W powszechnym wyobrażeniu układ wydechowy jawi się jedynie jako umieszczona gdzieś pod spodem auta kombinacja rur i puszek wychodzących z silnika i kończących się koło tylnego zderzaka. W przypadku drogowej eksploatacji troskę o wydech wymusza korozja, a gdy dojdzie do tego jazda poza asfaltem – niefortunny kontakt z podłożem. Tymczasem nowoczesny układ wydechowy jest zaawansowanym systemem mającym istotny wpływ na samochód.
Zadanie
Przekonanie o tym, że układ wydechowy nie jest zbyt istotnym elementem, ciągnie się jeszcze z dawnych lat, kiedy rzeczywiście tworzyły go jedynie rury z paroma puszkami. Funkcja takich konstrukcji ograniczała się do w miarę cichego usuwania spalin, tak by nie zatruwały podróżujących pojazdem. W przypadku aut z silnikami dwusuwowymi dochodziło do tego zharmonizowanie fal wydechu z napływem mieszanki do silnika. Wraz z rozpracowaniem tego zagadnienia optymalizowane były również konstrukcje wydechu jednostek czterosuwowych* . Wraz z rosnącymi wymaganiami ekologicznymi układ wydechowy stawał się coraz bardziej zaawansowany technologicznie. Pojawiały się kolejne elementy i rosły obciążenia eksploatacyjne
Dla wielu domorosłych tunerów zaskoczeniem może być nawet fakt, że usunięcie wydechu z reguły powoduje pogorszenie osiągów.
W zależności od przeznaczenia kolektory wydechowe są mniej lub bardziej rozbudowane
Kolektor i głowica
Pierwszym elementem układu wydechowego jest kolektor. Jego zadaniem jest odbieranie gazów spalinowych z kana- łów wydechowych głowicy i przesyłanie ich dalej. Gazy te łączą się w kanałach kolektora i są przesyłane pojedynczą lub podwójną rurą. W tradycyjnej postaci kolektor jest elementem oddzielnym od głowicy. Wykonany jest on najczęściej w formie odlewu, ale może też być spawany z odcinków rur i złączek. Zaletą odlewanego, żeliwnego kolek tora jest prostota i niski koszt produkcji, ale ma on też swoje wady w postaci niedopasowania wynikającego z nierówności odlewu. Nie ma to znaczenia przy tanich samochodach, jednak w droż- szych konstrukcjach stosuje się kolektory spawane. Pozwala to uzyskać znacznie równiejszy i gładszy przepływ gazów oraz dokładniejsze dopasowanie do siebie okien kanałów głowicy i kolektora.
Warunki pracy wydechu są bardzo wymagające
Rosnące wymagania dotyczące zarówno ekologii, jak i ekonomi spowodowały sięgnięcie po ostatnie rezerwy sprawności cieplnej turbodoładowanego silnika. Sposobem jest skrócenie drogi spalin do turbiny i zmniejszenie strat. Da się to osiągnąć, integrując korpus turbiny z głowicą, czyli także z kolektorem. Powoduje to jednak duże obciążenia cieplne i mechaniczne tak rozbudowanego elementu. Nie jest to jednak żadna nowość – tendencja do integrowania wielu części w jeden zespół od dawna dotyka praktycznie wszystkich elementów w samochodzie. Skutki dla producenta mogą być korzystne, natomiast dla użytkownika po pewnym czasie okażą się bardzo kosztowne. Podczas omawiania zagadnienia obiegu spalin w układzie turbosprężarki nie można zapomnieć o zaworze EGR. Rozszerza on układ wydechowy ponownie o głowicę, gdyż kieruje część spalin z powrotem do komór spalania. Układ EGR może być jeszcze wyposażony w wodną chłodniczkę spalin, co dodatkowo komplikuje silnik. Jako pewnik przy EGR – oprócz zagrożenia rozszczelnieniem – należy przyjąć stopniowe zanieczyszczanie nagarem
Układ wydechowy jest także częścią osprzętu silnika
Katalizator
Katalizatory trójdrożne pozwalają zredukować szkodliwe tlenki azotu, węglowodory i tlenek węgla w drodze reakcji katalitycznej. Zjawisko to zachodzi na powierzchni pokrytej warstwą katalizatora. Dużą powierzchnię dla tych reakcji uzyskuje się, tworząc sporo równoległych kanałów w ceramicznym rdzeniu lub przez odpowiednie ukształtowanie metalowych powierzchni. Z tego względu rozróżnia się katalizatory ceramiczne i metalowe. Jeśli silnik jest sprawny, katalizator zużywa się naturalnie, ale każda usterka układu zasilania powoduje znaczny spadek skuteczności lub wręcz uszkodzenie. Katalizatorowi grozi przede wszystkim niewłaściwy skład mieszanki lub zalanie paliwem. W terenowej eksploatacji rdzeniom katalizatorów, szczególnie tym ceramicznym, grozi mechaniczne uszkodzenie lub szok termiczny wywołany zatopieniem.
Segmentowa budowa układu wydechowego ułatwia jego serwisowanie
Inna ekologia
Katalizatory, których potrafi być nawet kilka, to nie jedyne delikatne elementy układu wydechowego. Trzeba przyzwyczajać się do obecności filtrów cząstek stałych, są obowiązkowe także w silnikach benzynowych. Wynika to ze stosowania jeszcze wyż- szych ciśnień wtrysku bezpośredniego i lepszego rozpylenia drobin paliwa, a więc i mniejszych cząstek stałych. Na ich drodze staje porowata struktura filtra DPF, która je gromadzi. Jej oczyszczenie dokonuje się w wyniku katalitycznego dopalania niekiedy wspomaganego dodatkowymi porcjami paliwa. To kolejna komplikacja układu wydechowego, która na dodatek może poważnie utrudnić eksploatację. Innym kłopotliwym dodatkiem jest układ katalitycznej redukcji tlenków azotu przy pomocy wodnego roztworu mocznika* . Powiększa on układ wydechowy o kolejną „puszkę” oraz bardzo rozbudowany system przechowywania i wtrysku wodnego roztworu mocznika. Trzeba przy tym pamiętać, że jego właściwości sprawiają, że jest bardzo kłopotliwy – wymaga np. ogrzewania w zimie. Rygory sprawności tego układu są bardzo surowe, a ich zlekceważenie powoduje uruchomienie procedury trybu awaryjnego ze stopniowym zmniejszaniem osiągów aż do totalnego unieruchomienia
Rozbudowane systemy oczyszczania spalin
Sondy i czujniki
Sterownik silnika nadzoruje jego pracę w oparciu o odczyty z czujników – w tym wielu z układu wydechowego. Pierwsze wprowadzono sondy lambda mierzące ilość tlenu w spalinach, co umożliwiało określenie odpowiedniego składu mieszanki palnej. Było to niezbędne do prawidłowej pracy katalizatorów. Pojawiły się one w odpowiedzi na wymagania dotyczące składu spalin, ale ich skuteczność była wystarczająca dopiero we współpracy z sondami. Także układy DPF i SCR do poprawnego działania wymagają odczytu wielu czujników. Są wśród nich czujniki temperatury, ciśnienia czy tlenków azotu. Nie trzeba dodawać, że oprogramowanie sterujące jest tak napisane, by nie lekceważono nieprawidłowych wskazań, które na dodatek są wrażliwe na przekłamania. Umiejscowienie czujników zazwyczaj jest niezbyt korzystne dla elektroniki – znajdują się tuż nad ziemią, w bezpośredniej bliskości rozgrzanych elementów układu wydechowego
Temperatura spalin stanowi istotny parametr pracy obciążonych silników
Mechanika, termika, akustyka
Zupełnie inny poziom technologii prezentują liczne osłony termiczne. Ich zadaniem jest ochrona wrażliwych elementów i obszarów podwozia przed gorącem z wydechu. To – zdawałoby się – proste zadanie zdarza się pokpić konstruktorom, przez co rozległe arkusze karbowanej blachy stają się po uszkodzeniu ich mocowań instrumentami perkusyjnymi.
Konstruktorzy wydechu, w celu poprawy osiągów lub akustyki mogą skorzystać z dodatkowych zaworów, kanałów lub komór
Projektowanie układu wydechowego musi uwzględnić skomplikowane zjawiska falowe
Groźniejsze skutki mogą wystąpić po uszkodzeniu mocowań układu wydechowego. Zazwyczaj winowajcą są gumowe wieszaki, ale też zdarzają się uszkodzenia mechaniczne wynikające ze zbyt ostrej eksploatacji off-roadowej. Trzeba pamiętać, że tłumiki i katalizatory są często najniższymi elementami pod samochodem, ale nie pełnią funkcji osłon podwozia. Jeszcze innym powodem do troski są łączniki poszczególnych części wydechu. Mogą być tam sztywne połączenia, ale w prawie każdym samochodzie znajduje się co najmniej jeden łącznik elastyczny. Jego zadaniem jest izolowanie układu wydechowego od drgań i wibracji generowanych przez silnik. Łączniki elastyczne wykonuje się z karbowanej rury wzmocnionej oplotem ze stalowej siatki. Połączenie takie zapewnia szczelność oraz zdolność do kompensacji przemieszczeń oraz ugięć. Niestety zużywają się siatki, rury oraz ich łączenia, dodatkowo osłabienie jednego elementu powoduje przyspieszenie zużycia reszty. Na szczęście nie są to drogie części, ale do wymiany z reguły wymagają pracy spawacza.
Coraz częściej zamiast prawdziwych końcówek wydechu, spód tylnego zderzaka zdobią jedynie ich atrapy
Na koniec – tłumiki. O tym, że nie muszą być to proste puszki świadczy liczna oferta tunerów wydechu. Dzięki temu możliwa jest zamiana fabrycznych rozwiązań na dostosowane do indywidualnych wymagań. Zamiast standardowego wydechu można skupić się na osiągach, polepszeniu dźwięku czy wyglądu. Podczas rozważania poszczególnych propozycji trzeba pamiętać, że nudne, fabryczne brzmienie wcale nie oznacza, że zostało sporo rezerw mocy. Postępująca optymalizacja i skomplikowanie konstrukcji wydechu daje pole manewru jedynie najlepszym tunerom, których stać na badania hamowniane każdej modyfikacji. Inaczej będziemy mieli auto głośniejsze, ale wcale nie mocniejsze
