Nejlepší článek o principech fungování výfukového systému 1 — DRIVE2

Snad nejoblíbenějším tématem ve všech „kuřáckých místnostech“, tak či onak souvisejícím s tuningem automobilů, jsou výfukové systémy motorů. Alespoň na dotazy ohledně výfuku odpovídám častěji než o ventilech, hlavách, klikových hřídelích a dalších součástech ladění motoru. Rozsah otázek je navíc přibližně následující: od „řekni mi, jak mohu použít vzorec pro výpočet rezonanční frekvence (je uveden vztah pro Helmholtzův rezonátor) až po sání na čtyři plyny? na “kamarád mi dal pavouka z jeho sportovního golfového hřiště.” Kolik koňských sil bude přidáno, pokud jej nainstaluji do auta? nebo „Stavím si motor. Který tlumič bych si měl koupit, abych získal větší výkon?“, nebo „kolik koňských sil se přidá, když nainstaluji rezonátor místo katalyzátoru?“ Navíc ve všech záležitostech je červená čára dodatečným výkonem.

TAK SI NEJPRVE ZJISTÍME, KDE LEŽÍ TATO DODATEČNÁ SÍLA. A PROČ OVLIVŇUJE VÝFUKOVÝ TRAKT NA FUNKCI MOTORU.

Pokud se všichni shodneme, že výkon je součin točivého momentu a rychlosti otáčení klikového hřídele (otáček), pak je jasné, že výkon je veličina závislá na otáčkách. Uvažujme čistě teoretický motor (ať už elektrický, spalovací nebo proudový), který produkuje konstantní točivý moment od 0 do nekonečna. (křivka 2 na obr. 1) Poté bude jeho výkon lineárně narůstat s otáčkami od 0 do nekonečna (křivka 1 na obr. 1). Předmětem našeho zájmu jsou čtyřdobé víceválcové spalovací motory, vzhledem ke konstrukci a procesům v nich probíhajících, mají nárůst točivého momentu s rostoucími otáčkami na maximální hodnotu a s dalším zvýšením otáček točivý moment klesá znovu (křivka 3 na obr. 1). Pak bude mít výkon podobný tvar (křivka 4 na obr. 1). Důležitou okolností pro pochopení funkcí výfukového systému je souvislost mezi točivým momentem a poměrem plnění válců.

Představme si proces probíhající ve válci během sací fáze. Předpokládejme, že se klikový hřídel motoru otáčí tak pomalu, že můžeme pozorovat pohyb směsi vzduch-palivo ve válci a v každém okamžiku se podaří vyrovnat tlak v sacím potrubí a válci. Předpokládejme, že v horní úvrati (TDC) je tlak ve spalovací komoře roven atmosférickému tlaku. Poté, když se píst pohybuje z horní úvratě do dolní úvratě (BDC), do válce vstoupí množství směsi čerstvého vzduchu a paliva přesně rovné objemu válce. Říká se, že v tomto případě je faktor plnění roven jednotce. Předpokládejme, že ve výše uvedeném procesu uzavřeme sací ventil v poloze pístu odpovídající 80 % jeho zdvihu. Potom válec naplníme pouze do 80 % jeho objemu a hmotnost náplně bude odpovídajícím způsobem 80 %. Faktor plnění bude v tomto případě 0.8. Další případ. Ať se nám nějak podaří vytvořit tlak v sacím potrubí o 20% vyšší než atmosférický. Poté ve fázi sání budeme schopni naplnit válec o 120 % hmotností náplně, což bude odpovídat faktoru plnění 1.2. Tak a teď to nejdůležitější. Točivý moment motoru přesně odpovídá poměru plnění válců na křivce točivého momentu. To znamená, že točivý moment je vyšší tam, kde je vyšší faktor plnění, a přesně o stejnou hodnotu, pokud samozřejmě nepočítáme vnitřní ztráty v motoru, které se zvyšují s rychlostí otáčení. Z toho je zřejmé, že křivka točivého momentu a podle toho i křivka výkonu jsou určeny závislostí faktoru plnění na otáčkách. Závislost faktoru plnění na otáčkách motoru máme možnost ovlivnit v určitých mezích změnou časování ventilů. Obecně, aniž bychom zacházeli do detailů, můžeme říci, že čím širší jsou fáze a čím dříve je ve vztahu ke klikovému hřídeli posuneme, tím vyšší rychlost otáčení bude dosaženo maximálního točivého momentu. Absolutní hodnota maximálního točivého momentu bude o něco menší než u užších fází (křivka 5 na obr. 1). Zásadní je tzv. překryvná fáze. Faktem je, že při vysokých rychlostech otáčení má určitý vliv setrvačnost plynů v motoru. Pro lepší plnění na konci výfukové fáze by měl být výfukový ventil uzavřen o něco později než TDC a sací ventil by měl být otevřen mnohem dříve než TDC. Poté se motor objeví ve stavu, kdy v oblasti TDC, s minimálním objemem nad pístem, jsou oba ventily otevřené a sací potrubí komunikuje s výfukovým potrubím přes spalovací prostor. To je velmi důležitá podmínka z hlediska vlivu výfukového systému na výkon motoru. Nyní si myslím, že je čas podívat se na funkce výfukového systému. Hned řeknu, že ve výfukovém systému jsou tři procesy. Prvním je tlumený tok plynů potrubím do té či oné míry. Druhým je tlumení akustických vln pro snížení hluku. A třetím je šíření rázových vln v plynném prostředí. Každý z těchto procesů budeme uvažovat z hlediska jeho vlivu na faktor plnění. Striktně vzato nás zajímá tlak v rozdělovači u výfukového ventilu v okamžiku jeho otevření. Je jasné, že čím nižší tlak, nebo ještě lépe ještě nižší než atmosférický tlak, lze získat, tím větší bude tlaková ztráta ze sacího potrubí do výfukového potrubí, tím větší náboj bude válec přijímat ve fázi sání. Začněme několika poměrně jasnými věcmi. Výfukové potrubí slouží k odvádění výfukových plynů mimo karoserii vozu. Je naprosto jasné, že by neměl klást výrazný odpor proudění. Pokud se z nějakého důvodu objeví ve výfukovém potrubí cizí předmět, který blokuje tok plynů (například sousedé vtipkovali a uvízli brambory ve výfukovém potrubí), tlak ve výfukovém potrubí nebude mít čas klesnout a při v okamžiku otevření výfukového ventilu bude tlak v potrubí působit proti čisticímu válci. Koeficient plnění klesne, protože zbývající velké množství výfukových plynů neumožní naplnit válce ve stejné míře čerstvou směsí. V souladu s tím motor nebude schopen produkovat stejný točivý moment. Je velmi důležité pochopit, že rozměry potrubí a konstrukce tlumičů hluku u sériového vozu docela dobře odpovídají množství výfukových plynů produkovaných motorem za jednotku času. Jakmile sériový motor projde změnami za účelem zvýšení výkonu (ať už jde o zvýšení zdvihového objemu nebo zvýšení točivého momentu ve vysokých otáčkách), okamžitě se zvýší průtok plynu výfukovým potrubím a je třeba odpovědět na otázku, zda výroba výfukový systém nyní v nových podmínkách vytváří nadměrný odpor. Takže na základě prvního postupu, který jsme nastínili, bychom měli dojít k závěru, že velikosti potrubí jsou dostatečné. Je naprosto jasné, že po určité rozumné velikosti je zbytečné zvětšovat průřez potrubí u konkrétního motoru, k žádnému zlepšení nedojde. A na otázku, kde je síla, můžeme říci, že hlavní věcí zde není prohrát, ale nelze nic získat. Z praxe mohu říci, že pro motor 1600 ccm. cm, s dobrým kroutícím momentem až do 8000 ot / min, je trubka o průměru 52 mm zcela dostačující. Jakmile se bavíme o odporu ve výfukovém systému, je potřeba zmínit tak důležitý prvek, jakým je tlumič hluku. Protože tlumič v každém případě vytváří odpor proudění, můžeme říci, že nejlepší tlumič je jeho úplná absence. Bohužel u silničního auta si tohle mohou dovolit jen zoufalí lumpové. Boj s hlukem je, ať se na to díváte jakkoli, péče o naše zdraví. Nejen v každodenním životě, ale také v motorsportu platí omezení hluku produkovaného motorem automobilu. Musím říci, že u většiny tříd sportovních vozů je hluk výfuku omezen na 100 dB. Jsou to dost flexibilní podmínky, ale bez tlumiče nesplní technické požadavky ani jeden vůz a nebude smět soutěžit.

TEĎ BYSTE SI MĚLI PŘEDSTAVIT, JAK JE ZVUK TLUMEN V TLUMIČI.

Akustické vlny (hluk) přenášejí energii, která stimuluje náš sluch. Úkolem tlumiče výfuku je přeměnit vibrační energii na teplo. Podle způsobu ovládání by měly být tlumiče rozděleny do čtyř skupin. Jedná se o omezovače, reflektory, rezonátory a absorbéry.

Princip jeho fungování je jednoduchý. V těle tlumiče je výrazné zúžení průměru trubky, určitý akustický odpor a hned za ním je velký objem, obdoba nádoby. Stisknutím zvuku přes odpor vyhladíme vibrace hlasitostí. Energie se rozptýlí v škrticí klapce a ohřívá plyn. Čím větší odpor (menší otvor), tím účinnější je vyhlazení. Ale o to větší odpor proti proudění. Asi špatný tlumič. Jako předtlumič v systému se však jedná o poměrně běžné provedení.

Pouzdro tlumiče obsahuje velké množství akustických zrcadel, od kterých se odrážejí zvukové vlny. Je známo, že při každém odrazu se část energie ztrácí a je vynaložena na ohřev zrcadla. Pokud na zvuk naaranžujeme celý labyrint zrcadel, tak nakonec téměř veškerou energii rozptýlíme a vyjde velmi zeslabený zvuk. Podle tohoto principu jsou postaveny pistolové tlumiče. Výrazně lepší provedení, jelikož ale v hloubi karoserie budeme nutit i proud plynu ke změně směru, přece jen vytvoříme nějaký odpor výfukovým plynům. Toto provedení se nejčastěji používá u koncových tlumičů standardních systémů.

Tlumiče typu rezonátoru používají uzavřené dutiny umístěné vedle potrubí a spojené s ním řadou otvorů. V jedné budově jsou často dva nestejné svazky oddělené prázdnou přepážkou. Každý otvor je spolu s uzavřenou dutinou rezonátorem, který budí kmity vlastní frekvence. Podmínky pro šíření rezonanční frekvence se prudce mění a ta je účinně tlumena třením částic plynu v otvoru. Takové tlumiče účinně tlumí nízké frekvence v malých rozměrech a používají se především jako předběžná, nejprve ve výfukových systémech. Nekladou výrazný odpor proudění, protože průřez není zmenšen.

Absorbéry fungují tak, že absorbují akustické vlny nějakým porézním materiálem. Pokud směrujeme zvuk např. do skelné vaty, způsobí to vibrace vláken vlny a tření vláken o sebe. Zvukové vibrace se tak přemění na teplo. Tlumiče umožňují postavit konstrukci tlumiče bez zmenšení průřezu potrubí a dokonce i bez ohýbání tím, že trubku s vyřezanými otvory obklopíte vrstvou savého materiálu. Takový tlumič bude mít nejnižší možný průtokový odpor, ale také nejhůře sníží hlučnost. Nutno říci, že sériové výfukové systémy ve většině případů využívají různé kombinace všech výše uvedených způsobů. V systému jsou dva a někdy i více tlumičů. Měli byste věnovat pozornost konstrukčnímu prvku tlumičů, který, pokud je vyroben samostatně, neumožňuje dosáhnout účinného snížení hluku, i když se zdá, že vše bylo provedeno správně. Pokud uvnitř tlumiče poblíž jeho stěn není žádný pohlcující materiál, pak se stěny pouzdra stávají zdrojem zvuku. Mnozí si všimli, že některé tlumiče mají na vnější straně azbestovou výstelku, přitlačenou další vrstvou falešného pláště. Jedná se o opatření, které omezí sálání stěnami a zabrání ohřívání sousedních prvků vozu. Toto opatření je typické pro tlumiče prvního a druhého typu. Je tu ještě jedna okolnost, kterou nelze v článku o tuningu ignorovat. Toto je zabarvení zvuku. Často přáním klienta vůči tuningové firmě je dosáhnout „ušlechtilého“ zvuku motoru výměnou tlumiče. Je třeba poznamenat, že pokud požadavky na výfukový systém nepřesahují změnu „hlasu“, pak je úkol výrazně zjednodušen. Můžeme říci, že s největší pravděpodobností je pro tyto účely vhodnější tlumič absorpčního typu. Jeho objem, množství vycpávky i samotné polstrování určují spektrum frekvencí, které jsou intenzivně absorbovány. Téměř jakékoli měkké polstrování ve větší míře pohltí vysokofrekvenční složku a dodává sametový zvuk. Tlumiče typu rezonátoru tlumí nízké frekvence. Změnou velikosti, obsahu a sady prvků si tedy můžete vybrat zabarvení zvuku.

NYNÍ MŮŽETE PŘEJÍT NA OTÁZKU, KTERÁ JE NEJOBLÍBENĚJŠÍ A SLOŽITĚJŠÍ. JAK MŮŽE MOTOR ZÍSKAT DODATEČNÝ VÝKON DÍKY VYLADĚNÍ VÝFUKOVÉHO SYSTÉMU?

Jak jsme již pochopili, koeficient plnění, točivý moment a výkon závisí na tlakovém rozdílu mezi sacím a výfukovým potrubím během fáze čištění. Výfukový systém může být konstruován tak, že rázové vlny šířící se v potrubí, odražené od různých prvků systému, se budou vracet do výfukového ventilu ve formě tlakového rázu nebo podtlaku. Ptáte se, odkud bude vakuum pocházet? Do potrubí totiž vždy jen pumpujeme a nikdy nesajeme. Faktem je, že v důsledku setrvačnosti plynů je tlakový ráz vždy následován frontou redukce. Je to fronta racionality, která nás zajímá nejvíce. Jen se musíte ujistit, že je ve správný čas na správném místě. Místo už dobře známe. Toto je vypouštěcí ventil. A čas je potřeba upřesnit. Faktem je, že doba působení fronty je velmi krátká. A doba otevření výfukového ventilu, kdy může vakuové čelo vytvořit užitečnou práci, silně závisí na otáčkách motoru. A celé období fáze uvolňování je potřeba rozdělit na dvě složky. První je, když se ventil právě otevřel. Tato část se vyznačuje velkým tlakovým spádem a aktivním prouděním plynů do výfukového potrubí. Výfukové plyny po silovém zdvihu opouštějí válec bez cizí pomoci. Pokud v tomto okamžiku podtlaková vlna dosáhne výstupního ventilu, je nepravděpodobné, že by mohla ovlivnit proces čištění. Zajímavější je ale konec čísla. Tlak ve válci již klesl téměř na atmosférický. Píst je blízko TDC, což znamená, že objem nad pístem je minimální. Navíc je sací ventil již mírně otevřený. Pamatujete si? Tento stav (fáze překrytí) je charakteristický tím, že sací potrubí komunikuje s výfukovým potrubím přes spalovací komoru. Nyní, pokud ztenčující se přední část dosáhne výfukového ventilu, můžeme výrazně zlepšit koeficient plnění, protože i v krátké době je přední část aktivní, bude možné propláchnout malý objem spalovacího prostoru a vytvořit podtlak, který pomůže urychlit směs vzduchu a paliva v kanálu sacího potrubí. A pokud si představíme, že jakmile všechny výfukové plyny opustí válec a podtlak dosáhne své maximální hodnoty, výfukový ventil se uzavře, budeme schopni během fáze sání získat větší náplň, než kdybychom válec vyčistili pouze do atmosférického tlak. Tento proces dobíjení válců pomocí rázových vln ve výfukovém potrubí může umožnit vysoký faktor plnění a v důsledku toho dodatečný výkon. Výsledek jeho působení je přibližně stejný, jako bychom pumpovali tlak v sacím potrubí pomocí kompresoru. Ostatně, jaký je rozdíl v tom, zda tlakový rozdíl, který tlačí čerstvou směs do spalovacího prostoru, je vytvářen tlakem v sání nebo podtlakem ve válci? Takový proces může dobře nastat ve výfukovém systému spalovacího motoru. Zbývá už jen maličkost. Takový proces je třeba organizovat.

První nutnou podmínkou pro dobíjení válců pomocí rázových vln je existence dostatečně široké fáze překrytí. Přísně vzato nás nezajímá ani tak samotná šířka fáze jako geometrická veličina, ale časový interval, kdy jsou oba ventily otevřené. Bez velkého vysvětlování je jasné, že při konstantní fázi, jak se rychlost otáčení zvyšuje, čas se snižuje. Z toho automaticky vyplývá, že při nastavení výfukového systému na určité otáčky bude jedním z různorodých parametrů šířka fáze překrytí. Čím vyšší je rychlost nastavení, tím širší je potřeba fáze. Z praxe můžeme říci, že překryvná fáze menší než 70 stupňů se nijak znatelně neprojeví a hodnota pro systémy laděné na konvenčních 6000 otáček je 80 – 90 stupňů.

Druhá podmínka již byla stanovena. To je potřeba vrátit rázovou vlnu do výfukového ventilu. Navíc u víceválcových motorů není vůbec nutné jej vracet do válce, který jej vygeneroval. Navíc je výhodné jej vrátit, respektive použít v dalším válci v provozním řádu. Faktem je, že rychlost šíření rázových vln ve výfukovém potrubí je rychlostí zvuku. Aby se rázová vlna vrátila do výfukového ventilu stejného válce, předpokládejme při rychlosti otáčení 6000 ot./min., je nutné umístit reflektor ve vzdálenosti přibližně 3,3 metru. Dráha, kterou urazí rázová vlna během dvou otáček klikového hřídele při této frekvenci, je 6,6 metru. Toto je cesta k reflektoru a zpět. Například prudké mnohonásobné zvětšení plochy potrubí může sloužit jako reflektor. Nejlepší možností je vyříznout potrubí do atmosféry. Nebo naopak zmenšení průřezu v podobě kužele, Lavalovy trysky, nebo celkem zhruba v podobě podložky. Shodli jsme se ale, že různé prvky, které zmenšují průřez, pro nás nejsou zajímavé. Výfukový systém s 6000 otáčkami za minutu navržené konstrukce například pro čtyřválcový motor by tedy vypadal jako čtyři trubky vycházející z výfukových kanálů každého válce, nejlépe rovné, každá o délce 3,3 metru. Tento design má řadu významných nevýhod. Jednak je nepravděpodobné, že by se takový systém dal umístit pod karoserii například 4metrového Golfu nebo dokonce 6metrového Audi A4,8. Opět potřebujete tlumič. Potom musíme konce čtyř trubek vložit do nádoby dostatečně velkého objemu, s akustickými charakteristikami blízkými otevřené atmosféře. Z této plechovky musí být odstraněna výstupní trubka plynu, která musí být vybavena tlumičem.

Tento typ systému se zkrátka do auta nehodí. I když férově je třeba říci, že se používá na dvoudobé čtyřválcové motocyklové motory pro okruhové závody. U dvoudobého motoru pracujícího nad 12 000 ot./min se délka potrubí zkrátí více než čtyřikrát na přibližně 0,7 metru, což je i na motocykl celkem rozumné.

Tlumič výfuku do auta je navržen tak, aby snižoval hladinu hluku výfukových plynů ve výfukovém systému tak, aby splňoval mezinárodní normy. Jedná se o kovové tělo, uvnitř kterého jsou přepážky a komory, které tvoří kanály se složitými trasami. Když výfukové plyny procházejí tímto druhým, zvukové vibrace různých frekvencí jsou absorbovány a přeměněny na tepelnou energii.

Funkce tlumiče výfuku ve výfukovém systému

Ve výfukovém systému motoru je tlumič namontován za katalyzátorem (u vozů s benzínovým motorem) nebo filtrem pevných částic (u dieselových motorů). Ve většině případů existují dva z nich:

• Předběžný (rezonátor tlumiče) – určený k hrubému potlačení hluku a stabilizaci kolísání proudění výfukových plynů opouštějících motor. Instaluje se jako první, proto se často nazývá „přední“. Jednou z jeho hlavních funkcí je distribuce výfukových plynů v systému.
• Hlavní tlumič – určený pro konečné potlačení hluku.

V praxi poskytuje konstrukce tlumiče výfuku následující úpravy výfuku snižující hluk:

• Změna průřezu toku výfukových plynů. To je realizováno díky přítomnosti komor různých sekcí v konstrukci, což umožňuje absorbovat vysokofrekvenční hluk. Princip technologie je jednoduchý: nejprve se pohybující se proud výfukových plynů zužuje, což vytváří určitý akustický odpor, a poté se prudce rozšiřuje, v důsledku čehož dochází k rozptýlení zvukových vln.
• Přesměrování výfukových plynů. Provádí se přepážkami a posunutím osy trubek. Při natočení proudu výfukových plynů pod úhlem 90 stupňů je dosaženo tlumení vysokofrekvenčního hluku.
• Změny vibrací plynu (interference zvukových vln). Dosaženo díky přítomnosti perforací v trubkách, kterými prochází výfuk. Tato technologie umožňuje tlumit hluk různých frekvencí.
• „Samoabsorpce“ zvukových vln v Helmholtzově rezonátoru.
• Absorpce zvukových vln. Kromě komor a perforací obsahuje tělo tlumiče zvuk pohlcující materiál, který izoluje hluk.

Vlastnosti provozu a typy tlumičů

Moderní automobily používají dva typy tlumičů výfuku: rezonanční a přímý. Oba lze instalovat v kombinaci s rezonátorem (předtlumičem). V některých případech může přední tlumič nahradit design s přímým průchodem.

Rezonátorové zařízení

Konstrukčně je rezonátor tlumiče, který se také nazývá pojistka plamene, děrovaná trubka umístěná v utěsněném pouzdře rozděleném do několika komor. Skládá se z následujících prvků:

• tělo (má válcovitý tvar);
• tepelně izolační vrstva (výfukové plyny mají velmi vysokou teplotu);
• slepá přepážka (pro otočení proudu plynu);
• perforovaná trubka;
• škrticí klapka (umožňuje měnit průřez proudění výfukových plynů).

Rezonanční tlumič výfuku

Na rozdíl od předběžného tlumiče je hlavní rezonanční tlumič složitější v konstrukci. Skládá se z několika perforovaných trubek instalovaných ve společném pouzdře, které jsou odděleny přepážkami a jsou umístěny na různých osách (viz obr. Tlumič v řezu):

1. perforovaná přední trubka;
2. perforovaná zadní trubka;
3. přívodní potrubí;
4. přední přepážka;
5. střední přepážka;
6. zadní přepážka;
7. výfukové potrubí;
8. tělo (oválná část).

Rezonanční tlumič tedy využívá všechny druhy transformace zvukových vln různých frekvencí.

Vlastnosti přímého tlumiče výfuku

Hlavní nevýhodou rezonančního tlumiče je efekt vytváření protitlaku, ke kterému dochází v důsledku přesměrování proudu výfukových plynů (při kolizi s přepážkami). V tomto ohledu mnoho motoristů ladí svůj výfukový systém instalací přímého tlumiče výfuku.

Konstrukčně se přímý tlumič výfuku skládá z následujících prvků:

1. utěsněné pouzdro;
2. výfukové a sací potrubí;
3. trubka s perforací;
4. Zvukově izolační materiál – nejčastěji se používá sklolaminát, který je odolný vůči vysokým teplotám a má dobré zvukově izolační vlastnosti.

V praxi má přímý tlumič výfuku následující princip fungování: jedna perforovaná trubka prochází všemi komorami. Nedochází tedy k potlačení hluku změnou směru a průřezu proudění plynu a potlačení hluku je dosaženo výhradně interferencí a absorpcí.

Díky nerušenému průchodu výfuku přes přímý tlumič je výsledný protitlak velmi malý. V praxi to však neposkytuje velké zvýšení výkonu (ze 3 % na 7 %). Na druhou stranu vůz získává zvuk charakteristický pro sportovní vozy, protože technologie pohlcující hluk v něm přítomné eliminují pouze vysoké frekvence.

Pohodlí řidiče, cestujících a chodců závisí na tom, jak funguje tlumič. Při dlouhodobém používání tak může zvýšená hlučnost způsobit vážné nepříjemnosti. Dnes je instalace přímého tlumiče výfuku do vozidla pohybujícího se v rámci města správním přestupkem, který se trestá pokutami a příkazem k demontáži zařízení. To je způsobeno nadměrnými hladinami hluku stanovenými normami.