Areaförändringar i avgassystemet ger effektivare reflektioner om man använder rätt utformade konor istället för abrupta areaförändringar. En intressant sak är att pulsamplituden beror på arean. Det gör att det är viktigt att ha rätt storlek på avgasventilen, avgasporten och den första biten av primärröret. En stor avgasventil och en stor avgasport ger mindre motstånd under avgas pumpningsfasen men ger ett lägre undertryck från den återvändande undertryckspulsen. Med rätt avgasventilstorlek så får man en kraftig utgående tryckpuls som kommer att återvända som en kraftig inåtgående undertryckspuls under överlapp. Att det fungerar så bra med en relativt liten avgasventil (runt 70% av insugningsventilens diameter) beror på att den mesta delen av avgaserna strömmar ut under högt tryck (ca 10 bar när avgasventilen öppnar) under blow down fasen. Temperaturen är mycket högre än på insug så både gaserna och pulserna kan färdas snabbare utan att chokas. Det är bättre att öppna avgas lite tidigare istället för att använda en större avgasventil. Att detta är bättre beror bl.a. på att den återvändande undertryckspulsen om den är fasad rätt kommer tillbaka innan insugningsventilen öppnar växlas upp i amplitud om arean närmast ventilen minskar. Titta på ett 2-takts avgassystem som gör två saker: Tömma cylindern och vevhuset och sen vid rätt tidpunkt trycka tillbaka bränsle luft blandningen i cylindern innan kolven stänger avgasporten. Det är tvåtaktsystemets diffusor som ger ett undertryck starkt nog att öppna reedventilen när kolven är vid BDC. På 2-takts motorn är avgasportens och den första biten på avgasröret mycket viktig för att få en stark fyllande våg. För stor port = ingen effekt och jag tror att 4-takts motorn är lika dimensionsberoende. 4-takt system har tidigare inte varit så avancerade men om man tittar på en Formel 1 motors avgassystem så konar det upp rejält utanför avgas porten och en gång till halvägs ner mot kollektorn. En dragracingmotor har inte ett lika avancerat avgassystem men behöver inte heller ge effekt över ett så brett varvtalsområde. Det har dock hänt en hel del på avgassidan på dragracingbilar de senaste åren. Primärrören ut från avgasportarna har blivit mindre i diameter och de raka kollektorerna har ersatts med merge kollektorer. Ett vanligt area mått på en merge kollektor är dubbla primärrörets area och sen en uppkoning med 50-70 %. Burns Stainless säljer kollektorer som är modulära så att man kan prova olika areor i bromsbänken. På en dragracing V8 har sekundärröret eller kollektorns längd mycket större betydelse än primärrörets längd. Kollektorns längd bestämmer den totala avgaslängden och det är möjligt att rätta till för korta primärrör med en längre kollektor. Ett för långt primärrör går inte att rätta till eftersom reflektions pulsen kommer för sent. Det är möjligt att med ett effektivt grenrör tillsammans med mycket överlapp få en för effektiv genomspolning av förbränningsrummet vilket ger så kallad over scavenge. Visar bromsbänken en alldeles för hög volymetrisk verkningsgrad så kan man anta att man har over scavenge. Det blir det när insug och avgas stämmer av på samma varvtal. På Lesofts hemsida fanns det tidigare bra artiklar men jag hittar inte dom längre. Det fanns ett exempel på en motor som vid 7000 varv med en primärrörslängd på 650mm hade en utgående pulsduration på 30° och en reflekterad pulsduration på 140°. Det tar alltså 4.67 ggr längre för pulsen att återvända från änden på grenröret än vad det tar att nå dit. På vägen ut så går tryckvågen med flödet medan den på vägen tillbaka går mot flödet. Hastigheten från ventilen ut till reflektionspunkten är hela 910m/sek. medan returhastigheten bara är 195m/sek. Medelhastigheten i detta fallet är 321m/sek. Tyvärr är det så att hastigheten i grenröret blir olika för olika motorer beroende på cylindertryck, avgastemperatur och areor på grenröret. Det blir i princip omöjligt att göra en universell formel och inte ens väldigt avancerade simuleringsprogram klarar í dagsläget att räkna rätt. Det är stor skillnad om grenröret sitter i ett motorrum med lite luftflöde eller om i extremfallet på en luftkyld motorcykel direkt i luftströmmen. I det senare fallet krävs både större diameter och kortare längd.
Tiden som det tar avgaspulsen att gå från cylindern ut till reflektionspunkterna och tillbaka till cylindern ändras beroende på grenrörets diameter och ändrad strömningsmedelhastighet. Ett grövre rör innebär en lägre hastighet ut och en högre hastighet in. Pulsen kommer alltså tillbaka till cylindern tidigare. Motsatt förhållande med ett mindre grenrör kommer att ge en högre hastighet ut men en lägre hastighet in. Det kommer då att ta pulsen längre att nå tillbaka till cylindern. Att det är så här beror på att pulsen alltid tillbringar längre tid mot flödet än med flödet så hastighetssänkningen in påverkar tiden mer än hastighetsökningen ut. Att gå upp i diameter på avgasgrenröret gör samma sak som att korta grenröret och att gå ner i diameter gör samma sak som att förlänga grenröret.

Vad är då ett lämpligt storleksförhållande mellan insug och avgasventil?
Tittar man på en modern 4-ventils motorcykel så är avgasventilens diameter ca 80% av insugningssventilen. Detta är också ett lämpligt förhållande på en 2-ventills motor. Om man har ett begränsad cylinderdiameter och vill försöka att plocka ut så mycket effekt som möjligt så går det att minska avgasventilens storlek för att få plats med en större insugningsventil. Det som är viktigt är tid - area förhållandet så med mindre ventil krävs mer duration under blow down fasen dvs. tidigare avgasventilöppning. Med stora överlapp så blir möjligheten för over scavenge ännu större. Man kan alltså bygga ett avgassystem som är för effektivt och suger ut friskgaser under överlapp med effektsänkning som resultat. Detta gör att avgassystemet och kamtiderna noggrant måste anpassas till varandra.
4-ventilsmotorn kan med insugningsventilarea på 35% av cylinderns area ha en avgasventilarea på maximalt 21.2% av borrets area.
2-ventilsmotorn kan med en insugningsventilarea på 28% av cylinderns area ha en avgasventilarea på maximalt 15.3% av borrets area.
Förhållandet i procent mellan insug och avgas förskjuts från 4-ventilarens 80% till 2-ventilarens 72.2%.
Dessa mått är tagna från de extremaste icke överladdade 4-ventils respektive 2-ventils motorerna.
Avgasventilens storlek är väldigt beroende av motorns kompressionsförhållande och även beroende av vevstakens längd. Ju högre kompression och kortare vevstake desto tidigare kan man öppna avgasventilen eftersom expansionen i cylindern gör att trycket har sjunkit mer tidigare och mer arbete har överförts till vevaxeln vid ett tidigare gradtal. För en motor med mera normalt kompressionsförhållande som t.ex. 12:1, och en normal vevstakslängd på 1,75 X slaglängden eller längre så krävs det att avgaskanalens minsta area ligger mellan 68 och 72 % av insugningskanalens minsta area.

Som exempel en Volvo 531 topp med 46 mm insugningsventil och 40,5 mm i minsta area i insugningskanalen. Detta beräknas för absolut minsta avgasarea på följande sätt:

√(40,5 X 40,5 X 0,68) = 33,4 mm. Vilket är 87,9 % av en 38 mm avgasventil.

Dessutom krävs det vid BDC med en flat-tappet kamaxel 67,5 % av insugningskanalens flöde vid gradtalet för max kolvhastighet.
För en rullkamaxel är förhållandet 70 %.

En del av avgascykeln som är enormt viktig är blow down-fasen. Eftersom det är lätt att få over scavenge om man koncentrerar sig på överlapps fasen kan man lugna ner den lite och använda mer av pulsenergin under blow down-fasen. Det är detta man gör med steppade grenrör eller 4-2-1 grenrör. Då kan man få undertryckspulser att komma tillbaka medan avgasventilen inte har öppnat så mycket och flödet fortfarande är soniskt (ljudets hastighet) förbi ventilen. Den ökade tryckskillnaden ger ett större massflöde utan högre hastighet i snabbaste punkten förbi ventilen. Naturligtvis har man nytta av flera undertryckspulser under blow down-fasen både för att täcka in ett större varvtalsområde och även för att försöka få så stor tryckskillnad som möjligt mellan cylindern och grenröret hela vägen som kolven är på väg ner. Ju mer cylindertryck man kan bli av med innan BDC desto mindre behöver kolven pumpa ut på vägen upp mot TDC. Med effektivare blow down kan man öppna avgas senare eller ha mindre avgasventiler och mer plats för stora insugningsventiler. Jag tror att det finns mycket att tjäna på att tänka på blow down-fasen också när man designar ett avgasgrenrör. Alla reflektioner försvagar den utgående pulsen något så den reflektion som kommer tillbaka under överlappsfasen blir något svagare vilket ibland kan vara en fördel. Detta används redan i formel 1, titta på jättestegen i primärrören.