emner:
- generelt
- Tre-vejs/oxidationskatalysatordrift
- Arbejdstemperaturer
- NOx-katalysatordrift
- Aldring og dens årsager
overordnet:
Navnet Catalyst kommer oprindeligt fra det græske ord Katalysis (som betyder opløsning). En katalysator har været nødvendig siden slutningen af 1992 for at opfylde miljøkravene. Udstødningsgasser indeholder skadelige stoffer: CO (kulilte), NOx (nitrogenoxid) og CH (ubrændt kulbrinte). Disse stoffer (oxideres) til ikke-skadelige stoffer. Deraf navnet Oxidation Catalyst.
I kemi er en katalysator et stof, der fremkalder en kemisk reaktion og fremskynder den eller bremser den uden selv at undergå nogen ændring.
Tre-vejs/oxidationskatalysatordrift:
En katalysator er ikke et filter, men kan ses som et omdannelseselement, hvori der er tilsat ædelmetaller som platin, rhodium eller paladium. Hvis udstødningsgasserne kommer i kontakt med den, sker der en meget hurtig kemisk reaktion. De skadelige gassers molekyler nedbrydes og bindes til andre molekyler, hvilket resulterer i en ikke-skadelig gas. Katalysatoren er i stand til at rense udstødningsgasserne med 90%. Dette kommer dog på bekostning af højere forbrug og lavere effekt. Det skaber nemlig en vis luftmodstand i udstødningsbanen.
Stoffer i udstødningsgasserne:
- CO2: Kuldioxid (skadelig for miljøet, mennesker og dyr i høje koncentrationer)
- CO: Kulilte (ufuldstændig forbrændt gas, også sundhedsskadelig)
- CH: Kulbrinter (ubrændte benzindele)
- O2: Iltdele (der ikke deltog i forbrændingen)
- NOx: Nitrogenforbindelse (som kun dannes ved meget høje forbrændingstemperaturer.
Katalysatoren omdanner de 3 skadelige komponenter CO, HC og NOx til 3 harmløse komponenter: CO2, H2O og N2. Navnet trevejskatalysator kommer også herfra.
For at tilføje O2 og CO til katalysatoren, så omdannelsen kan finde sted, skal motorens indsprøjtningsmønster justeres. For at danne O2 skal blandingen være mager (mindre brændstof, mere luft). For at danne CO skal blandingen være rig (mere brændstof, mindre luft). Sidstnævnte er ikke tilfældet med magre-blandingsmotorer, se NOx-katalysatorkapitlet længere nede på siden.
Ved altid at sprøjte lidt for meget og lidt for lidt brændstof ind i cylindrene skabes der altid en fyldig og mager blanding. Overskuddet af CO og O2 ender således i katalysatoren. I katalysatoren reagerer platinet med CO og HC. Rhodiumet sikrer reduktionen af NOx. Dette forklarer også, hvorfor der måles en varierende spænding ved måling på lambdasensoren. Der varierer spændingen mellem 0,2 og 0,8 Volt (fra fattig til rig osv.) Bilens motorstyringssystem (ECU'en) regulerer dette selv. Så intet skal justeres.
| Skadeligt stof: | Tilføj fra: | Resulterer i: |
| CO+ | O2 = | CO2 |
| HC+ | O2 = | CO2 + H2O |
| NOx+ | CO = | N2 + CO2 |
For at tilføje O2 og CO til katalysatoren, så omdannelsen kan finde sted, skal motorens indsprøjtningsmønster justeres. For at danne O2 skal blandingen være mager (mindre brændstof, mere luft). For at danne CO skal blandingen være rig (mere brændstof, mindre luft). Sidstnævnte er ikke tilfældet med magre-blandingsmotorer, se NOx-katalysatorkapitlet længere nede på siden.
Ved altid at sprøjte lidt for meget og lidt for lidt brændstof ind i cylindrene skabes der altid en fyldig og mager blanding. Overskuddet af CO og O2 ender således i katalysatoren. I katalysatoren reagerer platinet med CO og HC. Rhodiumet sikrer reduktionen af NOx. Dette forklarer også, hvorfor der måles en varierende spænding, når lambda sensor bliver målt. Der varierer spændingen mellem 0,2 og 0,8 Volt (fra fattig til rig osv.) Bilens motorstyringssystem (ECU'en) regulerer dette selv. Så intet skal justeres.
Det, der kan ses i tabellen ovenfor, er, at stofferne alle omdannes til CO2, bl.a. CO2 ses nu som et stof, der er farligt for miljøet og ansvarligt for den globale opvarmning. Men en person udånder også CO2. Dette omdannes tilbage til O2 (ilt) af træer og planter. For meget CO2 har en skadelig effekt. Træerne og planterne er i mindretal og er ikke i stand til at omdanne alt til O2. For forbrændingsmotorer bør CO2-indholdet være så højt som muligt. Det lyder skørt, for man skulle tro, at dette ville blive holdt så lavt som muligt. Sagen er sådan her; jo højere CO2-indhold, jo mindre CO og HC frigives der. CO og HC er direkte sundhedsskadelige ved indånding. Den eneste måde at reducere CO2-niveauet på er ved at skifte til alternative brændstoffer, mindre (mere økonomiske) forbrændingsmotorer og roligere kørsel.
Arbejdstemperaturer:
Katalysatorens nyttige virkning starter ved en temperatur på 250 grader og er maksimal ved en temperatur på 450 grader. Efter start af motoren tager det et stykke tid, før den rensende effekt begynder. Katalysatoren er monteret så tæt som muligt på udstødningsmanifolden, fordi den når sin arbejdstemperatur hurtigere. Udstødningsgastemperaturer mellem 800 og 1000 grader sikrer hurtigere termisk ældning, hvilket forkorter levetiden og derfor reducerer det aktive overfladeareal.
Der findes også katalysatorer med et varmeelement, der sikrer, at katalysatoren når endnu hurtigere op på temperaturen efter en koldstart. Dette kan så regulere endnu hurtigere, efter at motoren er blevet tændt, hvilket resulterer i renere udstødningsgasser
For at opvarme katalysatoren så hurtigt som muligt efter en koldstart, a sekundær luftpumpe.
NOx-katalysatordrift:
Det blev tidligere forklaret, at NOx kan reduceres af katalysatoren ved at opnå ekstra CO i udstødningsgassen. Dette er kun muligt for at gøre blandingen rigere. I de magre blandingsmotorer fra blandt andet Volkswagen (FSI) og BMW (Efficient Dynamics), kører motorerne altid på en blanding med overskud af luft ved dellast og lave hastigheder (dvs. mager og aldrig fyldig). Med en normal trevejskatalysator er det derfor umuligt at omdanne NOx til N2 + CO2. For at fjerne NOx fra udstødningsgasserne kræves en speciel NOx (opbevaring) katalysator med en speciel bariumkomponent. Ud over bariumkomponenten indeholder denne katalysator også ædelmetaller som platin og rhodium.
Trevejskatalysatoren omdanner CO- og HC-værdierne til CO2 og H2O som beskrevet tidligere. NOx omdannes af NOx-katalysatoren. Yderligere temperatursensorer og en NOx-sensor er påkrævet for konstant at overvåge værdierne.
Billedet nedenfor viser et udstødningssystem som brugt af VW, BMW (og flere og flere andre mærker).
NOx-gasserne opbevares i kold tilstand i denne katalysator. De øvrige udstødningsgasser kan fortsætte deres vej gennem udstødningen. I den iltrige periode lagres NOx-gasserne i bariumkomponenten. NOx'en ophobes (ligesom sod opbevares i et partikelfilter). Over tid bliver katalysatoren mættet. Det er det øjeblik, hvor den er fuld af NOx. Katalysatoren skal derefter regenereres. NOx-sensoren genkender dette og sender et signal til ECU'en. På dette tidspunkt gøres blandingen rig, især for at regenerere NOx-katalysatoren. Dette sker først, når NOx-katalysatoren har nået en temperatur på 800 grader (dette registreres af temperaturføleren og sendes også videre til motorens styreenhed). Midlertidig berigelse frigiver ekstra CO. Ved hjælp af denne CO kan en omdannelse til N2 + CO2 ske gennem platin- og rhodiumkomponenterne. Efter regenerering vil motoren køre på en mager blanding igen, indtil katalysatoren igen er mættet.
Funktionsfejl kan også forekomme med dette system. Hvis bilen kun køres korte strækninger (hvilket er dårligt for hele bilen), vil NOx-katalysatoren ikke kunne nå sin arbejdstemperatur. Så snart den er mættet (fuld), skal den regenereres. Kun hvis temperatursensoren fortsætter med at måle en temperatur, der er for lav, vil ECU'en aldrig berige blandingen. Hvis katalysatoren ikke har driftstemperatur, kan platin- og rhodiumkomponenterne endnu ikke foretage en omdannelse. På dette tidspunkt vil motorfejl-lampen lyse, og årsagen vil blive afsløret, når bilen scannes. Katalysatoren vil derefter blive regenereret ved hjælp af testskabet eller en rask prøvetur. Det er derfor bedst af og til at køre en lang strækning (f.eks. 50 km eller mere på motorvejen) og gerne en strækning med højere hastighed. Katalysatoren vil så nemt nå sin arbejdstemperatur.
I dag bruger dieselmotorer SCR (Selective Catalytic Reduction) katalysator anvendt. Denne SCR-katalysator lagrer også NOx, men der er også en AdBlue doseringssystem tilføjet til.
Aldring og dens årsager:
- Benzin: En tre-vejs katalysator kan kun fungere med blyfri benzin. Tankes blyholdig benzin, klæber den til ædelmetallet i et tyndt lag, hvilket mindsker kontakten med udstødningsgasserne og efter et stykke tid gør det ikke længere muligt. En kemisk reaktion kan så ikke længere forekomme. Katalysatoren er nu ude af drift og skal udskiftes. Det er en dyr sag. Blyholdig benzin blev tilsat for at nå en vis bankgrænse. Fordi bankesensorer bruges i dag, er bly blevet fjernet fra brændstoffet.
- Olie har også en ødelæggende effekt på interiøret. Hvis der er meget olielækage langs for eksempel stempelringene, ventilstyrene eller turboen, kan der ende meget olie i katalysatoren. Olien får også et lag til at klæbe til ædelmetallet, som så mister sin effektivitet.
- Kørsel korte afstande: Ved at køre mange korte afstande når katalysatoren sjældent eller aldrig sin arbejdstemperatur. De uforbrændte HC (benzin)-rester klæber til den keramiske overflade. Hvis den køres over længere strækning, forbrændes disse HC-rester stadig. Hvis du fortsætter med at køre den over korte afstande, vil disse HC-rester også klæbe til interiøret, hvilket får katalysatoren til at miste sin effektivitet over tid.
Den anden lambdasensor (springsensoren) måler ofte, om katalysatoren har omdannet gasserne korrekt. Hvis katalysatoren ældes, eller hvis interiøret er defekt, vil denne anden lambdasensor måle dette. En fejllampe vil derefter lyse på instrumentbrættet. Det er da nødvendigt at udskifte katalysatoren. Mere information om lambdasonden kan findes på siden Lambda sensor.
