Zadaniami układów wydechowych są:

– tłumienia hałasu
– odprowadzanie spalin poza obrys pojazdu
– wspomaganie wymiany ładunku
– kształtowanie charakterystyki silnika
– wpływanie na ekonomię i ekologię

.

Początkiem układu wydechowego jest zawsze gniazdo wydechowe, natomiast końcem z reguły wylot spalin do atmosfery, choć niekiedy wylot spalin do tak grubej rury, że w zakresie obrotów użytkowych silnika nie występują w niej zjawiska dynamiczne i może „robić” za atmosferę. Niezależnie od przeznaczenia silnika (wyczyn, sport, dupowóz), w ich układach wydechowych działają te same prawa fizyki i zależności matematyczne. Jednak ze względu na różnice w konstrukcjach silników oraz ich charakterystykach, wyczynowe układy wydechowe znacznie różnią się od układów wydechowych samochodów seryjnych.

Układy wydechowe mogą działać wyłącznie dynamicznie, jak ma to miejsce w większości silników samochodów seryjnych z niewielkimi kątami współotwarcia zaworów, lub dynamicznie i falowo, jak ma to miejsce w silnikach samochodów sportowych oraz wyczynowych. W każdym układzie wydechowym powyżej pewnej prędkości przepływu gazów wydechowych, występują zjawiska dynamiczne oraz przy wszystkich prędkościach obrotowych silnika, występują zjawiska falowe. I jedne i drugie, właściwie wykorzystane, mogą wspomagać napełnianie cylindra z tym, że o ile wykorzystanie zjawisk dynamicznych możliwe jest w każdym silniku, o tyle pełne wykorzystanie  zjawisk falowych możliwe jest jedynie w silnikach z odpowiednio długimi czasami rozrządu. Każda rura (nawet rynna z dachu) może być zewnętrznym układem wydechowym, z którym każdy silnik będzie pracował. Mało tego, każdy silnik będzie pracował również bez zewnętrznego układu wydechowego. Do pracy wystarczą mu kanały wydechowe w głowicy. Oczywiście charakterystyka silnika pozbawionego zewnętrznego układu wydechowego będzie pozostawiała wiele do życzenia, ponieważ będzie kształtowana niemal wyłącznie przez układ ssący, niemniej jednak będzie wystarczająca do tego, aby dało się jechać. Pomimo faktu, że silnik będzie pracował na każdym układzie wydechowym, tylko na jednym, właściwym, będzie pracował doskonale, gwarantując maksymalne wykorzystanie konstrukcji silnika. Aby tak było ów układ wydechowy musi być skonstruowany na podstawie stosownych obliczeń.

 

W układach wydechowych występują działania dynamiczne i falowe

Działania dynamiczne

W miarę wzrostu prędkości obrotowej silnika, wzrasta intensywność i prędkość przepływu gazów wydechowych, wypychanych z cylindra do rury wydechowej przez coraz szybciej poruszający się tłok. Początkowo spaliny wypychane są z prędkościami analogicznymi do chwilowych prędkości tłoka, który zatrzymuje się w GMP i DMP (górnym i dolnym martwym punkcie), a największą prędkość osiąga w okolicach połowy skoku. Po przekroczeniu pewnej prędkości obrotowej, a tym samym pewnej intensywności i prędkości przepływu, poruszający się w rurze wydechowej cylindra słup gazu przestaje naśladować prędkość poruszającego się tłoka i skutkiem swej bezwładności (wszak posiada pewną masę) zaczyna poruszać się z dużą prędkością bez względu na chwilową prędkość tłoka – powodując powstawanie za sobą podciśnienia. Podciśnienie to zaczyna intensywnie odsysać z cylindra pozostałe gazy spalinowe, a jednocześnie w fazie współotwarcia zaworów zasysać świeże powietrze z układu ssącego, zanim jeszcze tłok minie GMP i swoim ruchem wymusi powstanie w cylindrze podciśnienia. Wszystko to razem powoduje poprawę napełnienia cylindra świeżym ładunkiem, a tym samym wzrost wartości momentu obrotowego. Moment rozpoczęcia działania dynamicznego w układzie wydechowym łatwo zauważyć ruszając samochodem z II lub III biegu z wolnych obrotów i gwałtownie wciskając pedał gazu do oporu. Początkowo samochód będzie bardzo słabo przyspieszał, jednak po przekroczeniu pewnych obrotów nastąpi gwałtowna poprawa dynamiki, będąca skutkiem powstania i zadziałania zjawisk dynamicznych w układzie wydechowym. Efektywność działania zjawisk dynamicznych zależy od prędkości i masy będącego w ruchu słupa gazu. Im krótsza rura tym słabszy efekt. Moment rozpoczęcia działania zjawisk dynamicznych zależy od intensywności i prędkości przepływu gazów spalinowych, a więc od średnicy rury. Zmniejszenie średnicy powoduje przesunięcie efektu doładowania dynamicznego w zakres niższych obrotów, a zwiększenie średnicy w zakres obrotów wyższych.

 

Działania falowe

W chwili otwarcia zaworu wydechowego wydostające się z cylindra spaliny tworzą falę nadciśnienia, która przemieszcza się od gniazda wydechowego do końca rury, gdzie skutkiem różnicy ciśnień odbija się zmieniając znak i już jako fala podciśnienia wraca do gniazda wydechowego. Prędkość przemieszczania się fali wynosi ok. 510 m/sek (jest to średnia prędkość dźwięku przy panujących w układach wydechowych ciśnieniu i temperaturze) i nie zależy od prędkości obrotowej wału korbowego. Innymi słowy, prędkość fali jest stała niezależnie od obrotów silnika. W czasie przemieszczania się fali do końca rury i z powrotem, wał silnika wykonuje pewien kat obrotu, zależny od jego chwilowej prędkości obrotowej oraz od długości rury. Im krótsza rura, tym fala wróci wcześniej, a wał korbowy obróci się o mniejszy kąt. Im wyższe obroty silnika, tym w trakcie przemieszczania się fali w rurze wydechowej, wał korbowy zdąży obrócić się o większy kąt. W rozpatrywanym przez nas przypadku silnik się rozpędza, natomiast fala porusza się z prędkością stałą. Dopóki powracająca z końca rury fala podciśnienia wraca do cylindra zanim zacznie otwierać się zawór ssący rozpoczynając fazę współotwarcia zaworów – jej działanie jest niewielkie. Co prawda wspomaga opróżnianie cylindra z gazów wydechowych, ale nie wspomaga zasysania świeżego ładunku i nie zapobiega wtłaczaniu do kolektora ssącego spalin w początkowej fazie otwierania zaworu ssącego. Pamiętajmy, że tłok jest jeszcze przed GMP i swoim ruchem wypycha spaliny.

Sytuacja ulega zmianie, gdy obroty silnika osiągną taką wartość, że powracająca z końca rury fala podciśnienia pojawi się w cylindrze w początkowym momencie otwierania się zaworu ssącego. rozpoczynając proces współotwarcia zaworów. Od tego momentu, pomimo powiększającej się szczeliny w otwierającym się zaworze ssącym, spaliny już nie są wtłaczane do układu ssącego. Pomimo trwającej fazy wydechu z układu ssącego zasysane jest świeże i chłodne powietrze, przy jednoczesnym odsysaniu spalin do wydechu. W rezultacie następuje gwałtowna poprawa napełnienia cylindra skutkująca wzrostem momentu obrotowego i mocy. Co dzieje się dalej?
Silnik nadal się rozpędza zwiększając obroty, a fala nadal się przemieszcza w rurze wydechowej ze stałą prędkością. Tak więc powracająca z końca rury fala podciśnienia, która w fazie początkowej wracała na początek otwierania się zaworu ssącego, zaczyna wracać coraz później, przy coraz większym jego otwarciu. Powoduje to coraz większy efekt działania falowego, który swe maksimum osiąga w momencie, gdy fala wróci w okolicy maksymalnego współotwarcia zaworów. Przy dalszym wzroście obrotów fala podciśnienia zaczyna wracać do cylindra już po GMP tłoka. Zakres działania falowego kończy się, gdy obroty silnika osiągną taką wartość, przy których powracająca fala podciśnienia wróci do komory spalania w końcowym momencie zamykania się zaworu wydechowego.

Siła działania odbitej fali zależy od różnicy ciśnień i ilości odbić. Im większa różnica ciśnień i mniejsza ilość odbić, tym siła odbicia fali jest większa. Każde odbicie fali zmniejsza siłę odbicia o circa 12%, więc zazwyczaj długości rur oblicza się dla drugiego odbicia.

 

Zakres działania falowego

Długość rur wydechowych decyduje jedynie o obrotach początku ich działania falowego. Natomiast zakres działania falowego zależy od czasów rozrządu, a dokładniej, od stosunku całkowitego kąta otwarcia zaworu wydechowego do kąta zawartego pomiędzy początkiem otwarcia zaworu wydechowego, a początkiem otwarcia zaworu ssącego (nigdy odwrotnie). W przypadkach, gdy krzywki ssące są takie same jak krzywki wydechowe, zakres działania falowego obliczamy dzieląc całkowity kąt otwarcia krzywki przez kąt między osiami krzywek.

Poniżej wykres przedstawiający istotę działania falowego wydechu i jego zakresu na przykładzie wałka rozrządu o czasach 40/80  80/40.

Fala nadciśnienia (+) powstająca w momencie otwarcia wydechu ( w tym przypadku 80 stopnie przed DMP) przemieszcza się do końca rury (pozioma linia na dole wykresu), gdzie odbija się na różnicy ciśnień i już jako fala podciśnienia (-) wraca do gniazda wydechowego. W miarę wzrostu obrotów silnika powrót fali następuje w coraz większym oddaleniu kątowym od punktu powstania. Wynika to z faktu, że fala porusza się ze stałą prędkością. Przy określonych dla konkretnej długości rury obrotach silnika następuje moment, gdy powracająca fala podciśnienia trafia na początek otwarcia zaworu ssącego, rozpoczynając działanie falowe wydechu. W miarę wzrostu obrotów silnika powrót fali podciśnienia następuje po coraz większym kącie obrotu wału korbowego. Działanie falowe kończy się, gdy powracająca fala podcisnienia trafia na moment zamknięcia zaworu wydechowego ( w naszym przypadku 40 stopni po GMP).

 

Ważne wymiary układów wydechowych:

Średnice wewnętrzne rur

Dla uzyskania maksymalnej mocy silnika, pole wewnętrznego przekroju pierwszej od strony głowicy rury wydechowej, powinno być równe polu powierzchni szczeliny zaworowej zaworu ssącego, lub zaworów ssących (jeżeli są dwa lub trzy), przy ich maksymalnym otwarciu.

Obliczona w w/w sposób średnica rury wydechowej jest optymalna zarówno dla układów wydechowych działających falowo-dynamicznie,  jak również działających wyłącznie dynamicznie i.. najczęściej nie występuje w przyrodzie jako gotowa średnica rury handlowej. Dlatego niemal wszystkie stricte wyczynowe układy wydechowe muszą być budowane z rur o średnicach robionych na zamówienie. Niekiedy są to rury ze szwem, zwijane z blachy i spawane, lecz najczęściej są to rury przeciągane na potrzebną średnicę na tzw. przeciągarce.

 

Długości rur

Optymalna długość rury wydechowej jednego cylindra zależy od obrotów, przy których ma wystąpić początek działania falowego oraz mierzonego na wale korbowym kąta, zawartego pomiędzy otwarciem zaworu wydechowego, a otwarciem zaworu ssącego (nie odwrotnie). W przypadku jednakowych krzywek ssących i wydechowych będzie to kąt między osiami krzywek.

Przyjmijmy dla przykładu, że czasy rozrządu w naszym silniku to 40/80  80/40. Wałek ma długość 40+80+120=300 stopni, zaś mierzony na wale korbowym kąt między osiami krzywek wynosi 220 stopni, bo 80-40+180=220. Załóżmy, że  naszym zamiarem jest początek działania falowego przy 4000 obr/min. Cztery tysiące obrotów na minutę, to 4000/60=66,66 obrotów na sekundę, a ponieważ jeden obrót ma 360 stopni, to jednocześnie 66,66*360=24000 stopni/sek.
Jeżeli w ciągu 1 sek wał obraca się o 24000 stopni, to na pokonanie kąta 220 stopni stopni potrzebuje 220/2400=0,00917 sek. Fala w wydechu porusza się ze średnią prędkością 510 m/sek, zatem w czasie 0,00917 sek przebędzie drogę 510*0,00917=4,6767 m. A ponieważ jest to droga  od wydechowego do końca rury i z powrotem, długość rury musi wynosić połowę tej wartości, czyli 4,6767/2=2,3384 m.

W ten sposób obliczyliśmy długość rury wydechowej dla 300 stopniowego wałka rozrządu z kątem między osiami krzywek 220 stopni, dla początku działania falowego przy 4000 obr/min i dla tzw. pierwszego odbicia, czyli: fala raz leci do końca rury, raz się odbija na różnicy ciśnień zmieniając i już jako fala podciśnienia raz wraca do zaworu wydechowego. Co prawda impuls podciśnienia z pierwszego odbicia jest najsilniejszy, jednak długość rur dla pierwszego odbicia jest najdłuższa, co ogromnie komplikuje, a niekiedy wręcz uniemożliwia ich zastosowanie. Dlatego też najczęściej wymaganą długość rur oblicza się dla drugiego odbicia, co w przypadku w/w wyliczanki skraca długość rur o połowie i wynoszą 2,3384/2=1,1692 m. Oczywiście nie należy zapominać, że wyliczona długość rury liczona jest od zaworu wydechowego, więc część jej długości stanowi kanał wydechowy w głowicy.

 Długość rury dla drugiego odbicia fali, obliczamy z wzoru:

 L=K/n*2125

 

Natomiast długość rury dla dowolnego odbicia fali (x)

L=K*4250/(n*x)

gdzie:

L = długość rury mierzona od wydechowego
K = kąt między osiami krzywek mierzony na wale korbowym
n = obroty początku działania falowego
x = odbicie fali

.

Pojemność układu wydechowego

Pojemność układu wydechowego ma duże znaczenie, ponieważ potęguje działanie rur. Podobnie jak w instrumentach muzycznych pudła rezonansowe potęgują działanie strun i podobnie jak w instrumentach muzycznych duże pojemności wzmacniają niskie częstotliwości, zaś małe – wysokie.

Dla jednocylindrowego silnika, pojemność układu wydechowego powinna być równa pojemności rury o wyliczonej średnicy i długości dla pierwszego odbicia fali. Oczywiście w silnikach wielocylindrowych pojemność całego układu wydechowego powinna być sumą pojemności rur wyliczonych j/w.
Jednak w praktyce rury obliczamy dla drugiego lub trzeciego odbicia fali, a brakującą wtedy pojemność zawieramy w rurze zbiorczej, puszce pojemnościowej lub tłumikach komorowych. W przypadku stosowania tłumików absorpcyjnych należy uwzględnić pojemność traconą na materiały tłumiące.
Wzór na pojemność całego układu wydechowego ( od gniazd wydechowych )


V=K*13351,77*(D/2)^2*C/n

gdzie:
V = całkowita pojemność układu
C = ilość cylindrów
K = kąt między osiami krzywek
D = obliczona średnica rury
n = obroty początku działania falowego wydechu

Średnica wylotu spalin

Stosowne zdławienie na wylocie układu wydechowego do atmosfery potrzebne jest aby stwarzać potrzebne przeciwciśnienie, umożliwiające działanie pojemności układu na podobieństwo sprężyny o wymaganej twardości. Przeciwciśnienie ma również zapobiegać wylatywaniu do atmosfery ładunku świeżej mieszanki, który w trakcie współotwarcia zaworów dostał się do układu wydechowego.

W silnikach wyczynowych przekrój wylotu spalin do atmosfery obliczany jest w zależności od kąta zamknięcia zaworów wydechowych. W pozostałych silnikach powinien być równy najwęższemu przekrojowi w układzie ssącym.   cdn.