Jeśli chodzi o usuwanie spalin, należy przede wszystkim uniemożliwić ich przedostanie się do wnętrza pojazdu. Poza tym wbudowany układ oczyszczania spalin ma za zadanie sprostać coraz wyższym wymaganiom narzucanym przez unijnych komisarzy. Chodzi przede wszystkim o ograniczenia emisji HC, CO₂ oraz NO_X.

Budowa układu wydechowego

Układ wydechowy pojazdu silnikowego zaczyna się od kolektora wydechowego połączonego z silnikiem za pośrednictwem złącza kołnierzowego, który zbiera wszystkie spaliny z podłączonych cylindrów i odprowadza je do rury zbiorczej. Do kolektora przymocowany jest łączem kołnierzowym właściwy przewód wydechowy.

Dalej układ wydechowy składa się z rur wydechowych i jednego lub więcej tłumików, np. wstępnego i głównego. W układach z dwoma tłumikami tłumik wstępny służy zasadniczo do regulacji mocy silnika, podczas gdy tłumik główny odpowiada za właściwe tłumienie hałasu. Do niego przymocowana jest tylna rura wydechowa, zwana też krańcową, przez którą spaliny wydostają się na zewnątrz. Kształt kolektora, długość i układ rur wydechowych oraz rodzaj i położenie tłumików znacząco wpływają na moc silnika. Aby jej osłabienie było jak najmniejsze, opór przepływu w rurach i tłumikach musi być niewielki. W dobrze wyregulowanym układzie wydechowym na jego końcu panuje oscylujące podciśnienie, dzięki czemu po otwarciu zaworów wydechowych spaliny zostają zassane z cylindrów. Szybkie opróżnienie cylindrów i lepsze ich napełnianie zwiększają moc silnika. Wszystko to powoduje, że układ wydechowy samochodu wymaga homologacji. Wszystkie części układu są dokładnie dopasowane do siebie i nie wolno ich zmieniać – w przeciwnym wypadku świadectwo homologacji pojazdu wygaśnie. Jeżeli z jakiegokolwiek powodu seryjny układ wydechowy zostanie zmodyfikowany, wymaga on ponownej homologacji.

Odgłosy wydechu i jazdy

Gwałtownie usuwane, osiągające temperaturę 1000°C spaliny posiadają w momencie otwarcia zaworów wydechowych nadciśnienie rzędu do 5 barów i powodują mocne drgania gazu w przewodach wydechowych. Bez specjalnego tłumienia gazy doprowadziłyby w końcu do pęknięcia przewodu spalinowego i z wielkim hukiem wydostałyby się na zewnątrz. Ponieważ ludzkie ucho boleśnie odczuwa dźwięki powyżej 120 decybeli (dB), a silnik bez tłumika powoduje hałas 100 decybeli i więcej, konieczne jest zastosowanie odpowiedniego tłumienia. W polskim prawie wartości graniczne natężenia dźwięku wydobywającego się z układu wydechowego określone są przez Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 31 grudnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych pojazdów oraz zakresu ich niezbędnego wyposażenia (Dz.U. 2003 nr 32 poz. 262). Przedstawiona tabela podaje dopuszczalne wartości graniczne w zależności od typu pojazdu. Szczegółowy przebieg badania na SKP jest opisany w Rozporządzeniu Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 26 czerwca 2012 r. w sprawie zakresu i sposobu przeprowadzania badań technicznych pojazdów oraz wzorów dokumentów stosowanych przy tych badaniach (Dz. U. 2012 poz. 996). Zgodnie z procedurą pomiar polega na odczytaniu wartości poziomu hałasu w dB w krótkim okresie pracy silnika przy ustalonej prędkości obrotowej, odpowiadającej 75% prędkości obrotowej mocy maksymalnej (dla motocykli, których prędkość obrotowa mocy maksymalnej jest większa od 5000 min-1, należy do pomiarów przyjmować 50% prędkości obrotowej mocy maksymalnej) oraz w czasie jej zmniejszania do prędkości obrotowej biegu jałowego (po szybkim zwolnieniu pedału przyspieszenia).

Pod uwagę bierze się tylko te zmierzone wartości, które zostały uzyskane z trzech następujących po sobie pomiarów, nieróżniących się od siebie o więcej niż 2 dB. Pomiary należy prowadzić aż do uzyskania trzech wartości spełniających powyższy warunek. W celu ustalenia końcowej wartości pomiaru należy:

• wybrać największą wartość z trzech pomiarów spełniających wymagania określone w § 9 ust. 3, zaokrąglając ją do liczby całkowitej;
• ustaloną zgodnie z pkt 1 wartość zmniejszoną o 1 dB (uwzględnienie ewentualnych błędów pomiarowych) przyjmuje się jako końcową wartość pomiaru.

Jak układ wydechowy tłumi dźwięki

Istnieją różne możliwości osłabiania fal dźwiękowych. W motoryzacji używa się przede wszystkim tłumików działających na zasadzie absorpcji lub odbicia (tłumiki refleksyjne).  

Uproszczony schemat tłumienia dźwięków metodą absorpcji i odbicia. Źródło: autoFACHMANN

Własności tłumiące zwiększa dodatkowe wyposażenie układu w tłumiki działające na zasadzie interferencji. Ponadto istnieją różne kombinacje wewnątrz samego tłumika. Metoda absorpcji opiera się na tłumiącym działaniu określonych materiałów dźwiękochłonnych. W materiałach tych energia dźwięku lub drgań spalin zostaje zamieniona w energię cieplną, która następnie jest odprowadzana do powietrza atmosferycznego. Metoda odbicia wykorzystuje fakt, że fale dźwiękowe odbijają się od twardych ścian. Powoduje to zmniejszenie energii wraz z rosnącą drogą, podobnie jak w przypadku słabnącego echa. W metodzie interferencji części spalin nakładają się na siebie, kiedy spotykają się po wcześniejszym przebyciu dróg o różnej długości, i wzajemnie się znoszą (przynajmniej częściowo).  

Metoda absorpcyjna tłumi dźwięki, pochłaniając je (u góry), refleksyjna (środek) wykorzystuje zjawisko odbicia, zaś interferencyjna (u dołu) działa na zasadzie nakładania się i wzajemnego znoszenia fal dźwiękowych. Źródło: autoFACHMANN

Tłumik absorpcyjny

Ogólnie rzecz biorąc, tłumik o takiej konstrukcji składa się z kilku komór, przez środek których przechodzi rura wydechowa z otworami. Komory są wypełnione odpornymi na ciepło, porowatymi materiałami tłumiącymi dźwięk, np. wełną mineralną, szklaną, stalową lub skalną. Spaliny wpływają uderzeniowo do tłumika, przechodzą za sprawą drgań przez otwory w rurze wydechowej do materiału dźwiękochłonnego, gdzie na skutek tarcia tracą energię drgań, po czym opuszczają tłumik jako równomierny strumień. Energia cieplna powstała z przekształcenia energii drgań zostaje odprowadzona do atmosfery, ponieważ tłumik umieszczony jest na zewnątrz i chłodzony naturalnie pędem powietrza. Tłumiki absorpcyjne posiadają względnie niski opór przepływu i mają niewielki wpływ na moc silnika. Kolejną cechą charakterystyczną jest to, że pochłaniają przede wszystkim dźwięki o wysokiej częstotliwości, natomiast praktycznie nie tłumią częstotliwości niskich. Czysto absorpcyjne tłumiki nadają się więc przede wszystkim do tłumienia tonów wysokich. Dlatego używa się ich przeważnie w samochodach sportowych.

Tłumik refleksyjny

Tłumik tego typu posiada kilka ułożonych jedna za drugą równolegle do kierunku przepływu komór, które zwykle są oddzielone od siebie perforowanymi płytami odbojowymi. Komory są natomiast połączone ze sobą przesuniętymi względem siebie rurami. W takim układzie wypływające spaliny stale natrafiają na przeszkody, a ich przepływ jest ciągle przerywany. Opory te, wywoływane zmianami przekrojów między komorami i rurami oraz kilkakrotnym przekierowaniem spalin, powodują odbicie pulsacyjne (odrzucanie fal dźwiękowych). Skutkiem jest zmniejszenie energii dźwięku w trakcie przejścia przez tłumik, tak jak ma to miejsce w przypadku słabnącego echa. W przeciwieństwie do tłumików absorpcyjnych tłumiki refleksyjne pochłaniają przede wszystkim dźwięki o niskiej częstotliwości (tony głębokie). Ponieważ stawiają spalinom względnie duży opór, a tym samym wpływają negatywnie na moc silnika, czysto refleksyjne tłumiki stosowane są bardzo rzadko.

Tłumiki interferencyjne

Przewody rurowe układów o takiej budowie podzielone są na kilka odcinków rur, które na końcu drogi przepływu znowu się łączą. Wypływające spaliny i fale dźwiękowe prowadzone są przez różnej długości kanały. Dlatego też trwa dość długo, zanim spotkają się znowu na końcu tłumika. Podczas takiego spotkania dochodzi do interferencji. Interferencja oznacza, że fale dźwiękowe nakładają się na siebie i w ten sposób – przynajmniej częściowo – znoszą się wzajemnie. Duża liczba odgałęzień i pojedynczych odcinków rur w tłumikach interferencyjnych wymaga dużego nakładu pracy. Z tego powodu czysto interferencyjne tłumiki uważane są za nieekonomiczne i są rzadko stosowane w praktyce.

Tłumik absorpcyjno-refleksyjny

Ponieważ tłumiki absorpcyjne nadają się szczególnie do tłumienia dźwięków o wysokiej częstotliwości, a tłumiki refleksyjne – o niskiej częstotliwości, połączenie obu technologii zdaje się być najkorzystniejsze. Zaletą takiej konstrukcji jest nakładanie się drgań, co wraz z pochłanianiem i odbiciem zapewnia tłumienie szerokiego zakresu częstotliwości. Ponadto zarówno opór przepływu, jak i wynikający z niego wpływ na moc silnika mieszczą się w odpowiednich granicach. Nie dziwi więc, że w praktyce najczęściej używa się właśnie połączenia tłumika refleksyjnego i absorpcyjnego.

Różne warianty wykonania tłumików. Źródło: autoFACHMANN

Konstrukcje szczególne

Poza klasycznymi typami tłumików istnieje jeszcze cały szereg mniej lub bardziej nietypowych konstrukcji. Do najczęściej spotykanych należą tłumiki z odgałęziającymi się rezonatorami. Rezonatory to części, w których fale dźwiękowe wzbudzają drgania własne. W niektórych zakresach częstotliwości powoduje to tłumienie dźwięków. W praktyce rezonatory stosuje się tam, gdzie występują wyjątkowo głośne drgania dźwiękowe lub tony. Straty przepływu są przy tym wyjątkowo niskie. Analogicznie do różnych częstotliwości dźwięku rozróżnia się tłumiki z przejściem głębokim i wysokim. Tłumiki z przejściem głębokim tłumią dźwięki wysokie, a przepuszczają dźwięki niskie; odwrotnie natomiast zachowują się tłumiki z przejściem wysokim.  

Tłumik łączony wykorzystujący wszystkie popularne metody tłumienia dźwięków. Źródło: autoFACHMANN

Inną nietypową konstrukcją jest połączenie tłumika interferencyjnego i refleksyjnego. Taki tłumik zbudowany jest z różnej długości odcinków rur dodatkowo połączonych z komorami, które tłumią dźwięki metodą odbicia, podczas gdy interferencja ogranicza nieprzyjemne drgania.