Získanie maximálneho výkonu z výfukového systému znamená vyváženie troch hlavných faktorov, ktoré sa často navzájom vylučujú. Pre dobrú účinnosť pri preteku potrebujeme udržiavať nízky spätný tlak pomocou hladkých ohybov a potrubí vhodného priemeru. Ak je obmedzenie príliš veľké, výkon klesá približne o 3 až 5 % za každý ďalší librá na štvorcový palec (tieto údaje pochádzajú z výskumu SAE z roku 2022). Potom je tu problém s teplom. Teplota výfuku môže presiahnuť 1 200 °F (približne 650 °C), preto výrobcovia musia používať materiály, ako je napríklad nehrdzavejúca oceľ triedy 409, a inštalovať vhodné tepelné clony, aby sa zabránilo poškodeniu susedných komponentov. Úplne iným problémom je priestor. Dnešné automobily majú veľmi tesné motorové priestory, čo komplikuje umiestnenie kolektorov na správne miesto a správne namontovanie výfukových tlmičov. A ak niekto navyše žiada aj nútené plnenie? To prináša ešte viac komplikácií, pretože teraz je potrebné integrovať turbínové kryty bez toho, aby sa obetovala svetlá výška pod vozidlom niekde inde.
Väčšina výrobcov automobilov používa pri sériovej výrobe áut liatiny na výrobu výfukových kolektorov, pretože tieto materiály lepšie tlmenia hluk a vibrácie v porovnaní s inými možnosťami. Okrem toho tieto kolektory majú zabudované miesta na inštaláciu katalyzátorov a sú o 40 až 60 percent lacnejšie ako tubulárne kolektory. Tvar jednotlivých výfukových kanálov (tzv. runnerov) prispieva k zvýšeniu krútiaceho momentu pri nižších otáčkach motora, čo je pre bežné premávku po mestských a okresných cestách veľmi dôležité. Zážitkoví fanúšikovia výkonu často uprednostňujú tubulárne kolektory. Tieto kolektory fungujú inak – vytvárajú cez svoje rúry takzvaný efekt vákua, ktorý rýchlejšie vysáva výfukové plyny a podľa najnovších štúdií zvyšuje výkon v strednom rozsahu o približne 6 až 8 percent. Avšak existuje aj nevýhoda. Tubulárne kolektory umožňujú väčšiu stratou tepla, preto je potrebné dodatočné chladenie. Navyše môžu spôsobiť problémy pri emisných testoch, ak nie sú kyslíkové snímače umiestnené presne správne. Pre osoby s obmedzeným rozpočtom môžu krátke tubulárne kolektory (tzv. shorty headers) stále priniesť určité vylepšenia bez nutnosti úpravy miest montáže jednotlivých komponentov na motore.
Aby zistili, aký typ výfukového toku funguje najlepšie, inžinieri skúmajú, koľko vzduchu motor skutočne nasáva pri dosahovaní maximálneho krútiaceho momentu. Výpočet spočíva v tom, že sa objemový zdvih motora v kubických palcoch vynásobí otáčkami za minútu a celkový výsledok sa potom vydelí číslom 3 456. Následne sa uplatní korekčný faktor založený na objemovej účinnosti, ktorá u motorov bez nábehu obvykle kolíše medzi 75 % a 85 %. Uvažujme praktický prípad: ak máme motor s objemovým zdvihom 350 kubických palcov, ktorý beží pri 5 000 otáčkach za minútu s účinnosťou približne 80 %, potrebuje približne 405 kubických stôp vzduchu za minútu. Veľmi dôležitý je aj priemer výfukových rúr. Príliš malé rúry spôsobia nárast tlaku, pretože výfukové plyny sa nemôžu dostatočne rýchlo uniknúť, ak ich rýchlosť presiahne 350 stôp za sekundu. Na druhej strane, príliš veľký priemer viedol k strate prospešného efektu vyfukovania (scavenging), keď klesne rýchlosť plynu pod 250 stôp za sekundu. Väčšina mechanikov odporúča pre typické usporiadania V8 pri týchto prietokových rýchlostiach použiť rúry s priemerom medzi 2,5 a 3 palcami, aby sa dosiahla optimálna prietoková rovnováha.
Keď ide o výfukové systémy, rozdiely sú dosť výrazné v závislosti od toho, aký druh motora máme na mysli. Vezmime si napríklad veľké samonasávajúce V8 motory. Tie vyžadujú oveľa väčšie potrubia, priemerom približne 3 až 3,5 palca, aby mohli zvládnuť celé množstvo výfukových plynov vznikajúcich v takýchto veľkodobjových motoroch. Dobrým príkladom je 6,2-litrový motor LS3 bežiaci pri 6 500 otáčkach za minútu, ktorý potrebuje cez systém približne 590 kubických stôp vzduchu za minútu. Pri štvorvalcových turbomotoroch však veci fungujú úplne inak. Ich princíp činnosti je v skutočnosti veľmi zaujímavý – výfukové plyny najprv poháňajú turbodúchku ešte predtým, než opustia motor, a preto po turbodúchke môžeme použiť výrazne menšie priemery potrubia, zvyčajne medzi 2,25 a 2,75 palca. Toto je možné vďaka tomu, že samotná turbodúchka vytvára takzvaný efekt „úzkeho miesta“, čím sa zníži množstvo výfukových plynov, ktoré musia prejsť zvyškom systému. V dôsledku tejto obmedzujúcej funkcie môžu výrobcovia vyrábať výrazne kompaktnejšie výfukové systémy a zároveň dosiahnuť podobné výkonové úrovne, keďže zámerným spôsobom udržiavajú vyšší tlak tesne pred turbínou, kde je to pre výkon najdôležitejšie.
Dosiahnutie dobrého výfukového vyfukovania závisí v veľkej miere od správneho určenia rozmerov primárnych rúr pre ten rozsah otáčok (rpm), v ktorom sa motor zvyčajne prevádzkuje. Ideálny priemer rúr vyžaduje nájdenie rovnováhy medzi rýchlosťou výfukových plynov a spätným tlakom. Menšie rúry výrazne zvyšujú rýchlosť prúdenia, čo je výhodné pri nižších otáčkach, keď je vyfukovanie najviac potrebné; avšak ak sú rúry príliš malé, začne sa hromadiť spätný tlak. Naopak, väčšie rúry umožňujú väčší prietok vzduchu pri vyšších otáčkach, ale obetujú niektoré výkonové charakteristiky v nízkotučnom rozsahu. Dĺžka primárnych rúr tiež hraje dôležitú úlohu, pretože ovplyvňuje časovanie dopadu tlakových vĺn. Dlhšie rúry posúvajú optimálny efekt vyfukovania do nižších rozsahov otáčok. Väčšina ľudí, ktorí cieľujú približne na 5 000 rpm, zistí, že rúry s dĺžkou približne 28 až 32 palcov fungujú celkom dobre, pretože práve vtedy, keď sa začínajú otvárať výfukové ventily, vytvárajú tieto záporné tlakové vlny. Celý tento mechanizmus funguje vďaka objavu Bernoulliho, ktorý už pred veľmi dlhou dobu zistil, že rýchlo sa pohybujúce tekutiny vytvárajú oblasti nízkeho tlaku, ktoré „nasávajú“ okolité látky spolu s nimi. Nezabudnite ani na riadenie tepla: obalenie z titánu pomáha udržať dostatočne vysokú teplotu, aby tieto tlakové vlny zostali silné a nezoslabli príliš rýchlo.
Pri porovnávaní rôznych priemerov hlavných výfukových potrubí sa výrazne prejavujú rozdiely výkonu, ktoré stojí za to poznamenať. U 2,0-litrových turbo motorov sme zistili, že hlavné potrubia s priemerom 1,75 palca poskytujú približne o 11 % vyšší krútiaci moment v strednom rozsahu (okolo 3 500 ot/min) v porovnaní so štandardnými potrubiami s priemerom 2 palce. Prečo? Rýchlosť výfukových plynov je vyššia – približne 312 stôp za sekundu namiesto 265 – čo umožňuje lepšie odvádzanie spálených plynov v období prekrývania ventilov. Avšak pri vyšších otáčkach sa situácia mení. Nad 5 800 ot/min majú väčšie potrubia s priemerom 2 palce o 4 kPa nižší protitlak, čo sa prejaví takmer o 5 % vyšším maximálnym výkonom. Pre bežné jazdenie po meste, kde je najdôležitejšia rýchla reakcia motora, sa preto lepšie osvedčujú užšie hlavné potrubia. Naopak, autá určené na preteky dosahujú lepšie výsledky s širšími potrubiami. Iná vec, na ktorú si musia inžinieri dávať pozor: aj úprava dĺžky potrubí má vplyv. Podľa našich dynamometrických testov z minulého mesiaca skrátenie potrubí s priemerom 1,75 palca len o tri palce posunulo krútiaci moment do vyššieho rozsahu otáčok o takmer 500 ot/min.
Spätný tlak sa v zásade vzťahuje na to, aký veľký odpor výfukové plyny stretávajú pri pokuse o opustenie spaľovacej komory. Mnoho ľudí sa v tejto súvislosti mýli v prípade výfukových systémov. V skutočnosti nízky spätný tlak pomáha motorom lepšie pracovať, pretože umožňuje rýchle uniknutie plynov z horúcich spaľovacích priestorov, čím sa zlepšuje čistenie (scavenging) aj objemová účinnosť vo valcoch. Ak však dochádza k príliš veľkej obmedzenosti – napríklad nad približne 40 kPa u motorov s výkonom pod 50 kW – výkon sa začína rýchlo zhoršovať. Výkon klesá približne o 2 % až 5 %, palivo sa spaľuje rýchlejšie, ako je potrebné, a tieto horúce výfukové plyny sa stávajú ešte teplejšími, čo spôsobuje rýchlejšie opotrebovanie komponentov, než by bolo normálne. Turbovalcové motory tento problém pociťujú obzvlášť citlivo, pretože vysoký spätný tlak núti ich turbíny pracovať intenzívnejšie, aby sa správne rozbehli. Švajčiarsky program VERT stanovil hranicu 40 kPa ako kritickú hodnotu, na ktorú inžinieri veľmi pozorne upozorňujú, a testy ukazujú, že malé motory s týmto problémom trpia v skutočnosti viac, pretože ich ventily počas prevádzky nie sú schopné otvárať sa a zatvárať sa úplne správne. Umiestnenie komponentov, ako sú výfukové tlmiče, ďalej od bloku motora a zabezpečenie, aby neboli výfukové potrubia príliš úzke, pomáha udržať spätný tlak na riaditeľnej úrovni bez straty výhod čistenia (scavenging), o ktorých sme hovorili vyššie.
Katalyzátory dnes zvládajú predovšetkým emisné normy aj výkon motora hlavne prostredníctvom svojej hustoty buniek, ktorá sa meria v počte buniek na štvorcový palec (CPSI). Pri vyšších hodnotách CPSI v rozsahu od 600 do 900 sa tieto jednotky rýchlejšie zahrievajú po studenom štarte, čo pomáha znížiť počiatočné škodlivé emisie. Avšak tu vzniká aj kompromis: zvýšený počet buniek spôsobuje vyšší spätný tlak, ktorý môže znížiť maximálny výkon o približne 3 až 5 percent. Na druhej strane katalyzátory navrhnuté pre lepší prietok vzduchu zvyčajne majú hodnoty CPSI v rozsahu od 200 do 400. Tieto modely obmedzujú prietok vzduchu menej výrazne – možno až o 15 až 20 percent – avšak dosahujú prevádzkovú teplotu pomalšie. Pre vozidlá, kde je na prvom mieste výkon, inžinieri často uprednostňujú materiály s nižšou hodnotou CPSI v kombinácii s novšími technológiami povlakov. Tento prístup pomáha kompenzovať pomalšie zahrievanie bez porušenia predpisov EPA a umožňuje jemnú rovnováhu medzi environmentálnou zodpovednosťou a jazdnými vlastnosťami.
| Hustota buniek (CPSI) | Čas zapálenia | Vplyv protitlaku |
|---|---|---|
| 600–900 | Rýchlejšie (približne 45 s) | Vysoký (7–12 kPa) |
| 200–400 | Pomalšie (≥ 90 s) | Nízky (3–5 kPa) |
Nová technológia výfukových tlmičov mení pravidlá hry, keď ide o zníženie hluku motora bez toho, aby sa narušila funkcia výfukového systému. Vezmite si napríklad perforované rúrky vo vnútri rezonátorov – tieto sú v skutočnosti navrhnuté tak, aby zodpovedali určitým otáčkam motora, čím môžu rušiace zvuky eliminovať pomocou javu nazývaného deštruktívna interferencia. Tým sa úroveň hluku zníži približne o 8 až 12 decibelov, pričom výfukový plyn stále preteká hladko. U veľkých motorov V8, ktoré majú tendenciu hučať pri nižších otáčkach, sa uplatňujú špeciálne Helmholtzove komory. Tieto komory sú veľmi účinné pri potlačovaní otravného nízkofrekvenčného hučania, ktoré väčšina ľudí nenávidí. Spôsob, akým tieto tlmiče fungujú, zahŕňa zložité vnútorné štruktúry, ktoré presne smerujú výfukové plyny tak, aby dôležité tlakové impulzy mohli prejsť a pomohli tak správne vyčistiť valce. Testy ukázali, že tieto systémy sa nachádzajú výrazne v rámci právnych limitov hlučnosti (približne 95 dB) a zároveň umožňujú pretekať približne 98 až 99 percent výfukového plynu v porovnaní so systémom priameho výfuku. Čo to znamená pre vodičov? Ich vozidlá zachovávajú silný výkon aj pri plnom zaťažení, čo je presne to, čo od svojich áut očakávajú milovníci výkonu.
Optimálny výfukový systém harmonizuje regulačné požiadavky s výkonom prostredníctvom strategického spárovania katalyzátorov s nízkym odporom a akusticky naladených výfukových tlmičov.
EN