Předměty:
- obecný
- Třícestný/oxidační katalyzátor
- Pracovní teploty
- Provoz NOx katalyzátoru
- Stárnutí a jeho příčiny
Obecné:
Název katalyzátor původně pochází z řeckého slova Katalysis (což znamená rozpuštění). Od konce roku 1992 je nezbytný katalyzátor, aby byly splněny ekologické požadavky. Výfukové plyny obsahují škodlivé látky: CO (oxid uhelnatý), NOx (oxid dusíku) a CH (nespálený uhlovodík). Tyto látky se (oxidují) na látky zdravotně nezávadné. Odtud název oxidační katalyzátor.
V chemii je katalyzátor látka, která vyvolává chemickou reakci a urychluje ji nebo zpomaluje, aniž by sama prošla nějakou změnou.
Třícestný/oxidační katalyzátor:
Katalyzátor není filtr, ale lze jej považovat za konverzní prvek, do kterého byly přidány drahé kovy, jako je platina, rhodium nebo paladium. Pokud se s ní dostanou výfukové plyny, dojde k velmi rychlé chemické reakci. Molekuly škodlivých plynů se rozkládají a spojují s jinými molekulami, což vede k neškodnému plynu. Katalyzátor je schopen vyčistit výfukové plyny o 90 %. To však jde na úkor vyšší spotřeby a nižšího výkonu. V dráze výfuku totiž vytváří určitý odpor vzduchu.
Látky ve výfukových plynech:
- CO2: oxid uhličitý (ve vysokých koncentracích škodlivý pro životní prostředí, lidi a zvířata)
- CO: Oxid uhelnatý (nedokonale spálený plyn, také zdraví škodlivý)
- CH: Uhlovodíky (nespálené části benzínu)
- O2: Kyslíkové části (které se nepodílely na spalování)
- NOx: sloučenina dusíku (která vzniká pouze při velmi vysokých teplotách spalování.
Katalyzátor přeměňuje 3 škodlivé složky CO, HC a NOx na 3 neškodné složky: CO2, H2O a N2. Odtud také pochází název třícestný katalyzátor.
Pro přidání O2 a CO do katalyzátoru, aby mohla proběhnout přeměna, je nutné upravit schéma vstřikování motoru. Pro tvorbu O2 musí být směs chudá (méně paliva, více vzduchu). Pro tvorbu CO musí být směs bohatá (více paliva, méně vzduchu). To neplatí pro motory s chudou směsí, viz kapitola NOx katalyzátor dále na stránce.
Tím, že se do válců vždy vstřikuje trochu moc a trochu málo paliva, vždy vznikne bohatá a chudá směs. Přebytky CO a O2 tak končí v katalyzátoru. V katalyzátoru reaguje platina s CO a HC. Rhodium zajišťuje redukci NOx. To také vysvětluje, proč se při měření na lambda sondě měří proměnlivé napětí. Tam se napětí pohybuje mezi 0,2 a 0,8 V (od chudých po bohaté atd.) Řídicí systém motoru automobilu (ECU) to sám reguluje. Není tedy potřeba nic upravovat.
| Škodlivá látka: | Přidat z: | Výsledky v: |
| CO+ | O2 = | CO2 |
| HC+ | O2 = | CO2 + H2O |
| NOx+ | CO = | N2 + CO2 |
Pro přidání O2 a CO do katalyzátoru, aby mohla proběhnout přeměna, je nutné upravit schéma vstřikování motoru. Pro tvorbu O2 musí být směs chudá (méně paliva, více vzduchu). Pro tvorbu CO musí být směs bohatá (více paliva, méně vzduchu). To neplatí pro motory s chudou směsí, viz kapitola NOx katalyzátor dále na stránce.
Tím, že se do válců vždy vstřikuje trochu moc a trochu málo paliva, vždy vznikne bohatá a chudá směs. Přebytky CO a O2 tak končí v katalyzátoru. V katalyzátoru reaguje platina s CO a HC. Rhodium zajišťuje redukci NOx. To také vysvětluje, proč je při měření měřeno různé napětí lambda sonda se měří. Zde se napětí pohybuje mezi 0,2 a 0,8 V (od chudých po bohaté atd.) Řídicí systém motoru automobilu (ECU) to sám reguluje. Není tedy potřeba nic upravovat.
V tabulce výše je vidět, že všechny látky se mimo jiné přeměňují na CO2. CO2 je nyní vnímáno jako látka, která je nebezpečná pro životní prostředí a je zodpovědná za globální oteplování. Člověk však také vydýchá CO2. Ten je stromy a rostlinami přeměněn zpět na O2 (kyslík). Příliš mnoho CO2 má škodlivé účinky. Stromy a rostliny jsou v menšině a nejsou schopny vše přeměnit na O2. U spalovacích motorů by měl být obsah CO2 co nejvyšší. To zní šíleně, protože byste si mysleli, že to bude co nejnižší. Věc je taková; čím vyšší je obsah CO2, tím méně CO a HC se uvolňuje. CO a HC jsou při vdechování přímo zdraví škodlivé. Jediným způsobem, jak snížit hladinu CO2, je přechod na alternativní paliva, menší (hospodárnější) spalovací motory a tišší jízda.
Pracovní teploty:
Užitečný účinek katalyzátoru začíná od teploty 250 stupňů a je maximální při teplotě 450 stupňů. Po nastartování motoru chvíli trvá, než začne čistící účinek. Katalyzátor je namontován co nejblíže výfukovému potrubí, protože dříve dosáhne své pracovní teploty. Teploty výfukových plynů mezi 800 a 1000 stupni zajišťují rychlejší tepelné stárnutí, což zkracuje životnost, a tím snižuje aktivní povrch.
Existují také katalyzátory s topným tělesem, které zajistí, že katalyzátor po studeném startu dosáhne teploty ještě rychleji. Ten pak může po zapnutí motoru regulovat ještě rychleji a výsledkem jsou čistší výfukové plyny
Pro co nejrychlejší zahřátí katalyzátoru po studeném startu a čerpadlo sekundárního vzduchu.
Provoz NOx katalyzátoru:
Již dříve bylo vysvětleno, že NOx lze snížit katalyzátorem získáním dalšího CO ve výfukových plynech. To je možné pouze proto, aby byla směs bohatší. V motorech s chudou směsí Volkswagen (FSI) a BMW (Efficient Dynamics) mimo jiné motory vždy běží na směs s přebytkem vzduchu při částečném zatížení a nízkých otáčkách (tj. chudé a nikdy bohaté). S normálním třícestným katalyzátorem je proto nemožné převést NOx na N2 + CO2. K odstranění NOx z výfukových plynů je zapotřebí speciální NOx (zásobní) katalyzátor se speciální složkou barya. Tento katalyzátor obsahuje kromě baryové složky také drahé kovy, jako je platina a rhodium.
Třícestný katalyzátor převádí hodnoty CO a HC na CO2 a H2O, jak bylo popsáno výše. NOx je přeměněn katalyzátorem NOx. Pro neustálé sledování hodnot jsou zapotřebí přídavná teplotní čidla a čidlo NOx.
Na obrázku níže je výfukový systém, který používá VW, BMW (a další a další značky).
Plyny NOx jsou v tomto katalyzátoru skladovány ve studeném stavu. Ostatní výfukové plyny mohou pokračovat ve své cestě výfukem. Během období bohatého na kyslík se plyny NOx ukládají ve složce barya. NOx se hromadí (stejně jako se saze ukládají ve filtru pevných částic). Postupem času se katalyzátor nasytí. To je okamžik, kdy je plný NOx. Katalyzátor se pak musí regenerovat. Senzor NOx to rozpozná a vyšle signál do ECU. V této době se směs obohatí, zejména pro regeneraci katalyzátoru NOx. K tomu dochází pouze tehdy, když katalyzátor NOx dosáhne teploty 800 stupňů (toto je registrováno teplotním čidlem a také předáváno řídicí jednotce motoru). Dočasné obohacení uvolňuje další CO. Pomocí tohoto CO může přes platinové a rhodiové složky probíhat přeměna na N2 + CO2. Po regeneraci bude motor opět běžet na chudou směs, dokud nebude katalyzátor opět nasycen.
I u tohoto systému může dojít k poruchám. Pokud se s vozem jezdí pouze na krátké vzdálenosti (což je špatné pro celé auto), katalyzátor NOx nebude schopen dosáhnout své pracovní teploty. Jakmile se nasytí (naplní), bude se muset zregenerovat. Pouze pokud teplotní senzor nadále měří příliš nízkou teplotu, ECU nikdy neobohatí směs. Pokud katalyzátor nemá provozní teplotu, platinové a rhodiové složky ještě nemohou provést konverzi. V tomto okamžiku se rozsvítí kontrolka poruchy motoru a příčina bude odhalena při skenování vozu. Katalyzátor bude následně regenerován pomocí testovací skříně nebo svižné testovací jízdy. Nejlepší je proto občas jet delší úsek (např. 50 km a více po dálnici) a nejlépe úsek vyšší rychlostí. Katalyzátor pak snadno dosáhne své pracovní teploty.
V dnešní době využívají dieselové motory tzv Katalyzátor SCR (Selective Catalytic Reduction). aplikovaný. Tento katalyzátor SCR také ukládá NOx, ale existuje také jeden Systém dávkování AdBlue přidáno k.
Stárnutí a jeho příčiny:
- Benzín: Třícestný katalyzátor může fungovat pouze s bezolovnatým benzínem. Pokud se tankuje olovnatý benzín, přilne k drahému kovu v tenké vrstvě, což omezí kontakt s výfukovými plyny a po chvíli i znemožní. Poté již nemůže dojít k chemické reakci. Katalyzátor je nyní mimo provoz a musí být vyměněn. To je nákladná záležitost. Pro dosažení určitého limitu klepání byl přidán olovnatý benzín. Protože se v dnešní době používají snímače klepání, bylo z paliva odstraněno olovo.
- Olej má devastující vliv i na interiér. Pokud dojde k velkému úniku oleje například podél pístních kroužků, vedení ventilů nebo turba, může velké množství oleje skončit v katalyzátoru. Olej také způsobí, že na drahém kovu přilne vrstva, která pak ztrácí účinnost.
- Jízda na krátké vzdálenosti: Při jízdě na mnoho krátkých vzdáleností katalyzátor zřídka nebo nikdy nedosáhne své pracovní teploty. Nespálené zbytky HC (benzinu) ulpívají na keramickém povrchu. Pokud se jede na dlouhou vzdálenost, tyto zbytky HC jsou stále spáleny. Pokud s ním budete pokračovat v jízdě na krátké vzdálenosti, tyto zbytky HC přilnou také k interiéru, což způsobí, že katalyzátor časem ztratí svou účinnost.
Druhá lambda sonda (senzor skoku) často měří, zda katalyzátor správně přeměnil plyny. Pokud katalyzátor stárne nebo je vadný vnitřek, tato druhá lambda sonda to změří. Poté se na palubní desce rozsvítí kontrolka poruchy. Poté je nutná výměna katalyzátoru. Více informací o lambda sondě naleznete na stránce Lambda sonda.
