Rodzaje tłumików

Zdecydowanie najważniejszym elementem układu wydechowego jest tłumik. Jego zadaniem jest redukcja hałasu wywołanego falą ciśnienia spalin, przemieszczającą się po całym układzie od momentu otwarcia zaworu wylotowego do chwili opuszczenia przez spaliny końcówki rury wylotowej. Konstrukcja tłumika ma z jednej strony maksymalnie tłumić dźwięki, a z drugiej tworzyć minimalne opory wewnętrzne dla przepływających spalin. Ograniczenie niepożądanych dźwięków w tłumiku można osiągnąć na kilka różnych sposobów.
Pierwszym ze stosowanych rodzajów tłumików jest konstrukcja absorpcyjna.

Tłumik ma postać rury perforowanej z otworami, przez które spaliny mają kontakt z przestrzenią wypełnioną watą tłumiącą. W trakcie przemieszczania się fali spalin o podwyższonym lub obniżonym ciśnieniu we wnętrzu tłumika dąży ona do przemieszczenia cząsteczek spalin wypełniających jego obudowę w ten sposób, aby odpowiednio wzrosło lub zmalało ciśnienie. Wata wypełniająca wnętrze tłumika skutecznie tłumi ruchy cząstek. Drugim rodzajem tłumika jest konstrukcja refleksyjna. W tym rozwiązaniu tłumienie polega na wielokrotnym odbijaniu się poruszającej się wraz ze spalinami fali dźwiękowej. Odbicie fali następuje przy zmianie przekroju przewodu prowadzącego spaliny lub przy pojawiającej się na drodze spalin przeszkodzie. Spowodowana przy każdorazowym odbiciu spalin utrata energii powoduje tłumienie fali. Aby uzyskać zadowalający efekt tłumienia niezbędne jest zastosowanie kilku zmian przekroju przewodu. W każdym z tych miejsc fale ulegają odbiciu i przemieszczają się wielokrotnie pomiędzy dwoma sąsiednimi miejscami zmiany przekroju, powodując powstawanie zjawiska rezonansu. Efekt taki ma miejsce, gdy częstotliwość tych drgań pokryje się z częstotliwością drgań własnych spalin w komorze, w której fale te się przemieszczają. W zależności od miejsca występowania tego zjawiska rozróżniamy dwa rodzaje tłumików refleksyjnych:
- szeregowy – zjawiska rezonansowe zachodzą w głównym przewodzie prowadzącym spaliny. Jednym z rozwiązań takiej konstrukcji może być pusta komora osadzona na przewodzie prowadzącym spaliny. Przy tym rozwiązaniu tłumienie jest najsilniejsze dla fal o częstotliwościach, przy których zjawisko rezonansu występuje najsilniej. W przypadku gdy zjawisko rezonansu nie zostaje wzbudzane, spaliny przepływają przez komorę bez efektu tłumienia;
- bocznikowy – zjawiska rezonansowe zachodzą w przewodzie odgałęzionym od głównego przewodu prowadzącego spaliny. Na tym dodatkowym odgałęzieniu tłumik ma dodatkową komorę. Może ona być utworzona przez wsunięcie rury wylotowej spalin do wnętrza tłumika. Zjawisko rezonansu przy którym intensywnie tłumione są drgania występuje dla określonych ich częstotliwości, które są uzależnione od wartości wsunięcia rury do środka tłumika. Trzecim rodzajem tłumika jest konstrukcja interferencyjna. Kierunek rozchodzenia się fali akustycznej jest początkowo zgodny z przepływem spalin. Zmienia się przy wylocie spalin do atmosfery. Wzajemne relacje między falą akustyczną pierwotną a powrotną zależne są od całkowitej długości przewodów spalinowych. Tak skonstruowany układ wydechowy działa poprawnie tylko wówczas, gdy okresy obu fal (pierwotnej i powrotnej) wzajemnie mijają się w fazie. Niestety, układy o takiej konstrukcji działają poprawnie w warunkach laboratoryjnych. W praktyce, podczas normalnej eksploatacji pojazdów zbyt wiele czynników wpływać może na zakłócanie teoretycznych założeń konstrukcyjnych, co niekorzystnie wpływa w tym rozwiązaniu na istotę działania, czyli przebieg interferencji. W efekcie, czynniki te mogłyby doprowadzić do tego, że szczyt fali powrotnej docierałby do początku układu w chwili otwarcia zaworu wydechowego, zakłócając w ten sposób prawidłowe przepłukiwanie cylindrów. Negatywny wpływ na działanie układu mógłby wystąpić także wówczas, gdy fale nakładałyby się na siebie, a szczyt ciśnień występowałby w momencie otwarcia zaworu wydechowego. W efekcie hałas w układzie wydechowym ulegałby nieoczekiwanemu wzmocnieniu, a ponadto pogarszałyby się warunki napełniania cylindrów mieszanką paliwowo-powietrzną. Skuteczność działania tego typu konstrukcji tłumików zależna jest od wzajemnych relacji pomiędzy ich wewnętrzną objętością, a objętością skokową cylindrów z którymi współpracują. Prawidłowe relacje zachodzą, gdy objętość tłumika jest kilka razy większa od pojemności skokowej cylindrów. Dlatego jedynym rozwiązaniem w tym przypadku jest zastosowanie kilku tłumików połączonych szeregowo w jednym układzie wydechowym.
Niestety, żadna z opisanych powyżej konstrukcji tłumików nie jest doskonała i nie tłumi dźwięków o wszystkich częstotliwościach. W przypadku tłumików absorpcyjnych pojawiają się problemy z tłumieniem dźwięków o niskich częstotliwościach, a zdolności tłumienia dźwięków o wysokich częstotliwościach ogranicza średnica tłumika. Z kolei tłumiki refleksyjne i interferencyjne radzą sobie z tłumieniem dźwięków zarówno o niskich, jak i wysokich częstotliwościach, ale są skuteczne tylko dla drgań o określonych zakresach częstotliwości. W związku z niedoskonałościami poszczególnych rodzajów tłumików jedyną skuteczną konstrukcją są tzw. tłumiki kombinowane, w których stosuje się jednocześnie różne metody tłumienia drgań, znane w trzech podstawowych konstrukcjach tłumików.
Obecnie najczęściej spotykaną metodą tłumienia drgań w tłumikach kombinowanych jest konstrukcja wykorzystująca równocześnie zasadę rozprężania gazów i zmiany kierunku ich przepływu. Spaliny wpływają najpierw do komory o półkulistym lub stożkowym kształcie i ulegają tam rozprężeniu. Następnie wymusza się wielokrotną zmianę kierunku ich przepływu, dzięki zastosowaniu blaszanych, naprzemianlegle usytuowanych zastawek. Stamtąd ponownie trafiają do wąskiej rury wylotowej. Dzięki zastosowaniu takiej właśnie konstrukcji tłumika pierwsza faza tłumienia nie zwiększa oporów przepływu. Druga faza, niestety, wywołuje ten efekt, ale już jednak w stopniu znacznie mniejszym niż w innych rozwiązaniach konstrukcyjnych. W konstrukcjach pojazdów, w których celem nadrzędnym jest uzyskanie maksymalnej mocy silnika, stosowana jest nieco inna konstrukcja tłumika, a mianowicie rozprężająco-rozdzielająca. W tym rozwiązaniu zastosowano jednocześnie dwie metody tłumienia dźwięków. Pierwsza polega na swobodnym rozprężaniu spalin w rozszerzającej się dyszy, druga na podziale gazów spalinowych między kilka równoległych kanałów. W tej konstrukcji tłumika spaliny po rozprężeniu w komorze wejściowej przemieszczają się przez wiązkę równoległych rurek o małych przekrojach (których suma przekrojów jest większa niż przekrój przewodu wlotowego i wylotowego tłumika), dzięki czemu dławienie przepływu jest zminimalizowane, a skuteczność tłumienia wystarczająca.

mgr Andrzej Kowalewski