Układy wydechowe cz. 1

Układ wydechowy – zwarty a przy tym lekki

Tłumienie hałasu emitowanego przez silnik jest tym skuteczniejsze, im dłuższy jest układ wydechowy i im więcej ma elementów pochłaniających fale dźwiękowe. Tymczasem jednoślady to pojazdy o niewielkich gabarytach, na dodatek każdy kilogram masy własnej pogarsza ich dynamikę. Wykonanie bardzo długiego wydechu z kilkoma tłumikami (albo jednym rozbudowanym), jak w samochodach, jest więc niemożliwe.

System tłumienia hałasu musi być bardzo zwarty a przy tym lekki. Łączenie tych cech jest jednym z większych wyzwań dla inżynierów projektujących jednoślady. Na dodatek w układzie wydechowym muszą pomieścić się jeszcze elementy służące oczyszczaniu spalin i sterujące przepływem gazów wydechowych. Ponadto trzeba wkomponować wydech w sylwetkę motocykla w taki sposób, by był atrakcyjnym elementem stylizacyjnym i nie odstawał estetycznie od linii całego pojazdu.

Refleksja i absorpcja, czyli co w tłumiku siedzi

Tłumienie hałasu powstającego przy spalaniu paliwa w silniku nie od razu zaprzątało głowy projektantów i producentów. W początkach motocyklizmu kompletnie się tym nie przejmowano. Pierwsze motocykle miały jedynie szczątkowe rury wydechowe, o długości co najwyżej kilkudziesięciu centymetrów, albo nie miały ich w ogóle. Już w pierwszych latach XX w. zaczęto jednak montować jakieś odprowadzenie spalin do tyłu, by nie dmuchały na jadących.

W tym samym czasie niektórzy wytwórcy silnikowych jednośladów zaczęli stosować puszki rozprężne, namiastkę tłumików wydechu. To była pierwsza metoda na rozproszenie fali dźwiękowej, popularna w latach dwudziestych. Sięgano też po inne rozwiązania, takie choćby jak „rybie ogony”. Ze spłaszczonych końcówek rur wydechowych spaliny mogły wydostać się tylko wąską szczeliną, w której fala dźwiękowa była częściowo wychwytywana. Wraz z rosnącą liczbą motocykli na drogach, eliminowanie hałasu stawało się coraz ważniejsze. Głośnych pojazdów nie chcieli przede wszystkim mieszkańcy miast, którzy mieli coraz mniej wyrozumiałości nawet dla zawodów sportowych. Po protestach ludzi mieszkających w pobliżu torów wyścigowych, w latach trzydziestych brytyjska firma AJS zaczęła stosować w swoich maszynach sporych rozmiarów tłumiki „Brooklands Can”.

Układy wydechowe musiały coraz skuteczniej wychwytywać decybele, dlatego w puszkach rozprężnych zaczęły się pojawiać przegrody i rurki przepływowe. Tworzyły coraz bardziej skomplikowany labirynt z coraz liczniejszymi komorami. Taka jest zasadnicza idea refleksyjnego tłumika wydechu.

Z czasem zaczęto również stosować materiały absorpcyjne, ale w silnikowych jednośladach najbardziej rozpowszechnione są właśnie tłumiki refleksyjne, zbudowane z wielu przegród i rurek, umożliwiających przepływ spalin między kolejnymi komorami. Gazy wpadają pod ciśnieniem do tłumika i pokonują długą drogę przez kolejne komory. Te mają różną objętość i pochłaniają fale dźwiękowe o różnych częstotliwościach.

Wydech motocyklowy – dynamika albo koszty

Niestety, tłumiki refleksyjne pogarszają dynamikę silnika. Mimo to opanowały rynek ze względu na niskie koszty wytwarzania. Znacznie mniejsze straty energii powstają w tłumikach absorpcyjnych. Są one zbudowane z pojedynczej, perforowanej rury przechodzącej przez cały tłumik. Pojedyncza komora wypełniona jest materiałem absorbującym, zazwyczaj wełną mineralną lub watą szklaną. Taki tłumik jest jednak droższy w produkcji i trudniejszy w projektowaniu. Wymiary komory muszą być bardzo precyzyjnie dobrane, podobnie jak średnica rury i gęstość absorbentu. Tylko wtedy można uzyskać optymalne parametry tłumika.

Jednak w obliczu coraz ostrzejszych norm czystości spalin, udział tłumików absorpcyjnych będzie jednak rósł, bowiem coraz bardziej skomplikowane konstrukcje refleksyjne za mocno ograniczają osiągi silników. Na razie alternatywę stanowią konstrukcje mieszane, refleksyjno-absorpcyjne, w których część komór tłumika refleksyjnego wypełnia się absorbentem.

Aż do lat dziewięćdziesiątych tłumiki wydechu wykonywano ze zwykłej stali, nieodpornej na korozję. W końcu sięgnięto jednak po stal nierdzewną i w kolejnych latach właśnie ten materiał zyskiwał coraz większą popularność. Dzisiaj dominuje w układach wydechowych, dzięki czemu ich trwałość wydatnie wzrosła. W motocyklach sportowych dla obniżenia masy stosuje się tłumiki aluminiowe, tytanowe oraz z włókna węglowego.

Strażnicy przepływu

Spece od silników spalinowych od dawna wiedzieli, że powstające w układach wydechowych zjawiska falowe można wykorzystać do poprawy dynamiki jednostki napędowej. Można je bowiem tak zestroić, by spaliny były niejako wysysane z komór spalania. Jednak czterosuwy kompletnie ignorowano pod tym względem. Inżynierowie widzieli „falowy” potencjał jedynie w dwusuwach.

Już w połowie lat pięćdziesiątych, w miejsce zwykłych rur wydechowych i klasycznych tłumików zaczęto stosować w wyczynowych silnikach dwusuwowych specjalne konstrukcje, zwane popularnie „rezonatorami”. Miały one specyficzny kształt, będący efektem bardzo precyzyjnych obliczeń. Pionierem w tej dziedzinie stała się niemiecka wytwórnia DKW. Rezonatory zaczęły trafiać do seryjnych dwusuwów od lat sześćdziesiątych. Zagościły głównie w klasie enduro.

W 1983 r. Yamaha w modelu RD 250 oprócz rezonatora zastosowała pierwszy na świecie zawór sterujący przepływem spalin w układzie wydechowym. Miał kształt walcowatej kształtki sterowanej elektronicznie i poruszanej elektrycznym serwomechanizmem. Umożliwiał uzyskanie większego momentu obrotowego przy niskich i średnich obrotach.

Yamaha znalazła się wśród pionierów ponownie w 1989 r. Japońska firma po raz pierwszy w historii zastosowała zawór sterujący przepływem spalin w wydechu silnika czterosuwowego. Zawór klapkowy, umieszczony tuż przed tłumikiem, zmniejszał przepływ spalin w zakresie niskich i średnich obrotów a otwierał się w pełni na wysokich obrotach.

W pierwszej sytuacji jego zadaniem było zmniejszenie średnicy przelotu, utworzenie rodzaju zwężki, za którą tworzy się podciśnienie. Prędkość spalin przed zaworem zwiększa się i są one sprawniej „wysysane” na zewnątrz. Silnik zyskuje w ten sposób na momencie obrotowym, można sprawniej przyśpieszać od niższych obrotów. Tak wygląda w praktyce wykorzystanie efektu Venturiego. Silnik zyskuje równomierną charakterystykę. Z kolei przy wysokich obrotach zawór zostaje w pełni otwarty i umożliwia silnikowi rozwinięcie maksymalnej mocy. Urządzeniem steruje elektronika, której polecenia są realizowane przez cięgna i elektryczny serwomechanizm.

Przez ponad dekadę pomysł Yamahy nie zyskał popularności. Później jednak inni producenci zaczęli sięgać po takie rozwiązanie i dzisiaj jest ono powszechnie stosowane. W 2008 r. doczekaliśmy się nawet motocykla, który ma dwa zawory sterujące w układzie wydechowym. Lecz nowe rozwiązania to już osobny temat.