Če želimo iz izpušnega sistema iztakniti največ, moramo uravnotežiti tri glavne dejavnike, ki se pogosto nasprotujejo drug drugemu. Za dobro učinkovitost pretoka moramo omejiti nazadnji tlak z uporabo gladkih ovinkov in cevi ustrezne velikosti. Če je omejitev prevelika, se moč zmanjša za približno 3 do 5 % za vsak dodatni funt na kvadratni palec (to so ugotovili v raziskavi SAE leta 2022). Nato imamo še problem toplote. Temperatura izpušnih plinov lahko preseže 1.200 °F (približno 650 °C), zato proizvajalci morajo uporabljati materiale, kot je npr. nerjaveča jeklena lega 409, ter namestiti ustrezne toplotne ščite, da preprečijo poškodbe sosednjih komponent. Še en težaven dejavnik je prostor. Danes so motorne komore sodobnih avtomobilov izredno tesne, kar otežuje pravilno namestitev zbiralnikov in ustrezno vgradnjo glasnih dušilcev. In če nekdo želi še prisilno polnjenje? To povzroči še več težav, saj je potem treba integrirati ohišja turbine brez izgube prostora za prehod pod vozilom.
Večina proizvajalcev avtomobilov pri serijski izdelavi avtomobilov uporablja livene jeklene izpušne kolektorje, saj ti bolje nadzorujejo hrup in vibracije kot druge možnosti. Poleg tega ti kolektorji že vgrajujejo mesta za katalizatorje in zmanjšajo stroške za 40 do 60 odstotkov v primerjavi z glavnimi izpušnimi kolektorji (headers). Oblika posameznih izpušnih cevi poveča navor pri nižjih vrtljajih, kar je zelo pomembno za običajno vožnjo po mestnih cestah. Zanimanci za učinkovitost pogosto izbirajo cevaste glavne izpušne kolektorje (tubular headers). Ti delujejo drugače: s pomočjo vakuumskih učinkov v ceveh hitreje izsesavajo izpušne pline in po najnovejših raziskavah povečajo moč v srednjem območju za približno 6 do 8 odstotkov. Vendar obstaja past. Glavni izpušni kolektorji omogočajo večji izgubi toplote, zato je potrebno dodatno hlajenje. Prav tako lahko povzročijo težave pri preverjanju emisij, razen če so kisikovi senzorji nameščeni natančno na pravih mestih. Za tiste, ki delajo z omejenimi proračuni, lahko krajši glavni izpušni kolektorji (shorty headers) še vedno zagotovijo določene izboljšave, ne da bi bilo treba spreminjati namestitvenih točk vseh komponent na motorju.
Za ugotavljanje, kakšen pretok izpušnih plinov deluje najbolje, inženirji preučijo, koliko zraka motor dejansko zajame ob maksimalnem navoru. Pri izračunih se upošteva prostornina motorja v kubičnih palcih, ki se pomnoži z njegovimi obrati na minuto, nato pa se celotni rezultat deli z 3.456. Nato sledi prilagoditveni faktor, ki temelji na prostorninski učinkovitosti, ki običajno znaša med 75 % in 85 % za motore brez prisilne polnitve. Poglejmo si praktičen primer: če imamo motor s prostornino 350 kubičnih palcev, ki teče pri 5.000 vrt/min in ima učinkovitost približno 80 %, potrebuje približno 405 kubičnih čevljev zraka na minuto. Tudi velikost cevi igra pomembno vlogo. Preozke cevi povzročajo povečanje tlaka, saj plini ne morejo dovolj hitro zapustiti sistema, ko njihova hitrost preseže 350 čevljev na sekundo. Nasprotno pa prevelike cevi pomenijo izgubo koristnega učinka izpušnega sesanja, ko hitrost plinov pade pod 250 čevljev na sekundo. Večina mehanikov priporoča, da se pri tipičnih V8 nastavitvah pri takšnih pretokih zraka cilja na premer cevi med 2,5 in 3 palci, da se zagotovi optimalen pretok.
Ko gre za izpušne sisteme, je razlika precej velika, odvisno od tega, kakšen motor uporabljamo. Vzemimo na primer velike naravno polnjene V8 motorje. Ti potrebujejo znatno večje cevi, približno 3 do 3,5 palca v premeru, le da bi lahko učinkovito odvajali izpušne pline iz motorjev z veliko prostornino. Dobr primer je 6,2-litrski LS3 pri 6.500 vrtljajih na minuto, ki potrebuje približno 590 kubičnih čevljev zraka na minuto skozi sistem. Pri turbopogonih štiricilindričnih motorjih pa stvari delujejo povsem drugače. Način njihovega delovanja je dejansko zelo zanimiv – izpušni plini najprej poganjajo turbokompresor, šele nato zapustijo motor; zato lahko po turbokompresorju uporabimo znatno manjše premer cevi, običajno med 2,25 in 2,75 palca. To omogoča sam turbokompresor, saj ustvari nekakšen užen efekt, ki zmanjša količino izpušnih plinov, ki morajo še naprej potekati skozi ostali del sistema. Zaradi te omejitve proizvajalci lahko izdelajo znatno bolj kompaktno izpušno opremo, hkrati pa še vedno dosežejo podobne moči, saj namerno ohranjajo višji tlak neposredno pred turbino, kjer je to najpomembnejše za zmogljivost.
Dobro izpušno izčrpavanje je zelo odvisno od pravilne dolžine in premera primarnih cevi za tisti obseg vrtljajev, v katerem se motor običajno obratuje. Optimalen premer je rezultat uravnoteženja med hitrostjo izpušnih plinov in nazadnjo tlakom. Ožje cevi bistveno povečajo hitrost, kar je zelo koristno pri nižjih vrtljajih, ko je izčrpavanje najbolj potrebno; če so cevi pa preozke, se začne nabirati nazadnji tlak. Nasprotno pa širše cevi omogočajo večji pretok zraka pri višjih vrtljajih, vendar žrtvujejo del zmogljivosti na nizkih vrtljajih. Pomembna je tudi dolžina primarnih cevi, saj določa časovni trenutek, ko se tlakovne valove dosežejo. Daljše cevi dejansko premaknejo najbolj učinkovito izčrpavanje v nižji obseg vrtljajev. Večina ljudi, ki ciljajo na približno 5.000 vrtljajev na minuto, ugotovi, da cevi dolžine približno 28 do 32 palcev delujejo zelo dobro, saj ustvarjajo negativne tlakovne valove ravno v trenutku, ko se začnejo odpirati izpušne ventili. Celoten pojav temelji na zakonitostih, ki jih je že pred mnogo leti odkril Bernoulli, in sicer na tem, da hitro gibanje tekočin ustvarja območja nizkega tlaka, ki »sosede« snovi privlačijo zraven sebe. Ne pozabite tudi na upravljanje toplote: titanove obloge pomagajo ohraniti dovolj visoko temperaturo, da ostanejo tlakovni valovi močni in se ne razpršijo prehitro.
Pri primerjavi različnih premerov primarnih cevi so opazne jasne razlike v zmogljivosti. Pri motorjih z nadzduševanjem s prostornino 2,0 L smo ugotovili, da primarne cevi s premerom 1,75 palca povečajo navor v srednjem območju za približno 11 % okoli 3.500 vrtljajev na minuto v primerjavi s standardnimi cevmi s premerom 2 palca. Zakaj? Hitrejša hitrost izpušnih plinov – približno 312 čevljev na sekundo namesto 265 – kar omogoča učinkovitejše odstranjevanje izrabljenih plinov v času prekrivanja ventilov. Vendar se stvari spremenijo pri višjih vrtljajih. Ko se vrtljaji prekročijo 5.800 na minuto, večje cevi s premerom 2 palca zmanjšajo protitlak za približno 4 kPa, kar povzroči povečanje največje moči za skoraj 5 %. Zato za običajno vožnjo po mestu, kjer je ključnega pomena hitra odzivnost, delujejo bolje ožje primarne cevi. Za dirkalna vozila pa se pogosto bolje kažejo širše cevi. Še eno stvar, ki jo morajo inženirji upoštevati: tudi prilagoditev dolžine ima pomembno vlogo. Skrajšanje teh cevi s premerom 1,75 palca za le tri palce je po rezultatih naših dinamometričnih preskusov lani maja premaknilo krivuljo navora za skoraj pol tisoč vrtljajev na minuto navzgor.
Nazadnja tlak se v osnovi nanaša na to, koliko odpornosti izpušni plini srečajo pri izhodu iz zgorevalne komore. Mnogi ljudje pri izpušnih sistemih napačno razumejo ta pojem. Dejansko je ohranjanje nizkega nazadnjega tlaka koristno za delovanje motorjev, saj omogoča hitro izhajanje izpušnih plinov, kar izboljša tako izpušno čiščenje (scavenging) kot prostorninsko učinkovitost znotraj cilindrov. Če pa je omejitev prevelika – na primer nad približno 40 kPa pri motorjih z močjo pod 50 kW – se razmere hitro poslabšajo. Moč pada za približno 2 % do morda 5 %, gorivo se izgori hitreje, kot je potrebno, in ti vroči izpušni plini postajajo še vročejši, kar povzroča hitrejše obrabo delov. Turboškarpeljni motorji so tu še posebej občutljivi, saj visok nazadnji tlak turbinam otežuje zagon in ustrezno vrtitev. Švicijski program VERT je določil mejo 40 kPa kot pomembno referenčno vrednost, ki jo inženirji pozorno spremljajo; preskusi pa kažejo, da majhni motorji s tem problemom dejansko bolj trpijo, saj njihovi ventili med obratovanjem ne odpirajo in zapirajo popolnoma pravilno. Namestitev komponent, kot so glasnostni dušilniki, dlje od bloka motorja ter zagotavljanje, da cevi niso preozke, pomaga ohranjati nazadnji tlak na ravni, ki je še sprejemljiva, hkrati pa ohranja prednosti izpušnega čiščenja, o katerih smo že govorili.
Katalizatorji danes urejajo tako emisijske standarde kot tudi delovanje motorja predvsem prek svoje gostote celic, ki se meri v številu celic na kvadratni palec (CPSI). Pri višjih vrednostih CPSI med 600 in 900 se ti katalizatorji hitreje segrejejo ob hladnem zagonu, kar pomaga zmanjšati začetne škodljive emisije. Vendar obstaja tudi kompromis, saj povečano število celic povzroča večji protitlak, zaradi česar lahko izgubimo približno 3 do 5 odstotkov najvišje moči. Nasprotno pa katalizatorji, ki so zasnovani za boljši pretok zraka, običajno imajo vrednosti CPSI v razponu od 200 do 400. Ti modeli omejujejo pretok zraka manj opazno – izboljšava je morda okoli 15 do 20 odstotkov – vendar jim traja dlje, da dosežejo delovno temperaturo. Pri vozilih, kjer je najpomembnejša zmogljivost, inženirji pogosto izbirajo material z nižjim CPSI v kombinaciji z novimi tehnologijami prevleke. Ta pristop pomaga nadomestiti počasnejše segrevanje brez kršitve predpisov Agencije za zaščito okolja (EPA) in omogoča natančno ravnovesje med okoljsko odgovornostjo ter voznimi lastnostmi.
| Gostota celic (CPSI) | Čas vžiga | Vpliv protitlaka |
|---|---|---|
| 600–900 | Hitreje (približno 45 s) | Visok (7–12 kPa) |
| 200–400 | Počasneje (≥ 90 s) | Nizek (3–5 kPa) |
Nova tehnologija izpušnih tlakomernih naprav spreminja pravila igre pri zmanjševanju motorjnega hrupa brez motenja delovanja izpušnega sistema. Vzemimo na primer perforirane cevi znotraj resonatorjev – nameščene so tako, da se ujemajo z določenimi vrtljivimi hitrostmi motorja, s čimer prek t.i. destruktivne interference izničijo neželene zvoke. S tem se raven hrupa zmanjša za približno 8 do 12 decibelov, hkrati pa izpušni tok ostane gladak. Pri večjih motorjih V8, ki imajo tendenco k grmenju pri nižjih vrtljivih hitrostih, pridejo v uporabo posebne Helmholtzove komore. Te komore so izjemno učinkovite pri odpravljanju nadležnega nizko frekvenčnega hrupa, ki ga večina ljudi zelo sovraži. Način delovanja teh izpušnih tlakomernih naprav temelji na zapletenih notranjih strukturah, ki usmerjajo izpušne pline točno tako, kot je potrebno, kar zagotavlja, da pomembni tlaki impulzi prehajajo naprej in ustrezno očistijo cilindre. Preskusi so pokazali, da ti sistemi ostanejo dobro znotraj zakonsko določenih mejnih vrednosti hrupa (približno 95 dB), hkrati pa skozi njih preteče približno 98 do 99 odstotkov izpušnega toka v primerjavi z neposredno izpušno cevjo. Kaj to pomeni za voznike? Njihova vozila ohranjajo močno dostavo moči tudi ob popolnem pritisku na plin, kar je ravno tisto, kar entuziasti za zmogljivost pričakujejo od svojih vozil.
Optimalni izpušni sistem usklajuje predpise z zmogljivostjo tako, da strategično združi katalizatorje z nizko odpornostjo in akustično nastavljene glasovne prepreče.
EN