Egzoz sisteminin en iyi performansını almak, genellikle birbirleriyle çatışan üç temel faktörü dengelemeyi gerektirir. İyi akış verimliliği için, düzgün eğimli bükümler ve doğru boyutlardaki borular kullanarak geri basıncı düşük tutmamız gerekir. Sistemde fazla kısıtlama olduğunda, her ekstra pound per square inch (psi) değerinde güç yaklaşık %3–5 oranında düşer (bu veri, 2022 yılında SAE tarafından yapılan araştırmaya dayanmaktadır). Ardından ısı sorunu gelir. Egzoz sıcaklıkları 1.200 °F’yi (yaklaşık 650 °C) aşabilir; bu nedenle üreticiler, yakın çevredeki parçalara zarar verilmemesi için 409 paslanmaz çelik gibi malzemeler kullanmak ve uygun ısı kalkanları yerleştirmek zorundadır. Uzay da tamamen ayrı bir sorundur. Günümüzün modern araçlarında motor bölmesi son derece dar olduğu için kolektörlerin doğru konumlandırılması ve susturucuların uygun şekilde yerleştirilmesi oldukça zordur. Ayrıca kişi zorlamalı emme (forced induction) sistemini de istiyorsa? Bu durum daha fazla baş ağrısı yaratır çünkü artık türbin muhafazalarını entegre etmek gerekirken araçta başka bir yerde yol boşluğundan (ground clearance) ödün vermemek de gerekmektedir.
Çoğu otomobil üreticisi, yüksek hacimli üretimde gürültü ve titreşimi diğer seçeneklere kıyasla daha iyi kontrol ettiği için egzoz manifoldlarını dökme demir malzemeden yapar. Ayrıca bu manifoldlar katalitik dönüştürücüler için entegre yerlere sahiptir ve başlık (header) sistemlerine kıyasla %40 ila %60 arasında tasarruf sağlar. Kanalların (runner’ların) şekli, düşük devirlerde tork artışını destekler; bu da normal şehir trafiğinde sürüş açısından büyük önem taşır. Performans tutkunları genellikle tüplü başlık sistemleri (tubular headers) tercih eder. Bu başlıklar, egzoz gazlarını boruları aracılığıyla daha hızlı dışarı çekerek bir tür vakum etkisi yaratır ve son çalışmalara göre orta devir aralığında yaklaşık %6 ila %8 oranında güç kazancı sağlar. Ancak bir dezavantajı vardır: Başlıklar daha fazla ısı yaydığından ek soğutma gereklidir. Ayrıca oksijen sensörleri tam doğru konuma yerleştirilmezse emisyon testlerinde sorunlara neden olabilirler. Bütçesi daha sınırlı olan kullanıcılar için ise kısa başlık sistemleri (shorty headers), motor üzerindeki tüm bağlantı noktalarının yeniden düzenlenmesine gerek kalmadan bazı performans iyileştirmeleri sunmaya devam edebilir.
En iyi egzoz akışını belirlemek için mühendisler, motorun maksimum tork üretirken aslında ne kadar hava aldığını inceler. Bu hesaplama, motora ait silindir hacmini (kübik inç cinsinden) devir sayısına (dakikadaki devir sayısı) çarpıp, sonucu 3.456'ya bölerek yapılır. Ardından, hacimsel verimliliğe göre bir ayarlama katsayısı uygulanır; bu katsayı, zorlamalı emme sistemi olmayan motorlar için genellikle %75 ile %85 arasında değişir. Pratik bir örnek verelim: Eğer 350 kübik inçlik bir motor 5.000 devir/dakikada ve yaklaşık %80 verimlilikle çalışıyorsa, bu motorun dakikada yaklaşık 405 kübik feet hava akışına ihtiyacı vardır. Boru çapının ne olacağı da oldukça önemlidir. Çok küçük çaplı borular, gazların saniyede 350 feet’i aşan hızlara ulaştıklarında yeterince hızlı dışarı atılamaması nedeniyle basınç oluşturur. Tersine, boruların çapı fazla büyük seçilirse, gaz hızları saniyede 250 feet’in altına düştüğünde faydalı olan tarama (scavenging) etkisi kaybolur. Çoğu mekanikçi, bu hava akışı seviyelerinde tipik V8 motorlar için akışı optimum düzeyde tutmak amacıyla boru çapını 2,5 ila 3 inç arası tutmayı önerir.
Egzoz sistemleri söz konusu olduğunda, hangi tür motorla uğraşacağımıza bağlı olarak oldukça büyük farklar ortaya çıkar. Örneğin, büyük hacimli doğal emişli V8 motorları bu duruma iyi bir örnektir. Bu tür büyük silindir hacimli motorlardan çıkan egzoz gazlarını yönetebilmek için çok daha büyük çaplı borulara, yani yaklaşık 3 ila 3,5 inç (76–89 mm) çapında borulara ihtiyaç duyulur. Bunun iyi bir örneği, 6.500 devir/dakikada çalışan 6,2 litrelik LS3 motorudur; bu motor sistemin içinden dakikada yaklaşık 590 kübik feet (16,7 m³) hava akışını sağlayabilmelidir. Ancak turboşarjlı dört silindirli motorlarda işler tamamen farklı şekilde işler. Bunların çalışma prensibi aslında oldukça ilginçtir: Egzoz gazları, motoru terk etmeden önce ilk olarak turboşarjörü çalıştırır; dolayısıyla turboşarjörden sonra sistemin geri kalan kısmında çok daha küçük çaplı borular kullanılabilmektedir; tipik olarak 2,25 ila 2,75 inç (57–70 mm) aralığında. Bu durumu mümkün kılan şey, turboşarjörün kendisinin bir tür darboğaz etkisi yaratmasıdır; yani egzoz gazlarının sistemin geri kalan kısmından geçmesi gereken miktarı önemli ölçüde azaltır. Bu kısıtlama sayesinde üreticiler, performans açısından en kritik nokta olan türbinin hemen önünde bilinçli olarak yüksek basınç tutarak benzer güç seviyelerine ulaşırken aynı zamanda çok daha kompakt egzoz sistemleri üretebilirler.
İyi egzoz süpürme (scavenging) elde etmek, motorun tipik olarak çalıştığı devir aralığına göre birincil boru boyutlarının doğru belirlenmesine büyük ölçüde bağlıdır. Çap açısından ideal nokta, egzoz gazı hızı ile geri basıncı (backpressure) arasında dengenin bulunmasıyla belirlenir. Daha küçük çaplı borular, özellikle süpürmenin en çok ihtiyaç duyulduğu düşük devirlerde gaz hızını önemli ölçüde artırır; ancak borular çok küçük seçilirse geri basınç artmaya başlar. Buna karşılık, daha büyük çaplı borular yüksek devirlerde daha fazla hava akışına izin verir ama düşük devir performansından bir miktar ödün verilmesine neden olur. Birincil boru uzunluğu da önemlidir çünkü bu uzunluk, basınç dalgalarının zamanlamasını kontrol eder. Daha uzun borular, en iyi süpürme etkisini aslında daha düşük devir aralıklarına kaydırır. Çoğu kişi yaklaşık 5.000 devir/dakika hedefleyerek 28 ila 32 inç (yaklaşık 71–81 cm) uzunluğunda borular kullanır; çünkü bu uzunluklar, egzoz supapları açmaya başladığında tam olarak negatif basınç dalgaları oluşturur. Bu sürecin tamamı, Bernoulli’nin çok uzun zaman önce akışkanların yüksek hızda hareket ettiğinde kendileriyle birlikte maddeleri çekebilecekleri şekilde düşük basınç alanları oluşturduğunu keşfettiği prensibe dayanır. Ayrıca ısı yönetimi konusunu da unutmayın: titanyum kaplamalar, basınç dalgalarının güçlü kalmasını ve çok hızlı dağılmamasını sağlamak için sistem sıcaklığını yeterli seviyede tutmaya yardımcı olur.
Farklı birincil boru boyutlarına baktığımızda, dikkat edilmesi gereken net performans farkları vardır. 2,0 L turbo motorlarda, standart 2 inçlik borulara kıyasla 1,75 inçlik birincil boruların yaklaşık 3.500 devir/dakikada orta devir aralığı torkunu %11 artırdığını gözlemledik. Bunun nedeni nedir? Daha hızlı egzoz gazı hızı — yaklaşık 312 feet/saniye yerine 265 feet/saniye — ki bu, supapların örtüşme (overlap) döneminde yanmış gazların daha etkili bir şekilde dışarı atılmasını sağlar. Ancak yüksek devirlerde durum değişir. 5.800 devir/dakikayı geçtikten sonra, daha büyük 2 inçlik borular geri basıncı yaklaşık 4 kPa azaltarak tepe gücünde neredeyse %5’lik bir artış sağlar. Dolayısıyla, hızlı tepki vermenin en çok önemli olduğu günlük sokak kullanımı için dar çaplı birincil borular daha iyi çalışır. Ancak pist araçları genellikle daha geniş çaplı borularla daha iyi performans gösterir. Mühendislerin dikkat etmesi gereken başka bir nokta da: boru uzunluğunu ayarlamak da önemli bir etkiye sahiptir. Geçen ay yaptığımız dinamometre testlerine göre, bu 1,75 inçlik boruları yalnızca üç inç kısaltmak, tork eğrisini neredeyse 500 devir/dakika yukarı kaydırmıştır.
Geri basıncın temelde ifade ettiği şey, egzoz gazlarının yanma odasından çıkarken karşılaştıkları direnç miktarıdır. Birçok kişi egzoz sistemleriyle ilgili bu kavramı yanlış anlar. Aslında geri basıncı düşük tutmak motorların daha iyi çalışmasını sağlar; çünkü bu durum, egzoz gazlarının hızlıca dışarı atılmasına olanak tanır ve böylece silindirlerin içindeki tarama (scavenging) ve hacimsel verimlilik iyileşir. Ancak direnç çok fazla olursa — örneğin 50 kW’tan düşük güçteki motorlar için yaklaşık 40 kPa’yı aşarsa — performans hızla düşmeye başlar. Güç %2 ila %5 arasında bir oranda azalır, yakıt gereğinden fazla hızlı yanar ve sıcak egzoz gazları giderek daha da ısınarak parçaları normalden daha çabuk aşındırır. Türboli motorlar bu durumdan özellikle fazlaca etkilenir; çünkü yüksek geri basınç, türbinlerin doğru şekilde dönmesi için daha fazla çaba harcamasına neden olur. İsviçreli VERT programı bu 40 kPa değerini mühendislerin dikkatle incelemesi gereken bir sınır olarak belirlemiştir; ayrıca testler, küçük motorların bu sorunla daha fazla mücadele ettiğini göstermektedir çünkü çalışma sırasında supapları tam olarak doğru açılıp kapanmaz. Egzoz susturucu gibi bileşenleri motor bloğundan daha uzak bir yere yerleştirmek ve boruların çok dar olmamasını sağlamak, daha önce bahsettiğimiz tarama avantajlarını kaybetmeden geri basıncı yönetilebilir düzeyde tutmaya yardımcı olur.
Günümüzde katalitik dönüştürücüler, emisyon standartlarını ve motor performansını çoğunlukla hücre yoğunlukları aracılığıyla yönetir; bu yoğunluk, inç kare başına hücre sayısı (CPSI) olarak ölçülür. 600 ila 900 CPSI aralığında daha yüksek CPSI değerlerine sahip birimlere baktığımızda, bu cihazlar soğuk çalıştırma sırasında daha hızlı devreye girer; bu da başlangıçta oluşan zararlı emisyonları azaltmaya yardımcı olur. Ancak burada bir denge meselesi de söz konusudur: artan hücre sayısı, egzoz sisteminde geri basıncı artırır ve bu da tepe beygir gücünden yaklaşık %3 ila %5 oranında kayba neden olabilir. Buna karşılık, daha iyi hava akışını destekleyecek şekilde tasarlanmış katalitik dönüştürücüler genellikle 200 ila 400 CPSI değerleriyle gelir. Bu modeller hava akışını daha az engeller; bunun sonucunda hava akışı üzerinde yaklaşık %15 ila %20’lik bir iyileşme sağlanabilir; ancak çalışma sıcaklısına ulaşmaları daha uzun sürer. Performansın öncelikli olduğu araçlarda mühendisler, genellikle daha düşük CPSI’ye sahip malzemeleri yeni kaplama teknolojileriyle birleştirir. Bu yaklaşım, EPA düzenlemelerini ihlal etmeden yavaş ısınma sürelerinin getirdiği dezavantajları telafi etmeye yardımcı olur ve çevresel sorumluluk ile sürüş dinamiği arasında hassas bir denge kurar.
| Hücre Yoğunluğu (CPSI) | Ateşleme Süresi | Geri Basınç Etkisi |
|---|---|---|
| 600–900 | Daha Hızlı (≈45 s) | Yüksek (7–12 kPa) |
| 200–400 | Daha Yavaş (≥90 s) | Düşük (3–5 kPa) |
Yeni egzoz susturucu teknolojisi, egzoz sisteminin işleyişini bozmadan motor gürültüsünü azaltmak açısından oyunun kurallarını değiştiriyor. Rezonatörlerin içindeki delikli boruları ele alalım — bu borular, istenmeyen sesleri 'yıkıcı girişim' adı verilen bir fiziksel prensiple bastırmak amacıyla belirli motor devirlerine göre tasarlanmıştır. Bu sayede gürültü seviyesi yaklaşık 8 ila 12 desibel düşerken, egzoz akışı sorunsuz bir şekilde devam eder. Özellikle düşük devirlerde gürültülü çalışan büyük V8 motorlar için özel Helmholtz odaları devreye girer. Bu odalar, çoğu kişinin nefret ettiği rahatsız edici düşük frekanslı uğultuyu (drone) bastırmada oldukça etkilidir. Bu susturucuların çalışma prensibi, egzoz gazlarını tam olarak doğru yönlendiren karmaşık iç yapılarla sağlanır; böylece silindirlerin doğru şekilde temizlenmesini sağlayan önemli basınç dalgaları geçişine izin verilir. Testler, bu sistemlerin yasal gürültü sınırlarının (yaklaşık 95 dB) çok altında kalırken, doğrudan boru (straight pipe) düzenine kıyasla egzoz akışının %98 ila %99’unu koruduğunu göstermiştir. Peki bu durum sürücüler için ne anlama gelir? Araçlar, gaz pedalına tam basıldığında bile güçlü güç iletimini korur — ki bu da performans tutkunlarının araçlarından tam olarak beklediği şeydir.
Optimal egsoz sistemi, düşük dirençli katalizörler ile akustik olarak ayarlanmış susturucuları stratejik olarak eşleştirerek düzenleyici gereksinimleri performansla uyumlu hale getirir.
EN