Funkcje układu i jego elementy składowe

W samochodowym silniku spalinowym podczas spalania mieszanki paliwowo-powietrznej wytwarzana jest energia, która służy do jego napędu. Jednak pewna część energii powstająca w tym procesie odprowadzana jest wraz ze spalinami. W efekcie procesu spalania paliwa w silniku powstaje strumień spalin, który posiada energię pod postacią:
- energii cieplnej (temperatura spalin wynosi około 1000 0C),
- nadciśnienia – niezbędnego do pokonania oporów przepływu spalin w układzie wydechowym,
- energii kinetycznej (spaliny po opuszczeniu komory spalania w układzie wydechowym poruszają się ze znaczną prędkością),
- drgań towarzyszących przepływowi przez układ wydechowy.
Spaliny przemieszczające się przez układ wydechowy są mieszaniną różnych gazów i cząstek stałych. Większość z tych składników spalin ma właściwości toksyczne. Do układu wydechowego zaliczamy wszystkie elementy służące do odprowadzania spalin z komór spalania silnika do miejsca ich ujścia (wyrzutu) poza układ do atmosfery (w samochodach osobowych najczęściej ma to miejsce z tyłu pojazdu, po lewej stronie). W przypadku samochodów ciężarowych i autobusów rura wydechowa jest umieszczana zwykle za przednim lewym kołem, a w ciężkich pojazdach drogowych rura wylotowa spalin skierowana jest pionowo ku górze i umieszczana jest tuż za tylną ścianą kabiny pasażerskiej. Wynika to z faktu, iż znaczna całkowita długość tych pojazdów komplikowałaby konstrukcję klasycznego układu wydechowego, stosowanego w celu usunięcia spalin poza tylną oś pojazdu. Ponadto, samochody ciężarowe nierzadko pracują w warunkach niemalże terenowych, dla których wymagany jest znaczny prześwit podwozia, a konstrukcja klasyczna układu wydechowego w znacznym stopniu utrudniałaby spełnienie tego warunku. Jeszcze inne usytuowanie rury wylotowej spalin układu wydechowego spotykane jest w konstrukcjach pojazdów ciężarowych przeznaczonych do przewozu paliw i innych materiałów niebezpiecznych (łatwo palnych i wybuchowych). W tym przypadku cały układ wydechowy umieszczany jest przed przednią osią pojazdu, a rura wylotowa kierowana jest w dół lub ku tyłowi po lewej stronie kabiny pasażerskiej.
Układ wydechowy samochodu musi spełniać następujące zadania:
- odprowadzać spaliny w pojeździe do takiego miejsca, w którym mogą być one odprowadzone do atmosfery (czyli poza strefę, w której ich obecność mogłaby być uciążliwa dla kierowcy i pasażerów pojazdu);
- redukować hałas powstający przy odprowadzaniu spalin;
- oczyszczać spaliny do takiej postaci, w której zawartość składników toksycznych jest dopuszczalna przepisami prawa;
- posiadać charakterystykę umożliwiającą najbardziej sprawną pracę silnika w całym zakresie obciążeń;
- posiadać minimalne opory przepływu umożliwiające osiąganie maksymalnej mocy silnika;
- charakteryzować się minimalnym promieniowaniem cieplnym elementów zapewniającym możliwie wysoką temperaturę spalin.
Pierwsze dwie cechy układu wydechowego pozostały niezmienione od pierwszych zastosowań silników spalinowych. Były to zawsze główne zadania układu wydechowego. Pozostałe zadania jakie musi spełniać współczesny układ wydechowy pojawiały się kolejno w miarę rozwoju techniki motoryzacyjnej i wzrostu osiągów silników spalinowych, a także wynikają z coraz bardziej zaostrzających się przepisów w zakresie ochrony atmosfery przed zanieczyszczeniami zawartymi w spalinach samochodowych. W skład układu wydechowego wchodzą przewody o zróżnicowanych przekrojach i kształtach. Cały układ ma za zadanie przeprowadzić spaliny powstające w komorze spalania silnika od zaworów wydechowych, aż do rury wylotowej. Najczęściej stosowanym rodzajem układu wydechowego jest konstrukcja jednoprzewodowa (przy silnikach o rzędowym układzie cylindrów). Znacznie rzadziej, bo w przypadku silników wielorzędowych, występuje konstrukcja wieloprzewodowa układu wydechowego. Układ wydechowy jest mocowany do podwozia lub nadwozia pojazdu za pomocą elastycznych wieszaków gumowych. Taka konstrukcja ma zapewnić samoczynne tłumienie drgań elementów układu wywołanych jego pracą, a także pracą silnika. Pierwszym elementem układu wydechowego pojazdu jest kolektor spalin (wydechowy). Jest on wykonany najczęściej z żeliwa w formie cienkościennego odlewu. Posiada on kilka otworów wlotowych, łączących poszczególne cylindry i jeden wspólny otwór wylotowy. Kolektor wydechowy połączony jest z głowicą silnika za pomocą kołnierza, oddzielonego płaską uszczelką odporną na wysokie temperatury i chemiczne oddziaływanie spalin. Po stronie wylotowej kolektor wydechowy połączony jest z pierwszym stalowym odcinkiem przewodów.

Najczęściej przewody rurowe są wykonywane w formie cienkościennej rury stalowej. Połączenia poszczególnych przewodów rurowych mają budowę kielichową i posiadają obejmy zaciskowe.

Niekiedy poza typowymi elementami składowymi układy wydechowe posiadają w swej konstrukcji również urządzenia dodatkowe. W pojazdach mających silniki chłodzone powietrzem, w układzie wydechowym spotyka się wymienniki ciepła służące do ogrzewania wnętrza nadwozia. Tego typu rozwiązanie konstrukcyjne jest jednak bardzo rzadko wprowadzane w praktyce, ze względu na zbyt małe korzyści wynikające z jego zastosowania (zbyt mała wydajność cieplna końcowych elementów układu wydechowego) w stosunku do trudności za sobą niosących (konieczność stosowania rozmaitych dodatkowych zabezpieczeń eliminujących możliwość przypadkowego przedostawania się spalin do wnętrza pojazdu).
Innym urządzeniem dodatkowym zintegrowanym z układem wydechowym jest hamulec silnikowy znajdujący zastosowanie w pojazdach użytkowych wyposażonych w silniki z zapłonem samoczynnym. Ma on przeważnie postać nastawnego zaworu umieszczonego w rurze wydechowej i sterowanego dźwignią ze stanowiska kierowcy. Jego zadaniem jest dławienie przepływu spalin. Stosuje się go podczas hamowania pojazdu silnikiem poprzez jego zamykanie w sytuacji, kiedy paliwo nie jest wtryskiwane do cylindrów. Przy całkowitym zamknięciu zaworu, sprężanie samego powietrza w początkowym odcinku układu wydechowego wywołuje efekt stawiania oporu przez silnik, napędzającym go w tym momencie kołom pojazdu.

mgr Andrzej Kowalewski