Συστήματα εξωτομής εργασία για τη μετατροπή αυτών των επικίνδυνων τοξικών καυσαερίων σε κάτι λιγότερο επικίνδυνο προτού εκλυθούν στην ατμόσφαιρα. Στο εσωτερικό της πλειονότητας των αυτοκινήτων βρίσκεται ένας καταλυτικός μετατροπέας που περιέχει πολύτιμα μέταλλα, όπως το πλατίνα, το παλλάδιο και το ροδίο. Αυτά τα υλικά βοηθούν στη μετατροπή του μονοξειδίου του άνθρακα σε συνηθισμένο διοξείδιο του άνθρακα, ενώ μετατρέπουν τα υπολείμματα καυσίμου σε υδρατμούς και πρόσθετο CO₂. Τα νεότερα μοντέλα που κυκλοφορούν σήμερα μειώνουν πραγματικά τους ρύπους κατά περίπου 90%, γεγονός που είναι αρκετά εντυπωσιακό όταν λαμβάνονται υπόψη κανονισμοί όπως οι προδιαγραφές Euro 6. Οι κατασκευαστές αυτοκινήτων δεν είχαν άλλη επιλογή από το να αναπτύξουν αυτούς τους πολύπλοκους πολυσταδιακούς μετατροπείς, αφού οι κυβερνήσεις άρχισαν να επιβάλλουν αυτά τα αυστηρά όρια εκπομπών. Και ας μην ξεχνάμε τι συμβαίνει όταν κάποιος παραμελεί το πρόγραμμα συντήρησης του αυτοκινήτου του. Μελέτες δείχνουν ότι η κακή συντήρηση μπορεί να μειώσει την αποτελεσματικότητα αυτών των μετατροπέων κατά σχεδόν το ήμισυ, με αποτέλεσμα να εκλύονται περισσότεροι ρύποι στην ατμόσφαιρα και να επιβάλλονται πιθανές χρηματικές κυρώσεις σε οδηγούς που αποτυγχάνουν στις δοκιμασίες εκπομπών.
Το σύστημα διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο στην αποτροπή εισόδου θανατηφόρου μονοξειδίου του άνθρακα στην περιοχή του θαλάμου επιβατών. Οι εξαγωγικοί συλλέκτες λειτουργούν σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες — μερικές φορές πάνω από 1.400 βαθμούς Φαρενάιτ ή περίπου 760 βαθμούς Κελσίου — και γι’ αυτό χρειάζονται να απομακρύνουν όλη αυτή τη θερμότητα από εξαρτήματα που θα μπορούσαν να υποστούν ζημιά. Εδώ ακριβώς ερχόνται σε χρήση οι θερμικές προστατευτικές πλάκες. Ανακλούν την έντονη θερμική ακτινοβολία, προκειμένου να προστατεύσουν σημαντικά εξαρτήματα, όπως οι γραμμές καυσίμου, οι ηλεκτρικές εγκαταστάσεις και διάφορα υλικά κάτω από το όχημα. Έχει επίσης σημασία και η θέση των εξαγωγικών σωλήνων. Όταν τοποθετηθούν σωστά, τα καυσαέρια κατευθύνονται προς τα κάτω και προς τα πίσω, αντί να εισχωρούν στον χώρο των επιβατών. Αυτή η διάταξη διατηρεί τα επίπεδα μονοξειδίου του άνθρακα στο εσωτερικό του θαλάμου σε μικρότερη τιμή από 0,1 %, δηλαδή πολύ χαμηλότερα από το επικίνδυνο όριο του 1,28 % που καθορίζεται από τα βιομηχανικά πρότυπα ασφάλειας που εφαρμόζονται παντού.
Οι αισθητήρες οξυγόνου που υπάρχουν στα περισσότερα αυτοκίνητα σήμερα τοποθετούνται και πριν και μετά τον καταλύτη, ελέγχοντας συνεχώς τι συμβαίνει εντός του συστήματος εξάτμισης. Αυτό που κάνουν οι αισθητήρες αυτοί είναι να στέλνουν πληροφορίες πίσω στον «εγκέφαλο» του αυτοκινήτου, δηλαδή στην Ηλεκτρονική Μονάδα Ελέγχου (ECU). Με βάση αυτή την ανατροφοδότηση, η ECU ρυθμίζει την ποσότητα αέρα και καυσίμου που αναμιγνύονται στον κινητήρα. Η ιδανική ανάμειξη επιτυγχάνεται όταν υπάρχουν περίπου 14,7 μέρη αέρα για 1 μέρος καυσίμου. Όταν όλα λειτουργούν σωστά, τα αυτοκίνητα με καλούς αισθητήρες οξυγόνου μπορούν να εξοικονομούν περίπου 15% καύσιμο σε σύγκριση με οχήματα όπου οι αισθητήρες αυτοί έχουν αρχίσει να αποτυγχάνουν με την πάροδο του χρόνου. Και δεν πρόκειται μόνο για εξοικονόμηση χρημάτων στην αντλία καυσίμου. Η διατήρηση ακριβούς αναλογίας αέρα-καυσίμου σημαίνει ότι εκπέμπονται λιγότερα επιβλαβή αέρια από τον κινητήρα. Αυτό έχει ιδιαίτερη σημασία για τους πετρελαιοκινητήρες, καθώς εμποδίζει τη συσσώρευση καπνού στα ακριβά φίλτρα σωματιδίων, με αποτέλεσμα να διαρκούν περισσότερο μεταξύ αντικαταστάσεων.
Ο τρόπος με τον οποίο λειτουργεί η ροή των καυσαερίων επηρεάζει σημαντικά την απόδοση των κινητήρων, κυρίως λόγω τριών συνδεδεμένων παραγόντων. Πρώτον, είναι η αντίσταση (back pressure), δηλαδή το φαινόμενο που προκύπτει όταν τα καυσαέρια συναντούν αντίσταση. Εάν η αντίσταση αυτή είναι υπερβολική, μπορεί να μειώσει την όγκο-απόδοση (volumetric efficiency) κατά περίπου 15%. Ως αποτέλεσμα, καταλείπονται καυσαέρια στους κυλίνδρους, γεγονός που διαταράσσει την εισαγωγή του φρέσκου μείγματος καυσίμου. Αντιθέτως, μια διαδικασία που ονομάζεται «pulse scavenging» (καθαρισμός με παλμούς) εκμεταλλεύεται ακριβώς αυτά τα κύματα πίεσης των καυσαερίων για να εισάγει περισσότερο αέρα και καύσιμο στους κυλίνδρους. Όταν εφαρμόζεται σωστά, αυτή η τεχνική μπορεί να αυξήσει τη γέμιση των κυλίνδρων κατά 8 έως 12%. Σημαντικό είναι επίσης και η ταχύτητα με την οποία κινούνται τα καυσαέρια. Σωλήνες που είναι υπερβολικά μεγάλοι επιβραδύνουν τη ροή των αερίων, με αποτέλεσμα να μειώνεται η ροπή σε χαμηλές στροφές (RPM). Αντιθέτως, σωλήνες που είναι υπερβολικά στενοί προκαλούν περιορισμό της ισχύος σε υψηλότερες στροφές. Γι’ αυτόν τον λόγο, πολλά εργαστήρια επιδόσεων προτιμούν σωλήνες με καμπύλωση με mandrel (mandrel bent tubing) για τα συστήματα εξάτμισής τους. Αυτοί οι σωλήνες διατηρούν σταθερή εσωτερική διάμετρο ακόμα και στις καμπύλες, με αποτέλεσμα να δημιουργείται λιγότερη τυρβουλεντότητα κατά τη διέλευση των αερίων. Μόνο αυτή η μείωση της τυρβουλεντότητας μπορεί να εξοικονομήσει απώλεια ισχύος κατά 3 έως 5%.
Όταν μιλάμε για ρύθμιση της απόδοσης, κάθε βασικό εξάρτημα έχει το δικό του ρόλο. Για παράδειγμα, οι εξαγωγές (headers) αντικαθιστούν ουσιαστικά τις περιοριστικές αμαξωματικές εξαγωγές από χυτοσίδηρο με σωλήνες ίσου μήκους. Αυτό βοηθά σε κάτι που ονομάζεται «απομάκρυνση παλμών» (pulse scavenging). Οι εξαγωγές με μακρύς σωλήνα τείνουν να προσφέρουν περίπου 10 έως 15 τοις εκατό καλύτερη ροπή στις χαμηλές στροφές, ενώ οι εξαγωγές με σύντομο σωλήνα επικεντρώνονται στην επίτευξη μέγιστης ισχύος σε υψηλότερες στροφές. Για τους κινητήρες με τουρμποσυμπιεστή, οι κατεβατικοί σωλήνες (downpipes) ελέγχουν το τι συμβαίνει μετά την τουρμπίνα. Οι καλοί κατεβατικοί σωλήνες μειώνουν την αντίσταση εξάτμισης κατά περίπου 20 έως 30 τοις εκατό, γεγονός που σημαίνει μικρότερη καθυστέρηση τουρμποσυμπιεστή κατά την επιτάχυνση. Ωστόσο, οι καταλύτες είναι λίγο πιο περίπλοκοι. Οι εργοστασιακοί καταλύτες περιορίζουν σημαντικά τη ροή του αέρα, αλλά υπάρχουν επιδόσεων υψηλής απόδοσης που κατασκευάζονται με μεταλλικά υποστρώματα και ικανοποιούν ακόμη και πάνω από το 95 τοις εκατό των προδιαγραφών εκπομπών, ενώ επιτρέπουν τη ροή του αέρα κατά 35 τοις εκατό ευκολότερα. Η σωστή συναρμολόγηση όλων αυτών των εξαρτημάτων μπορεί να αυξήσει την ισχύ κατά περίπου 5 έως 10 τοις εκατό χωρίς να προκληθεί ζημιά σε κανένα εξάρτημα ή να αποτύχει η δοκιμασία εκπομπών, αν και τα αποτελέσματα μπορεί να διαφέρουν ανάλογα με το πώς ταιριάζουν μεταξύ τους όλα τα εξαρτήματα.
Το σύγχρονο σύστημα εξάτμισης λειτουργεί σύμφωνα με μια συγκεκριμένη σειρά ενεργειών. Ξεκινώντας από τον συλλέκτη εξάτμισης, ή κάποιες φορές από τον ενσωματωμένο θάλαμο του στροβιλοσυμπιεστή (integrated turbine housing) όταν πρόκειται για συστήματα με στροβιλοσυμπιεστή, αυτό το εξάρτημα συγκεντρώνει όλα τα καυτά αέρια καύσης που εκτοξεύονται από τους κυλίνδρους του κινητήρα. Το πιο σημαντικό εδώ είναι η αποτελεσματικότητά του στην αντιμετώπιση ακραίων θερμοκρασιών, συχνά πάνω από 1400 βαθμούς Φαρενάιτ, ενώ ταυτόχρονα διατηρεί χαμηλή αντίσταση εξάτμισης (back pressure), καθώς υπερβολική αντίσταση μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την απόδοση του κινητήρα, μειώνοντας ίσως την απόδοσή του κατά περίπου 15 τοις εκατό. Μετά την έξοδο από την περιοχή του συλλέκτη, τα αέρια αυτά διέρχονται μέσω ορισμένων σωλήνων προτού φτάσουν στον καταλύτη, όπου καθαρίζονται για τον έλεγχο των εκπομπών. Στη συνέχεια, διέρχονται από τον σιλαντέρ (muffler), ο οποίος εκτελεί ακριβώς τη λειτουργία που αναμένουμε από αυτόν — δηλαδή τη μείωση του επιπέδου θορύβου. Τέλος, όλα τα αέρια εκτοξεύονται έξω μέσω του σωλήνα εξάτμισης (tailpipe) στο πίσω μέρος του οχήματος.
Η επιλογή υλικών σημαίνει πάντα δύσκολες αποφάσεις μεταξύ του τι λειτουργεί καλύτερα και του τι εντάσσεται στον προϋπολογισμό. Ο χυτοσίδηρος είναι εξαιρετικός για τη διατήρηση σταθερότητας κατά τις αλλαγές θερμοκρασίας, αλλά σίγουρα προσθέτει επιπλέον βάρος. Το ανοξείδωτο χάλυβα; Λοιπόν, αντιστέκεται καλύτερα στην οξείδωση, αντέχει πολύ καλύτερα τη θερμότητα και έχει μεγαλύτερη διάρκεια ζωής συνολικά, αλλά οι καταναλωτές θα πληρώσουν υψηλότερη τιμή γι’ αυτές τις ιδιότητες. Σήμερα, πολλές επιδόσεις βασίζονται σε σωληνωτά εξαγωγικά σύνολα (tubular headers), των οποίων τα μήκη έχουν προσαρμοστεί ειδικά τόσο ακουστικά όσο και θερμικά για να επιτευχθούν μέγιστα αποτελέσματα από το φαινόμενο της «συλλογής παλμών» (pulse scavenging). Το μειονέκτημα; Οι εκδόσεις με λεπτότερο πάχος τείνουν να ραγίζουν μετά από πολλές επαναλήψεις θέρμανσης και ψύξης. Τα επιστρώματα θερμικής προστασίας (thermal barrier coatings) βοηθούν να διατηρούνται ψυχρότεροι οι χώροι του κινητήρα κατά τη λειτουργία, γεγονός που αποτελεί εξαιρετική είδηση για τα γειτονικά εξαρτήματα. Ωστόσο, οι κατασκευαστές συνήθως αντιμετωπίζουν αύξηση του κόστους παραγωγής τους κατά περίπου 30% λόγω αυτών των επιστρωμάτων. Όταν ασχολούνται ειδικά με τουρμποσυμπιεστικούς κινητήρες, οι μηχανικοί χρησιμοποιούν ενσωματωμένα εξαγωγικά σύνολα από κράμα νικελίου, τα οποία μπορούν να αντέξουν θερμοκρασίες εξαγωγής που φτάνουν μέχρι και τους 1800 βαθμούς Φαρενάιτ. Αυτή η επιλογή σχεδιασμού εξαλείφει όλες εκείνες τις ενοχλητικές συνδέσεις με φλάντζες, δημιουργώντας ένα ομαλό δρόμο για τα καυσαέρια να διανύσουν την απόσταση από την κάμερα καύσης μέχρι την τουρμπίνα.
EN