Pakoputkisto

Auton kromattu pakoputken loppupää.

Pakoputkisto on ajoneuvon osa, joka siirtää polttomoottorin palamisen aiheuttamat kaasut moottorista, puhdistaa niitä sekä vaimentaa moottorin ääntä.

Pakoputki alkaa moottorin pakosarjasta, jonka jälkeen autossa on yleensä heti katalysaattori ja yksi tai useampia äänenvaimentimia. Turboahdetussa moottorissa ahdin on heti pakosarjan jälkeen. Pienissä moottoreissa, esimerkiksi ruohonleikkurit ja moottorisahat, pakoputki jää hyvin pieneksi ja koostuu pelkästä äänenvaimentimesta.

Kaksitahtimoottorin pakoputkisto

Paisuntakammion toiminta

Skootterin pakokäyrä, paisuntakammio ja äänenvaimennin

Kaksitahtimoottoreissa käytetään erilaista pakoputkistoa kuin muissa moottoreissa. Korkeampiviritteisen kaksitahtimoottorin pakoputki muodostuu yleensä paisuntakammiosta ja äänenvaimentimesta. Tosin joissakin nykyisissä kaksitahtipakoputkissa on jatkeena vielä katalysaattori. Paisuntakammio on kartiomainen ja lieriömäinen rakennetta, jossa pakokaasut värähtelevät ja resonoivat ja aiheuttavat moottorissa ja pakoputkessa imutahdin aikana voimakkaan pulssin, jonka ansiosta pakokaasut virtaavat suurella nopeudella ja paineella ulospäin vapaaseen ilmaan. Sen seurauksena pakokaasun voimakas pulssi aiheuttaa alipainemaisen ilmiön pakoputken alkupäässä, jolloin sylinteriin imeytyy kampikammiosta/imupuolelta suurempi annos ilma-polttoaine seosta, joka johtaa tehon lisäykseen, joka voi olla huonoon pakoputkeen verrattuna 60 %. Paisuntakammioisella pakoputkella varustetun moottorin luotettavuus ja kestävyys voi heikentyä moottoriin kohdistuneiden kasvavien voimien myötä, jo esimerkiksi männästä käsin aina kampiakselin laakereille saakka.

Paisuntakammion keksi saksalainen Walter Kaaden 1950-luvun lopulla työskennellessään MZ:n kilpaosastolla. Suzuki oli ensimmäinen läntinen valmistaja, joka hyödynsi Kaadenin tutkimuksia omissa kaksitahtisissa moottoripyörissään.

Nelitahtimoottorin pakoputkisto

Myös nelitahtimoottorissa pakoputkella on oma merkitys viritysasteeseen. Korkeampiviritteisissä nelitahtimoottoreissa esimerkiksi 4-sylinteriset, käytetään 4-2-1 taikka 4-1 pakoputkistoa. Kyseisessä numerosarjassa (4-2-1) ensimmäinen luku tarkoittaa monenneltako 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. 4-1 putkessa on tärkeää, että kunkin pakosarjan putken pituus on sama, koska pakokaasut tulevat vuorotellen eri sylintereistä, ja tulevat tällöin yhteiseen putkeen "jonossa". Pakoputken halkasijalla on myös merkitystä moottorin toimintaan. Liian pieni pakoputki saattaa aiheuttaa turhaa lämpökuormaa moottorille, josta voi seurata moottorivaurio. Liian iso putki ei haittaa niinkään, korkeintaan voi ilmaantua häiriintynyttä virtausta.

Pakosarja

Pakosarja.

Pakosarja on imusarjaa vastaava kanavisto polttomoottoreissa, jossa palotilasta poistuvat pakokaasut virtaavat. Pakosarja on yhdistetty pakoputkistoon, jonka kautta pakokaasut poistuvat ulkoilmaan.

Pakosarjan muodolla ja kanavien oikealla yhdistämisellä on suuri merkitys moottorin toiminnassa. Oikein mitoitetussa putkessa kaasupatsaan sykkivä painevaihtelu saa aikaan imuimpulssiaallon, joka tehostaa merkittävästi palotilan kaasunvaihtotapahtumaa.

Normaalisti pakosarja autoissa valmistetaan valuraudasta. Pakosarjassa jokaisen kanavan (putken) pitäisi olla samanpituinen, jotta pakokaasut kulkisivat jokaiselta sylinteriltä vuorotellen pakoputkeen. Näin pakokaasut virtaavat vapaammin, ja moottori tuottaa mahdollisimman suuren tehon. Jos kanavat ovat eripituisia, sytytysjärjestyksen vuoksi sylintereiltä tulevat pakokaasut voivat kohdata kohdassa jossa pakoputki kiinnitetään pakosarjaan, jotenka halkaisijaltaan pienempään putkeen ahtautuessaan pakokaasujen virtaus heikentyy ja seurauksena tästä moottorin vääntö, teho sekä hengitys heikentyvät jonkin verran. Myös moottorin kuormitus lisääntyy jonkin verran, josta saattaa olla seurauksena ylikuumenemista ja sitä kautta vaurioita. Putkien erimittaisuutta voidaan kuitenkin kompensoida kanavan halkaisijaa kasvattamalla tai pienentämällä. Optimaalisessa tapauksessa pakoputken pituutta pitäisi voida säätää eri käyttötilanteissa. Lyhyempi mahdollistaa korkeamman käyntinopeuden, pidempi suuremman väännön alakierroksilla.

Imusarjan lämmitys pakokaasujen avulla.

Kaasutinmoottoreiden pakosarjassa (joissa imu- ja pakosarja ovat päällekkäin) saattaa olla bimetallijousella ohjattu läppä, joka kylmällä ilmalla ohjaa pakokaasuja imusarjan pohjaa kohti, lämmittäen näin imusarjaa. Tällä menetelmällä parannetaan polttoaineen höyrystymistä imusarjassa, moottorin yleistä toimivuutta (varsinkin kun ilma on kostea), sekä polttoaine taloudellisuutta. Bensiini/ilma seoksen ei lämmityksen kanssa tarvitse olla niin rikasta, kun seoksen tarttumista imusarjan seinämiin saadaan tällä menetelmällä vähennettyä.

Viritetyissä moottoreissa niin kutsuttu peltipakosarja on yleinen tapa tehostaa moottorin toimintaa muuttamalla kanavien pituudet saman mittaiseksi.

Katalysaattori

Auton katalysaattori.

Katalysaattori on laite, jonka toiminta perustuu pakokaasujen puhdistamiseen katalyysiä hyödyntämällä. Auton katalysaattori on kolmitoimikatalysaattori. Pakokaasut puhdistuvat kolmessa vaiheessa:

• Hiilimonoksidi CO eli häkä hapettuu hiilidioksidiksi CO₂
• Palamattomat hiilivedyt hapettuvat hiilidioksidiksi ja vedeksi H₂O
• Typen oksidit NO_x pelkistyvät typeksi N₂

Katalysaattori kiinnitetään auton pakoputkeen. Katalysaattorin sisällä on keraaminen kennosto, joka on päällystetty hyvin ohuella kerroksella jalometalleja - platinalla, palladiumilla, ceriumilla tai rodiumilla. Katalysaattorin seinämien pinta-ala on noin yksi hehtaari (10 000 m²). Metallit, joita kennostoon on käytetty vain noin 2 grammaa, katalysoivat puhdistusreaktiot.

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 ole kuitenkaan 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.

Haitallisten yhdisteiden määrä vähentyy noin 80% käytettäessä katalysaattoria. Bensiiniautojen katalysaattori on ollut pakollinen EU-maissa vuodesta 1992.

Katalysaattoreita voidaan asentaa myös esimerkiksi laivoihin. Tästä ilmoitetaan usein laivojen kyljissä sijaitsevilla KAT-teksteillä.

Äänenvaimentimet

Kuorma-auton äänenvaimennin.

Äänenvaimentimet ovat tärkeitä moottorimelun vaimentamiseksi. Äänenvaimennin on yleensä pakoputkeen liitetty metallinen kotelo. Kotelon sisällä on tulo- ja lähtöputki pakokaasuille, ja putkissa voi olla pieni rei'itys vaimentimen sisäosan alueella. Vaimentimen sisällä on myös resonaattorikammio, jonka tuottamat ääniaallot kumoavat osan pakokaasujen ääniaalloista. Moottorin tuottama ääni on useiden taajuuksien sekoitus ja vaimentimeen tulevan pakokaasun tuottama taajuus riippuu osin moottorin käyntinopeudesta, joten on vaikea rakentaa täydellisesti toimivaa vaimenninta. Voi olla myös putken ympärille rakennettu äänenvaimennin, jolloin putki on kyljistä rei'itetty ja pakoputkea ympäröi ääntä eristävä kerros. Putkimaiset vaimentimet eivät vaimenna ääntä niin tehokkaasti, mutta ne muodostavat vähemmän virtausvastusta.

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.