W samochodowym silniku spalinowym w trakcie spalania mieszanki paliwowo-powietrznej wytwarzana jest energia służąca do napędu pojazdu. Jednak nie cała energia pochodząca z tego procesu wykorzystywana jest w tym celu. Jej część pochłaniana jest w trakcie odprowadzania spalin z cylindrów silnika i obejmuje:

• energię cieplną,
• energię nadciśnienia niezbędnego do pokonywania oporów w trakcie przepływu przez układ wydechowy,
• energię kinetyczną przepływu zw znaczną prędkością,
• energię drgań wywołanych przepływem przez układ wydechowy.

W wyniku spalania paliwa w cylindrach silnika powstają spaliny, które są mieszanką różnych gazów i cząstek mających toksyczne własności. Po opuszczeniu komór spalania, spaliny odprowadzane są do otoczenia przez odpowiednio skonstruowany układ wydechowy, którego ostatnim elementem jest rura wydechowa, umieszczona w samochodach osobowych, w zdecydowanej większości w tylnej części pojazdu po lewej stronie.

Zadaniem układu wydechowego pojazdu jest:

• skuteczne odprowadzenie spalin do miejsca w którym mogą być wypuszczone do atmosfery w sposób najmniej uciążliwy dla kierowcy i pasażerów,
• redukowanie hałasu powstającego przy odprowadzaniu spalin,
• oczyszczanie spalin do postaci, w której zawartość składników toksycznych jest dopuszczalna obowiązującymi przepisami,
• zapewnienie sprawnej pracy silnika w całym zakresie obciążeń,
• zagwarantowanie minimalnych oporów przepływu spalin, zapewniających osiąganie maksymalnej mocy silnika,
• utrzymanie możliwie wysokiej temperatury spalin, poprzez minimalne promieniowanie cieplne.

Zdecydowanie najczęściej stosowanym w konstrukcjach pojazdów samochodowych rodzajem układu wydechowego jest wersja jedno-przewodowa, wykorzystywana przy silnikach o rzędowym układzie cylindrów. Znacznie rzadziej stosowana jest konstrukcja wielo-przewodowa przy silnikach wielorządowych.

Poszczególne elementy składowe układu wydechowego mocowane są do podwozia lub nadwozia pojazdu za pomocą elastycznych wieszaków gumowych, których zadaniem jest samoczynne tłumienie drgań wywołanych przepływem spalin i pracą silnika. Pierwszym elementem układu wydechowego pojazdu na drodze spalin jest kolektor wydechowy, wykonywany zwykle z żeliwa w formie cienkościennego odlewu i posiadający kilka otworów wlotowych, łączących poszczególne cylindry i jeden wspólny otwór wylotowy. Kolektor wylotowy mocowany jest do głowicy silnika z użyciem kołnierza, oddzielonego płaską uszczelką odporną na wysokie temperatury i chemiczne działanie spalin. Po stronie wylotowej do kolektora wydechowego mocowany jest pierwszy stalowy odcinek przewodów. Przewody układu wydechowego wykonywane są w różnych kształtach i posiadają zróżnicowane przekroje. Wytwarzane są zwykle, jako ciśnieniowe rury stalowe. Połączenia poszczególnych przewodów rurowych mają budowę kielichową i posiadają obejmy zaciskowe.

Najważniejszym elementem całego układu wydechowego jest tłumik, służący do redukcji hałasu powodowanego przez falę ciśnienia spalin przemieszczających się po całym układzie, od momentu otworzenia zaworu wylotowego do chwili opuszczenia przez spaliny końcówki rury wylotowej. Stosowane są w pojazdach tłumiki o różnych konstrukcjach.

Jedną ze stosowanych powszechnie konstrukcji tłumików jest budowa absorpcyjna, w której tłumik ma postać rury perforowanej z otworami, przez które spaliny mają kontakt z przestrzenią wypełnioną watą tłumiącą, pełniącą funkcję tłumika ruchu cząstek. Przemieszczająca się fala spalin o podwyższonym lub obniżonym ciśnieniu we wnętrzu tłumika dąży do przemieszczania cząsteczek spalin wypełniających jego obudowę w taki sposób, aby ciśnienie odpowiednio wzrosło lub zmalało.

Kolejnym rozwiązaniem konstrukcyjnym tłumików jest budowa refleksyjna, w której tłumienie hałasu realizowane jest z wykorzystaniem wielokrotnego odbijania się poruszających się wraz ze spalinami fali dźwiękowej. Realizowane jest to poprzez zmianę przekroju przewodów odprowadzających spaliny lub wprowadzanie przeszkód pojawiających się na drodze spalin. Powoduje to bowiem utratę energii i tłumienie fali przy każdorazowym odbiciu spalin. Skutecznemu tłumieniu sprzyja zastosowanie co najmniej kilku zmian przekroju przewodu odprowadzającego spaliny. W takich miejscach fale ulegają odbiciu i przemieszczają się wielokrotnie pomiędzy sąsiednimi miejscami zmiany przekroju, wywołując zjawisko rezonansu. Ma to miejsce w sytuacji, gdy częstotliwość tych drgań pokrywa się z częstotliwością drgań własnych spalin w komorze, w której spaliny się przemieszczają.

W rozwiązaniach konstrukcyjnych układów wydechowych pojazdów samochodowych wykorzystywane są dwa rodzaje tłumików refleksyjnych:

– szeregowe – w których zjawiska rezonansowe zachodzą w głównym przewodzie prowadzącym spaliny. Może to być realizowane poprzez zastosowanie  pustej komory osadzonej na przewodzie prowadzącym spaliny. W tego typu rozwiązaniu tłumienie jest najsilniejsze dla fal o częstotliwościach dla których zjawisko rezonansu występuje najsilniej. Przy braku wzbudzenia zjawiska rezonansu, spaliny przepływają przez komorę bez występowania efektu tłumienia;

– bocznikowe – w tym rozwiązaniu zjawiska rezonansowe zachodzą w przewodzie odgałęzionym od głównego przewodu prowadzącego spaliny. To właśnie w tym dodatkowym odgałęzieniu tłumik ma dodatkową komorę utworzoną przez wsunięcie rury wylotowej spalin do wnętrza tłumika. Zjawisko rezonansu, przy którym intensywnie tłumione są drgania występuje wyłącznie dla określonych ich częstotliwości, uzależnionych od wartości wsunięcia rury do środka tłumika.

Innym rozwiązaniem tłumika jest konstrukcja interferencyjna, w której kierunek rozchodzenia się fali akustycznej jest w początkowej fazie zgodny z przepływem spalin i zmienia się dopiero przy wylocie spalin do otoczenia. Istotnym parametrem wpływającym na relacje pomiędzy falą akustyczną pierwotną, a powrotną jest długość przewodów. Tego typu konstrukcja układu wydechowego funkcjonuje poprawnie wyłącznie, gdy okresy obu fal (pierwotnej i powrotnej) wzajemnie mijają się w fazie.

Niestety żadna ze stosowanych w konstrukcjach układów wydechowych wersji tłumików nie jest doskonała i nie jest w stanie stłumić dźwięków o wszystkich częstotliwościach. Konstrukcje tłumików absorpcyjnych nie zawsze sobie radzą z dźwiękami o niskich częstotliwościach, a w przypadku dźwięków o wysokich częstotliwościach skuteczność tłumienia ograniczona jest średnicą tłumika. Przy zastosowaniu tłumików refleksyjnych i interferencyjnych tłumienie dźwięków o niskich i wysokich częstotliwościach realizowane jest poprawnie, lecz skutecznie tylko dla drgań o określonych zakresach częstotliwości.

Ze względu na niedoskonałości poszczególnych konstrukcji tłumików, jedynym skutecznym rozwiązaniem w praktyce jest wykorzystywanie tzw. tłumików kombinowanych, w których zastosowane są jednocześnie różne metody tłumienia drgań, znane z trzech podstawowych konstrukcji tłumików. W tego typu konstrukcjach najczęściej spotykane jest połączenie konstrukcji wykorzystującej równocześnie zasadę rozprężania gazów i zmiany kierunku ich przepływu. Spaliny w tego typu rozwiązaniu wpływają w pierwszej kolejności do komory o półkulistym lub stożkowym kształcie i ulegają tam rozprężeniu. Dalej wymuszona zostaje wielokrotna zmiana kierunku ich przepływu z wykorzystaniem blaszanych, naprzemianlegle usytuowanych zastawek . Stamtąd spaliny ponownie przekierowane są do wąskiej rury wylotowej.

W pojazdach, w których najważniejszym parametrem jest uzyskanie maksymalnej mocy silnika, wykorzystywane są konstrukcje tłumików o działaniu rozprężająco-rozdzielających, wykorzystujących swobodne rozprężanie spalin w rozszerzającej się dyszy oraz rozdzieleniem gazów spalinowych pomiędzy kilka równoległych kanałów. W rozwiązaniu tego typu tłumika spaliny po rozprężeniu w komorze wejściowej przemieszczają się przez wiązkę równoległych rurek o małych przekrojach, dzięki czemu dławienie przepływu jest zminimalizowane, a skuteczność tłumienia wystarczająca.

Ze względu na coraz bardziej rygorystyczne przepisy w zakresie ochrony środowiska, układy wydechowe pojazdów muszą spełniać wymagania dotyczące ograniczenia emisji szkodliwych substancji zawartych w spalinach. Część z nich przechodząc przez układ wydechowy ulega neutralizacji. W związku ze zbyt krótkim czasem przepływu spalin przez układ wydechowy, a także zbyt niską ich temperaturą, nie wszystkie szkodliwe substancje ulegają neutralizacji. Dlatego też, dla zapewnienia zwiększenia intensywności zachodzenia tych przemian w układach wydechowych stosowane są katalizatory, w których zachodzą reakcje:

– utleniania – czyli reakcje tlenków węgla i węglowodorów z tlenem, w wyniku których otrzymywany jest dwutlenek węgla i para wodna,

– redukcji – reakcje tlenków węgla z tlenkiem azotu, której produktem jest azot i dwutlenek węgla.

Stosowane w konstrukcjach układów wydechowych katalizatory można podzielić na:

– utleniające – dwu-funkcyjne, przyspieszające reakcje utleniania, obniżające w spalinach zawartość tlenku węgla i węglowodorów,

– redukujące – jedno-funkcyjne, przyspieszające redukcję, obniżające w spalinach zawartość tlenków węgla,

– utleniająco-redukujące – trój-funkcyjne, przyspieszające reakcje utleniania i redukowania, obniżające w spalinach zawartość tlenku węgla, węglowodorów i tlenków azotu.

W przypadku układów wydechowych silników z zapłonem iskrowym stosowane są obecnie niemal wyłącznie katalizatory trój-funkcyjne, współpracujące z tzw. sondami lambda, reagującymi na obecność tlenu w spalinach. W silnikach z zapłonem samoczynnym stosowane są z kolei wyłącznie katalizatory utleniające, służące zmniejszeniu zawartości tlenku węgla i węglowodorów.

W silnikach z zapłonem samoczynnym istotniejszą kwestią jest ograniczenie ilości sadzy zawartej w spalinach . W tym celu wyposaża się układy wydechowe tego typu silników w filtry cząstek stałych, w których proces ich oczyszczania realizowany jest w sposób samoczynny, podczas eksploatacji pojazdu poprzez wypalanie zebranych cząstek stałych.

Autor: mgr Andrzej Kowalewski