Układ wydechowy w motocyklach. Wyciszenie to nie wszystko!

Projektanci motocykli pod wieloma względami mają dużo trudniejsze życie niż konstruktorzy samochodów. Głównie ze względu na znacznie mniejsze rozmiary pojazdów, którymi się zajmują.

Rozmiar ma znaczenie

Układ wydechowy, główny „dostawca” fal dźwiękowych, sprawia szczególnie wiele problemów. Hałas generowany tą drogą przez silnik spalinowy musi być poskramiany na przestrzeni nieco ponad dwóch metrów, dbając jednocześnie o niewielkie gabaryty, niską masę i estetyczny wygląd odpowiedzialnego za to zadanie tłumika.

To zupełnie inaczej niż w samochodach, w których schowany pod podłogą wydech może mieć długość 3-5 m i nawet kilka tłumików. Im większa odległość między początkiem rury wydechowej, mocowanym do kanału wylotowego w głowicy silnika, a jej końcówką, którą w praktyce jest wylot z ostatniego tłumika, tym skuteczniej można wytłumić hałas.

PRZENIESIENIE NAPĘDU W SKUTERACH. JAK TO DZIAŁA?

W jednośladach konstruktorzy muszą sięgać po różnorodne tricki, by sprostać sukcesywnie zaostrzanym normom głośności.

Hałas pod kontrolą

Twórcy norm biorą pod uwagę specyfikę konstrukcyjną motocykli i nie są dla nich tak restrykcyjni, jak dla samochodów. W Polsce górna granica hałasu dla jednośladów z silnikami o pojemności skokowej do 125 ccm wynosi 94 dB, dla maszyn z większymi silnikami 96 dB. Taki sam limit mają samochody z silnikami wysokoprężnymi. Auta z silnikami benzynowymi nie mogą przekraczać 93 dB.

Z technicznego punktu widzenia tłumienie hałasu to swoiste łączenie wody z ogniem. Konstruktor musi wydłużać drogę fali dźwiękowej, wędrującej wraz ze spalinami, by skutecznie ją przełamywać i zmniejszyć do minimum jej destrukcyjne działanie. Służą temu wygięcia rur wydechowych, komory kompensacyjne, najczęściej montowane pod lub za silnikiem oraz tłumiki wydechu.

Te ostatnie to nic innego jak wielokomorowe „puszki”, w których spaliny krążą w wymuszony sposób zanim osiągną wylot. Takie wydłużenie drogi przepływu spalin, przełamujące przy okazji fale dźwiękowe, spowalnia usuwanie spalin i na swój sposób dławi silnik. Inżynier zajmujący się układem wydechowym musi zatem znaleźć złoty środek, aby sprostanie normom hałasu odebrało silnikowi jak najmniej dynamiki.

Coraz ostrzejsze regulacje prawne są jednak nieubłagane. Przy okazji wprowadzania nowych przepisów niektóre modele tracą kilka koni mechanicznych, właśnie ze względu na większe opory przepływu spalin w układzie wydechowym.

Rozpraszanie i absorpcja

Rura wydechowa, nawet mocno powyginana, ma niewielki udział w tłumieniu hałasu. Znacznie skuteczniejsze są pod tym względem tłumiki wydechu.

W motocyklach wciąż najpopularniejsze są tłumiki refleksyjne, których największą zaletą są niskie koszty produkcji. We wnętrzu takich konstrukcji znajdujemy odpowiednio rozmieszczone przegrody oraz system rurek i otworów, stanowiących drogę przepływu spalin. Gazy wydechowe i towarzyszące im fale dźwiękowe muszą pokonać określoną trasę, przechodząc przez kolejne komory w poszukiwaniu ujścia. Objętość komór jest różna, dlatego rozpraszane są w nich fale dźwiękowe o różnych częstotliwościach.

Tłumiki absorpcyjne zbudowane są zupełnie inaczej. W ich wnętrzu znajdziemy jedną, perforowaną na całej długości rurę tłumika i jedną, obszerną komorę wokół przelotowej rury. Komorę wypełnia się odpowiednią ilością materiału absorpcyjnego (wata szklana, wełna mineralna, wełna stalowa) o ściśle określonej gęstości.

Obliczenie parametrów absorbentu stanowi w przypadku tych konstrukcji największy problem. Czasami stosuje się kilka rodzajów materiału, albo różne jego gęstości w różnych strefach tłumika. Wydaje się jednak, że przyszłość należy właśnie do tłumików absorpcyjnych, zwłaszcza w motocyklach sportowych i sportowo-turystycznych. Pozwalają one sprostać bardzo ostrym normom, nie pogarszając w znaczący sposób dynamiki silnika.

Tłumiki refleksyjne są niestety odpowiedzialne za spore straty w dynamice i z tego względu stają się coraz bardziej kłopotliwe dla jednośladów, w których liczą się osiągi.

Nowe materiały

Wraz z rosnącymi ograniczeniami głośności, układy wydechowe motocykli stają się coraz bardziej rozbudowane. Kiedy rozmiary tłumików zwiększają się, sprawa materiałów, z których są one wykonane, nabiera nowego znaczenia. Zwłaszcza w tych klasach jednośladów, w których niska masa własna jest jednym z ważniejszych parametrów.

Stal, powszechnie stosowaną w układach wydechowych do lat 90., zaczęto zastępować lżejszymi materiałami: aluminium, tytanem, a nawet włóknem węglowym. Tego typu konstrukcje były początkowo domeną firm tuningowych, obecnie montowane są również seryjnie.

W stalowych układach wydechowych również odnotowano spory postęp. Stosowana coraz powszechniej od kilkunastu lat stal wysokogatunkowa wyeliminowała problem szybkiej korozji. Była to prawdziwa zmora użytkowników motocykli, którzy co dwa – trzy lata musieli wymieniać lub remontować rury wydechowe i tłumiki.

Proces komplikacji

Układy wydechowe przeszły ogromną metamorfozę od momentu zbudowania pierwszego, silnikowego jednośladu. Początkowo wystarczał kawałek zwykłej rury, trochę jak w tym R 32, pierwszym motocyklu BMW (na zdjęciu poniżej).

Dzisiaj oprócz rur, stanowiących łączniki między kolejnymi elementami wydechu, komór kompensacyjnych dbających o wykorzystanie zjawisk falowych dla poprawy sprawności silnika oraz tłumików, rozpraszających falę dźwiękową, konstruktor musi przewidzieć także miejsce dla wtórnego obiegu powietrza dopalającego spaliny, katalizatora (lub katalizatorów), czujnika tlenu (sonda Lambda), a nierzadko również dla zaworów regulacyjnych. Wydechy motocyklowe przestały być tylko strażnikami ciszy, stały się również strażnikami ekologii.

Dodatkowe kanały, wprowadzające powietrze do układu wydechowego tuż za zaworem wylotowym, pojawiły się już w latach osiemdziesiątych. Pozwalały dopalić w pewnej części spaliny, redukując w nich zawartość szkodliwych substancji.

Są proste od strony konstrukcyjnej, wymagają jedynie poprowadzenia dodatkowych przewodów oraz zamontowania zaworu podciśnieniowego lub elektromagnetycznego. W bardziej zaawansowanych wersjach stosuje się elektroniczny sterownik.

Obowiązkowy katalizator

Katalizator zawitał do motocykli w 1988 r. za sprawą BMW, ale przez ponad dekadę uznawany był raczej za techniczną ekstrawagancję. Dopiero od 1999 r., gdy zaczęła obowiązywać norma czystości spalin Euro 1, znalazł się w powszechnym użyciu. Od 2006 r., wraz z wprowadzeniem normy Euro 3, katalizatory stały się niezbędnym wyposażeniem motocyklowych wydechów.

W wielu konstrukcjach poza katalizatorem stosuje się wtórny obieg gazów, redukujący zawartość tlenku węgla o 40% i węglowodorów o 30%. Taka kombinacja pozwala znacząco wydłużyć żywotność kosztownego w wymianie katalizatora. Układy katalityczne mogą pracować zarówno w systemie monofunkcyjnym, bez czujnika tlenu w spalinach, lub w systemie wielofunkcyjnym, przy udziale czujnika tlenu pozwalającego precyzyjniej sterować wtryskiem paliwa.

Wydech sterowany

Zawory sterujące wydechem zaczęto montować seryjnie w latach osiemdziesiątych, podobnie jak katalizatory. Yamaha zamontowała najpierw zawór walcowy w modelu dwusuwowym (1983 r.) a potem klapkowy w czterosuwowym (1989 r.).

Zawór pozwala wykorzystać zjawiska falowe dla poprawy charakterystyki silnika. Na niskich i średnich obrotach zostaje ustawiony pod odpowiednim kątem, zawężając średnicę przelotu. Zaczyna pełnić rolę zwężki, za którą tworzy się strefa podciśnienia, „wysysająca” gazy wydechowe sprzed zaworu i zwiększająca prędkość ich przepływu.

Dzięki wykorzystaniu prostego zjawiska fizycznego usuwanie spalin przebiega sprawniej i silnik zyskuje na dynamice. Wzrasta moment obrotowy i motocyklem można sprawnie przyśpieszać nawet od średnich obrotów. Łagodzi się w ten sposób typowe dla sportowych silników zjawisko swoistej „słabości” do pewnego poziomu obrotów i nagłego wzrostu dynamiki po jej przekroczeniu. Silnik ma równomierną charakterystykę, dlatego jazda może przebiegać bardziej płynnie w całym zakresie obrotów.

NIETRAFIONE POMYSŁY. KRÓTKA HISTORIA SILNIKA WANKLA

W zakresie wysokich obrotów zawór zostaje ustawiony w taki sposób, by stawiać jak najmniejszy opór i umożliwić silnikowi rozwinięcie maksymalnej mocy. Ruchami zaworu zarządza elektroniczny sterownik, a elementami wykonawczymi są elektryczny serwomechanizm oraz elastyczne cięgła.

Obecnie spotyka się już konstrukcje z dwoma zaworami sterującymi, umieszczonymi w dwóch różnych strefach układu wydechowego. Jeden z nich jest blisko silnika, drugi przed tłumikiem końcowym lub w samym tłumiku. Układy wydechowe, które już dzisiaj są mocno rozbudowane i drogie, będą jeszcze bardziej zaawansowane technologicznie. Nie zmienią się jednak ich zadania. Wciąż będą musiały odpowiednio wyciszyć silnik i wyczyścić spaliny, nie zabierając silnikom zbyt wielu „niutonometrów” i koni mechanicznych.

Prawo przede wszystkim

Hałas wpływa destrukcyjnie na organizm człowieka. Normy, które go ograniczają, mają pełne uzasadnienie. Nie wszyscy właściciele motocykli to rozumieją i dokonują nielegalnych przeróbek układów wydechowych swoich jednośladów. Warto przypomnieć, że samodzielne modyfikacje wydechu są dozwolone jedynie przy wykorzystaniu elementów homologowanych dla konkretnego modelu i zamontowanych zgodnie z instrukcją producenta. Policja może mierzyć głośność motocykli i zatrzymywać dowody rejestracyjne osobom, które poruszają się zbyt hałaśliwymi pojazdami. Trzeba jednak pamiętać, że taki pomiar musi być wykonany zgodnie z określoną procedurą. 

Podczas pomiaru mikrofon powinien być oddalony od końca rury wydechowej o 0,5 m, a silnik musi być krótkotrwale wprowadzony na obroty odpowiadające 75 % obrotów mocy maksymalnej. Jeśli jednostka napędowa osiąga moc maksymalną powyżej 5000 obr/min, to pomiar trzeba przeprowadzać przy obrotach odpowiadających 50 % obrotów mocy maksymalnej. Teren powinien być otwarty, by nie nastąpiły niekontrolowane odbicia dźwięku.

Łatwo zauważyć, że podstawą rzetelnego pomiaru jest nie tylko odpowiednie ustawienie aparatury, ale również znajomość danych technicznych sprawdzanego motocykla.