Motocyklowe układy wydechowe

Mówiąc najprościej silniki spalinowe działają na zasadzie wybuchu mieszanki paliwowo-powietrznej w komorze spalania, a następnie rozprężania się powstałych w ten sposób gazów. Podczas takiego procesu powstaje fala wysokiego ciśnienia, która przemieszcza się po całym układzie wylotowym silnika, od momentu otwarcia zaworu cylindra, do opuszczenia przez końcówkę rury wydechowej.

Powtarzające się szybko cykle zmian ciśnienia gazów spalinowych przekładają się na wibracje powietrza, które ucho odbiera jako dźwięki. Im bardziej intensywne są te zmiany, tym dźwięki są mniej przyjemne dla otoczenia, aż przechodzą w hałas. Rolą tłumika jest rozproszenie fali dźwiękowej, czyli „wypłaszczenie” amplitudy drgań słupa powietrza, a przez to obniżenie poziomu emisji dźwięków.

Jednak współczesny układ wydechowy nie składa się jedynie z tłumika i ma do spełnienia także inne zadania. Podstawowe obowiązki układów wydechowych to:

• prawidłowe odprowadzenie spalin z silnika
• zmniejszenie poziomu hałasu wydobywającego się z silnika
• zmniejszenie ilości szkodliwych gazów występujących w spalinach
• zapewnienie optymalnej pracy silnika

Pierwszym i podstawowym zadaniem układu wydechowego w silnikach spalinowych jest jednak tłumienie hałasu. W początkach rozwoju motoryzacji (przełom XIX i XX wieku) konstruktorzy w ogóle nie zajmowali się tym zagadnieniem. Układy wydechowe wykonane były po prostu z otwartych, pustych w środku rur, które miały za zadanie jedynie kierować gorące gazy spalinowe gdzie indziej niż na nogi kierującego motocyklem.

Trzeba przyznać, że chociaż bardzo głośne, tego typu układy w praktycznie nie powodowały żadnych ubytków mocy jednostki napędowej. Jednak z czasem, gdy liczba pojazdów mechanicznych na drogach rosła, trzeba było pomyśleć o ograniczeniu poziomu emisji hałasu. O ile w samochodach nie ma większego problemu z zaprojektowaniem tego rodzaju układów, o tyle w motocyklach sprawa jest bardziej skomplikowana.

Ze względu na masę i konstrukcję jednośladu, układ wydechowy powinien być lekki, niewielki, a dodatkowo jeszcze estetyczny, bowiem w przeważającej liczbie konstrukcji motocyklowych jest dobrze widoczny i musi stanowić także atrakcyjny element stylizacji, spójnym zakresie wzornictwa z resztą pojazdu.

Motocyklowy układ wydechowy składa się przeważnie z 2 podzespołów – kolektorów wydechowych i tłumików. Coraz częściej w układach wydechowych jednośladów stosuje się więcej niż jeden tłumik, a ten ostatni nazywamy jest „końcówką wydechu”.

Pojęcie „rury wydechowej” w nomenklaturze motocyklowej nie występuje. Liczba kolektorów wydechowych zależna jest od ilości cylindrów silnika, współcześnie nie zdarzają się wspólne dla wielu cylindrów kolektory. Kolektory w końcowym fragmencie mogą łączyć się z tłumikami (końcówkami wydechów) w różnych konfiguracjach.

Mamy więc przykładowo układy 4 w 1, 4 w 2 i obecnie niemal nie spotykane 4 w 4. Niektórzy producenci stosujący w swoich motocyklach silniki trzycylindrowe (Triumph, Yamaha), wtedy konfiguracje są inne.

Tak , jak i w samochodach, w motocyklach możemy wyróżnić cztery rodzaje tłumików:

• refleksyjne – zbudowane z wielu przegród i rurek, umożliwiających przepływ spalin między kolejnymi komorami. Gazy wpadają pod ciśnieniem do tłumika i pokonują długą drogę przez kolejne komory. Te mają różną objętość i pochłaniają fale dźwiękowe o różnych częstotliwościach. Wielokrotne odbicia zmniejszają stopniowo energię fal. Tego typu konstrukcje najczęściej spotykamy w motocyklach. Niestety, tłumiki refleksyjne przez swoją konstrukcję znacznie pogarszają dynamikę silnika. Mimo to opanowały rynek ze względu na niskie koszty wytwarzania.
• absorpcyjne – zbudowane z pojedynczej, perforowanej rury przechodzącej przez całą długość płaszcza tłumika. Pojedyncza komora wypełniona jest materiałem absorbującym, zazwyczaj wełną mineralną (rzadziej stalową) lub watą szklaną. Taki tłumik jest jednak droższy w produkcji i trudniejszy w projektowaniu. Wymiary komory muszą być bardzo precyzyjnie dobrane, podobnie jak średnica rury i gęstość absorbentu, bo tylko w takich warunkach można uzyskać optymalne parametry tłumika.
• interferencyjne – działają na zasadzie interferencji, czyli nakładania się na siebie fal o takiej samej częstotliwości. To zjawisko może być osiągnięte przez rozwidlenie kolektora wydechowego na dwie lub trzy rury o różnej długości, a następne ich połączenie. Rozdzielony strumień gazów, płynący drogami o różnych długościach, do końcowej wspólnej komory dociera w różnych fazach pulsacji. Jest to wyjątkowo trudny do policzenia układ, praktycznie nie stosowany w motocyklach.
• kombinowane – polegają na zastosowaniu kilku różnych metod tłumienia w jednej obudowie.

W seryjnych motocyklach układy wydechowe stanowią kompromis między kosztami produkcji, osiągami maszyny, a efektywnością działania. Wielu użytkowników jednośladów korzysta z akcesoryjnych układów wydechowych, które podnoszą moc jednostki napędowej, obniżają masę motocykla , a także zmieniaj wygląd i co bardzo istotne dla motocyklistów brzmienie.

Tuningowane układy wydechowe mogą podnieść dynamikę silnika nawet o kilka, a w przypadku układów z katalizatorem – nawet o 10%. Różnica w masie to kilka kilogramów. Do ich konstrukcji używa się najdroższych materiałów takich jak karbon, czy tytan, które ze względu na koszty nie są powszechnie stosowane w wielkoseryjnych produkcjach.

Ze zmianą układu wydechowego łączy się zawsze konieczność aktualizacji map zapłonów w module sterującym dlatego też większość markowych producentów wraz z akcesoryjnym układem w komplecie sprzedaje odpowiednie oprogramowanie.

Dopóki konstruktorów nie zaczęły ograniczać normy czystości spalin w układach wydechowych, poszukiwali oni jedynie możliwości poprawy parametrów jednostki napędowej i skuteczniejszego tłumienia hałasu. Oprócz rozwoju samego kształtu układów rozprężnych, zaczęto wykorzystywać systemy elektroniczne poprawiające w sposób dynamiczny ich parametry.

Zaczęło się od silników pracujących w cyklu dwusuwowym – W 1983 r. Yamaha w modelu RD 250 oprócz wykorzystywanego od lat rezonatora zastosowała po raz pierwszy zawór sterujący przepływem spalin w układzie wydechowym, który umożliwiał uzyskanie większego momentu obrotowego przy niskich i średnich obrotach.

Ta sama firma w roku 1989 r. po raz pierwszy w historii zastosowała zawór sterujący przepływem spalin w wydechu silnika czterosuwowego. Zawór klapowy, umieszczony w kolektorzy wylotowym, tuż przed tłumikiem, zmniejszał przepływ spalin w zakresie niskich i średnich obrotów, a otwierał się w pełni na wysokich obrotach. Jednak to rozwiązanie weszło do powszechnego użytku dopiero pod koniec pierwszej dekady XIX wieku, gdy znacząco zwiększyła się moc obliczeniowa elektronicznych systemów sterujących.

Wraz z zaostrzaniem się norm czystości spalin układy wydechowe zyskały dodatkowe zadania, oprócz tłumienia hałasu musiały także redukować ilość szkodliwych substancji znajdujących się w gazach wylotowych. Pierwsze proste systemy w motocyklach pojawiły się już pod koniec lat 80. ubiegłego wieku. Do kanału wydechowego, poprzez specjalny zawór (podciśnieniowy, lub elektromagnetyczny) umieszczony tuż przy wylocie z cylindra, wprowadzano ładunek czystego powietrza. Taki system umożliwiał znaczącą redukcję emisji tlenku węgla (o ok. 40 %) i węglowodorów (o ok. 30 %), co w owym czasie było wystarczające.

Wkrótce jednak okazało, się że w motocyklowych układach wydechowych (wzorem samochodów) oprócz systemów wstępnego dopalania spalin (KCAS) konieczne jest stosowanie katalizatorów, bo należało też redukować inne substancje. Po raz pierwszy w jednośladach to rozwiązanie pojawiło się w roku 1988 za sprawą firmy BMW (model K1), znanej ze swojej motocyklowej innowacyjności, jak aerodynamiczne owiewki, wtrysk paliwa, czy systemy ABS.

Jednak powszechnie katalityczne dopalanie spalin zaczęto stosować w Europie na przełomie XX i XXI wieku, wraz z pojawieniem się norm EURO1. Były to systemy bardzo proste, jeszcze bez sondy Lambda, montowane w jednostkach napędowych zasilanych zarówno wtryskiem paliwa, jak i gaźnikami.

Stosowanie wielofunkcyjnych układów katalitycznych wymuszone zostało dopiero wraz z pojawieniem się normy EURO3, co przy okazji łączyło się koniecznością zastosowania sondy Lambda. W praktyce wyeliminowało to także możliwość stosowania gaźników w układach zasilania (w motocyklach powyżej 125 cm pojemności).

Tak to od prostej, pustej rury w ciągu 100 lat układ wydechowy przeszedł do elektronicznie sterowanych systemów wypełnionych siatką blaszek mocno obniżających swobodny przepływ gazów. Kolejne coraz bardziej restrykcyjne normy czystości spali stawiają przed konstruktorami ciągle nowe wyzwania, ale dzięki ich staraniom współczesne motocykle spełniające normy EURO5 są obecnie „najczystszymi” pojazdami spalinowymi w Europie.