Μαθήματα:
- Γενικός
- Λειτουργία καταλύτη τριών κατευθύνσεων/οξείδωσης
- Θερμοκρασίες εργασίας
- Λειτουργία καταλύτη NOx
- Η γήρανση και οι αιτίες της
Γενικά:
Το όνομα Καταλύτης προέρχεται αρχικά από την ελληνική λέξη Κατάλυση (που σημαίνει διάλυση). Ένας καταλύτης είναι απαραίτητος από τα τέλη του 1992 για την κάλυψη των περιβαλλοντικών απαιτήσεων. Τα καυσαέρια περιέχουν επιβλαβείς ουσίες: CO (μονοξείδιο του άνθρακα), NOx (οξείδιο του αζώτου) και CH (άκαυστος υδρογονάνθρακας). Αυτές οι ουσίες (οξειδώνονται) σε μη επιβλαβείς ουσίες. Εξ ου και το όνομα Oxidation Catalyst.
Στη χημεία, ένας καταλύτης είναι μια ουσία που προκαλεί μια χημική αντίδραση και την επιταχύνει ή την επιβραδύνει χωρίς ο ίδιος να υποστεί καμία αλλαγή.
Λειτουργία καταλύτη τριών κατευθύνσεων/οξείδωσης:
Ένας καταλύτης δεν είναι φίλτρο, αλλά μπορεί να θεωρηθεί ως στοιχείο μετατροπής στο οποίο έχουν προστεθεί πολύτιμα μέταλλα όπως η πλατίνα, το ρόδιο ή το παλλάδιο. Εάν τα καυσαέρια έρθουν σε επαφή με αυτό, εμφανίζεται μια πολύ γρήγορη χημική αντίδραση. Τα μόρια των επιβλαβών αερίων αποσυντίθενται και συνδέονται με άλλα μόρια με αποτέλεσμα ένα μη επιβλαβές αέριο. Ο καταλύτης είναι ικανός να καθαρίζει τα καυσαέρια κατά 90%. Ωστόσο, αυτό έρχεται σε βάρος της υψηλότερης κατανάλωσης και της χαμηλότερης ισχύος. Αυτό συμβαίνει επειδή δημιουργεί μια ορισμένη αντίσταση αέρα στη διαδρομή της εξάτμισης.
Ουσίες στα καυσαέρια:
- CO2: Διοξείδιο του άνθρακα (επιβλαβές για το περιβάλλον, τον άνθρωπο και τα ζώα σε υψηλές συγκεντρώσεις)
- CO: Μονοξείδιο του άνθρακα (αέριο ατελώς καμένο, επίσης επιβλαβές για την υγεία)
- CH: Υδρογονάνθρακες (άκαυστα μέρη βενζίνης)
- O2: Μέρη οξυγόνου (που δεν συμμετείχαν στην καύση)
- NOx: Ένωση αζώτου (η οποία σχηματίζεται μόνο σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες καύσης.
Ο καταλύτης μετατρέπει τα 3 επιβλαβή συστατικά CO, HC και NOx σε 3 αβλαβή συστατικά: CO2, H2O και N2. Από εδώ προέρχεται και το όνομα καταλύτης τριών δρόμων.
Για να προσθέσετε O2 και CO στον καταλύτη, ώστε να πραγματοποιηθεί η μετατροπή, πρέπει να ρυθμιστεί το σχέδιο ψεκασμού του κινητήρα. Για να σχηματιστεί O2 το μείγμα πρέπει να είναι άπαχο (λιγότερο καύσιμο, περισσότερος αέρας). Για να σχηματιστεί CO, το μείγμα πρέπει να είναι πλούσιο (περισσότερο καύσιμο, λιγότερος αέρας). Το τελευταίο δεν συμβαίνει με τους κινητήρες άπαχου μείγματος, δείτε το κεφάλαιο καταλύτης NOx παρακάτω στη σελίδα.
Με την έγχυση πάντα λίγο πολύ και λίγο πολύ λίγο καύσιμο στους κυλίνδρους, δημιουργείται πάντα ένα πλούσιο και λιτό μείγμα. Τα πλεονάσματα CO και O2 καταλήγουν έτσι στον καταλύτη. Στον καταλύτη, η πλατίνα αντιδρά με το CO και το HC. Το ρόδιο εξασφαλίζει τη μείωση των NOx. Αυτό εξηγεί επίσης γιατί μετριέται μια μεταβαλλόμενη τάση κατά τη μέτρηση στον αισθητήρα λάμδα. Εκεί η τάση κυμαίνεται μεταξύ 0,2 και 0,8 Volt (από φτωχό σε πλούσιο κ.λπ.) Το σύστημα διαχείρισης κινητήρα του αυτοκινήτου (το ECU) το ρυθμίζει από μόνο του. Άρα τίποτα δεν χρειάζεται να προσαρμοστεί.
| Επιβλαβής ουσία: | Προσθήκη από: | Αποτελέσματα σε: |
| CO+ | Ο2 = | CO2 |
| HC+ | Ο2 = | CO2 + H2O |
| NOx+ | CO = | N2 + CO2 |
Για να προσθέσετε O2 και CO στον καταλύτη, ώστε να πραγματοποιηθεί η μετατροπή, πρέπει να ρυθμιστεί το σχέδιο ψεκασμού του κινητήρα. Για να σχηματιστεί O2 το μείγμα πρέπει να είναι άπαχο (λιγότερο καύσιμο, περισσότερος αέρας). Για να σχηματιστεί CO, το μείγμα πρέπει να είναι πλούσιο (περισσότερο καύσιμο, λιγότερος αέρας). Το τελευταίο δεν συμβαίνει με τους κινητήρες άπαχου μείγματος, δείτε το κεφάλαιο καταλύτης NOx παρακάτω στη σελίδα.
Με την έγχυση πάντα λίγο πολύ και λίγο πολύ λίγο καύσιμο στους κυλίνδρους, δημιουργείται πάντα ένα πλούσιο και λιτό μείγμα. Τα πλεονάσματα CO και O2 καταλήγουν έτσι στον καταλύτη. Στον καταλύτη, η πλατίνα αντιδρά με το CO και το HC. Το ρόδιο εξασφαλίζει τη μείωση των NOx. Αυτό εξηγεί επίσης γιατί μετριέται μια μεταβαλλόμενη τάση όταν το αισθητήρας λάμδα μετριέται. Εκεί η τάση κυμαίνεται μεταξύ 0,2 και 0,8 Volt (από φτωχό σε πλούσιο κ.λπ.) Το σύστημα διαχείρισης κινητήρα του αυτοκινήτου (το ECU) το ρυθμίζει από μόνο του. Άρα τίποτα δεν χρειάζεται να προσαρμοστεί.
Αυτό που φαίνεται στον παραπάνω πίνακα είναι ότι όλες οι ουσίες μετατρέπονται σε CO2, μεταξύ άλλων. Το CO2 θεωρείται πλέον ως ουσία επικίνδυνη για το περιβάλλον και υπεύθυνη για την υπερθέρμανση του πλανήτη. Ωστόσο, ένα άτομο εκπνέει επίσης CO2. Αυτό μετατρέπεται ξανά σε Ο2 (οξυγόνο) από τα δέντρα και τα φυτά. Η υπερβολική ποσότητα CO2 έχει επιβλαβή επίδραση. Τα δέντρα και τα φυτά είναι μειοψηφία και δεν μπορούν να μετατρέψουν τα πάντα σε Ο2. Για κινητήρες εσωτερικής καύσης, η περιεκτικότητα σε CO2 θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν υψηλότερη. Αυτό ακούγεται τρελό, γιατί θα νομίζατε ότι αυτό θα κρατηθεί όσο το δυνατόν πιο χαμηλά. Το θέμα είναι κάπως έτσι. Όσο υψηλότερη είναι η περιεκτικότητα σε CO2, τόσο λιγότερο CO και HC απελευθερώνονται. Το CO και το HC είναι άμεσα επιβλαβή για την υγεία όταν εισπνέονται. Ο μόνος τρόπος για να μειώσετε τα επίπεδα CO2 είναι με τη μετάβαση σε εναλλακτικά καύσιμα, μικρότερους (οικονομικότερους) κινητήρες εσωτερικής καύσης και πιο αθόρυβη οδήγηση.
Θερμοκρασίες λειτουργίας:
Η χρήσιμη επίδραση του καταλύτη ξεκινά από θερμοκρασία 250 βαθμών και είναι μέγιστη σε θερμοκρασία 450 βαθμών. Μετά την εκκίνηση του κινητήρα, χρειάζεται λίγος χρόνος για να αρχίσει το καθαριστικό αποτέλεσμα. Ο καταλυτικός μετατροπέας είναι τοποθετημένος όσο το δυνατόν πιο κοντά στην πολλαπλή εξαγωγής, επειδή φτάνει νωρίτερα τη θερμοκρασία λειτουργίας του. Οι θερμοκρασίες των καυσαερίων μεταξύ 800 και 1000 βαθμών εξασφαλίζουν ταχύτερη θερμική γήρανση, η οποία μειώνει τη διάρκεια ζωής και επομένως μειώνει την ενεργή επιφάνεια.
Υπάρχουν επίσης καταλυτικοί μετατροπείς με θερμαντικό στοιχείο που διασφαλίζει ότι ο καταλύτης θα φτάσει στη θερμοκρασία ακόμα πιο γρήγορα μετά από μια κρύα εκκίνηση. Αυτό μπορεί στη συνέχεια να ρυθμιστεί ακόμα πιο γρήγορα μετά το άναμμα του κινητήρα, με αποτέλεσμα καθαρότερα καυσαέρια
Για να ζεσταθεί ο καταλύτης όσο το δυνατόν γρηγορότερα μετά από ψυχρή εκκίνηση, α δευτερεύουσα αντλία αέρα.
Λειτουργία καταλύτη NOx:
Εξηγήθηκε προηγουμένως ότι τα NOx μπορούν να μειωθούν από τον καταλύτη λαμβάνοντας επιπλέον CO στα καυσαέρια. Αυτό είναι δυνατό μόνο για να γίνει το μείγμα πιο πλούσιο. Στους κινητήρες άπαχου μείγματος της Volkswagen (FSI) και της BMW (Efficient Dynamics), μεταξύ άλλων, οι κινητήρες λειτουργούν πάντα με ένα μείγμα με πλεόνασμα αέρα σε μερικό φορτίο και χαμηλές στροφές (δηλαδή άπαχο και ποτέ πλούσιο). Με έναν κανονικό καταλύτη τριών δρόμων είναι επομένως αδύνατη η μετατροπή NOx σε N2 + CO2. Για την απομάκρυνση των NOx από τα καυσαέρια απαιτείται ειδικός καταλύτης NOx (αποθήκευσης) με ειδικό συστατικό βάριο. Εκτός από το συστατικό του βαρίου, αυτός ο καταλύτης περιέχει επίσης πολύτιμα μέταλλα όπως η πλατίνα και το ρόδιο.
Ο τριοδικός καταλύτης μετατρέπει τις τιμές CO και HC σε CO2 και H2O όπως περιγράφηκε προηγουμένως. Το NOx μετατρέπεται από τον καταλύτη NOx. Απαιτούνται πρόσθετοι αισθητήρες θερμοκρασίας και αισθητήρας NOx για συνεχή παρακολούθηση των τιμών.
Η παρακάτω εικόνα δείχνει ένα σύστημα εξάτμισης όπως χρησιμοποιείται από τη VW, τη BMW (και όλο και περισσότερες άλλες μάρκες).
Τα αέρια NOx αποθηκεύονται σε ψυχρή κατάσταση σε αυτόν τον καταλύτη. Τα άλλα καυσαέρια μπορούν να συνεχίσουν το δρόμο τους μέσα από την εξάτμιση. Κατά τη διάρκεια της πλούσιας σε οξυγόνο περιόδου, τα αέρια NOx αποθηκεύονται στο συστατικό του βαρίου. Τα NOx συσσωρεύονται (όπως ακριβώς η αιθάλη αποθηκεύεται σε ένα φίλτρο σωματιδίων). Με την πάροδο του χρόνου ο καταλύτης γίνεται κορεσμένος. Είναι η στιγμή που είναι γεμάτο NOx. Στη συνέχεια, ο καταλύτης πρέπει να αναγεννηθεί. Ο αισθητήρας NOx το αναγνωρίζει αυτό και στέλνει ένα σήμα στην ECU. Αυτή τη στιγμή το μείγμα γίνεται πλούσιο, ειδικά για την αναγέννηση του καταλύτη NOx. Αυτό συμβαίνει μόνο όταν ο καταλύτης NOx έχει φτάσει σε θερμοκρασία 800 βαθμών (αυτό καταγράφεται από τον αισθητήρα θερμοκρασίας και μεταβιβάζεται επίσης στη μονάδα ελέγχου κινητήρα). Ο προσωρινός εμπλουτισμός απελευθερώνει επιπλέον CO. Με τη βοήθεια αυτού του CO, μπορεί να πραγματοποιηθεί μετατροπή σε N2 + CO2 μέσω των συστατικών πλατίνας και ροδίου. Μετά την αναγέννηση, ο κινητήρας θα λειτουργεί ξανά σε ένα άπαχο μείγμα μέχρι να κορεστεί ξανά ο καταλύτης.
Μπορούν επίσης να προκύψουν δυσλειτουργίες με αυτό το σύστημα. Εάν το αυτοκίνητο οδηγείται μόνο για μικρές αποστάσεις (κάτι που είναι κακό για ολόκληρο το αυτοκίνητο), ο καταλύτης NOx δεν θα μπορεί να φτάσει τη θερμοκρασία λειτουργίας του. Μόλις κορεστεί (γεμάτος), θα πρέπει να αναγεννηθεί. Μόνο εάν ο αισθητήρας θερμοκρασίας συνεχίσει να μετράει μια θερμοκρασία που είναι πολύ χαμηλή, η ECU δεν θα εμπλουτίσει ποτέ το μείγμα. Εάν ο καταλύτης δεν βρίσκεται σε θερμοκρασία λειτουργίας, τα συστατικά πλατίνας και ροδίου δεν μπορούν ακόμη να πραγματοποιήσουν μετατροπή. Αυτή τη στιγμή η λυχνία σφάλματος κινητήρα θα ανάψει και η αιτία θα αποκαλυφθεί όταν το αυτοκίνητο σαρωθεί. Στη συνέχεια, ο καταλύτης θα αναγεννηθεί με τη βοήθεια του θαλάμου δοκιμών ή μιας γρήγορης δοκιμαστικής οδήγησης. Επομένως, είναι καλύτερο να οδηγείτε περιστασιακά μια μεγάλη διαδρομή (π.χ. 50 km ή περισσότερο στον αυτοκινητόδρομο) και κατά προτίμηση μια διαδρομή με μεγαλύτερη ταχύτητα. Στη συνέχεια, ο καταλύτης θα φτάσει εύκολα τη θερμοκρασία λειτουργίας του.
Σήμερα, οι κινητήρες ντίζελ χρησιμοποιούν το SCR (Selective Catalytic Reduction) καταλύτης εφαρμοσμένος. Αυτός ο καταλύτης SCR αποθηκεύει επίσης NOx, αλλά υπάρχει επίσης ένα Δοσολογικό σύστημα AdBlue προστέθηκε.
Η γήρανση και οι αιτίες της:
- Βενζίνη: Ένας τριοδικός καταλύτης μπορεί να λειτουργήσει μόνο με αμόλυβδη βενζίνη. Εάν η βενζίνη με μόλυβδο ανεφοδιαστεί με καύσιμο, προσκολλάται στο πολύτιμο μέταλλο σε μια λεπτή στρώση, γεγονός που μειώνει την επαφή με τα καυσαέρια και μετά από λίγο την καθιστά ακόμη και αδύνατη. Μια χημική αντίδραση δεν μπορεί πλέον να συμβεί. Ο καταλύτης είναι πλέον εκτός λειτουργίας και πρέπει να αντικατασταθεί. Αυτό είναι ένα δαπανηρό θέμα. Προστέθηκε βενζίνη μολύβδου για να φτάσει ένα συγκεκριμένο όριο κρουσμάτων. Επειδή σήμερα χρησιμοποιούνται αισθητήρες κρούσης, ο μόλυβδος έχει αφαιρεθεί από το καύσιμο.
- Το λάδι έχει επίσης καταστροφική επίδραση στο εσωτερικό. Εάν υπάρχει μεγάλη διαρροή λαδιού κατά μήκος, για παράδειγμα, στους δακτυλίους του εμβόλου, στους οδηγούς βαλβίδων ή στον τούρμπο, πολύ λάδι μπορεί να καταλήξει στον καταλυτικό μετατροπέα. Το λάδι προκαλεί επίσης πρόσφυση ενός στρώματος στο πολύτιμο μέταλλο, το οποίο στη συνέχεια χάνει την αποτελεσματικότητά του.
- Οδήγηση σε μικρές αποστάσεις: Οδήγηση σε πολλές μικρές αποστάσεις, ο καταλύτης σπάνια ή ποτέ φτάνει τη θερμοκρασία λειτουργίας του. Τα άκαυστα υπολείμματα HC (βενζίνη) προσκολλώνται στην κεραμική επιφάνεια. Εάν οδηγηθεί για μεγάλη απόσταση, αυτά τα υπολείμματα HC εξακολουθούν να καίγονται. Εάν συνεχίσετε να το οδηγείτε για μικρές αποστάσεις, αυτά τα υπολείμματα HC θα προσκολληθούν επίσης στο εσωτερικό, με αποτέλεσμα ο καταλύτης να χάσει την αποτελεσματικότητά του με την πάροδο του χρόνου.
Ο δεύτερος αισθητήρας λάμδα (ο αισθητήρας άλματος) συχνά μετρά εάν ο καταλύτης έχει μετατρέψει σωστά τα αέρια. Εάν ο καταλύτης παλιώνει ή εάν το εσωτερικό είναι ελαττωματικό, αυτός ο δεύτερος αισθητήρας λάμδα θα το μετρήσει. Στη συνέχεια, μια λυχνία σφάλματος θα ανάψει στο ταμπλό. Τότε είναι απαραίτητη η αντικατάσταση του καταλύτη. Περισσότερες πληροφορίες για τον αισθητήρα λάμδα μπορείτε να βρείτε στη σελίδα Ανιχνευτής λάμδα.
