Układy wydechowe cz.2

Norma czystości spalin

Dopóki konstruktorów nie zaczęły ograniczać normy czystości spalin, w układach wydechowych poszukiwali oni możliwości poprawy dynamiki silnika i skuteczniejszego tłumienia hałasu. Konieczność redukcji zanieczyszczeń wymusiła wprowadzenie do wydechów systemów dopalających. Pojawiły się na początku lat osiemdziesiątych i były stosunkowo proste. Do kanału wydechowego, tuż przy wylocie z cylindra, wprowadzano ładunek świeżego powietrza. Taki dodatek nie pomagał co prawda w dopalaniu tlenków azotu, ale umożliwiał znaczącą redukcję emisji tlenku węgla (o ok. 40 %) i węglowodorów (o ok. 30 %).

Systemy tego typu, określane rozmaitymi skrótami (SLS, CAS, KCAS, PAIR) działały na prostej zasadzie. Ich konstrukcja sprowadza się do wykonania dodatkowych przewodów prowadzących powietrze i zamontowania podciśnieniowego lub elektromagnetycznego zaworu sterującego.

W prostszych układach sygnałami do otwarcia lub zamknięcia zaworu są zmiany ciśnień w kanale dolotowym. W bardziej zaawansowanych wersjach zawór otrzymuje sygnały od elektronicznego sterownika, uwzględniającego aktualne obroty silnika, położenie przepustnicy oraz wartość podciśnienia w układzie dolotowym.

Mimo pojawienia się katalizatorów systemy dopalania spalin dodatkową porcją powietrza wcale nie odeszły do lamusa. Wspomagają pracę zarówno mono- jak i wielofunkcyjnych katalizatorów. Wstępne dopalenie spalin odciąża katalizator i zdecydowanie wydłuża żywotność tego kosztownego elementu.

Katalizator

Wkrótce okazało się, że w układzie wydechowym musi się również znaleźć miejsce dla katalizatora. Po raz pierwszy taki element został zastosowany seryjnie w BMW K1 z 1988 r. Bawarska firma znana była z pionierskich pomysłów, a K1 stanowił dla niej swoisty poligon doświadczalny do testowania nowatorskich rozwiązań, takich jak układ przeciwpoślizgowy ABS, wtrysk paliwa i właśnie katalizator.

Dopalacze katalityczne w motocyklowych wydechach stały się powszechne tak naprawdę dopiero po 1999 r., gdy zaczęła obowiązywać norma czystości spalin Euro1. Były to w większości proste konstrukcje monofunkcyjne, nastawione na redukcję jednego składnika spalin. Nie miały sondy lambda, mierzącej zawartość tlenu w spalinach i pomagającej określić możliwie najdokładniejsze parametry wtrysku paliwa. Montowano je zarówno w silnikach gaźnikowych jak i wtryskowych, chociaż wersje z wtryskiem wręcz powinny mieć katalizatory wielofunkcyjne. Producenci w wielu przypadkach nie mieli jednak potrzeby ich stosowania, bo dużo tańsze konstrukcje monofunkcyjne często po prostu wystarczały. Wciąż popularne było też rozwiązanie bez katalizatora, za to z wtórnym obiegiem powietrza albo połączenie tych dwóch rozwiązań.

Katalizatory wielofunkcyjne na dobre zagościły w motocyklach po wprowadzeniu normy Euro3 w 2006 r.. Wtedy też zakończyła się era gaźników w motocyklach z silnikami o pojemności powyżej 150 ccm. Jednoślady do 150 ccm podlegają mniej surowym przepisom.

Konwersja na boisku

Nazwa katalizator, choć powszechnie stosowana, nie jest najszczęśliwsza. Tak naprawdę chodzi bowiem o dopalacz czy też konwerter, który toksyczne związki węgla i azotu potrafi zamienić na dwutlenek węgla, azot i parę wodną, wykorzystując w tym celu pierwiastki katalityczne: platynę, pallad i rod. Najprostsze, monofunkcyjne konwertery są mało efektywne, bowiem ukierunkowuje się je na maksymalną redukcję jednego ze szkodliwych czynników: tlenku węgla, węglowodorów albo tlenków azotu. Wielofunkcyjny dopalacz, współpracujący z sondą lambda, potrafi skutecznie redukować wszystkie te związki.

Katalizator to urządzenie stosunkowo proste, ale skomplikowane technologicznie i drogie w produkcji. Do stalowej obudowy trzeba wmontować ogromną liczbę stalowych płytek o grubości zaledwie dziesiątych części milimetra, pokrytych warstwą aluminium stanowiącą nośnik dla pierwiastków katalitycznych. Chodzi o uzyskanie jak największej powierzchni roboczej, która w praktyce może dorównywać rozmiarami pełnowymiarowemu boisku piłkarskiemu. Konwerter pracuje już w temperaturze 300 C, ale największą wydajność osiąga gdy temperatura osiągnie 700-800 C.

Dopalacz wielofunkcyjny pracuje efektywnie tylko wówczas, gdy silnik motocykla zasilany jest wtryskiem paliwa. Precyzyjnie sterowany, potrafi bowiem utrzymać wartość współczynnika lambda w najbardziej optymalnym zakresie zbliżonym do 1, gdy 1 kg benzyny spala się przy udziale 14,7 kg powietrza. Gaźniki nie spełniają tego warunku, wykazują się bowiem zbyt małą dokładnością w tworzeniu mieszanki paliwowo-powietrznej. W ich przypadku współczynnik lambda osiąga wartości od 0,5 w fazie nagrzewania jednostki napędowej do 1,1 przy małym obciążeniu nagrzanego silnika. Wtrysk paliwa potrafi utrzymać wartość współczynnika lambda w zakresie 0,97-1,03.

Ten efekt uzyskuje się dzięki zamontowaniu przed konwerterem katalitycznym sondy lambda, czyli czujnika tlenu, dostarczającego układowi wtryskowemu informacji o zawartości tlenu w spalinach. Pozwala to dobierać odpowiedni skład mieszanki w każdych warunkach. Sonda lambda, podobna do świecy żarowej, wkręcana jest w rurę wydechową lub komorę kompensacyjną. Jej zewnętrzna część ma kontakt z powietrzem atmosferycznym, stanowiącym gaz odniesienia. Po nagrzaniu do temperatury 300C, ceramiczny element pomiarowy zaczyna przepuszczać jony tlenu i sonda zaczyna działać. Na platynowych elektrodach, oddzielonych elementem ceramicznym, pojawia się napięcie. Na podstawie jego wartości określa się zawartość tlenu.

Elektroniczny sterownik ok. 100 razy na sekundę analizuje zawartość tlenu w spalinach i kilka razy na sekundę koryguje skład mieszanki podawanej przez wtryskiwacze. W silnikach wielocylindrowych dla uzyskania maksymalnej precyzji należałoby montować sondę lambda dla każdego cylindra. Można by wówczas uzyskać dokładne dane, a nie tylko wynik uśredniony. Może doczekamy się kiedyś takiego rozwiązania, ale na razie stosuje się co najwyżej dwie sondy lambda.

Sporą ciekawostkę stanowi fakt, że elementy katalityczne konwertera nie zużywają się. Dopalacz może wymagać wymiany ze względu na zniszczenie obudowy lub zapchanie się jego wnętrza produktami ubocznymi ze spalania paliwa, na czele z najgroźniejszym w tym przypadku ołowiem.

Wydechowi stroiciele

Seryjne układy wydechowe to efekt kompromisu między ceną, jakością i efektywnością działania. W grę wchodzi przede wszystkim odpowiednio szybki i tani proces produkcyjny wydechu, który przy pomiarach nie będzie wykazywał wartości hałasu bliskiej granicznego, dopuszczonego przepisami poziomu. Producent liczy się bowiem z odchyłkami powstającymi podczas produkcji i nie może ryzykować, że wyprodukowany przez niego układ wydechowy nie zmieści się w normie.

Zupełnie inaczej wygląda to w przypadku tunerów, zwanych też stroicielami. Polskie tłumaczenie nazwy tej profesji wyjątkowo dobrze pasuje do ludzi zajmujących się dźwiękiem, jednostkowo produkujących elementy układów wydechowych. Ich wyroby to rury wydechowe i tłumiki zaprojektowane z dużo większą precyzją, wykonane z lepszych materiałów i po prostu lepiej brzmiące. Czasem chodzi tylko o zaspokojenie indywidualnych wymagań motocyklistów co do barwy dźwięku czy efektów dźwiękowych, innym razem również o poprawę osiągów.

Tuningowane układy wydechowe mogą podnieść dynamikę silnika nawet o kilka procent, a w przypadku układów z katalizatorem – nawet o 10%. Hitem ostatnich lat są elementy zwane „DB-killerami”, montowane w końcowym odcinku tunerskich tłumików i dające się łatwo usuwać. Gdy ten niepozorny kawałek rurki z odpowiednio rozmieszczonymi otworami, specjalnym kołnierzem i śrubą mocującą tkwi w tłumiku, hałas jest odpowiednio wyciszony, układ wydechowy spełnia warunki homologacyjne, a motocykl może poruszać się po drogach publicznych. Po wjechaniu na obszar niepubliczny (zamknięta dla ruchu droga, lotnisko czy tor wyścigowy) „DB-killera” można łatwo zdemontować i uzyskać poprawę dynamiki silnika.

Niestety, „DB-killery” są nagminnie demontowane przez motocyklistów jeżdżących po zwykłych ulicach i szosach, ku utrapieniu mieszkańców, przechodniów i innych kierowców. Ci, którzy to robią, powinni zrozumieć, że – jak sama nazwa wskazuje – mamy do czynienia z „pogromcą decybeli”, który na co dzień powinien pełnić funkcję, do jakiej został zaprojektowany.