som leder avgassene nøyaktig riktig, og sikrer at viktige trykkpulser kommer gjennom for å hjelpe til med effektiv rensing av sylindrene. Tester har vist at disse systemene holder seg godt innenfor lovlige støynivåer (ca. 95 dB), samtidig som de tillater en utslippstrøm på ca. 98–99 prosent sammenlignet med en rett utslippsrør-konfigurasjon. Hva betyr dette for sjåførene? Bilene deres beholder en kraftfull ytelse også ved full gass – akkurat det som ytelserentusiaster forventer av sine kjøretøyer.
Det optimale utslippsystemet harmoniserer reguleringsskrav med ytelse ved strategisk å kombinere katalysatorer med lav motstand og akustisk avstemte dempere.
EN