Ktoś może powiedzieć: No tak, co trudnego w umieszczeniu kawałka odpowiednio powyginanej rury. To prawda, ale ten artykuł będzie miał za zadanie pokazać, z jak skomplikowanymi technologicznie procesami i obliczeniami mamy do czynienia przy projektowaniu i konstruowaniu układów wydechowych.
Najważniejszymi zadaniami układu wydechowego są:
odprowadzanie spalin do atmosfery w sposób najmniej uciążliwy dla kierowcy i pasażerów
redukowanie hałasu powstającego przy odprowadzaniu spalin,
oczyszczanie spalin w taki sposób, aby zawartość toksycznych składników była dopuszczana przepisami prawa,
umożliwianie najbardziej sprawnej pracy silnika w całym zakresie obciążeń,
zapewnienie minimalnych oporów przepływu spalin, umożliwiających osiąganie maksymalnej mocy silnika,
zagwarantowanie możliwie wysokiej temperatury spalin poprzez minimalne promieniowanie cieplne.
Energia pochłaniana podczas odprowadzania spalin:
W trakcie spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w silnikach spalinowych pojazdów samochodowych wytwarzana jest energia służąca do napędu. Jej część pochłaniana jest w trakcie odprowadzania spalin z cylindrów silnika i obejmuje:
energię cieplną,
energię nadciśnienia niezbędnego do pokonania oporów w trakcie przepływu przez układ wydechowy,
energię kinetyczną przepływu ze znaczną prędkością,
energię drgań spowodowanych przepływem przez układ wydechowy.
Rozwiązania konstrukcyjne układów wydechowych:
Najczęściej stosowanym rozwiązaniem konstrukcyjnym układu wydechowego jest wersja jednoprzewodowa, stosowana w silnikach o rzędowym układzie cylindrów. Rzadziej przy silnikach wielorzędowych wykorzystywana jest konstrukcja wieloprzewodowa.
Podstawowe elementy układu wydechowego:
a) kolektor wydechowy, wykonany najczęściej z żeliwa, w formie cienkościennego odlewu. Ma on kilka otworów wlotowych do połączenia z poszczególnymi cylindrami silnika oraz jeden wspólny otwór wylotowy. Połączony jest z głowicą silnika przy użyciu kołnierza oddzielonego płaską uszczelką, odporną na wysokie temperatury i chemiczne działanie spalin.
b) pierwszy odcinek przewodów układu wydechowego: wykonywane są w różnych kształtach i mają zróżnicowane przekroje. Najczęściej wytwarzane są jako cienkościenne rury stalowe. Połączenia poszczególnych przewodów rurowych mają budowę kielichową i obejmy zaciskowe.
c) tłumik - najistotniejszy element układu wydechowego, którego zadaniem jest redukcja hałasu wywołanego falą ciśnienia spalin przemieszczających się po całym układzie od momentu otwarcia zaworu wylotowego do chwili opuszczenia przez spaliny końcówki rury wydechowej.
d)
elastyczne wieszaki gumowe, za pomocą których wszystkie elementy
układu wydechowego mocowane są do podwozia.
Zapewniają one
samoczynne tłumienie drgań elementów wywołanych pracą silnika
oraz układu wydechowego
Ograniczenie emisji hałasu
Podstawowym zadaniem układu wylotowego jest ograniczenie hałasu towarzyszącego wyrzutom spalin. Powtarzają się cyklicznie, z różną częstotliwością. Hałas im towarzyszący składa się z dźwięków o różnych częstotliwościach. Aby hałas wyrzutu spalin obniżyć do wartości dopuszczonych przepisami, układ wylotowy musi zmniejszyć jego natężenie o 50dB, tzn. 100 tys. razy.
Jak ograniczać niepożądane dźwięki w tłumikach?
a) konstrukcja absorpcyjna - tłumik przybiera postać rury perforowanej z otworami, przez które spaliny mają kontakt z przestrzenią wypełnioną watą tłumiącą, pełniącą funkcję tłumika ruchów 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 odpowiednio wzrosło lub zmalało ciśnienie.
Tłumik absorpcyjny: Spaliny przepływają tylko przez rurę perforowaną , a poprzez wykonane w niej otwory mają kontakt z przestrzenią wypełnioną watą tłumiącą . Gdy przez rurę wpływa fala spalin o podwyższonym lub obniżonym ciśnieniu, to chce ona tak przemieścić cząsteczki spalin wypełniające obudowę tłumika by odpowiednio wzrosło lub zmalało ciśnienie. Utrudnia to wata wypełniająca tłumik, która nie jest sprężysta i ma znaczną powierzchnię i tłumi ruchy cząstek. Następuje przy tym wydzielanie ciepła.
Do
wypełniania tłumików absorpcyjnych używa się: wełny stalowej
czy też mineralnej waty szklanej. Nowoczesna wata szklana cechuje
się dobrymi zdolnościami do pochłaniania energii zawartej w
strumieniu spalin, nie nasiąka wytrzymuje wysokie temperatury. W
trakcie wprowadzania do wnętrza puszki ułożonych równolegle
względem siebie włókien szklanych, są one „przetwarzane" w
wełnę, z tym, że każde z włókien ją tworzących, ma jeden
wspólny początek i jeden wspólny koniec. Dzięki temu, ta wełna
tłumiąca nie jest wydmuchiwana z układu wylotowego w trakcie
eksploatacji, tak jak ta stosowana wcześniej np. wełna bazaltowa.
Ubytek wełny tłumiącej z wnętrza tłumika, jeśli jest ona
„wydmuchiwania" przez strumień spalin, obniża jego
skuteczność oraz zanieczyszcza środowisko naturalne
Zasadniczo
tłumik absorpcyjny tłumi dźwięki o częstotliwościach powyżej
500 Hz.
Ze wzrostem częstotliwości jego zdolności
tłumiące rosną, aż do dźwięków o takiej częstotliwości, dla
której długość fali odpowiada średnicy obudowy tłumika. Dla
dźwięków o częstotliwościach powyżej tej wartości granicznej
wynosi ona 2500 Hz, następnie zdolność tłumika absorpcyjnego do
tłumienia drgań maleje.
b) tłumik refleksyjny - zasada działania polega na wielokrotnym odbijaniu poruszającej się wraz ze spalinami fali dźwiękowej. Utrata części energii przy każdym odbiciu powoduje tłumienie fali. Odbicie fali następuje gdy zmienia się przekrój przewodu prowadzącego spaliny lub jakiś element stoi na drodze spalin.
Pojedyncza zmiana przekroju kanału, którym płyną spaliny, ma niewielkie działanie tłumiące, trzeba więc ustawić w szeregu kilka zmian przekroju. Fala ulega odbiciu w każdym z miejsc zmiany przekroju, a fale powstałe wskutek odbicia w każdym z tych miejsc, przemieszczają się wielokrotnie pomiędzy dwoma sąsiednimi miejscami zmiany przekroju. Powoduje to powstanie zjawiska rezonansu, gdy częstotliwość tych drgań pokryje się z częstotliwością drgań własnych spalin w komorze, w której fale te przemieszczają się.
Rodzaje tłumików refleksyjnych:
Zależnie od miejsca występowania zjawiska rezonansowego rozróżniamy dwa typy tłumików refleksyjnych:
rezonator szeregowy, w którym zjawiska rezonansowe zachodzą w głównym przewodzie prowadzącym spaliny;
rezonator bocznikowy, w którym zjawiska rezonansowe zachodzą w przewodzie odgałęzionym od głównego przewodu prowadzącego spaliny.
Rezonator szeregowy
Najprostszym typem takiego tłumika jest pusta komora zamontowana na przewodzie prowadzącym spaliny. Dla fal o częstotliwościach, przy których powstaje zjawisko rezonansu, tłumienie jest najsilniejsze, natomiast gdy zjawisko rezonansu nie jest wzbudzane, spaliny przepływają bez tłumienia.
Zgodnie z nazwą, tłumik ten ma na odgałęzieniu dodatkową komorę. Może być ona utworzona poprzez wsunięcie rury wylotowej spalin do wnętrza tłumika. Uzyskujemy wówczas komorę pierścieniową.
Dla określonych częstotliwości drgań, przy których występuje rezonans, osiągane jest silne tłumienie . To przy jakich częstotliwościach to nastąpi, zależy od wartości wsunięcia rury do środka tłumika.
c) Tłumik interferencyjny - gdy spotkają się dwa, lub więcej drgań, nakładają się one na siebie, czyli interferują. Drgania te mogą się wzmacniać lub wygaszać. Druga z tych możliwości została wykorzystana w tłumiku interferencyjnym. Wpływający do tłumika, drgający strumień spalin zostaje rozdzielony na dwa strumienie. Jeden strumień płynie kanałem krótszym, a drugi płynie kanałem dłuższym o długości. Następnie oba strumienie spotykają się i interferują (nakładają na siebie).
W dopływającym strumieniu spalin występują drgania, czyli przemieszczają się w nim na przemian strefy sprężenia i strefy rozprężenia spalin . Po rozdzieleniu strumienia spalin na dwa, drgania, a więc przemieszczające się strefy sprężenia i rozprężenia spalin występują nadal. Ponieważ drogi pierwsza i druga przerywane przez strumienie spalin są różne, więc gdy strumienie spotkają się ponownie, fazy drgań w każdym z nich mogą być różne.
Cechy wynikające z zasady działania tłumików interferencyjnych:
- tylko dla tych częstotliwości, dla których drgania spotykających się strumieni spalin mają przeciwne fazy drgań (spotykają się strefa sprężenia i rozprężenia) - tłumienie osiąga maksymalną wartość
- w innych przypadkach niż opisane, gdy przeciwne fazy drgań strumieni pokrywają się tylko częściowo, lub strumienie spotykają się w tych samych fazach drgań, to odpowiednio, tłumienie jest mniejsze lub nie ma go wcale.
d) tłumiki kombinowane: w których stosuje się kilka różnych metod tłumienia drgań, przenoszonych przez spaliny.
Podsumowanie:
Żadna
ze stosowanych konstrukcji tłumików nie jest doskonała i nie tłumi
dźwięków o wszystkich częstotliwościach. Tłumiki absorpcyjne
nie do końca radzą sobie z dźwiękami o niskich częstotliwościach,
a w przypadku dźwięków o wysokich częstotliwościach skuteczność
tłumienia ograniczona jest średnicą tłumika. W przypadku tłumików
refleksyjnych i interferencyjnych tłumienie drgań o niskich i
wysokich częstotliwościach realizowane jest poprawnie, lecz
skuteczne są one wyłącznie dla drgań o określonych zakresach
częstotliwości.
W praktyce najskuteczniejsze są konstrukcje tzw. tłumików kombinowanych, w których są stosowane jednocześnie różne metody tłumienia drgań. Najczęściej stosuje się konstrukcję wykorzystującą równocześnie zasadę rozprężania gazów i zmiany kierunku ich przepływu. Spaliny wpływają najpierw do komory o półkolistym lub stożkowym kształcie i ulegają tam rozprężeniu. W kolejnej fazie wymuszona jest wielokrotna zmiana kierunku ich przepływu poprzez zastosowanie blaszanych, naprzemianlegle usytuowanych zastawek. Dalej spaliny trafiają do wąskiej rury wylotowej.
Układy
wydechowe w pojazdach sportowych:
W
przypadku pojazdów, w których najistotniejsze jest uzyskanie
maksymalnej mocy silnika, stosowane są konstrukcje tłumików o
działaniu rozprężająco - rozdzielającym.
Wykorzystuje się w
nich swobodne rozprężanie spalin w rozszerzającej się dyszy
(dyfuzor) oraz podział gazów spalinowych między kilka równoległych
kanałów. W tym rozwiązaniu 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.
Ograniczenia
emisji szkodliwych substancji zawartych w spalinach:
W
związku z coraz bardziej zaostrzanymi przepisami w zakresie ochrony
środowiska układy wydechowe pojazdów samochodowych muszą spełniać
wymagania dotyczące ograniczenia emisji szkodliwych substancji
zawartych w spalinach. Część z nich, przechodząc przez układ
wydechowy, ulega neutralizacji. Ze względu na zbyt krótki czas
przepływu spalin przez układ wydechowy oraz zbyt niską
temperaturę, niestety, nie wszystkie szkodliwe substancje ulegają
neutralizacji. W celu zwiększenia intensywności zachodzenia tych
przemian w układach wydechowych stosuje się reaktory
katalityczne.
Jeżeli układ wylotowy jest dobrany prawidłowo, to:
w zakresie małych i średnich obciążeń silnika, powinna pozostać w komorach spalania nieco większa ilość spalin, dla poprawienia warunków spalania (tzw. recyrkulacja wewnętrzna)
w zakresie dużych obciążeń silnika, należy usunąć z komór spalania maksymalnie dużo spalin, aby można wprowadzić do nich jak najwięcej mieszanki paliwowo – powietrznej.