Катализатор

Предмети:

Общ
Трипосочна/окислителна работа на катализатора
Работни температури
Работа на NOx катализатор
Стареенето и причините за него

цялостната:
Името Catalyst първоначално идва от гръцката дума Katalysis (което означава разтваряне). Катализатор е необходим от края на 1992 г., за да отговори на екологичните изисквания. Отработените газове съдържат вредни вещества: CO (въглероден оксид), NOx (азотен оксид) и CH (неизгорял въглеводород). Тези вещества се (окисляват) до безвредни вещества. Оттук и името оксидационен катализатор.
В химията катализаторът е вещество, което провокира химическа реакция и я ускорява или забавя, без самата тя да претърпи някаква промяна.

Трипосочна/окислителна работа на катализатора:
Катализаторът не е филтър, но може да се разглежда като преобразуващ елемент, в който са добавени благородни метали като платина, родий или паладий. Ако изгорелите газове влязат в контакт с него, възниква много бърза химическа реакция. Молекулите на вредните газове се разлагат и свързват с други молекули, което води до безвреден газ. Катализаторът е способен да пречиства отработените газове с 90%. Това обаче става за сметка на по-висока консумация и по-ниска мощност. Това е така, защото създава определено съпротивление на въздуха в изпускателния път.

Вещества в отработените газове:

CO2: Въглероден диоксид (Вреден за околната среда, хората и животните при високи концентрации)
CO: въглероден окис (непълно изгорял газ, също вреден за здравето)
CH: Въглеводороди (неизгорели бензинови части)
O2: Кислородни части (които не са участвали в горенето)
NOx: азотно съединение (което се образува само при много високи температури на горене.

Катализаторът превръща 3-те вредни компонента CO, HC и NOx в 3 безвредни компонента: CO2, H2O и N2. От тук идва и наименованието трипътен катализатор.

За да добавите O2 и CO към катализатора, така че да може да се осъществи преобразуването, моделът на впръскване на двигателя трябва да се коригира. За да се образува O2 сместа трябва да е бедна (по-малко гориво, повече въздух). За да се образува CO, сместа трябва да е богата (повече гориво, по-малко въздух). Последното не е така при двигателите с бедна смес, вижте главата за NOx катализатор по-надолу на страницата.
Като винаги се впръсква малко повече и малко твърде малко гориво в цилиндрите, винаги се създава богата и бедна смес. Така излишъците от CO и O2 завършват в катализатора. В катализатора платината реагира с CO и HC. Родият осигурява намаляване на NOx. Това също обяснява защо се измерва променливо напрежение при измерване на ламбда сондата. Там напрежението варира между 0,2 и 0,8 V (от бедни към богати и т.н.) Системата за управление на двигателя на автомобила (ECU) сама регулира това. Така че нищо не трябва да се коригира.

Вредно вещество:	Добавяне от:	Резултати в:
CO+	O2 =	CO2
HC+	O2 =	CO2 + H2O
NOx+	CO =	N2 + CO2

За да добавите O2 и CO към катализатора, така че да може да се осъществи преобразуването, моделът на впръскване на двигателя трябва да се коригира. За да се образува O2 сместа трябва да е бедна (по-малко гориво, повече въздух). За да се образува CO, сместа трябва да е богата (повече гориво, по-малко въздух). Последното не е така при двигателите с бедна смес, вижте главата за NOx катализатор по-надолу на страницата.
Като винаги се впръсква малко повече и малко твърде малко гориво в цилиндрите, винаги се създава богата и бедна смес. Така излишъците от CO и O2 завършват в катализатора. В катализатора платината реагира с CO и HC. Родият осигурява намаляване на NOx. Това също обяснява защо се измерва променливо напрежение, когато ламбда сонда се измерва. Там напрежението варира между 0,2 и 0,8 V (от бедни към богати и т.н.) Системата за управление на двигателя на автомобила (ECU) сама регулира това. Така че нищо не трябва да се коригира.

Това, което може да се види в таблицата по-горе е, че всички вещества се превръщат в CO2, наред с други неща. CO2 сега се разглежда като вещество, което е опасно за околната среда и е отговорно за глобалното затопляне. Човек обаче издишва и CO2. Това се превръща обратно в O2 (кислород) от дървета и растения. Твърде много CO2 има вреден ефект. Дърветата и растенията са малцинство и не могат да превърнат всичко в O2. За двигателите с вътрешно горене съдържанието на CO2 трябва да бъде възможно най-високо. Това звучи лудо, защото бихте помислили, че това ще бъде възможно най-ниско. Работата е следната; колкото по-високо е съдържанието на CO2, толкова по-малко CO и HC се отделят. CO и HC са пряко вредни за здравето при вдишване. Единственият начин за намаляване на нивата на CO2 е чрез преминаване към алтернативни горива, по-малки (по-икономични) двигатели с вътрешно горене и по-тихо шофиране.

Работни температури:
Полезното действие на катализатора започва от температура 250 градуса и е максимално при температура 450 градуса. След стартиране на двигателя отнема известно време, преди да започне пречистващият ефект. Катализаторът се монтира възможно най-близо до изпускателния колектор, защото по-бързо достига работната си температура. Температурите на отработените газове между 800 и 1000 градуса осигуряват по-бързо термично стареене, което скъсява живота и следователно намалява активната повърхност.
Има и каталитични преобразуватели с нагревателен елемент, който гарантира, че катализаторът достига температура още по-бързо след студен старт. След това това може да се регулира още по-бързо след включване на двигателя, което води до по-чисти отработени газове

За да загреете катализатора възможно най-бързо след студен старт, a помпа за вторичен въздух.

Работа на NOx катализатор:
По-рано беше обяснено, че NOx може да бъде намален от катализатора чрез получаване на допълнителен CO в отработените газове. Това е възможно само за по-богата смес. В двигателите с бедна смес на Volkswagen (FSI) и BMW (Efficient Dynamics), между другото, двигателите винаги работят със смес с излишък на въздух при частично натоварване и ниски скорости (т.е. бедна и никога богата). Следователно с нормален трипътен катализатор е невъзможно да се преобразува NOx в N2 + CO2. За отстраняване на NOx от отработените газове е необходим специален NOx (акумулиращ) катализатор със специален бариев компонент. В допълнение към компонента барий, този катализатор съдържа и благородни метали като платина и родий.
Трипътният катализатор преобразува стойностите на CO и HC в CO2 и H2O, както е описано по-рано. NOx се преобразува от NOx катализатора. Необходими са допълнителни температурни датчици и NOx сензор за постоянно следене на стойностите.
Изображението по-долу показва изпускателна система, използвана от VW, BMW (и все повече и повече други марки).

NOx газовете се съхраняват в студено състояние в този катализатор. Останалите отработени газове могат да продължат пътя си през отработените газове. По време на богатия на кислород период NOx газовете се съхраняват в бариевия компонент. NOx се натрупва (точно както саждите се съхраняват във филтър за твърди частици). С течение на времето катализаторът се насища. Това е моментът, когато е пълен с NOx. След това катализаторът трябва да се регенерира. Сензорът за NOx разпознава това и изпраща сигнал до ECU. По това време сместа се обогатява, особено за регенериране на NOx катализатора. Това се случва само когато NOx катализаторът достигне температура от 800 градуса (това се регистрира от температурния датчик и също се предава на блока за управление на двигателя). Временното обогатяване освобождава допълнителен CO. С помощта на този CO може да се извърши преобразуване в N2 + CO2 чрез компонентите на платината и родия. След регенериране двигателят отново ще работи на бедна смес, докато катализаторът отново се насити.
Неизправности могат да възникнат и при тази система. Ако колата се кара само на кратки разстояния (което е лошо за цялата кола), NOx катализаторът няма да може да достигне работната си температура. Веднага след като се насити (пълен), ще трябва да се регенерира. Само ако температурният сензор продължи да измерва температура, която е твърде ниска, ECU никога няма да обогати сместа. Ако катализаторът не е на работна температура, компонентите на платината и родия все още не могат да осъществят преобразуване. По това време лампата за повреда на двигателя ще светне и причината ще бъде разкрита, когато автомобилът бъде сканиран. След това катализаторът ще бъде регенериран с помощта на тестовия шкаф или бързо тестово шофиране. Ето защо е най-добре от време на време да карате дълъг участък (напр. 50 км или повече по магистралата) и за предпочитане участък с по-висока скорост. След това катализаторът лесно ще достигне работната си температура.

В наши дни дизеловите двигатели използват SCR (селективна каталитична редукция) катализатор приложено. Този SCR катализатор също съхранява NOx, но има и такъв Система за дозиране на AdBlue добавен към.

Стареенето и причините за него:

Бензин: Трипътният каталитичен конвертор може да работи само с безоловен бензин. Ако се зареди оловен бензин, той полепва върху благородния метал в тънък слой, което намалява контакта с изгорелите газове и след известно време го прави невъзможен. Тогава вече не може да настъпи химическа реакция. Катализаторът вече не работи и трябва да се смени. Това е скъп въпрос. Беше добавен оловен бензин, за да се достигне определена граница на детонация. Тъй като в наши дни се използват сензори за детонация, оловото е премахнато от горивото.
Маслото също има опустошителен ефект върху интериора. Ако има много изтичане на масло, например по буталните пръстени, водачите на клапаните или турбото, много масло може да попадне в каталитичния конвертор. Освен това маслото причинява прилепване на слой към благородния метал, който след това губи своята ефективност.
Шофиране на къси разстояния: При шофиране на много къси разстояния катализаторът рядко или никога не достига работната си температура. Неизгорелите остатъци от HC (бензин) полепват по керамичната повърхност. Ако се кара на дълго разстояние, тези HC остатъци все още се изгарят. Ако продължите да го карате на кратки разстояния, тези HC остатъци също ще полепнат във вътрешността, което ще доведе до загуба на ефективността на катализатора с течение на времето.

Вторият ламбда сензор (сензорът за скок) често измерва дали катализаторът е преобразувал правилно газовете. Ако катализаторът остарее или ако вътрешността е дефектна, този втори ламбда сонда ще измери това. След това на таблото ще светне лампа за повреда. Тогава е необходима смяна на катализатора. Повече информация за ламбда сондата можете да намерите на страницата Ламбда сонда.