Pakoputkisto
Pakoputkisto on polttomoottoriin liittyvä osa, jonka tehtävä on johtaa kuumat pakokaasut pois moottorista, puhdistaa niitä ja vähentää niistä aiheutuvaa meluhaittaa.
Pakoputkistosta puhutaan toisinaan myös kaasuturbiinien kohdalla, mutta tämä artikkeli käsittelee asiaa lähinnä polttomoottorikäyttöisten ajoneuvojen näkökulmasta.
Pakoputkisto koostuu pakosarjasta, pakokaasujen jälkikäsittelylaitteistosta, äänenvaimentimista ja niitä yhdistävistä putkista. Tyypillisessä nykyaikaisessa dieselkäyttöisessä henkilöautossa pakoputkisto koostuu pakosarjasta, turboahtimesta, hiukkasloukusta, katalysaattorista ja äänenvaimentimista.
Pakosarja on kanavisto, jossa sylinteristä poistuva pakokaasu virtaa. Pakosarjan tärkein tehtävä on yhdistää eri sylintereistä virtaavat pakokaasut halutulla tavalla.
Pakosarjan muodolla ja kanavien oikealla yhdistämisellä on suuri merkitys moottorin toiminnassa. Pakosarjan suunnittelu riippuu siitä onko moottorissa turboahdin vai ei, ja minkälaista ahtamistapaa käytetään. Vapaasti hengittävän nelitahtimoottorin pakosarjan suunnittelu on ehkä yksinkertaisin esimerkki. Tavoitteena on yhdistää sylintereistä virtaavat pakokaasut siten, että pakoputkessa pakokaasujen virtaama on mahdollisimman tasaista. Tämä toteutetaan mitoittamalla pakosarjan jokainen kanava samanmittaiseksi, jolloin kustakin sylinteristä virtaa vuorotellen pakokaasuja pakoputkeen, ja haitallisia painepulssien yhdistymisiä ei pääse tapahtumaan. Tällöin virtausvastus saadaan pidettyä mahdollisimman pienenä.
Turboahdetun moottorin pakosarjan suunnittelu riippuu käytetystä ahtamistavasta. Tasapaineahtamisessa pakosarjaan suunnitellaan suuri säiliö, joka tasaa pakokaasujen painepulssit. Turboahtimen turbiini kokee täten lähes vakiopaineen. Impulssiahtamisessa pakokaasujen painepulssit johdetaan vaimentumattomana turbiinille. Moottorin sytytysjärjestyksestä ja sylinteriluvusta riippuen tiettyjen sylinterien pakokaasukanavat yhdistetään, ja turboahtimelle tulee yleensä kaksi kanavaa. Henkilöautoissa käytetään impulssiahtamista sen nopean heräämisen vuoksi. Tyypillisessä turboahdetun 4-sylinterisen henkilöauton pakosarjassa yhdistetään sylinterit 1-3 ja 2-4.
Turboahdinsovelluksissa pakosarja pyritään pitämään mahdollisimman lyhyenä, jotta pakokaasut eivät ehtisi jäähtymään ennen turbiinia.
Katalysaattori on laite, jonka toiminta perustuu pakokaasujen puhdistamiseen katalyysiä hyödyntämällä. Bensiinimoottorin katalysaattori on kolmitoimikatalysaattori. Pakokaasut puhdistuvat kolmella tavalla:
Dieselmoottoreissa kolmitoimikatalysaattorin käyttö ei ole mahdollista, sillä dieselmoottori toimii ilmaylimäärällä, jolloin typen oksidien pelkistäminen ei ole mahdollista. Dieselmoottorin katalysaattori on kaksitoimikatalysaattori, joka hapettaa palamattomat hiilivedyt sekä hiilimonoksidin.
Katalysaattori kiinnitetään auton pakoputkistoon tyypillisesti turboahtimen ja hiukkasloukun jälkeen. Katalysaattorin sisällä on keraaminen kennosto, joka on päällystetty hyvin ohuella kerroksella jalometalleja - platinalla, palladiumilla, ceriumilla tai rodiumilla. Kennosto on hyvin tiheä, jotta katalyyteille saadaan tarvittava pinta-ala reaktion riittävän nopealle tapahtumiselle.
Moottorin ohjaustekniikka säätelee ilman ja polttoaineen seossuhdetta lambda-anturin avulla katalysaattorin toiminnan kannalta optimaaliseksi. Oikean seossuhteen lisäksi katalysaattori tarvitsee noin 250 °C:n lämpötilan toimiakseen tehokkaasti. Katalysaattori ei siis toimi heti auton käynnistämisen jälkeen, vaan vasta pakokaasujen lämmitettyä katalysaattorin oikeaan toimintalämpötilaan. Katalysaattoriautoissa on käytettävä lyijytöntä bensiiniä, koska lyijy pilaisi lambda-anturin ja estäisi katalysaattorin toiminnan peittämällä katalyytin. Suomessa lyijyllistä bensiiniä ei kuitenkaan ole nykyään edes saatavilla.
Katalysaattori haittaa pakokaasujen virtausta, mikä heikentää moottorin tehoa ja lisää polttoaineen kulutusta. Nämä ongelmat ovat kuitenkin lieventyneet katalysaattorien kehittyessä. Katalysaattori myös vaimentaa moottorin ääntä.
Katalysaattori on varsin herkkä komponentti, eikä se kestä kovin hyvin esimerkiksi väärän seossuhteen aiheuttamaa liiallista lämpenemistä. Seurauksena voi olla katalysaattorin kennoston sulaminen ja katalysaattorin tukkeutuminen.
Katalysaattorin käyttö vähentää päästöjä merkittävästi. Bensiiniautoissa katalysaattori on ollut pakollinen EU-maissa vuodesta 1992.
Jo vuonna 1969 tiedettiin että tetraetyylilyijy heikentää auton katalysaattorin toimintaa.
Diesel-moottorin hiukkaspäästöjä voidaan vähentää pakoputkeen asennettavalla hiukkassuodattimella eli DPF:llä (Diesel Particulate Filter). Suodattimessa on keraaminen kenno, joka kerää polttoaineen palamisesta syntyneet nokihiukkaset sisäänsä. Tämän vuoksi suodattimen virtausvastus kasvaa vähitellen. Moottorinohjausjärjestelmä valvoo suodattimen kuntoa ja käynnistää tarvittaessa puhdistuspolton eli regeneroinnin, jolla suodattimen keräämät hiukkaset poltetaan. Puhdistuspoltossa suodatin kuumennetaan n. 450 °C polttolämpötilaan lisäämällä moottorin kuormitusta esim. sähkölaitteiden ja ilmastoinnin kompressorin avulla ja ruiskuttamalla sylintereihin pieni polttoaineannos juuri ennen pakoventtiilin aukeamista. Joissakin järjestelmissä polttoaineeseen lisätään myös tankkauksen yhteydessä automaattisesti pieni määrä noen palamislämpötilaa alentavaa lisäainetta.
Puhdistuspoltoista huolimatta suodatin joudutaan monesti uusimaan ajotavasta riippuen tyypillisesti 100 000–200 000 kilometrin välein.
Tärkeä osa pakokaasujen käsittelyä on pakokaasujen uudelleenkierrätys eli EGR (Exhaust Gas Recirculation). Järjestelmä kierrättää osan pakokaasuista takaisin imusarjaan. Järjestelmää ohjataan venttiilillä, jota hallitsee moottorinohjausyksikkö. Järjestelmä vähentää polttomoottorin tuottamia NO-päästöjä vähentämällä ilmaylimäärää sylintereissä. Tällöin palotapahtuman yhteydessä ei muodostu niin paljoa typen oksideja. Vastoin yleistä käsitystä EGR ei vähennä polttomoottorin tuottamaa tehoa, sillä täydellä kuormalla järjestelmää ei käytetä. Järjestelmä toimii parhaiten diesel-moottorissa, joka käy osakuormalla suurella ilmaylimäärällä ja tuottaa paljon NO-päästöjä. Parhaimmillaan pakokaasuista voidaan kierrättää jopa 50%.
EGR-järjestelmällä saavutetaan myös nopeampi moottorin lämpeäminen käyntilämpötilaan. Haittapuolena on pakokaasujen imusarjaa likaava vaikutus.
Äänenvaimentimet ovat tärkeitä moottorimelun vaimentamiseksi. Äänenvaimennin on pakoputkeen liitetty metallinen säiliö. Äänenvaimentimet voidaan jakaa kahteen päätyyppiin: Absorptiovaimentimiin ja reflektiovaimentimiin. Nimensä mukaisesti absorptiovaimennin perustuu painepulssien absorpoitumiseen johonkin huokoiseen materiaaliin. Reflektiovaimentimissa painepulsseja yritetään kumota heijastamalla niitä.
Pakokaasuäänen syntymiseen vaikuttaa useat tekijät. Moottorin sylinteriluku, sytytysjärjestys ja moottorin geometria tuottavat erilaisia ominaistaajuuksia. Taajuudet muuttuvat moottorin käyntinopeuden muuttuessa. Moottorin tuottama ääni on useiden taajuuksien sekoitus joten on vaikea rakentaa täydellisesti toimivaa vaimenninta. Joissain tapauksissa käytetään erillistä resonaattoria, [?] mutta tilanpuute auton alla usein asettaa rajoituksensa tälle. Nyrkkisääntönä voidaan pitää; mitä isompi äänenvaimennin, sitä pehmeämpi/hiljaisempi ääni.
Pakokaasuäänellä on yleensä kaksi ominaistaajuutta, 100–200 Hz ja 2000–6000 Hz. Äänenvaimennin voi olla myös putken ympärille rakennettu vaimennin, jolloin putki on kyljistä rei'itetty ja pakoputkea ympäröi ääntä eristävä kerros. Tämän tyyppistä vaimenninta kutsutaan läpivirtaavaksi, tai absorptiovaimentimeksi. Ne eivät vaimenna ääntä niin tehokkaasti, mutta ne muodostavat vähemmän virtausvastusta. Vaimentimet voivat olla pyöreitä, ns. putkimallisia, tai ovaalin muotoisia.
Läpivirtaavat vaimentimet suodattavat äänestä tehokkaasti korkeita taajuuksia, joten äänestä tulee matala. Reflektiovaimentimet puolestaan toimivat päinvastaisesti, eli ne leikkaavat äänestä matalia taajuuksia. Henkilöautojen pakoputkistoissa normaalisti käytetäänkin näiden yhdistelmää, eli autoa edestä taakse katsoessa pakoputkistossa on ensin läpivirtaava-, sitten kammiotyyppinen vaimennin, eli puhekielessä takapönttö. Tällä ratkaisulla saadaan yleensä vaimennettua ääntä tarpeeksi.
Äänenvaimentimissa yksi tärkeä ominaisuus on virtausvastus ja siitä muodostuva pakokaasujen vastapaine. Pakokaasujen on vaimennuttava ja virrattava vaimentimen läpi tehokkaasti – mikäli äänenvaimennin aiheuttaa suurta virtausvastusta, saattaa tämä näkyä moottorissa tehohäviönä. NASCAR kilpa-autoissa ei ole lainkaan äänenvaimentimia, koska pakoputkiston virtausvastukset halutaan minimoida.
Myös nelitahtimoottorissa pakoputkella on oma merkitys tuotettuun tehoon. Pakoputkistoa suunniteltaessa on tärkeää muistaa joka vaiheessa ajoneuvon käyttötarkoitus, millä kierrosalueella moottoria yleensä käytetään, eli haluaako huipputehon korkeilla kierroksilla, vai tasaista vetoa alhaisemmilla käyntinopeuksilla. On myös syytä miettiä, kuinka tärkeää polttoainetaloudellisuus sekä pakoputken hiljaisuus tai äänenlaatu on. Korkeampiviritteisissä nelitahtimoottoreissa esimerkiksi 4-sylinterisissä, käytetään 4-2-1 tai 4-1 pakoputkistoa. Kyseisessä numerosarjassa (4-2-1) ensimmäinen luku tarkoittaa moneltako sylinteriltä pakosarja alkaa (4 sylinteriä). Toinen numero (2) tarkoittaa moneksiko putkeksi pakosarja muuttuu, eli tässä tapauksessa 2 putkeksi. Viimeinen numero (1) tarkoittaa mitenkä pakoputki tästä jatkuu, jos on jatkuakseen. Eli 4-2-1-pakoputki lähtee 4:stä sylinteristä ja muuttuu matkalla 2-putkiseksi ja lopulta tulee ulos yhtenä ainoana putkena. 4-2-1 rakenteella saadaan yleensä tasainen vääntö kierrosalueen alapäähän, 4-1 rakenteella puolestaan huipputehoa korkeammille kierroksille. 4-1 putkessa on tärkeää, että kunkin pakosarjan putken pituus on sama, koska pakokaasut tulevat vuorotellen eri sylintereistä, ja tulevat tällöin yhteiseen putkeen "jonossa". Pakoputken halkaisijalla on myös merkitystä moottorin toimintaan. Halkaisijaltaan pienemmät putket tehostavat kaasujen virtausta pienemmillä kierroksilla, josta useimmiten on seurauksena tasainen vääntökäyrä alhaisemmilla moottorin nopeuksilla, ja tätä kautta moottorin käyttäytyminen on pehmeää ja harmonista. Mutta tällaisella rakenteella korkeimmilla kierroksilla saatava huipputeho tai ns. terävyys katoaa tai ainakin pienenee, koska tällöin putken pieni halkaisija estää kaasujen virtausta. Pienemmän putken äänenlaatua tai -voimakkuutta on myös helpompi hallita. Liian pieni halkaisija sen sijaan saattaa aiheuttaa turhaa lämpökuormaa moottorille, josta voi seurata moottorivaurio. Halkaisijaltaan isommalla putkella saadaan tehoa kierrosalueen yläpäähän, mutta tällöin virtaus heikentyy sekä häiriintyy alemmilla kierroksilla. Putken halkaisijan valinta on tältä osin kompromissi, jos halutaan sekä vääntöä alakierroksille että tehoa korkeammille kierroksille. Koska pakokaasut jäähtyvät sekä supistuvat edetessään kohti pakoputkiston loppua, olisi hyvä jos putken halkaisija olisi suurimmillaan pakoputken alussa (kohdassa josta yksittäinen putki alkaa), ja pienenisi vaiheittain putkiston loppua kohden. Näin putkistosta saadaan siltä osin hyvä-ääninen, ja tehostetaan kaasujen virtauksia varsinkin pienillä kierroksilla.
Kaksitahtimoottoreissa käytetään erilaista pakoputkistoa kuin muissa moottoreissa. Kaksitahtisia moottoreita voi olla yksi- tai useampisylinterisiä. Korkeaviritteisen kaksitahtimoottorin pakoputki muodostuu yleensä paisuntakammiosta ja äänenvaimentimesta. Halvemmissa useampisylinterisissä konstruktioissa käytetään pakosarjaa, joka jatkuu vain yhteen paisuntakammioon. Korkeampiviritteisissä tai muuten paremmissa sovelluksissa käytetään jokaiselle sylinterille omaa paisuntakammiota. Joissakin nykyisissä kaksitahtipakoputkissa on jatkeena vielä katalysaattori. Paisuntakammio on kartiomainen ja lieriömäinen rakenne, joka oikein mitoitettuna tuottaa alipaineen, joka tehostaa sylinterin huuhtelua kaasujenvaihdon aikana sekä antaa kaiun ja työntää seosta takasin sylinteriin. Oikein mitotettu pakoputki toimiikin tavallaan ahtimen tavoin. Paisuntakammion ensimmäinen kartio tehostaa huuhtelua ja oikein mitoitettuna palamatonta seosta meneekin runsaasti tästä syystä pakoputkeen. Toinen kartio tuottaa kaiun, joka kääntää virtauksen takaisin sylinteriin päin, jolloin edellä mainittu palamaton seos virtaakin takaisin sylinteriin. Riippuen putken mitoituksesta saadaan tietyllä kierroslukualueella tehtyä melko suuriakin ylitäytöksiä moottoriin, joka ilmenee ns. tehopiikkinä. Oikein mitoitettuna se myös estää kokonaistoiminnallisesti polttoaineseoksen päätymisen palamattomana pakoputkistoon huuhtelun aikana suunnitellulla kierroslukualueella, vaikkakin pakoputkessa hetkellisesti käykin palamatonta seosta. Kaksitahtimoottorin pakoputkeen pääsee aina jossain määrin palamatonta seosta lukuun ottamatta suorasuihkutteisia moottoreita. Tästä johtuu kaksitahtimoottoreiden huonohko hyötysuhde. Sellaisissa rakenteissa, missä ei ole paisuntakammiota ollenkaan ilmiö vain tehostuu ja polttoainetaloudellisuus huononee entisestään, sekä myös moottorin tuottamat päästöt ovat suuremmat.
Paisuntakammion keksi saksalainen Walter Kaaden 1950-luvun lopulla työskennellessään MZ:n kilpaosastolla. Suzuki oli ensimmäinen läntinen valmistaja, joka hyödynsi Kaadenin tutkimuksia omissa kaksitahtisissa moottoripyörissään.
Pakoputkeen voi liittyä hukkaputki, joka ei johda mihinkään. Sillä sotketaan kaasuvirtauksia, että teho alenee ja vääntöalue siirtyy alemmaksi.