Konstrukcja układu wylotowego cz. 1

Cechy charakterystyczne spalin 

W wyniku spalenia mieszanki paliwowo-powietrznej w silniku, powstaje energia, która w przybliżeniu, w trzech równych częściach:

- jest wykorzystywana do napędu samochodu; 

- przenika do układu chłodzenia i w większości jest tracona: 

- ulatuje ze spalinami i większości jest tracona. 

Strumień spalin ma więc w sobie określoną ilość energii, pod różnymi postaciami. O ich obecności świadczą: 

- temperatura spalin - jest miarą energii cieplnej spalin; może osiągnąć wartość do 1000 stopni Celsjusza

- nadciśnienie spalin (na biegu jałowym oraz w zakresie małych i średnich obciążeń silnika, naprzemiennie z nadciśnieniem występuje też podciśnienie) - jest miarą energii potencjalnej, nadciśnienie spalin jest konieczne do pokonania oporów przepływu spalin w układzie wylotowym;

- prędkość przepływu spalin - jest miarą energii kinetycznej płynących spalin: 

- drgania słupa spalin - towarzyszą przepływowi spalin, a część energii jest z nimi związana. 

Spaliny są mieszaniną gazów i cząstek stałych. Cząstki stałe to wszystkie składniki spalin, które opuszczają rurę wylotową w postaci innej niż gazowa, dlatego składniki spalin w formie płynnej, to cząstki stałe. Składniki spalin są w większości szkodliwe. Spaliny zawierają również wodę, będącą produktem spalania paliwa. Występuje ona w postaci pary, ale wkrapla się częściowo na chłodnych elementach układu wylotowego. 

Zadania i cechy nowoczesnego układu wylotowego 

- doprowadzenie spalin do miejsca w pojeździe, w którym mogą zostać one odprowadzone do atmosfery 

- redukcja hałasu towarzyszącego odprowadzaniu spalin

- oczyszczenie spalin dla osiągnięcia zawartości składników szkodliwych poniżej wartości określonych przepisami danego kraju 

-  charakterystyka układu wylotowego, pozwalająca na najsprawniejszą pracę silnika w całym zakresie obciążeń

- minimalne opory przepływu, określane wartością przeciwciśnienia spalin, umożliwiające osiągnięcie silnikowi mocy maksymalnej 

- minimalne promieniowanie cieplne z elementów układu wylotowego, co pozwala utrzymać możliwie wysoką temperaturę spalin 

- długi czas eksploatacji

- możliwość powtórnego przerobu zastosowanych materiałów 

- niskie koszty produkcji 

Silnik a emisja hałasu 

Rys. 1 prezentuje źródła emisji hałasu (oznaczone literami), związane bezpośrednio z pracą silnika spalinowego. Są one omówione poniżej. 

Źródło A. Silnik zasysa powietrze, które przepływa przez filtr powietrza 1 i układ dolotowy 2. Przepływ zasysanego powietrza ma charakter pulsacyjny, tzn. powietrze płynie (w uproszczeniu) tylko wówczas, gdy któryś z cylindrów jest aktualnie w suwie ssania (suwy w poszczególnych cylindrach nakładają się na siebie). Układy dolotowe są tak konstruowane, aby hałas i pulsacje związane z przepływem powietrza minimalizować. Źródłem hałasu może być również urządzenie 3 wytwarzające mieszankę. 

Źródło B. Proces spalania w silniku odbywa się w sposób eksplozywny, więc towarzyszy mu hałas. Jego natężenie zależy od tego, jak szybko narasta ciśnienie spalania i jakie wartości maksymalne osiąga. Tzw. spalaniu stukowemu w silnikach ZI (niepożądanemu, występującemu przy obciążeniu silnika) towarzyszy charakterystyczny, nieregularny dźwięk, zwany potocznie dzwonieniem. SpaIanie  stukowe występuje również w silnikach ZS aIe jego przyczyna jest inna niż w silnikach ZI. Często występuje w silnikach z bezpośrednim wtryskiem paliwa, w pierwszych chwilach po rozruchu zimnego silnika. 

Źródło C. W momencie otwarcia zaworu wylotowego w komorze spalania jest jeszcze znaczne nadciśnienie. Wylot spalin odbywa się więc ze znaczną prędkością - dlatego towarzyszy mu hałas. 

Źródła D, E, F. Przepływowi spalin przez tłumiki 5 i 7 oraz rurę prowadzącą spaliny 7 towarzyszy emisja hałasu. Drgania spalin w tych elementach powodują drgania ich ścianek, dlatego stają się one dodatkowym źródłem dźwięku. 

Źródło G. Wylotowi spalin z końcówki rury wylotowej do atmosfery towarzyszy hałas. Na rys. 1 nie zostały pokazane inne źródła hałasu. np. pompy wtryskowej silników ZS, osprzętu silnika czy klimatyzacji. 

Ograniczenie emisji hałasu 

Układ wylotowy, pod względem funkcjonalnym, stanowi pewną całość. Jego każdy element ma określoną funkcję. Jego kształt budowę określa oczekiwana charakterystyka silnika oraz miejsce do zabudowy elementów układu wylotowego pod podwoziem samochodu, tak by nie zakłócały one przepływu powietrza pod samochodem. Wraz ze spalinami tracimy około 30% energii, uzyskanej ze spalenia paliwa. Jej część można odzyskać, montując w układzie wylotowym turbo sprężarkę lub sprężarkę systemu Comprex. W przypadku turbosprężarki, energia spalin jest wykorzystana częściowo do napędu turbiny, która z kolei napędza sprężarkę „pomagającą” silnikowi zassać świeżą mieszankę. 

Możliwe jest również podniesienie mocy, momentu obrotowego silnika i obniżenie zużycia paliwa, przez dobry dobór układu wylotowego. Rys. 2 przedstawia przebieg zmian natężenia przepływu spalin przez zawór wylotowy silnika w trakcie jego otwarcia, dla silnika bez układu wylotowego linia A wykresu, oraz dla silnika z prostym układem wylotowym – linia B wykresu. Układ wylotowy zwiększa natężenie wypływu spalin w dwóch fragmentach wykresu, również w dwóch nastąpił spadek  natężenia wypływu spalin. Po dodaniu układu wylotowego wypływ spalin nabrał wyraźniejszego charakteru pulsującego. 

Jeśli 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

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 100000 razy. Służą do tego następujące typy tłumików, montowanych w układzie wylotowym: 

- absorpcyjne, 

- refleksyjne,

- interferencyjne, 

- kombinowane, które łączą w sobie dwa lub trzy z wymienionych powyżej typów tłumików.

Typy tłumików układu wylotowego 

Tłumik absorpcyjny 

W przekroju przedstawia go rys. 3. Spaliny przepływają tylko przez rurę perforowaną 1, a poprzez wykonane w niej otwory mają kontakt z przestrzenią wypełnioną watą tłumiącą 2. Gdy przez rurę 1 wpływa fala spalin o podwyższonym lub obniżonym ciśnieniu, to chce ona tak przemieścić cząsteczki spalin wypełniające obudowę tłumika 3. by odpowiednio wzrosło lub zmalało ciśnienie. Utrudnia to wata wypełniająca tłumik, która nie jest sprężysta i ma znaczną powierzchnię (w rozwinięciu, w skali mikro) i tłumi ruchy cząstek. Następuje przy tym wydzielanie ciepła.

Do wypełniania tłumików absorpcyjnych używa się: waty stalowej, 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 ja 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 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. 

Zdolność do tłumienia dźwięków o różnych częstotliwościach przez tłumik absorpcyjny przedstawia rys. 4. Zasadniczo tłumi on 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 – rys.4 wynosi ona 2500 Hz, zdolność tłumika absorpcyjnego do tłumienia drgań maleje. 

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. 

Jak widać na rys. 5, 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.  

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 

Tłumik refleksyjny – rezonator szeregowy.

Najprostszym typem takiego tłumika jest pusta komora zamontowana na przewodzie prowadzącym spaliny (rys. 6, w prawym górnym rogu). Zdolność do tłumienia drgań (określona w dB), czyli informacja o ile zmniejsza się natężenie drgań wpływającej fali spalin zależnie od częstotliwości tych drgań jest podana na rys.6. Dla fal o częstotliwościach, przy których powstaje najsilniej zjawisko rezonansu, tłumienie jest najsilniejsze, natomiast gdy zjawisko rezonansu nie jest wzbudzane, spaliny przepływają bez tłumienia. 

Tłumik refleksyjny - rezonator bocznikowy.

Zgodnie z nazwą, tłumik ten ma na odgałęzieniu dodatkową komorę. Może być ona utworzona poprzez wsunięcie rury wylotowej spalin do wnętrza tłumika (rys. 7 górny rysunek pod wykresem). Uzyskujemy wówczas komorę pierścieniową. 

Dla określonych częstotliwości drgań, przy których występuje rezonans, osiągane jest silne tłumienie wykres na rys. 7).To przy jakich częstotliwościach to nastąpi, zależy od wartości wsunięcia rury do środka tłumika. Na rys.7 jest przedstawione porównanie tego typu tłumika z tłumikiem typu rezonator szeregowy (rys. 7 dolny rysunek pod wykresem), w którym rura wylotowa nie jest wsunięta do środka tłumika.

Innym typem tłumika refleksyjnego, jest tzw. rezonator bocznikowy Helmholtza. Tłumik tego typu jest zbudowany z rury z nawierconymi otworami, przechodzącej przez pustą puszkę tłumika (rys. 8a, w prawym górnym rogu). Nazwa tłumika wywodzi się od tzw. rezonatora Helmholtz-a, którego zasadę pracy przedstawia rys. 8b. Butelka 1 wypełniona np. powietrzem, jest układem drgającym. Zawarte w szyjce butelki powietrze 2 o masie mp gdy zostanie pobudzone do drgań falą dźwiękową 5, zaczyna drgać tak jakby ciężarek o masie mp był przymocowany do sprężyny 4. Oczywiście w butelce żadnej sprężyny nie ma, a jej rolę spełnia powietrze 3 wypełniające bańkę butelki Vb . Jeśli częstotliwość fali dźwiękowej 5 pokryje się z częstotliwością drgań własnych układu: ciężarek 2 (powietrze w szyjce butelki) zamocowany do sprężyny 4 (powietrze w bańce butelki), to wystąpi zjawisko rezonansu. 

W tłumiku typu rezonator bocznikowy Helmholtza, rolę szyjki butelki pełnią nawiercenia w rurze przechodzącej przez tłumik, a rolę bańki butelki pełni objętość puszki tłumika. Zdolność do tłumienia drgań tego tłumika, przedstawia rys. 8a. Widać, że jest on najbardziej skuteczny dla określonej częstotliwości drgań, Jego zaletą jest tłumienie dźwięków o niskich częstotliwościach, Przykład konstrukcji tłumika typu refleksyjnego, jest zamieszczony na rys. 9. 

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 dwa strumienie (rys.10a). Jeden strumień płynie kanałem krótszym, o długości L1a drugi płynie kanałem dłuższym o długości L2 a następnie oba strumienie spotykają się i interferują. 

W dopływającym strumieniu spalin 1 (rys. 10b) występują drgania, czyli przemieszczają się w nim na przemian strefy sprężenia S i strefy rozprężenia spalin R. Po rozdzieleniu strumienia 1 na dwa, drgania, a więc przemieszczające się strefy sprężenia S i rozprężenia spalin R, są obecne nadal. Ponieważ drogi L1 i L2 przebywane przez strumienie spalin są różne, więc gdy strumienie spotkają się ponownie, fazy drgań w każdym z nich mogą być różne.

Dla określonych częstotliwości drgań strumienia spalin, można tak dobrać różnicę dróg L1 i L2, że w chwili połączenia strumieni spalin 2 i 3 (rys. 10b): 

- strefa rozprężenia R strumienia spalin 2 (panuje w niej obniżone ciśnienie) spotka się ze strefą sprężenia S strumienia spalin 3 (panuje w niej podwyższone ciśnienie); 

- strefa sprężenia S strumienia spalin 2 spotka się ze strefą rozprężenia R strumienia spalin 3. 

W następstwie takich spotkań, dla częstotliwości drgań, dla której została dobrana różnica długości kanałów L1 i L2 , nastąpi całkowite wygaszenie drgań (4, rys. 10b). Charakterystykę tłumika interferencyjnego przedstawia rys. 11. Pokazuje ona cechy wynikające z zasady działania: 

-  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 w pkt. 1, 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.

Tłumik „kombinowany" 

Żaden z opisanych typów tłumików, nie tłumi dźwięków o wszystkich częstotliwościach. Podsumujmy: 

- tłumiki absorpcyjne tłumią dźwięki w pewnym zakresie częstotliwości, bowiem nie tłumią dźwięków o niskich częstotliwościach, a możliwość tłumienia dźwięków o wysokich częstotliwościach, ogranicza średnice tłumika; 

- tłumiki refleksyjne i interferencyjne potrafią tłumić dźwięki o niskich oraz a wyższych częstotliwościach, ale generalnie są skuteczne tylko dla drgań o określonych zakresach częstotliwości. 

Z powyższych powodów budowane tzw. tłumiki kombinowane, w których stosuje się kilka różnych metod tłumienia drgań, przenoszonych przez spaliny. Przykład takiego tłumika pokazuje rys. 12. Gorące, poruszające się ze znaczną prędkością spaliny dopływają rurą 1. Aby w rurze dolotowej nie występowały zjawiska rezonansowe, mogące powodować wibracje, komora oznaczona jako 2, ma za zadanie likwidować powstające zjawiska rezonansowe. Do drugiej komory, oznaczanej cyfrą 10. spaliny wpływają przez zakończoną licznymi otworami końcówkę 11 , której zadaniem jest uspokoić i rozprowadzić w komorze napływające spaliny. 

Komora 10 to komora refleksyjna. Jest ona połączona rurą 9 z drugą komorą refleksyjną 4, co zapewnia tłumienie dźwięków o niskich średnich częstotliwościach. Jednak cześć spalin wypływających z komory 10 płynących rurą 9, nie dopływa do komory 4, lecz wypływa otworami do komory 8. Zaraz po wypłynięciu z tych otworów, spaliny spotykają się z częścią tego strumienia spalin, która też wypłynęła z komory 10, ale najpierw popłynęła rurą 9 do komory 4, a następnie rura 7 powróciła do kamory 8. Oba strumienie spalin interferują ze sobą (płynęły drogami o różnych długościach), a następnie wpływają do komory refleksyjnej 8. Spaliny wypływają z niej rurą 5, przepływają przez tłumik absorpcyjny 6, aby następnie rurą 3 przepłynąć do dalszej części układu wylotowego. Tłumiki tzw. kombinowane, tłumią drgania o częstotliwościach od 50 da 8000 Hz. 

Funkcje konwertera katalitycznego 

Podstawową funkcją konwertera katalitycznego jest „wspomaganie” reakcji zmniejszających zawartość składników szkodliwych w spalinach. W tym celu jest on przeważnie wspomagany przez inne układy. np. dotłaczania powietrza do układu wylotowego oraz recyrkulacji spalin. 

Drugą funkcją konwertera katalitycznego jest praca jako tłumik. jego działanie tłumiące wynika z następujących cech konstrukcyjnych: 

- stożki wlotowe i wylotowe konwertera katalitycznego, działają jak tłumik absorpcyjny (następuje duża zmiana przekroju spalin), 

- kanaliki wkładu konwertera katalitycznego, przez które przepływają spaliny, cechują się znaczną powierzchnią rozwiniętą (katalizator do silnika o pojemności 1,5 dm3  ma powierzchnię ok. 17000 m2 dlatego działają one jak tłumik absorpcyjny,

- jeśli konwerter katalityczny jest zbudowany z kilku wkładów. czyli w jednej obudowie, zamiast jednego znajdują się dwa lub nawet trzy bloki ceramiczne lub metalowe, pomiędzy którymi są puste przestrzenie, to działają one jak tłumik refleksyjny, ponieważ spaliny wypływają z kanalików jednego wkładu do pustej przestrzeni, a następnie wpływają do kanalików następnego wkładu. 

Zdolność konwertera katalitycznego do tłumienia drgań wypływających spalin, przedstawia rys. 13. Widać więc wyraźnie, że demontaż konwertera katalitycznego, oprócz zwiększonej emisji składników szkodliwych, powoduje wzrost głośności silnika.

Przeczytaj II część artykułu na temat Konstrukcji układu wylotowego.

Zdjęcia i tekst pochodzą z artykułu „Konstrukcja układu wylotowego” w dodatku technicznym do Wiadomości IC „Układy wylotowe silników” nr 33/Grudzień 2009.