Sportowe układy wydechowe - ogólna charakterystyka

Seryjny układ wydechowy zawsze musi być kompromisem pomiędzy odpowiednim wyciszeniem i jak najmniejszym spadkiem mocy. Wszelkie bowiem przeszkody, jakie napotykają spaliny w postaci katalizatora lub tłumików, stawiają niepożądany opór bądź powodują turbulencje. W sportach zależy konstruktorom przede wszystkim na zoptymalizowaniu osiągów silnika i spełnieniu regulaminowego poziomu hałasu.

Przepisy niestety nawet w sportach motorowych coraz bardziej ingerują we wszelkie modyfikacje samochodów, aby te spełniały najróżniejsze ekologiczne wytyczne "zielonych terrorystów". I tak według regulaminu FIA w większości serii wyścigowych oraz rajdowych poziom głośności układu wydechowego jest ograniczony do 98 dB.

Pomiar odbywa się przy obrotach silnika w zakresie 2500-3500 obr./min. W sporcie co prawda nie obowiązuje norma czystości spalin Euro 5, ale poziom ich szkodliwości jest także ograniczony, dlatego w wielu autach - zarówno rajdowych, jak i wyścigowych znajduje się katalizator.

Pierwszym elementem układu wydechowego jest kolektor wydechowy. Do niego trafiają gazy wylotowe w wyniku spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w cylindrach. Budowane są one w różnych systemach, np. 4-2-1, 3-1, 4-1 lub 5-1. Układ zależy oczywiście od liczby cylindrów oraz np. dostępnego miejsca pod maską i kilku innych czynników.

Co oznaczają poszczególne cyfry? Kolektor wydechowy 4-2-1 zbudowany jest następująco: od każdego cylindra poprowadzona jest pojedyncza rura, następnie każda para schodzi się w jeden kanał. Tak powstałe dwie rury na końcu łączą się w jedną, która poprowadzona jest do reszty układu wydechowego.

Kształt kolektora wydechowego oraz materiały, z jakiego jest wykonany, mają bardzo duży wpływ na przebieg momentu obrotowego. Standardowe kolektory wydechowe produkowane seryjnie są zazwyczaj odlewane. Podyktowane jest to oczywiście względami ekonomicznymi, ale cierpi na tym jakość wykonania. Wszelkie wewnętrzne uskoki, chropowatości i niedokładności powierzchni powodują dodatkowy opór dla przepływających spalin, które poruszają się z ogromnymi prędkościami, nierzadko porównywalnymi do prędkości dźwięku.

Firmy oferujące sportowe kolektory wydechowe szczegółowo je projektują i wykonują. Dobrane materiały zapewniają odpowiednią gładkość powierzchni oraz pozwalają na dokładną obróbkę. Długość kanałów, rozgałęzień, ich kształt oraz łączenia nie są przypadkowe.

Na podstawie obliczeń przepływów takie kolektory wydechowe poprawiają parametry silnika, a przede wszystkim mają bardzo korzystny wpływ na przebieg momentu obrotowego. Dzięki mniejszym oporom spaliny łatwiej wydostają się z cylindrów, co ma wpływ także na kulturę pracy silnika, która się poprawi. To z kolei może przyczynić się nawet do mniejszego zużycia paliwa.

Kolejny element sportowego układu wydechowego to katalizator. Niestety w wielu przypadkach jest on złem koniecznym ze względu na regulamin, ale i ten element konstruktorzy nauczyli się dobrze wykorzystywać. Katalizator stawia spalinom opór, który trzeba zminimalizować. Projektanci konstruują ten element w taki sposób, aby "obcinał moc" w górnym zakresie obrotów silnika.

Pozytywnie za to wpływa na charakterystykę obrotów. Zawirowania, które normalnie powstają za kolektorem, w sportowych odpowiednikach są w nich uspakajane. Dzięki temu napotykają już jedynie opór w tłumikach, bez dodatkowych turbulencji spowodowanych katalizatorem. Reaktory katalityczne mają wkłady ceramiczne oraz metaliczne. W sporcie używa się wkładów metalicznych, ponieważ stawiają one mniejszy opór od ceramicznych.

Ostatnią częścią układu wydechowego jest tłumik. W przypadku sportowych konstrukcji nie spotkamy raczej dwóch czy trzech tłumików, które miałyby wyciszyć pracę układu. Na jego końcu znajduje się zazwyczaj prosta rura zakończona tzw. przelotówką. Jest to tłumik o bardzo prostej budowie mający zapewniać jak najmniejsze opory przepływu. Biorąc pod uwagę przewodność cieplną, musi być wykonany ze stali szlachetnych. Materiały stosowane do produkcji tłumików muszą odznaczać się wysoką odpornością na kwasy.

Dlatego mówi się czasem o układach wydechowych wykonanych z "kwasówki", czyli stali nierdzewnej, kwasoodpornej. Produkty spalania, skraplając się, tworzą bowiem kwasy, które powoduję korozję układu. W przypadku samochodów startujących w zawodach nie ma to aż tak wielkiego znaczenia, jako że układy wydechowe są często wymieniane. W samochodzie cywilnym, gdzie chcemy, aby sportowy zamiennik posłużył nam przez kilka lat, warto zainwestować w materiały kwasoodporne.

Pisząc o ostatniej części układu wydechowego, warto wspomnieć też o jego średnicy. Powszechnie panuje przekonanie, że im większa średnica rury wydechowej, tym lepiej. Faktycznie opory są wówczas bardzo małe i dzięki temu możemy uzyskać pewien przyrost mocy, ale kosztem przebiegu momentu obrotowego, który jest jednak ważniejszy zarówno w codziennej jeździe jak i sporcie.

Większa średnica końcowej części układu wydechowego to także większy hałas, z czym trzeba się liczyć. Warto zatem nie podejmować samodzielnie decyzji, jeśli nie przeprowadziliśmy odpowiednich obliczeń bądź nie mamy doświadczenia w budowaniu układów wydechowych.

Zagadnienia związane z budową układu wydechowego dla silników turbodoładowanych nieco się upraszczają. Już sama turbosprężarka bardzo dobrze optymalizuje przepływa spalin. Jest ona swojego rodzaju tłumikiem, który odpowiednio wycisza pracę układu wydechowego. W samochodach przygotowanych do rajdów wyposażonych w turbosprężarkę często spotyka się więc rozwiązanie, że układ wydechowy za turbosprężarką składa się z katalizatora i prostej rury do samego końca.

W układzie nie ma żadnych tłumików, a skomplikowane obliczenia falowe nie są tak istotne. Należy dobrać odpowiednią średnicę rury idącej od katalizatora oraz pamiętać o tym, aby była ona umieszczona w taki sposób, aby jej koniec nie uszkodził zderzaka. Temperatura spalin silnika doładowanego nierzadko sięga nawet 700-800 stopni Celsjusza.