Zadaniem układu wylotowego jest odprowadzenie spalin z cylindra oraz zmniejszenie poziomu hałasu generowanego przez rozprężające się gazy spalinowe. Współczesne układy wylotowe wspomagają także napełnianie cylindra świeżym ładunkiem i polepszają chłodzenie najbardziej rozgrzanych elementów silnika, takich jak kanał wylotowy w głowicy i zawór wylotowy. Zawracają część ciepła z tych elementów do przestrzeni nad tłokiem. Układy wylotowe nowszych silników dwusuwowych wspomagają proces przepłukiwania, zapobiegają utracie świeżego ładunku i pozostawaniu spalin w przestrzeni nad tłokiem, zwiększają też ilość świeżego ładunku w przestrzeni nad tłokiem. Układy wylotowe współczesnych pojazdów spełniają szereg funkcji dodatkowych, takich jak wychwytywanie szkodliwych związków chemicznych obecnych w spalinach, przemiana chemiczna związków szkodliwych w obojętne lub mniej szkodliwe dla środowiska czy obniżanie temperatury zaworu i kanału wylotowego.

Dobór odpowiednich przekrojów, średnic i oporów przepływu układu wydechowego może mieć znaczny wpływ na podniesienie osiągów silników czterosuwowych. Podobnie jak w wypadku silników dwusuwowych, czterosuw bez układu wydechowego pracuje gorzej od takiego samego silnika zaopatrzonego w rurę wydechową i tłumik. Za skuteczne odprowadzenie spalin z przestrzeni nad tłokiem odpowiada początkowa część układu wylotowego, natomiast za zmniejszenie efektu akustycznego odpowiada część końcowa. Fabrycznie nowy układ wylotowy spełnia te funkcje w sposób zadowalający, ale w miarę zużycia jego parametry pogarszają się, co zawsze skutkuje pogorszeniem oczyszczania przestrzeni nad tłokiem, a często także zwiększeniem głośności pracy wydechu. Dzieje się tak dlatego, że do ścianek układu wylotowego przywierają cząstki sadzy. Proces ten nasila się szczególnie przy uruchamianiu i nagrzewaniu zimnego silnika, kiedy para wodna, powstająca w procesie spalania, skrapla się na zimnych ściankach układu wylotowego i je nawilża. Silnik pracuje wówczas na wzbogaconej mieszance paliwowo‑powietrznej, a więc emisja sadzy jest zwiększona. Sadza przywiera do mokrych ścianek układu wylotowego. Nalot ten zmniejsza pojemność i średnicę przelotów, a także zwiększa opory przepływu. Częste uruchamianie zimnego silnika, czyli jazda na krótkich odcinkach, znacznie skraca żywotność układu wylotowego. Prawidłowo funkcjonujący układ wylotowy powoduje całkowite oczyszczenie z produktów spalania przestrzeni nad tłokiem, zanim ten tłok osiągnie górny maksymalny punkt w suwie wydechu. Za falą gazów wylotowych powstaje podciśnienie, które sprzyja rozpędzeniu świeżego ładunku w początkowej fazie suwu ssania (dlatego we współczesnych silnikach czterosuwowych zawory dolotowe i wylotowe są jednocześnie otwarte w końcowej fazie suwu wydechu). Skutkiem zanieczyszczenia początkowej części układu wylotowego będzie pozostawanie części spalin w przestrzeni nad tłokiem do następnego cyklu pracy i zasysanie do przestrzeni nad tłokiem zmniejszonej dawki świeżego ładunku. Bardzo szkodliwy w kontekście żywotności silnika będzie także brak chłodzenia trzonka zaworu wylotowego i kanału wylotowego przez świeży ładunek, co da efekt lekkiego przegrzewania się głowicy silnika, może też spowodować przyspieszone zużycie przylgni, gniazd, trzonków i prowadnic zaworowych. Powoduje to spadek mocy silnika i wzrost zużycia paliwa. Sadza odkładająca się w początkowej części układu wylotowego bywa okresowo wypalana, gdy pojazd porusza się na dalekich trasach i układ wylotowy ma szansę na długotrwałe nagrzanie. Jednak nawet wtedy końcowa część układu wylotowego nie rozgrzewa się dostatecznie. Końcowa część układu wylotowego to część tłumiąca, odpowiadająca za ograniczenie efektów akustycznych związanych z wypływem spalin. Spaliny ochłodzone przepływem przez początkowy fragment układu wylotowego, mają już temperaturę tak niską, że samoczynne oczyszczanie tłumika nie następuje. Sadza odkłada się w części tłumiącej, zwężając przekroje, ograniczając pojemność komór i zwiększając opory przepływu. Nawet sprawny i fabrycznie nowy homologowany układ tłumiący wpływa na opóźnienie wypływu spalin z komory rozprężnej i przy wysokich obrotach wału korbowego ogranicza moc silnika.

R11y5sRJWDRwr

Klasyczny układ wylotowy cztery w jeden

Rgssf0aZMPwv0

Klasyczna komora rozprężna w układzie wylotowym silnika dwusuwowego

RKOVMcI01SbdW

Kompletny układ wydechowy współczesnego motocykla o klasycznej linii

R10VHFJMA4u6s

Komora rozprężna i tłumik współczesnego motocykla sportowego

RVk12Fjgau5jF

Kolektory wylotowe i początkowy fragment komory rozprężnej współczesnego trójcylindrowego motocyklowego silnika rzędowego

Galeria zdjęć przedstawia poszczególne elementy układu wylotowego opisane w treści powyżej.

Tłumiki

Tłumik refleksyjny redukuje efekt akustyczny przez wielokrotne odbijanie poruszającej się wraz ze spalinami fali dźwiękowej. Zmiana energii kinetycznej na cieplną przy każdym odbiciu powoduje tłumienie fali. Fala gazów odbija się, gdy natrafi na przeszkodę lub zmianę średnicy przelotu. Najprostszy tłumik refleksyjny to pusta puszka o średnicy większej od średnicy rury wlotowej i wylotowej. Przeważnie tłumik refleksyjny składa się z kilku komór i przewodów przelotowych będących rezonatorami dla różnych częstotliwości. Rezonatory mogą być rozmieszczone szeregowo lub równolegle względem kierunku przepływu spalin. Najlepsze efekty daje ułożenie szeregowo‑bocznikowe. Osiąga się wówczas zadowalające tłumienie fali akustycznej w całym zakresie prędkości obrotowej wału korbowego silnika spalinowego.

Tłumik interferencyjny działa na zasadzie zjawiska wzajemnego wygaszania się dwóch fal dźwiękowych o tej samej częstotliwości. Jeżeli fale te nakładają się na siebie i są przesunięte w fazie o połowę długości, efekt tłumienia dźwięku jest największy. Interferencja może być uzyskiwana przez rozgałęzienie przewodu wylotowego na dwa lub trzy przewody o mniejszej średnicy i różnej długości, które następnie są połączone wspólną komorą. Strumień gazów zostaje rozdzielony na kilka mniejszych strumieni, które płyną kanałami o różnych długościach i docierają do końcowej wspólnej komory w różnych fazach pulsacji. Fale wygaszają się wzajemnie w całości lub częściowo. Wadą tłumików tego typu jest konieczność dokładnego określenia fazy, co jest możliwe jedynie przy stałej prędkości obrotowej wału korbowego silnika spalinowego, dlatego tłumik interferencyjny będzie pracował skutecznie tylko w pewnych zakresach obrotów.

Tłumik absorpcyjny tłumi drgania na skutek wykorzystania siły tarcia mechanicznego. Składa się on z puszki i przebiegającej przez nią na wylot rury z otworkami. Wewnątrz puszki znajduje się wełna tłumiąca, która otacza rurę. Przepływające przez rurę spaliny wydostają się przez otworki do przestrzeni wypełnionej wełną tłumiącą, która tłumi ich drgania na skutek tarcia mechanicznego, zamieniając energię kinetyczną spalin na energię cieplną. Tłumiki absorpcyjne wyróżniają się bardzo prostą konstrukcją, ale ich wadą jest to, że nie tłumią drgań o niskiej częstotliwości. Działają skutecznie przy częstotliwościach powyżej $500\mathrm{Hz}$.

Układ wylotowy typowego silnika spalinowego może być wyposażony w kilka tłumików różnego typu lub tłumik kombinowany. Niestety zastosowanie kilku tłumików znacznie podnosi opory przepływu układu wylotowego, a to utrudnia oczyszczenie komory spalania z gazów spalinowych, dlatego interesujące efekty daje zastosowanie kombinowanego tłumika o nowoczesnej konstrukcji, łączącego w sobie cechy klasycznego tłumika refleksyjnego i absorpcyjnego. Dla optymalnej pracy układu wydechowego konieczne jest dobranie do konkretnego pojazdu i konkretnego układu wylotowego takich parametrów jak pojemność, długość i średnica tłumika, co może nastąpić jedynie w specjalistycznym serwisie dysponującym analizatorem spalin i hamownią.

Katalizator – reaktor katalityczny

Katalizator stosowany w silnikach pojazdów motocyklowych jest katalizatorem heterogenicznym, jednak urządzenie, które popularnie nazywamy „katalizatorem”, poprawnie trzeba nazywać reaktorem katalitycznym. Motocyklowy reaktor katalityczny wykorzystuje katalizator w procesie redukcji związków toksycznych w spalinach. Jest to część układu wylotowego większości motocykli, spełniająca funkcję chemicznego reaktora zmniejszającego ilości szkodliwych składników w spalinach. Najkorzystniejsze warunki pracy katalizatora dobierane są na skutek sterowania układem zasilania i układem zapłonowym, na podstawie danych z sondy lambda, która bada zawartość tlenu w spalinach i przekazuje informacje do centralnej jednostki sterującej. Centralna jednostka sterująca przetwarza te informacje i na ich podstawie dokonuje korekty składu mieszanki paliwowo‑powietrznej i wyprzedzenia zapłonu. Niekiedy występują dwie sondy lambda badające skład chemiczny spalin przed i za katalizatorem.

We współczesnych silnikach o zapłonie iskrowym, powszechnie stosuje się reaktory trójfunkcyjne (trójdrożne), które charakteryzują się tym, że jednocześnie redukują tlenki azotu, powstające przy spalaniu mieszanki ubogiej w paliwo, a także utleniają węglowodory do dwutlenku węgla i wody oraz utleniają tlenek węgla do dwutlenku węgla. Wszystkie trzy reakcje mogą zachodzić równocześnie w reaktorze katalitycznym trójfunkcyjnym. Warunkiem jest utrzymanie współczynnika nadmiaru powietrza na poziomie $\lambda$ od $0,997$ do $1,003$. Trzeba wyjaśnić, że współczynnik nadmiaru powietrza to stosunek rzeczywistej ilości powietrza, w którym spalane jest paliwo, do wyliczonej teoretycznie ilości powietrza potrzebnej do całkowitego spalenia paliwa.

Stosowane obecnie katalityczne konwertery różnią się materiałem, z którego są wykonane. Dzielimy je na metalowe i ceramiczne. Katalizator metalowy szybciej się nagrzewa i szybciej osiąga temperaturę pracy. Układy wylotowe zaopatrzone w konwertery metalowe lepiej spełniają współczesne normy emisji spalin, gdyż ten rodzaj katalizatorów potrzebuje mniej czasu od momentu rozruchu zimnego silnika na rozpoczęcie oczyszczania spalin. Dodatkową zaletą jest wytrzymałość. Metaliczny blok katalizatora jest bardziej odporny na uszkodzenia mechaniczne i udary termiczne. Maksymalna temperatura grożąca zniszczeniem bloku metalowego wynosi około $1300°\mathrm{C}$, ceramicznego zaś $800°\mathrm{C}$.

Katalizator nie wpływa na ograniczenie zużycia paliwa przez silnik, jednak centralna jednostka sterująca wyposażona w sondę lambda, o wiele rzadziej i krócej będzie pracować na mieszankach zbyt bogatych. Układ elektroniczny, korzystając z informacji pochodzących od sondy lambda, natychmiast wykonuje korekty składu mieszanki i wyprzedzenia zapłonu, aby utrzymać skład mieszanki na poziomie zbliżonym do mieszanki stechiometrycznej lub zubożonej. Nie należy jednak zapominać o zwiększonych oporach przepływu, jakie daje blok katalityczny, jednak katalizator współczesnego motocykla jest tak skonstruowany, aby jego i tak niewielkie opory przepływu jedynie w minimalny sposób ujemnie wpływały na ekonomię jazdy.

Powrót do spisu treściD13jaKuFOPowrót do spisu treści

Powiązane materiały multimedialne

• Animacja 3D Animacja wybranych układów, podzespołów i zespołów pojazdów motocyklowych w 3DDGy29YdRUAnimacja 3D Animacja wybranych układów, podzespołów i zespołów pojazdów motocyklowych w 3D

• Grafika interaktywna Rodzaje oraz budowa wybranych układów, podzespołów i zespołów pojazdów motocyklowychDahIFgQxtGrafika interaktywna Rodzaje oraz budowa wybranych układów, podzespołów i zespołów pojazdów motocyklowych