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 rakenne, 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. Pakoputkistoa suunnitellessa 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-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. 4-2-1 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 tälläisellä rakenteella korkeimmilla kierroksilla saatava huipputeho tai ns. terävyys katoaa tai ainakin pienenee, koska tällöin putken pieni halkaisija estää kaasujen virtausta. Pienemmän putken äänen- laatu tai voimakkuus 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.

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 sarjatuotannossa auton pakosarja valmistetaan valuraudasta. Viritetyissä moottoreissa niin kutsuttu peltipakosarja on yleinen tapa tehostaa moottorin toimintaa muuttamalla pakosarjan rakennetta, kanavien pituuksia sekä halkaisijoita. 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 kun ahdas kohta aiheuttaa vastapainepulsseja, ja seurauksena tästä moottorin vääntö, teho sekä hengitys heikentyvät jonkin verran. Myös moottorin kuormitus saattaa lisääntyä jonkin verran, josta voi 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. Kanavissa, ja varsinkin putkien liitoskohdissa ei saisi olla virtausta häiritseviä kohtia. Kanavien halkaisijalla on sama vaikutus virtauksiin kuin varsinaisessa pakoputkessakin, kuten edellisessä kappaleessa on selostettu. On kuitenkin syytä muistaa kanavien halkaisijaa valitessa, että pakosarjassa kaasut ovat kuumimmillaan ja laajimmillaan.

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, joka edesauttaa palamistapahtumaa palotilassa. Tätä kautta päästöt päästöt ovat pienemmät. Joissain tapauksissa bensiini/ilma seoksen ei lämmityksen kanssa tarvitse olla niin rikasta, kun seoksen tiivistymistä imusarjan seinämiin saadaan tällä menetelmällä vähennettyä. Järjestelmän haittapuolena voi olla moottorin vaikea käynnistettävyys kun se on lämmennyt kunnolla ja ollut pysähdyksissä jonkin aikaa. Imusarjan alapuolella kuumana hehkuva pakosarja kuumentaa kaasuttimen kurkkua, imusarjaa, sekä siellä olevia polttoaine höyryjä liikaa, josta tuloksena on ns. höyrylukko. Tällöin moottoria joudutaan pyörittämään pitkän aikaa sen käynnistämiseksi, ja sen onnistuttuakin saattaa kaasuttimen toiminnassa ilmetä joitakin häriöitä vähän aikaa. Tämä ilmiö korostuu varsinkin kesähelteillä. Moottorin käynnistymistä voidaan auttaa painamalla kaasupoljin pohjaan ennen käynnistämistä, ja moottoria pyörittäessä poljinta päästetään ylös vaiheittain, mutta nopeahkosti. Toinen keino päästä eroon vaivasta on ottaa järjestelmä pois käytöstä, sekä eristää imu- ja pakosarja mahd. hyvin toisistaan, ettei pakosarjan lämpöä pääse imusarjalle. Vaihtoehtoisesti voidaan tehdä uusi (ja paremmin virtausten kannalta suunniteltu tapauksesta riippuen) pako- tai/ja imusarja, jonka lämpöeristys onnistuu yleensä paremmin kun se suunnitellaan alusta asti myös sitä silmällä pitäen.

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.

Hiukkassuodatin

Diesel-moottorin hiukkaspäästöjä voidaan vähentää pakoputkeen asennettavalla hiukkassuodattimella. Suodattimessa on keraaminen kenno, joka kerää polttoaineen palamisesta syntyneet nokihiukkaset sisäänsä. Tästä johtuen 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.

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. 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 olla myös putken ympärille rakennettu vaimennin, jolloin putki on kyljistä rei'itetty ja pakoputkea ympäröi ääntä eristävä kerros. Tämän tyyppistä vamenninta kutsutaan läpivirtaavaksi, tai absorptiovaimentimeksi. Ne eivät vaimenna ääntä niin tehokkaasti, mutta ne muodostavat vähemmän virtausvastusta. Voivat olla pyöreitä, ns. putkimallisia, tai oviaalin muotoisia.

Läpivirtaavat vaimentimet suodattavat äänestä tehokkaasti korkeita taajuuksia, joten äänestä tulee matala. Kammiolliset vaimentimet puolestaan toimivat päinvastaisesti, eli ne leikkaavat äänestä matalalia taajuuksia. Henkilöautojen pakoputkistoissa normaalisti käytetäänkin näiden yhdistelmää, eli autoa edestä taakse katsoessa pakoputkistossa on ensin läpivirtaava-, sitten kammiotyyppinen vaimennin, eli puhekielessä takapönttö. Tällä ratkaisulla saavutetaan sopusuhtainen äänenlaatu.

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.

Aiheesta muualla

• Autotieto.net: Katalysaattorin rakenne ja toiminta