Výfukový systém motoru

Při hoření směsi paliva a vzduchu ve válcích motoru vzniká velké množství výfukových plynů, které je nutné odvádět. Výfukový systém motoru se s tímto úkolem vyrovná, což zároveň snižuje hlučnost motoru a zlepšuje jeho ekologické vlastnosti. Tento článek je věnován tomuto systému.

Účel výfukového systému vozidla

Spalování směsi palivo-vzduch ve válcích spalovacího motoru probíhá explozivně a v důsledku těchto mikrovýbuchů vznikají velké objemy plynů, které tlačí píst a roztáčí klikový hřídel. Po skončení pracovního cyklu však musí být tyto plyny z válce odstraněny, aby je nahradila nová část směsi paliva a vzduchu. Úkol odvádět výfukové plyny je řešen výfukovým systémem motoru.

Tento systém také řeší další důležitý problém: snížení hluku motoru. Produkty spalování směsi palivo-vzduch jsou ve válci pod vysokým tlakem a při otevření výfukového ventilu rychle unikají do atmosféry – vzniká hlasitá rána. V jednom válci však každou sekundu, dokonce i při volnoběžných otáčkách, dojde asi k desítce mikrovýbuchů, takže praskání při otevření ventilu se slévá do konstantního hluku vysoké intenzity. Tento hluk je potírán výfukovým systémem motoru, který je běžně označován jako tlumič.

Struktura a princip činnosti výfukového systému

Výfukový systém motoru se skládá z následujících součástí:

— Výfukové potrubí („kalhoty“);
— spojka izolující vibrace („mach“, není instalována na všech motorech);
— Katalyzátor (pouze pro motory ekologické třídy „Euro-2“ a vyšší);
— Filtr pevných částic (pouze u dieselových motorů);
— Rezonátor (pojistka plamene nebo předtlumič);
— Hlavní tlumič výfuku;
— Spojovací potrubí mezi rozdělovačem, neutralizátorem, rezonátorem a tlumičem výfuku;
— Výfukové potrubí (často spolu s koncovkou výfuku).

Také ve výfukovém systému moderních automobilů (obvykle před vstupem do katalyzátoru) je instalován kyslíkový senzor (lambda sonda), pomocí kterého systém řízení motoru měří množství zbytkového kyslíku ve výfukových plynech a koriguje složení směsi paliva a vzduchu, čímž ji uvádí na optimum pro daný provozní režim motoru.

Princip činnosti výfukového systému je následující. Při otevření výfukového ventilu jsou výfukové plyny vytlačovány do výfukového potrubí, kde konají užitečnou práci – díky vznikajícím stojatým vlnám vyrovnávají tlak při otevírání ventilu a celkově zlepšují pracovní režim motoru. Poté výfukové plyny vstupují nejprve do katalyzátoru (snižuje koncentraci oxidu uhelnatého, oxidů dusíku a nespálených uhlovodíků), poté do rezonátoru, kde klesá rychlost výfukových plynů, tlumí se pulzace a snižuje se hluk. Z rezonátoru se plyny dostávají do hlavního tlumiče výfuku (zde dochází k hlavnímu potlačení hluku) a poté se již oslabené uvolňují výfukovým potrubím do atmosféry ve formě nízkorychlostního proudění.

Výfukové plyny při průchodu výfukovým systémem ztrácejí svou rychlost a snižuje se intenzita zvukových vln, které generují, což vede ke snížení hluku.

1. rychlonabíječka
2. kyslíkový senzor před neutralizátorem
3. katalyzátor
4. kyslíkový senzor za neutralizátorem
5. výfukové potrubí se spojkou izolující vibrace
6. výfukové potrubí
7. předtlumič
8. hlavní tlumič výfuku
9. odpružení výfukového systému

Součásti výfukového systému

Na první pohled se může zdát, že výfukový systém motoru je jednoduše soubor potrubí a nádrží různých objemů, které odvádějí výfukové plyny. Ve skutečnosti je vše poněkud složitější a každá součást tohoto systému má k jednoduché trubce velmi daleko.

Výfukové potrubí. Jedná se o systém trubek, které se připojují přímo k hlavě válců (jedna trubka k jednomu válci), sbírají výfukové plyny a odvádějí je do katalyzátoru a tlumiče výfuku. Je zajímavé, že každé potrubí rozdělovače má určitou délku a průřez, což umožňuje vznik stojatých vln při různých otáčkách motoru. To je nezbytné pro účinné proplachování válců a zajištění optimálního provozu motoru v různých režimech. Výfukové potrubí je tedy důležitou součástí, která má určitý vliv na výkon a stabilitu motoru. Kolektor pracuje v extrémních podmínkách, proto je vyroben ze žáruvzdorných slitin.

Spojka izolující vibrace. Spojka slouží k oddělení výfukového potrubí, které je pevně spojeno s motorem, a zbývajících částí výfukového systému. Obvykle je spojka vyrobena ve formě pružné kovové hadice, která tlumí vibrace přijímané z rozdělovače.

katalyzátor. Katalyzátor-katalyzátor je navržen tak, aby zlepšil ekologickou bezpečnost výfukových plynů, čehož je dosaženo neutralizací nejnebezpečnějších plynů: oxidů dusíku, oxidu uhelnatého a uhlovodíků nespálených ve spalovací komoře. Navíc se redukují oxidy dusíku a vzniklý volný kyslík slouží ke spalování uhlovodíků a oxidu uhelnatého. Typicky je neutralizátor vyroben ve formě relativně malého modulu, který obsahuje keramický blok s katalyzátory.

Katalyzátor naftového motoru s močovinou. U vznětových motorů výše popsaný neutralizátor funguje hůře, protože v nich je nižší teplota výfukových plynů, což zpomaluje redukční reakce oxidů dusíku. U vznětových motorů se proto hojně uplatnily neutralizátory doplněné o systém vstřikování močoviny (vodného roztoku čpavku) do výfukových plynů, který pomáhá odstraňovat nebezpečné sloučeniny dusíku z výfuku.

Filtr pevných částic. Také se používá pouze v dieselových motorech. Používá se k čištění plynů od sazí a často je konstrukčně kombinován s katalyzátorem.

Rezonátor. Jedná se o speciálně tvarovanou nádobu, ve které dochází k počátečnímu snížení hluku v důsledku snížení rychlosti a pulzace výfukových plynů. V rezonátoru se výfukové vlny odrážejí a tvoří se stojaté vlny, odtud název této součásti.

Hlavní tlumič. Zde dochází k hlavnímu snížení hluku výfuku. Typicky se jedná o kontejner s přepážkami a trubkami uspořádanými určitým způsobem, které tvoří labyrint velké délky. Když výfukové plyny procházejí tímto labyrintem, jsou rozděleny do několika proudů, zvuková energie je tlumena a přeměňována na teplo a tlakové pulsace jsou absorbovány. Díky tomu mají výfukové plyny na výstupu z tlumiče nižší otáčky a vytvářejí mnohem méně hluku.

Je třeba poznamenat, že výfukový systém poněkud snižuje výkon motoru, protože výfukové plyny mají na cestě do atmosféry odpor a na překonání této cesty je vynaložena určitá energie. Jenže moderní auto bez tlumiče si prostě nelze představit, takže se musíte smířit s některými nedostatky.

Výfukový systém motoru a ekologie

Výfukové plyny jsou vysoce toxické a představují nebezpečí pro životní prostředí a zejména pro člověka. Je to všechno o látkách, které vznikají při spalování paliva a uvolňují se do atmosféry. Pro člověka jsou nejnebezpečnější oxidy dusíku, oxid uhelnatý a mnoho uhlovodíků, které jsou karcinogeny. Pro životní prostředí jsou nejnebezpečnější látky, které mají škodlivý vliv na živočichy a rostliny, a ty, které se podílejí na tvorbě smogu.

Když se objevila první auta, nevznikla otázka jejich ekologické bezpečnosti, ale lidé si všimli, že auta znečišťují vzduch svými výfukovými plyny. Tato otázka se stala akutní ve druhé polovině minulého století a na počátku 90. let přijala Evropa balíček zákonů zaměřených na monitorování bezpečnosti životního prostředí a snižování emisí výfukových plynů.

V roce 1992 vstoupila v Evropě v platnost ekologická norma Euro-1 a v roce 1995 Euro-2, a právě se zavedením Euro-2 se přítomnost katalyzátoru ve výfukovém systému stala povinnou pro všechny nové benzínové motory. U vznětových motorů se neutralizátor ukázal jako nedostatečný, a tak se vstupem normy Euro-4 (2005) v platnost stala přítomnost filtru pevných částic u dieselových motorů povinná.

Každá nová norma Euro nahradila předchozí normy a výrazně zpřísnila požadavky na ekologickou bezpečnost. Dokonce i nyní jsou mnohé normy Euro-1 – Euro-3 považovány nejen za zastaralé, ale jednoduše zakázané, protože podle dnešních norem jsou pro přírodu a lidi příliš nebezpečné. Dnes se bavíme o normě Euro 6 (která vstoupí v platnost v roce 2015) a podle ní musí výfuk benzinového motoru obsahovat 2,5krát méně oxidů dusíku a oxidu uhelnatého než motor s normou Euro 3. A obsah suspendovaných částic (sazí) ve vznětových motorech normy Euro-6 musí být desetkrát nižší než u normy Euro-3.

Snaha o ekologickou bezpečnost je jistě dobrá věc, ale má to i stinnou stránku. Hlavním problémem ekologických motorů je, že jsou méně výkonné než jejich neekologické protějšky – je to dáno složením paliva, režimem spalování směsi paliva se vzduchem a nutností průchodu výfukových plynů přes katalyzátory a filtry. S touto ztrátou výkonu a zvýšenou složitostí konstrukce motoru se však musíme smířit, protože je třeba chránit životní prostředí.