Att få ut maximalt av ett avgassystem innebär att balansera tre huvudsakliga faktorer som ofta arbetar mot varandra. För god flödeseffektivitet måste vi hålla tryckfallet lågt genom att använda släta böjningar och rör med rätt dimensioner. När begränsningen blir för stor minskar effekten med cirka 3–5 % för varje ytterligare pound per square inch (enligt SAE:s forskning från 2022). Sedan finns det värmeproblemet. Avgastemperaturerna kan stiga över 1 200 grader Fahrenheit (cirka 650 grader Celsius), så tillverkare måste använda material som exempelvis rostfritt stål av typ 409 och montera lämpliga värmskärmar för att förhindra skador på närliggande komponenter. Utrymmesfrågan är ett helt annat problem. Moderna bilar har idag mycket trånga motorutrymmen, vilket gör det svårt att placera samlingsrör på rätt ställe och montera muffrar korrekt. Och om någon även önskar tvångsinsprutning? Då uppstår ännu fler utmaningar, eftersom turbinhusen nu måste integreras utan att man förlorar markfrigång på någon annan plats på fordonet.
De flesta bilproducenter använder gjutjärnsutsläppsrör vid massproduktion av bilar eftersom de dämpar ljud och vibrationer bättre än andra alternativ. Dessutom är dessa utsläppsrör utrustade med inbyggda platser för katalysatorer och sparar 40–60 procent jämfört med tubulära utsläppsrör. Formen på de enskilda rören bidrar till ökad vridmoment vid lägre varvtal, vilket är mycket viktigt för vanlig gatukörsdrift. Prestationsentusiaster väljer ofta istället tubulära utsläppsrör. Dessa fungerar på ett annat sätt genom att skapa en slags sugverkan i sina rör, vilket drar ut avgaserna snabbare och ger cirka 6–8 procent mer effekt i mellanområdet enligt senaste studier. Men det finns en nackdel. Tubulära utsläppsrör släpper ut mer värme, så extra kylning krävs. De kan också orsaka problem vid avgastest om syrgensensorerna inte placeras exakt rätt. För personer med begränsad budget kan korta tubulära utsläppsrör ändå ge vissa förbättringar utan att kräva ombyggnad av monteringspunkterna på motorn.
För att ta reda på vilken typ av avgasflöde som fungerar bäst undersöker ingenjörer hur mycket luft motorn faktiskt tar in när den genererar maximal vridmoment. Beräkningen innebär att ta motorns slagvolym i kubiktum och multiplicera detta med varvtalet i varv per minut, för att sedan dividera hela resultatet med 3 456. Därefter tillämpas en justeringsfaktor baserad på volymetrisk verkningsgrad, som vanligtvis ligger mellan 75 % och 85 % för motorer utan påtvingad insugning. Låt oss ta ett praktiskt exempel: om vi har en motor med en slagvolym på 350 kubiktum som kör vid 5 000 varv per minut med en verkningsgrad på cirka 80 %, krävs det ungefär 405 kubikfot per minut luftflöde. Även rördiametern är av stor betydelse. För små rör byggs tryck upp eftersom avgaserna inte kan lämna systemet tillräckligt snabbt när de når hastigheter över 350 fot per sekund. Å andra sidan leder för stora rör till att man förlorar någon av de gynnsamma utförslingseffekterna när hastigheterna sjunker under 250 fot per sekund. De flesta mekaniker rekommenderar att välja en diameter mellan 2,5 och 3 tum för vanliga V8-konfigurationer vid dessa luftflödesnivåer, för att säkerställa ett optimalt flöde.
När det gäller avgassystem finns det en ganska stor skillnad beroende på vilken typ av motor vi pratar om. Ta till exempel de stora, naturligt insugna V8-motorerna. De kräver mycket större rör, cirka 3–3,5 tum i diameter, bara för att hantera all den avgas som produceras av sådana motorer med stort slagvolym. Ett bra exempel är 6,2-liters-LS3-motorn som kör vid 6 500 rpm och som behöver cirka 590 kubikfot per minut luftflöde genom systemet. Saker fungerar helt annorlunda med turboåtgångna fyrcylindriga motorer. Hur dessa fungerar är faktiskt ganska intressant – avgasen driver först turboaggregatet innan den ens lämnar motorn, så efter turboladdaren kan vi använda betydligt mindre rördiametrar, vanligtvis mellan 2,25 och 2,75 tum. Detta möjliggörs av att turbon själv skapar en slags flaskhals-effekt, vilket minskar mängden avgas som faktiskt behöver passera resten av systemet. På grund av denna begränsning kan tillverkare bygga betydligt mer kompakta avgassystem utan att förlora liknande effektnivåer, eftersom de medvetet upprätthåller ett högre tryck precis före turbinen – där det är mest avgörande för prestanda.
Att uppnå bra avgasutförsling beror i hög grad på att få rätt dimensioner på de primära rören för det varvräntområde där motorn vanligtvis arbetar. Den optimala diametern handlar om att hitta rätt balans mellan avgasens hastighet och återtrycket. Små rör ökar verkligen hastigheten, vilket är fördelaktigt vid lägre varvtal när utförslingen behövs mest, men om rören blir för smala stiger återtrycket. Å andra sidan tillåter större rör mer luftflöde vid högre varvtal, men offrar viss prestanda vid låga varvtal. Även längden på de primära rören är viktig, eftersom den styr när tryckvågorna når fram. Längre rör flyttar faktiskt den bästa utförslingseffekten neråt till lägre varvtal. De flesta som siktar på ca 5 000 rpm finner att rör med en längd på ungefär 28–32 tum fungerar ganska bra, eftersom de skapar dessa negativa tryckvågor precis när avgasventilerna börjar öppna. Hela denna mekanism fungerar tack vare Bernoullis gamla upptäckt om hur snabbt rörliga vätskor skapar områden med lågt tryck som suger med sig omgivande material. Och glöm inte heller bort värmehanteringen. Titanvädring hjälper till att hålla temperaturen tillräckligt hög så att tryckvågorna förblir starka istället för att avta för snabbt.
När man undersöker olika primärrörstorlekar finns det tydliga prestandaskillnader som är värt att notera. På 2,0-liters turboaggregat såg vi att primärrör med diameter 1,75 tum gav cirka 11 % högre vridmoment i mellanområdet runt 3 500 rpm jämfört med de standardmässiga rören med diameter 2 tum. Anledningen? Snabbare avgasströmning – ungefär 312 fot per sekund istället för 265 – vilket hjälper till att rensa bort förbrukade gaser effektivare när ventilerna överlappar. Men förhållandena ändras vid högre varvtal. När man passerar 5 800 rpm minskar de större rören med diameter 2 tum faktiskt tryckmotståndet med cirka 4 kPa, vilket resulterar i nästan 5 % mer maxeffekt. För vanlig trafikdrift, där snabb respons är mest avgörande, fungerar alltså smalare primärrör bättre. Spårbilar däremot tenderar att prestera bättre med bredare rör. Ett annat aspekt som ingenjörer måste ta hänsyn till: justering av längden gör också en skillnad. Att korta ner de 1,75-tumsrören med bara tre tum sköter vridmomentkurvan uppåt med nästan 500 rpm enligt våra dynamometerprov förra månaden.
Backpressure avser i grund och botten hur stor motstånd avgaserna möter när de försöker lämna förbränningskammaren. Många människor missuppfattar detta när det gäller avgassystem. I själva verket hjälper en låg backpressure motorerna att fungera bättre, eftersom den låter avgaserna undan komma snabbt, vilket förbättrar både utblåsningen (scavenging) och volymetriska verkningsgraden i cylindrarna. Men om motståndet är för stort – till exempel över cirka 40 kPa för motorer med effekt under 50 kW – börjar prestandan snabbt försämras. Effekten minskar med mellan 2 % och kanske 5 %, bränslet förbränns snabbare än nödvändigt, och de heta avgaserna blir allt hetare, vilket leder till snabbare slitage på komponenter än vad som är avsett. Turboaggregat känner verkligen av denna effekt, eftersom hög backpressure tvingar deras turbiner att arbeta hårdare för att nå rätt varvtal. Det schweiziska VERT-programmet har satt 40 kPa som en gräns som ingenjörer noggrant övervakar, och tester visar att små motorer faktiskt är mer känslomativa för detta problem eftersom deras ventiler inte öppnas och stängs helt korrekt under drift. Att placera komponenter som avgasmuffrar längre bort från motorblocket och se till att rören inte är för smala hjälper till att hålla backpressure på en hanterbar nivå utan att förlora de fördelar med utblåsning (scavenging) som vi tidigare diskuterade.
Katalysatorer idag hanterar både utsläppskraven och motorns prestanda främst genom sin celltäthet, som mäts i celler per kvadrattum (CPSI). När vi tittar på högre CPSI-värden mellan 600 och 900 aktiveras dessa enheter snabbare vid kalla start, vilket hjälper till att minska de initiala skadliga utsläppen. Men det finns också en avvägning här, eftersom denna ökade cellmängd skapar större backtryck, vilket kan minska den maximala effekten med cirka 3–5 procent. Å andra sidan har katalysatorer som är utformade för bättre luftflöde vanligtvis CPSI-värden mellan 200 och 400. Dessa modeller begränsar luftflödet mindre kraftigt – med en förbättring på cirka 15–20 procent – även om de tar längre tid att nå driftstemperatur. För fordon där prestanda är avgörande väljer ingenjörer ofta material med lägre CPSI i kombination med nyare beläggningstekniker. Detta tillvägagångssätt hjälper till att kompensera för den långsammare uppvärmningen utan att bryta mot EPA:s regler, och skapar en fin balans mellan miljöansvar och körprestanda.
| Celltäthet (CPSI) | Uppvärmningstid | Tryckfallspåverkan |
|---|---|---|
| 600–900 | Snabbare (≈45 s) | Hög (7–12 kPa) |
| 200–400 | Långsammare (≥90 s) | Låg (3–5 kPa) |
Ny mufferteknik förändrar spelet när det gäller att minska motorljud utan att påverka avgassystemets funktion. Ta till exempel de perforerade rören inuti resonatorerna – de är faktiskt utformade för att matcha vissa motorsnurrhastigheter så att de kan eliminera oönskade ljud genom en process som kallas destruktiv interferens. Detta minskar ljudnivån med cirka 8–12 decibel, samtidigt som avgasflödet bibehålls smidigt. För stora V8-motorer, som ofta brummar vid lägre varvtal, används särskilda Helmholtz-kammare. Dessa kammare är mycket effektiva mot den irriterande lågfrekventa dronen som de flesta av oss ogillar. Sättet dessa muffrar fungerar på bygger på komplexa interna strukturer som leder avgasgaserna på exakt rätt sätt, vilket säkerställer att viktiga tryckpulser når fram för att rengöra cylindrarna på rätt sätt. Tester har visat att dessa system håller sig väl inom lagliga ljudgränser (cirka 95 dB) samtidigt som de tillåter ett avgasflöde på ca 98–99 procent jämfört med en rak rörkonfiguration. Vad betyder detta för förare? Deras bilar behåller stark effektleverans även vid full gas – precis vad prestandaintresserade förväntar sig av sina fordon.
Det optimala avgassystemet harmoniserar regleringskraven med prestanda genom strategisk kombination av katalysatorer med låg begränsning och akustiskt avstämda avgasmuffrar.
EN