Pakoputkisto on polttomoottoriin liittyva osa, jonka tehtava on johtaa kuumat pakokaasut pois moottorista, puhdistaa niita ja vahentaa niista aiheutuvaa meluhaittaa. ^[1]

Pakoputkistosta puhutaan toisinaan myos kaasuturbiinien kohdalla, mutta tama artikkeli kasittelee asiaa lahinna polttomoottorikayttoisten ajoneuvojen nakokulmasta.

Pakoputkisto koostuu pakosarjasta, pakokaasujen jalkikasittelylaitteistosta, aanenvaimentimista ja niita yhdistavista putkista. Tyypillisessa nykyaikaisessa dieselkayttoisessa henkiloautossa pakoputkisto koostuu pakosarjasta, turboahtimesta , hiukkasloukusta, katalysaattorista ja aanenvaimentimista. ^[1]

Pakosarja [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Pakosarja on kanavisto, jossa sylinterista poistuva pakokaasu virtaa. Pakosarjan tarkein tehtava on yhdistaa eri sylintereista virtaavat pakokaasut halutulla tavalla.

Pakosarjan muodolla ja kanavien oikealla yhdistamisella on suuri merkitys moottorin toiminnassa. Pakosarjan suunnittelu riippuu siita onko moottorissa turboahdin vai ei, ja minkalaista ahtamistapaa kaytetaan. Vapaasti hengittavan nelitahtimoottorin pakosarjan suunnittelu on ehka yksinkertaisin esimerkki. Tavoitteena on yhdistaa sylintereista virtaavat pakokaasut siten, etta pakoputkessa pakokaasujen virtaama on mahdollisimman tasaista. Tama toteutetaan mitoittamalla pakosarjan jokainen kanava samanmittaiseksi, jolloin kustakin sylinterista virtaa vuorotellen pakokaasuja pakoputkeen, ja haitallisia painepulssien yhdistymisia ei paase tapahtumaan. Talloin virtausvastus saadaan pidettya mahdollisimman pienena.

Turboahdetun moottorin pakosarjan suunnittelu riippuu kaytetysta ahtamistavasta. Tasapaineahtamisessa pakosarjaan suunnitellaan suuri sailio, joka tasaa pakokaasujen painepulssit. Turboahtimen turbiini kokee taten lahes vakiopaineen. Impulssiahtamisessa pakokaasujen painepulssit johdetaan vaimentumattomana turbiinille. Moottorin sytytysjarjestyksesta ja sylinteriluvusta riippuen tiettyjen sylinterien pakokaasukanavat yhdistetaan, ja turboahtimelle tulee yleensa kaksi kanavaa. Henkiloautoissa kaytetaan impulssiahtamista sen nopean heraamisen vuoksi. ^[2] Tyypillisessa turboahdetun 4-sylinterisen henkiloauton pakosarjassa yhdistetaan sylinterit 1-3 ja 2-4.

Turboahdinsovelluksissa pakosarja pyritaan pitamaan mahdollisimman lyhyena, jotta pakokaasut eivat ehtisi jaahtymaan ennen turbiinia.

Katalysaattori [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Katalysaattori on laite, jonka toiminta perustuu pakokaasujen puhdistamiseen katalyysia hyodyntamalla. Bensiinimoottorin katalysaattori on kolmitoimikatalysaattori. Pakokaasut puhdistuvat kolmella tavalla:

• Hiilimonoksidi CO eli haka hapettuu hiilidioksidiksi CO ₂
• Palamattomat hiilivedyt hapettuvat hiilidioksidiksi ja vedeksi H ₂ O
• Typen oksidit NO _x pelkistyvat typeksi N ₂

Dieselmoottoreissa kolmitoimikatalysaattorin kaytto ei ole mahdollista, silla dieselmoottori toimii ilmaylimaaralla, jolloin typen oksidien pelkistaminen ei ole mahdollista. Dieselmoottorin katalysaattori on kaksitoimikatalysaattori, joka hapettaa palamattomat hiilivedyt seka hiilimonoksidin.

Katalysaattori kiinnitetaan auton pakoputkistoon tyypillisesti turboahtimen ja hiukkasloukun jalkeen. Katalysaattorin sisalla on keraaminen kennosto, joka on paallystetty hyvin ohuella kerroksella jalometalleja ? platinalla , palladiumilla , ceriumilla tai rodiumilla . Kennosto on hyvin tihea, jotta katalyyteille saadaan tarvittava pinta-ala reaktion riittavan nopealle tapahtumiselle.

Moottorin ohjaustekniikka saatelee ilman ja polttoaineen seossuhdetta lambda-anturin avulla katalysaattorin toiminnan kannalta optimaaliseksi. Oikean seossuhteen lisaksi katalysaattori tarvitsee noin 250 °C:n lampotilan toimiakseen tehokkaasti. Katalysaattori ei siis toimi heti auton kaynnistamisen jalkeen, vaan vasta pakokaasujen lammitettya katalysaattorin oikeaan toimintalampotilaan. Katalysaattoriautoissa on kaytettava lyijytonta bensiinia , koska lyijy pilaisi lambda-anturin ja estaisi katalysaattorin toiminnan peittamalla katalyytin. Suomessa lyijyllista bensiinia ei kuitenkaan ole nykyaan edes saatavilla.

Katalysaattori haittaa pakokaasujen virtausta, mika heikentaa moottorin tehoa ja lisaa polttoaineen kulutusta. Nama ongelmat ovat kuitenkin lieventyneet katalysaattorien kehittyessa. Katalysaattori myos vaimentaa moottorin aanta.

Katalysaattori on varsin herkka komponentti, eika se kesta kovin hyvin esimerkiksi vaaran seossuhteen aiheuttamaa liiallista lampenemista. Seurauksena voi olla katalysaattorin kennoston sulaminen ja katalysaattorin tukkeutuminen.

Katalysaattorin kaytto vahentaa paastoja merkittavasti. Bensiiniautoissa katalysaattori on ollut pakollinen EU -maissa vuodesta 1992. ^{[3] [4]}

Jo vuonna 1969 tiedettiin etta tetraetyylilyijy heikentaa auton katalysaattorin toimintaa. ^[5]

Hiukkassuodatin [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Diesel-moottorin hiukkaspaastoja voidaan vahentaa pakoputkeen asennettavalla hiukkassuodattimella eli DPF:lla (Diesel Particulate Filter). Suodattimessa on keraaminen kenno, joka keraa polttoaineen palamisesta syntyneet nokihiukkaset sisaansa. Taman vuoksi suodattimen virtausvastus kasvaa vahitellen. Moottorinohjausjarjestelma valvoo suodattimen kuntoa ja kaynnistaa tarvittaessa puhdistuspolton eli regeneroinnin, jolla suodattimen keraamat hiukkaset poltetaan. Puhdistuspoltossa suodatin kuumennetaan n. 450 °C polttolampotilaan lisaamalla moottorin kuormitusta esim. sahkolaitteiden ja ilmastoinnin kompressorin avulla ja ruiskuttamalla sylintereihin pieni polttoaineannos juuri ennen pakoventtiilin aukeamista. Joissakin jarjestelmissa polttoaineeseen lisataan myos tankkauksen yhteydessa automaattisesti pieni maara noen palamislampotilaa alentavaa lisaainetta.

Puhdistuspoltoista huolimatta suodatin joudutaan monesti uusimaan ajotavasta riippuen tyypillisesti 100 000?200 000 kilometrin valein.

Pakokaasujen uudelleenkierratys [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Tarkea osa pakokaasujen kasittelya on pakokaasujen uudelleenkierratys eli EGR (Exhaust Gas Recirculation). Jarjestelma kierrattaa osan pakokaasuista takaisin imusarjaan. Jarjestelmaa ohjataan venttiililla, jota hallitsee moottorinohjausyksikko. Jarjestelma vahentaa polttomoottorin tuottamia NO _X -paastoja vahentamalla ilmaylimaaraa sylintereissa. Talloin palotapahtuman yhteydessa ei muodostu niin paljoa typen oksideja. Vastoin yleista kasitysta EGR ei vahenna polttomoottorin tuottamaa tehoa, silla taydella kuormalla jarjestelmaa ei kayteta. Jarjestelma toimii parhaiten diesel-moottorissa, joka kay osakuormalla suurella ilmaylimaaralla ja tuottaa paljon NO _X -paastoja. Parhaimmillaan pakokaasuista voidaan kierrattaa jopa 50 %. ^[6]

EGR-jarjestelmalla saavutetaan myos nopeampi moottorin lampeaminen kayntilampotilaan. Haittapuolena on pakokaasujen imusarjaa likaava vaikutus.

Aanenvaimentimet [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Aanenvaimentimet ovat tarkeita moottorimelun vaimentamiseksi. Aanenvaimennin on pakoputkeen liitetty metallinen sailio. Aanenvaimentimet voidaan jakaa kahteen paatyyppiin: Absorptiovaimentimiin ja reflektiovaimentimiin. Nimensa mukaisesti absorptiovaimennin perustuu painepulssien absorboitumiseen johonkin huokoiseen materiaaliin. Reflektiovaimentimissa painepulsseja yritetaan kumota heijastamalla niita. ^[1]

Pakokaasuaanen syntymiseen vaikuttaa useat tekijat. Moottorin sylinteriluku, sytytysjarjestys ja moottorin geometria tuottavat erilaisia ominaistaajuuksia. Taajuudet muuttuvat moottorin kayntinopeuden muuttuessa. ^[1] Moottorin tuottama aani on useiden taajuuksien sekoitus joten on vaikea rakentaa taydellisesti toimivaa vaimenninta. Joissain tapauksissa kaytetaan erillista resonaattoria, [?] mutta tilanpuute auton alla usein asettaa rajoituksensa talle. Nyrkkisaantona voidaan pitaa; mita isompi aanenvaimennin, sita pehmeampi/hiljaisempi aani.

Pakokaasuaanella on yleensa kaksi ominaistaajuutta, 100?200 Hz ja 2 000?6 000 Hz. ^[7] Aanenvaimennin voi olla myos putken ymparille rakennettu vaimennin, jolloin putki on kyljista rei'itetty ja pakoputkea ymparoi aanta eristava kerros. Taman tyyppista vaimenninta kutsutaan lapivirtaavaksi, tai absorptiovaimentimeksi. Ne eivat vaimenna aanta niin tehokkaasti, mutta ne muodostavat vahemman virtausvastusta. Vaimentimet voivat olla pyoreita, ns. putkimallisia, tai ovaalin muotoisia.

Lapivirtaavat vaimentimet suodattavat aanesta tehokkaasti korkeita taajuuksia, joten aanesta tulee matala. Reflektiovaimentimet puolestaan toimivat painvastaisesti, eli ne leikkaavat aanesta matalia taajuuksia. Henkiloautojen pakoputkistoissa normaalisti kaytetaankin naiden yhdistelmaa, eli autoa edesta taakse katsoessa pakoputkistossa on ensin lapivirtaava-, sitten kammiotyyppinen vaimennin, eli puhekielessa takapontto. Talla ratkaisulla saadaan yleensa vaimennettua aanta tarpeeksi.

Aanenvaimentimissa yksi tarkea ominaisuus on virtausvastus ja siita muodostuva pakokaasujen vastapaine. Pakokaasujen on vaimennuttava ja virrattava vaimentimen lapi tehokkaasti ? mikali aanenvaimennin aiheuttaa suurta virtausvastusta, saattaa tama nakya moottorissa tehohaviona. NASCAR kilpa-autoissa ei ole lainkaan aanenvaimentimia, koska pakoputkiston virtausvastukset halutaan minimoida. ^[8]

Nelitahtimoottorin pakoputkisto [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Myos nelitahtimoottorissa pakoputkella on oma merkitys tuotettuun tehoon. Pakoputkistoa suunniteltaessa on tarkeaa muistaa joka vaiheessa ajoneuvon kayttotarkoitus, milla kierrosalueella moottoria yleensa kaytetaan, eli haluaako huipputehon korkeilla kierroksilla, vai tasaista vetoa alhaisemmilla kayntinopeuksilla. On myos syyta miettia, kuinka tarkeaa polttoainetaloudellisuus seka pakoputken hiljaisuus tai aanenlaatu on. Korkeampiviritteisissa nelitahtimoottoreissa esimerkiksi 4-sylinterisissa, kaytetaan 4-2-1 tai 4-1 pakoputkistoa. Kyseisessa numerosarjassa (4-2-1) ensimmainen luku tarkoittaa moneltako sylinterilta pakosarja alkaa (4 sylinteria). Toinen numero (2) tarkoittaa moneksiko putkeksi pakosarja muuttuu, eli tassa tapauksessa 2 putkeksi. Viimeinen numero (1) tarkoittaa mitenka pakoputki tasta jatkuu, jos on jatkuakseen. Eli 4-2-1-pakoputki lahtee 4:sta sylinterista ja muuttuu matkalla 2-putkiseksi ja lopulta tulee ulos yhtena ainoana putkena. 4-2-1 rakenteella saadaan yleensa tasainen vaanto kierrosalueen alapaahan, 4-1 rakenteella puolestaan huipputehoa korkeammille kierroksille. 4-1 putkessa on tarkeaa, etta kunkin pakosarjan putken pituus on sama, koska pakokaasut tulevat vuorotellen eri sylintereista, ja tulevat talloin yhteiseen putkeen "jonossa". Pakoputken halkaisijalla on myos merkitysta moottorin toimintaan. Halkaisijaltaan pienemmat putket tehostavat kaasujen virtausta pienemmilla kierroksilla, josta useimmiten on seurauksena tasainen vaantokayra alhaisemmilla moottorin nopeuksilla, ja tata kautta moottorin kayttaytyminen on pehmeaa ja harmonista. Mutta tallaisella rakenteella korkeimmilla kierroksilla saatava huipputeho tai ns. teravyys katoaa tai ainakin pienenee, koska talloin putken pieni halkaisija estaa kaasujen virtausta. Pienemman putken aanenlaatua tai -voimakkuutta on myos helpompi hallita. Liian pieni halkaisija sen sijaan saattaa aiheuttaa turhaa lampokuormaa moottorille, josta voi seurata moottorivaurio. Halkaisijaltaan isommalla putkella saadaan tehoa kierrosalueen ylapaahan, mutta talloin virtaus heikentyy seka hairiintyy alemmilla kierroksilla. Putken halkaisijan valinta on talta osin kompromissi, jos halutaan seka vaantoa alakierroksille etta tehoa korkeammille kierroksille. Koska pakokaasut jaahtyvat seka supistuvat edetessaan kohti pakoputkiston loppua, olisi hyva jos putken halkaisija olisi suurimmillaan pakoputken alussa (kohdassa josta yksittainen putki alkaa), ja pienenisi vaiheittain putkiston loppua kohden. Nain putkistosta saadaan silta osin hyva-aaninen, ja tehostetaan kaasujen virtauksia varsinkin pienilla kierroksilla.

Kaksitahtimoottorin pakoputkisto [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Kaksitahtimoottoreissa kaytetaan erilaista pakoputkistoa kuin muissa moottoreissa. Kaksitahtisia moottoreita voi olla yksi- tai useampisylinterisia. Korkeaviritteisen kaksitahtimoottorin pakoputki muodostuu yleensa paisuntakammiosta ja aanenvaimentimesta. Halvemmissa useampisylinterisissa konstruktioissa kaytetaan pakosarjaa, joka jatkuu vain yhteen paisuntakammioon. Korkeampiviritteisissa tai muuten paremmissa sovelluksissa kaytetaan jokaiselle sylinterille omaa paisuntakammiota. Joissakin nykyisissa kaksitahtipakoputkissa on jatkeena viela katalysaattori. Paisuntakammio on kartiomainen ja lieriomainen rakenne, joka oikein mitoitettuna tuottaa alipaineen, joka tehostaa sylinterin huuhtelua kaasujenvaihdon aikana seka antaa kaiun ja tyontaa seosta takaisin sylinteriin. Oikein mitotettu pakoputki toimiikin tavallaan ahtimen tavoin. Paisuntakammion ensimmainen kartio tehostaa huuhtelua ja oikein mitoitettuna palamatonta seosta meneekin runsaasti tasta syysta pakoputkeen. Toinen kartio tuottaa kaiun, joka kaantaa virtauksen takaisin sylinteriin pain, jolloin edella mainittu palamaton seos virtaakin takaisin sylinteriin. Riippuen putken mitoituksesta saadaan tietylla kierroslukualueella tehtya melko suuriakin ylitaytoksia moottoriin, joka ilmenee ns. tehopiikkina. Oikein mitoitettuna se myos estaa kokonaistoiminnallisesti polttoaineseoksen paatymisen palamattomana pakoputkistoon huuhtelun aikana suunnitellulla kierroslukualueella, vaikkakin pakoputkessa hetkellisesti kaykin palamatonta seosta. Kaksitahtimoottorin pakoputkeen paasee aina jossain maarin palamatonta seosta lukuun ottamatta suorasuihkutteisia moottoreita. Tasta johtuu kaksitahtimoottoreiden huonohko hyotysuhde. Sellaisissa rakenteissa, missa ei ole paisuntakammiota ollenkaan ilmio vain tehostuu ja polttoainetaloudellisuus huononee entisestaan, seka myos moottorin tuottamat paastot ovat suuremmat.

Paisuntakammion keksi saksalainen Walter Kaaden 1950-luvun lopulla tyoskennellessaan MZ:n kilpaosastolla. Suzuki oli ensimmainen lantinen valmistaja, joka hyodynsi Kaadenin tutkimuksia omissa kaksitahtisissa moottoripyorissaan .

Hukkaputki [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Pakoputkeen voi liittya hukkaputki, joka ei johda mihinkaan. Silla sotketaan kaasuvirtauksia, jotta teho alenee ja vaantoalue siirtyy alemmaksi. ^[9]

Lahteet [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Aiheesta muualla [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Pakoputkisto .

• Autotieto.net: Katalysaattorin rakenne ja toiminta