Për të marrë maksimumin nga një sistem shkarkimi, duhet të balancohen tre faktorë kryesorë që shpesh janë në konflikt me njëri-tjetrin. Për një efikasitet të mirë të rrjedhës, duhet të ruajmë presionin e kundërt të ulët duke përdorur kthesa të buta dhe tuba me madhësi të përshtatshme. Kur kufizimi është shumë i madh, fuqia zvogëlohet rreth 3 deri në 5% për çdo paund shtesë për inç katror (kjo vjen nga hulumtimet e SAE të vitit 2022). Pastaj ka edhe problemin e nxehtësisë. Temperaturat e shkarkimit mund të tejkalojnë 1.200 gradë Fahrenheit (rreth 650 °C), prandaj prodhuesit duhet të përdorin materiale si çeliku me rezistencë ndaj korrozionit 409 dhe të vendosin mbrojtëse të duhura nga nxehtësia, që të parandalojnë dëmtimin e pjesëve fqinje. Hapësira është një problem tjetër plotësisht. Sot, makinat moderne kanë kompartamente shumë të ngushta për motor, gjë që bën të vështirë pozicionimin e kolektorëve në vendet e duhura dhe montimin e duhur të silenciozëve. Dhe nëse dikush dëshiron edhe induksion të detyruar? Kjo shton edhe më shumë komplikime, sepse tani duhet të integrohen kasat e turbinave pa hequr lartësinë e lirë nga tokë në ndonjë pjesë tjetër të makinës.
Shumica e prodhuesve të automjeteve përdorin kolektore prej hekuri të derdhur kur prodhojnë automjete në sasi të mëdha, pasi këto kontrollojnë më mirë zhurmën dhe vibracionet në krahasim me alternativat e tjera. Për më tepër, këto kolektore vijnë me vendet e integruara për konvertuesit katalitikë dhe kursen nga 40 deri në 60 përqind në krahasim me kolektorët tubularë. Forma e kanaleve ndihmon në rritjen e momentit torsion në RPM-të e ulëta, gjë që është shumë e rëndësishme për përdorimin e zakonshëm në rrugë. Entuziastët e performancës zakonisht zgjedhin kolektorë tubularë. Këta kolektorë funksionojnë ndryshe, duke krijuar një efekt vakumi nëpërmjet tubave të tyre, i cili nxjerr gazrat e shkarkimit më shpejt, duke dhënë rreth 6 deri në 8 përqind më shumë fuqi në intervalin mesatar, sipas studimeve të fundit. Por ka një pengesë. Kolektorët tubularë lejojnë daljen e shtuar të nxehtësisë, prandaj kërkohet një sistemi i shtuar për ftohje. Ata gjithashtu mund të shkaktojnë probleme gjatë testimit të emisioneve, nëse sensorët e oksigjenit nuk vendosen në pozicionin e duhur. Për ata që punojnë me buxhete më të ngushta, kolektorët e shkurtër (shorty headers) mund të ofrojnë akoma disa përmirësime pa kërkuar modifikime në vendndodhjen e montimit të komponentëve në motor.
Për të zbuluar se cili lloj rrjedhe ajri nëpër tubin e shkarkimit funksionon më mirë, inxhinierët analizojnë sasinë e ajrit që motori merr në të vërtetë kur prodhon momentin maksimal. Llogaritja përfshin volumin e motorit në inch kubik, i cili shumëzohet me numrin e rrotullimeve në minutë (RPM), dhe pastaj gjithçka pjesëtohet me 3.456. Më pas vjen faktori i korrigjimit bazuar në efikasitetin volumetrik, i cili zakonisht varion midis 75% dhe 85% për motorët pa ndihmë të detyruar (forced induction). Le të marrim një rast praktik: nëse kemi një motor 350 inch kubik që punon në 5.000 RPM me një efikasitet prej rreth 80%, ai do të kërkojë rreth 405 feet kubikë në minutë (CFM) ajri. Gjithashtu, madhësia e tubit ka një rëndësi të madhe. Tubat shumë të vegjël do të krijojnë shtypje sepse gazet nuk mund të dalin me shpejtësi të mjaftueshme kur shpejtësia e tyre tejkalon 350 feet në sekondë. Nga ana tjetër, përdorimi i tubave shumë të mëdhenj do të çojë në humbjen e efektit të dobishëm të shpërnguljes (scavenging), kur shpejtësia bie nën 250 feet në sekondë. Shumica e mekanikëve rekomandojnë përdorimin e tubave me diametër midis 2,5 dhe 3 inç për konfigurimet tipike V8 në këto nivele rrjedhe ajri, që të ruhet rrjedha e duhur.
Kur bëhet fjalë për sistemet e shpërndarjes së avujve, ka një ndryshim të konsiderueshëm në varësi të llojit të motorit për të cilin po flasim. Për shembull, marrim ato motorë të mëdhenj V8 me aspirim natyral. Ata kërkojnë tuba shumë më të mëdha, rreth 3 deri në 3,5 inç në diametër, thjesht për të menaxhuar të gjithë avujt që dalin nga motorët me kapacitet të madh. Një shembull i mirë është motori 6,2 litra LS3 që punon në 6.500 RPM dhe që ka nevojë për rreth 590 kubik fut në minutë ajri që kalon nëpër sistem. Gjërat funksionojnë plotësisht ndryshe me motorët me katër cilindra me turbo, megjithatë. Mënyra se si funksionojnë këta motorë është faktikisht shumë interesante – avujt e motorit fillimisht drejtohen tek turbokompresori para se të largohen nga motori, kështu që pas turbos, mund të përdorim tuba shumë më të vegjël, zakonisht midis 2,25 dhe 2,75 inç. Ajo që bën këtë të mundur është vetë turbokompresori, i cili krijon një efekt ngushtimi, duke zvogëluar sasinë e avujve që duhet të kalojnë nëpër pjesën tjetër të sistemit. Për shkak të kësaj kufizimi, prodhuesit mund të ndërtojnë sisteme shpërndarjeje të avujve shumë më të kompakta, duke arrijtur gjithsesi nivele të ngjashme fuqie, pasi ata mbajnë intenzivisht presionin më të lartë para turbinës, ku ai ka rëndësi më të madhe për performancën.
Për të arritur një shkarkim të mirë të gazrave të shkarkimit, është shumë e rëndësishme që dimensionet e tubave kryesore të jenë të sakta për intervalin e rpm-ve në të cilin motori vepron zakonisht. Pika optimale për diametrin varet nga gjetja e ekuilibrit midis shpejtësisë së gazrave të shkarkimit dhe presionit të kundërt. Tubat më të vegjël rrisin shumë shpejtësinë, gjë që ndihmon në rpm-të më të ulëta kur shkarkimi është më i nevojshëm, por nëse janë shumë të vegjël, presioni i kundërt rritet shumë. Nga ana tjetër, tubat më të mëdhenj lejojnë rrjedhën e më shumë ajri në rpm-të më të larta, por zhduken disa performanca në pjesën e ulët të shpejtësisë. Gjithashtu, ka rëndësi edhe gjatësia e tubave kryesore, pasi ajo kontrollon kohën kur valët e presionit arrijnë në vendin e duhur. Tubat më të gjatë zhvendosin efektin optimal të shkarkimit në intervalin e rpm-ve më të ulët. Shumica e njerëzve që synojnë rrotullimet rreth 5.000 rpm gjejnë se tubat me gjatësi rreth 28–32 inç funksionojnë shumë mirë, sepse krijojnë ato valë të presionit negativ pikërisht kur valvulat e shkarkimit fillojnë të hapen. Ky mekanizëm i plotë funksionon falë zbulimeve të vjetra të Bernoullit rreth atij se si lëngjet që lëvizin shpejt krijojnë zona me presion të ulët, të cilat 'tërheqin' materiale të tjera bashkë me tyre. Dhe mos harroni as për menaxhimin e nxehtësisë. Mbështjellësit prej titani ndihmojnë që temperatura të mbahet e mjaftueshme e lartë, në mënyrë që valët e presionit të ruajnë forcën e tyre, në vend që të shpërndahen shumë shpejt.
Kur shikohet në madhësitë e ndryshme të tubave kryesore, ka dallime të qarta në performancë që vlen të theksohen. Në motorët turbo me kapacitet 2,0 L, vërejtëm se tubat kryesorë me diametër 1,75 inç ofronin një rritje të momentit të kthimit në mes të shpejtësive rrotulluese (mid-range torque) prej rreth 11% në rreth 3.500 RPM krahasuar me tubat standard me diametër 2 inç. Pse? Sepse shpejtësia e gazeve të shkarkuara rritej më shpejt – rreth 312 këmbë për sekondë në vend të 265 – gjë që ndihmon në heqjen më efikase të gazeve të përdorura kur valvulat janë në pozicion të mbivendosjes (valve overlap). Por gjërat ndryshojnë në shpejtësi rrotulluese më të larta. Pas kalimit të 5.800 RPM, ato tuba më të mëdha me diametër 2 inç zvogëlojnë në fakt presionin e kundërt (backpressure) me rreth 4 kPa, duke rezultuar në rritje prej afërsisht 5% në fuqinë maksimale (peak power). Prandaj, për përdorimin e zakonshëm në rrugë, ku reagimi i shpejtë është më i rëndësishmi, tubat më të ngushtë funksionojnë më mirë. Megjithatë, automjetet e përdorura në stacionin e garave (track cars) tendencisht performojnë më mirë me tuba më të gjera. Gjithashtu, një tjetër gjë që inxhinierët duhet të mbajnë parasysh është se edhe rregullimi i gjatësisë ka ndikim. Ngurtësimi (shortening) i tubave 1,75 inç me vetëm tre inç ngriti kurben e momentit të kthimit me pothuajse gjysmë mijë RPM, sipas testimeve tona me dinamometër të muajit të kaluar.
Shtypja e kundërt në thelb i referohet sa rezistencë takojnë gazet e shkarkimit kur përpjekën të dalin nga kamera e djegies. Shumë njerëz gabojnë rreth kësaj në sistemet e shkarkimit. Në fakt, mbajtja e shtypjes së kundërt të ulët ndihmon motorët të punojnë më mirë, sepse lejon që gazet e shkarkimit të dalin shpejt, duke përmirësuar si procesin e pastërimit (scavenging) ashtu edhe efikasitetin volumetrik brenda cilindrave. Por nëse kufizimi është shumë i madh, p.sh. mbi rreth 40 kPa për motorë me fuqi më pak se 50 kW, gjendja fillon të keqësohet shpejt. Fuqia bie ndërmjet 2% dhe 5%, karburanti digjet më shpejt se sa nevojitet, dhe ato gazet e nxehta të shkarkimit vazhdojnë të nxehen gjithnjë e më shumë, duke shkaktuar konsumim të shpejtë të pjesëve. Motorët me turboçarçë ndjejnë veçanërisht këtë problem, pasi shtypja e lartë e kundërt i detyron turbinat të punojnë më fort për të ardhur në shpejtësinë e duhur. Programi zviceran VERT ka vendosur këtë limit prej 40 kPa si një vlerë që inxhinierët e analizojnë me kujdes, dhe testet tregojnë se motorët e vegjël përballojnë këtë problem më keq, sepse valvulat e tyre nuk hapen dhe mbyllen në mënyrë të përsosur gjatë funksionimit. Vendosja e komponentëve si silenciozët më larg bllokut të motorit dhe sigurimi që tubat nuk janë shumë të ngushtë ndihmojnë të mbahet shtypja e kundërt në nivele të menaxhueshme pa humbur avantazhet e pastërimit (scavenging) për të cilat folëm më parë.
Katalizatorët e sotëm kontrollojnë kryesisht standardet e emisioneve dhe performancën e motorit përmes dendësisë së qelizave të tyre, e cila matet në qeliza për inch katror (CPSI). Kur shikojmë vlerat më të larta CPSI, midis 600 dhe 900, këto njësi fillojnë të punojnë më shpejt gjatë nisjeve të ftohta, gjë që ndihmon në zvogëlimin e emisioneve fillestare të dëmshme. Por ka edhe një kompromis këtu, pasi rritja e numrit të qelizave krijon më shumë shtypje të kundërt, e cila mund të zvogëlojë fuqinë maksimale të motorit me rreth 3 deri në 5 përqind. Nga ana tjetër, katalizatorët e dizajnuar për rrjedhë ajri më të mirë kanë zakonisht vlera CPSI në intervalin 200–400. Këto modele pengojnë rrjedhën e ajrit më pak në mënyrë të dukshme, duke ofruar ndoshta një përmirësim prej 15 deri në 20 përqind, megjithatë kërkojnë më shumë kohë për të arritur temperaturën e punës. Për mjete ku performanca është më e rëndësishmja, inxhinierët përzgjedhin shpesh materiale me CPSI më të ulët kombinuar me teknologji të reja mbulesash. Ky qasjes ndihmon në kompensimin e kohëve më të ngadaltë të ngrohjes pa shkelur rregullat e EPA-s, duke arritur një ekuilibër të hollësishëm midis përgjegjësisë mjedisore dhe dinamikës së drejtimit.
| Densiteti i Qelizave (CPSI) | Koha e Nisjes së Ndriçimit | Ndikimi i Shtypjes së Kthimit |
|---|---|---|
| 600–900 | Më shpejt (≈45 sekonda) | I lartë (7–12 kPa) |
| 200–400 | Më ngadaltë (≥90 sekonda) | I ulët (3–5 kPa) |
Teknologjia e re e silenciozëve po ndryshon lojën kur bëhet fjalë për uljen e zhurmës së motorit pa dëmtuar funksionimin e sistemit të shpërndarjes së avujve. Merrni, p.sh., tubat me vrima brenda rezonatorëve – këta janë në fakt të vendosur në mënyrë të tillë që të përputhen me shpejtësitë e caktuara të motorit, duke anuluar zhurmën e papërshatshme përmes një fenomeni të quajtur interferencë destruktive. Kjo ul nivelin e zhurmës me rreth 8 deri në 12 decibelë, por mban gjithsesi rrjedhën e avujve të shpërndarjes të lëmuar. Për motorët e mëdhenj V8, të cilët zakonisht zhurmësojnë në shpejtësi të ulta, hyjnë në veprim kamerat speciale Helmholtz. Këto kamera janë shumë të zgjuara në ballafaqimin e atij zhurmës së padurueshme të frekuencave të ulta, të cilën shumica e njerëzve e urrejnë. Mënyra se si funksionojnë këta silenciozë përfshin struktura të komplikuara brendësore që drejtojnë gazet e shpërndarjes saktësisht, duke siguruar që pulsat e rëndësishme të shtypjes të kalojnë për të pastruar në mënyrë efikase cilindrat. Testet kanë treguar se këto sisteme mbeten mirë brenda kufijve ligjorë të zhurmës (rreth 95 dB), ndërkohë që lejojnë kalimin e 98 deri në 99 për qind të rrjedhës së avujve të shpërndarjes në krahasim me një sistem me tub të drejtë. Çfarë do të thotë kjo për shoferët? Automjetet e tyre ruajnë dorëzimin e fuqisë së fortë edhe kur pedali i gazit shtypet deri në fund, gjë që është pikërisht ajo që entuziastët e performancës kërkojnë nga automjetet e tyre.
Sistemi optimal i shpërbjelljes harmonizon kërkesat rregullative me performancën duke kombinuar strategjikisht katalizatorët me rezistencë të ulët dhe silletët e shtuar akustikisht.
EN