Ispušni sustav

Kanalizacija automobilskog motora

Prateći prethodna poglavlja naučili smo kako automobilski motor s jedne strane uzima zrak i gorivo, a ovoga ćemo puta naučiti na koji način “ostatke takve prehrane” izbacuje s druge strane. Priča o ispuhu zamršena je (ili jednostavna, kako vam drago) vjerojatno jednako koliko i ona o usisu automobilskog motora. Tako ćemo u ovom poglavlju proučiti sve dijelove ispušnog sustava, koji uključuju ispušnu granu (ili ispušni kolektor), ispušni lonac (prigušivač), katalizator, filter ispušnih čestica te senzor kisika (O2 senzor ili Lambda-sonda), a bit će riječi i o neobičnim, mističnim tekućinama koje se u ispuh ubacuju zbog dodatnih ekoloških učinaka.

Pod zajedničkim nazivnikom, možemo reći da je zadaća ispušnog sustava (pored samog odvođenja) prikupljanje, hlađenje, stišavanje (uvjetno rečeno) i pročišćavanje ispušnih plinova. No, krenimo (nekim) redom.

Ispušni kolektor – mjesto gdje priča počinje

Nakon izgaranja, vrući plinovi kroz otvoreni ispušni ventil odlaze u ispušnu granu, prolaze pokraj senzora kisika (lamba-sonda), ulaze u katalizator te nakon njega prolaze kroz jedan ili više prigušivača. U slučaju dieselskog motora, u cijeloj se priči negdje može nalaziti i filter ispušnih čestica, komercijalno najčešće označen kao DPF (Diesel Particulate Filter). Na poslijetku, sve što je preostalo odlazi putem ispušne cijevi u okoliš pa mi to onda lijepo udišemo, i tako to…

Ispušna grana, ili ispušni kolektor, svojim je izgledom slična usisnoj grani. No, ovdje se radi o cijevima koje se nastavljaju na ispušne otvore cilindara. Ispušna grana u “običnih” je automobila najčešće izrađena od metala lijevanog u kalupu, no ima ih i koje su izrađene od međusobno zavarenih valjanih cijevi, što je obično slučaj kod motora viših performansi ili sportskih automobila. O ispušnoj grani ne treba mnogo pričati, osim što ćemo spomenuti da ju (dok motor radi) ne treba pipati jer su, kao što znamo, ispušni plinovi koji kroz nju prolaze izuzetno visoke temperature.

No, ono što je tehnički ipak značajnije, jest konstrukcija ispušne grane, od kojih smo prikazali četiri najuobičajenije. Lijevo na gornjoj slici je prikazan ispušni kolektor običnog i niti prema čemu uzbudljivog 4-cilindričnog motora, obično napravljen od lijevanog metala. Ispušni se plinovi ovdje dovode iz sva četiri cilindra cijevima koje se spajaju na jednom mjestu odakle sve ide prema katalizatoru i prigušnim loncima.

No, sljedeći prikazani kolektor već je malo “pametniji”. Kod njega su ispušne cijevi spajane postepeno čime se smanjuju unutarnji otpori ispušnog sustava (tzv. “protutlak”) zahvaljujući čemu se ubrzava njihovo strujanje. Treća verzija priče u svojoj je osnovi jednaka ovoj drugoj, dok ona najkompliciranija prikazuje ispušni kolektor motora kakvi se ugrađuju na sportske automobile, tj. motore visokih performansi.

Kod četvrtog, najkompliciranijeg primjera osnovni je cilj konstrukcije (sve su cijevi približno jednake duljine) taj da se do najveće moguće mjere smanje unutarnji otpori ispušnog sustava kako bi ispušni plinovi strujali što brže olakšavajući tako “posao” motoru koji svoj radni vijek provodi na relativno visokim brojevima okretaja. Ovakav ispušni kolektor ima cijevi čija je dužina podešena tako da omogućavaju zadržavanje visokih brzina kretanja ispušnih plinova što, s druge strane, poboljšava njihovo odvođenje iz cilindra (kada je ispušni ventil otvoren).

Recimo, još jednom, kako je ispušni kolektor jedan od izloženih dijelova automobilskog motora koji se najviše zagrijavaju (pored, možda, kučišta turbopunjača). temperature u rasponu između 250 i 500 °C su sasvim uobičajene zbog čega je većina današnjih automobila opremljena nekom vrstom izolacije i/ili zaštite ispušnog kolektora.

Pojam “senzor kisika” nikome ne znači ništa, no ako kažemo Lambda…

U modernim automobilima neizostavni, dio svih motora je i O2 senzor ili Lambda-sonda. Ova neobična naprava grčkog imena u stvari je senzor koji očitava količinu kisika u ispuhu. Kako smo već prije naučili, za potpuno izgaranje benzina potrebno je ostvariti omjer količine goriva i zraka od 14,7 : 1 (u korist zraka, dakako).

Lambda, koja je postavljena na mjestu gdje se sve cijevi ispušnog kolektora spajaju u jednu, mjeri količinu kisika u ispušnim plinovima i “uspoređuje” ju s količinom njegovog postotka u atmosferi. Sama sonda, veličine prosječne svjećice, je električni uređaj koji na promjenu količine O2 u ispuhu reagira promjenom napona na svom električnom priključku (raspon je obično između 0,15 i 1,30 V).

Kada je omjer goriva i zraka ubačenih u cilindar približan stehiometrijskom idealu (14,7:1) Lambda daje napon od cca. 0,45 V (450 mV). Kada sadržaj kisika padne ispod te vrijednosti, napon na izlaznom konektoru Lambde se povećava što upućuje na bogatu mješavinu. Dakako, kod siromašne mješavine je obrnuto.

Ovaj naponski signal iz Lambda-sonde putuje do središnjeg računala koje pomoću njega prilagođava količinu goriva što se ubrizgava u cilindre. U takvom slučaju možemo govoriti o sustavu nadzora nad ubrizgavanjem goriva sa zatvorenim krugom. Naime, za razliku od sustava otvorenog kruga, prvonavedeni način kontrole ubrizgavanja ne određuje potrebnu količinu goriva isključivo prema mapi pohranjenoj u memoriji upravljačke elektroničke jedinice motora već se ravna prvenstveno prema podacima dobivenim s Lambda-sonde, u realnom vremenu. Cilj, dakako, je ostvariti što potpunije izgaranje goriva čime se, pored smanjenja potrošnje, ostvaruje i učinkovitiji rad motora te smanjuju štetne emisije.

Spomenimo i to da je prvu Lambda-sondu namijenjenu automobilskim motorima predstavila njemačka tvrtka Robert Bosch GmbH 1976. godine, a prvi proizvođač koji ju je počeo ugrađivati (zajedno s 3-staznim katalizatorom) bio je Volvo.

Na kraju, zanimljivo je napomenuti kako je Lambda-sondu moguće koristiti i za podešavanje starijih motora (bez katalizatora i sličnih “divota”) što, katkada, rade natjecatelji s ograničenim budžetima. Za tu se svrhu na ispušnoj grani (gdje se sve cijevi spajaju u jednu) probuši rupa u koju se zavije senzor kisika. Običnim se voltmetrom potom mjeri napon na priključku senzora te je tako moguće podesiti idealnu mješavinu, bilo na rasplinjaču ili sustavu s ubrizgavanjem.

Što to, u stvari, katalizator katalizira?

Noćna mora svih “trkača” na današnjim automobilima svakako je katalitički konverter ili, popularnije, katalizator. Ovo je, u stvari, metalna kutija u kojoj se nalazi saćasti keramički monolit, najčešće, presvučen platinom (koja zapravo jest sam katalizator, u kemijskom smislu). Uloga katalizatora, koji se koristi kod motora pokretanih bezolovnim benzinom, je u smanjivanju emisije štetnih plinova. Trostazni katalizatori djeluju na ispušne plinove tako da izazivaju oksidaciju ugljičnog monoksida (CO) i ugljikovodika (HC) te redukciju dušikovih oksida (NOx). No, da bi se ovi procesi mogli odvijati na šupljikavoj površini unutrašnjosti katalizatora, potrebno ga je dovesti na radnu temperaturu (300 – 800 °C). Najveći problem ovdje se javlja kod pokretanja hladnog motora kada ispušni plinovi prolaze kroz nezagrijani katalizator. U svrhu što bržeg dovođenja katalitičkog konvertera na radnu temperaturu, u ispušnim se sustavima današnjih motora pribjegava različitim rješenjima. Ponekad se primjenjuje sustav naknadnog upuhivanja svježeg zraka u ispuh (ispred katalizatora) čime se, dodavanjem kisika, povisuje temperatura ispušnih plinova.

Druga verzija zagrijavanja je ona s električnim grijačima unutrašnjosti katalizatora, no najjednostavnije rješenje je u postavljanju katalizatora što bliže ispušnoj gerani, na mjesto gdje je temperatura ispušnih plinova visoka. Noćna mora, spomenuta na početku ovog odlomka, u stvari proizlazi iz činjenice da unutrašnja struktura katalizatora stvara veliki otpor strujanju ispušnih plinova čime se smanjuje snaga motora (kod nekih, navodno, i do 20%!), pa su katalizatori danas (kako na benzinskim tako i diesel motorima) podosta zamršena tema govorimo li o sportskim automobilima. Dakako, neki postavljaju i pitanje svrhe redukcije štetnih plinova ovakvim “blokiranjem” ako, potom, za postizanje iste snage kao i bez katalizatora, treba upotrijebiti snažniji motor koji sagorjeva više goriva. No, ostavimo to za neku drugu, filozofsku raspravu…

Raniji katalizatori bili su 2-stazni (dvostazni) ili tzv. oksidacijski katalizatori. To znači da su bili sposobni odraditi dva zadatka istovremeno: oksidaciju ugljičnog monoksida čime se dobiva ugljični dioksid te oksidaciju ugljikovodika (nesagoreno i/ili djelomično sagoreno gorivo) čime nastaju ugljični dioksid i voda. Dvostazni katalizatori su se koristili u ranijim benzinskim motorima gdje su ih zamijenili 3-stazni, no kod dieselskih se motora danas koriste upravo 2-stazni, odn. oksidacijski katalizatori.

Trostazni (3-stazni) katalitički konverteri, odn. katalizatori imaju dodatnu mogućnost kontrole dušikovih oksida. Dakle, ovakvi katalizatori pored funkcija koje istovremeno obavljaju 2-stazni katalizatori imaju i funkciju redukcije dušikovih oksida na dušik i kisik. A, upravo ovima se postiže značajno smanjenje emisija stakleničkih plinova.

DPF ili filter ispušnih čestica

Na našim smo stranicama ovaj dio ispušnog sustava nazivali već na kojekakve načine. Naime, pored uobičajenog termina DPF (Diesel Particulate Filter), u hrvatskoj se literaturi koriste i termini “filter ispušnih čestica” ili “filter čestica u ispuhu”. Kako god bilo, riječ je o dijelu ispušnog sustava namijenjenom za pročišćavanje čađi iz ispušnih plinova dieselskih motora. No, o čemu se zapravo radi?

Nepotpunim izgaranjem goriva u dieselskim motorima nastaje čađa koja odlazi u ispušni sustav. Kvaliteta goriva, posebice udio sumpora, ima značajnog utjecaja na potpunost izgaranja, odn. stvaranje čađe, dok značajan utjecaj ima i pritisak u sustavu za ubrizgavanje zahvaljujući kojem se gorivo raspršuje na veće ili manje (mikro) kapljice. A, koliko je čađa štetna za okoliš, vjerojatno ne treba spominjati. Bitno je, u okviru ove teme, reći tek da se DP filteri razlikuju prema načinu čišćenja. Naime, stariji filteri ove vrste su se trebali mijenjati nakon što bi se napunili čađom, dok su noviji opremljeni sustavom samočišćenja, obično koristeći neki od načina povišenja temperature u samom filteru što dovodi do sagorijevanja čestica čađe (npr. ubrizgavanje male količine goriva koje izgara u ispušnom sustavu kako bi se podigla temperatura u DPF-u). Prve filtere ispušnih čestica za dieselske motore u masovnu je primjenu uvela francuska grupacija PSA Peugeot Citroën početkom 2000-tih.

DEF sustavi i SCR katalizatori

I, kada ste mislili da je priči o ekologiji došao kraj, naša je profesorica smislila još nešto. Dakle, upoznajte DEF (Diesel exhaust fluid) sustave ili sustave za ubrizgavanje otopine uree. O čemu se radi? Otopina u kojoj se nalazi 32,5% uree visoke čistoće te 67,5% deionizirane vode koristi se u procesu selektivne katalitičke redukcije (Selective Catalytic Reduction – SCR) kako bi se smanjila koncentracija dušikovih oksida (NOx) u ispušnim plinovima dieselskih motora. Naime, s obzirom da dieselski motori u svom radu koriste relativno siromašnu smjesu (kako bi se smanjilo stvaranje čađe te sagorjelo eventualno nesagoreno gorivo), višak kisika uzrokuje stvaranje dušikovih oksida u ispušnim plinovima.

Kako bi se doskočilo tom problemu, neki su proizvođači počeli koristiti DEF sustave koji u struju ispušnih plinova ubrizgavaju spomenutu otopinu koja se tako prevara u paru te raspada na amonijak i ugljični dioksid. Na kraju puta ispušnih plinova, u SCR katalizatoru se uz pomoć amonijaka dušični oksidi reduciraju na neškodljive sastojke – vodu i dušik. Na kraju dodajmo i kako je jedan od najpoznatijih komercijalnih naziva otopine koja se koristi za SCR procese AdBlue. Ovu tekućinu, ovisno o automobilu, može nadolijevati i sam vlasnik na crpkama koje nude AdBlue ili se nadopuna vrši isključivo u servisnoj radionici.

Svakom loncu (treba) poklopac

Na kraju ispuha dolazi, vjerojatno i najpoznatiji dio, ispušni lonac koji smo, upravo zbog njegove pozicije, ostavili za kraj priče o ovom sustavu. Pravilnije rečeno “prigušivač”, ovaj je dio ispušnog sustava, opet, nekakva metalna kutija kojom se pokušava postići smanjenje buke. Naime, plinovi koji nastaju izgaranjem smjese goriva i zraka vrlo se brzo šire izlazeći iz cilindara pod visokim pritiskom (i nadzvučnom brzinom). Uslijed toga, u ispušnom sustavu ovi plinovi uzrokuju veoma snažne titraje (frekvencije od nekoliko tisuća u minuti) koji bi, bez adekvatnog prigušenja, stvarali ogromnu buku (vjerojatno ste, berem jednom, čuli motor nekog natjecateljskog automobila koji nije imao prigušivač na ispuhu, a o Harleyima da se i ne govori…). Kako bi se umirilo ove titraje, na kraju (poslije katalizatora) ispušnog sustava postavljaju se prigušivači.

Najjeftinija, i najčešća, konstrukcija prigušnog lonca je tzv. refleksijski prigušivač koji znatno usporava strujanje plinova, no time i stvara relativno veliki protutlak u ispušnom sustavu, smanjujući tako upotrebljivu snagu motora. Najbolje rješenje, glede ovog problema, je apsorpcijski prigušivač. Kod njega plinovi prolaze perforiranom cijevi omotanom apsorpcijskim (prigušnim) materijalom. No, kod ovakvih se prigušivača brzina strujanja plinova ne smanjuje znatno što za posljedicu ima i znatno veću buku motora (uz to, tek će dobro proračunate dimenzije ispuha dati doista veću snagu, kakav god prigušivač mi stavili). Kao i uvijek, proizvođači automobila nude kompromisno rješenje. Jedno upravo takvo je i apsorpcijsko – refleksijski prigušivač koji se prema stvorenom protutlaku i buci na izlazu nalazi, dakako, negdje oko “pola puta” između prethodna dva rješenja.

Ipak, treba naglasiti kako je dozvoljena količina buke regulirana i zakonskim propisima. Stoga ćete sa šminkerskim ispušnim loncem teško izazvati vesele osmjehe policije u zemljama Unije. Hmmm pa i mi u to spadamo… Upravo stoga, završit ćemo s podatkom da prema direktivi 70/157/EC Europske komisije gornja granica emisije buke za osobna vozila iznosi 74 / 75 dB.