Aiheet:
- Yleinen
- Kolmisuuntainen/hapetuskatalysaattoritoiminta
- Työlämpötilat
- NOx-katalysaattorin toiminta
- Ikääntyminen ja sen syyt
yleinen:
Katalyytin nimi tulee alun perin kreikan sanasta Katalysis (joka tarkoittaa liukenemista). Katalysaattori on ollut tarpeen vuoden 1992 lopusta lähtien ympäristövaatimusten täyttämiseksi. Pakokaasut sisältävät haitallisia aineita: CO (hiilimonoksidi), NOx (typpioksidi) ja CH (palamaton hiilivety). Nämä aineet (hapettuvat) haitattomiksi aineiksi. Tästä johtuu nimi Oksidaatiokatalysaattori.
Kemiassa katalyytti on aine, joka saa aikaan kemiallisen reaktion ja nopeuttaa tai hidastaa sitä ilman, että se itse muuttuu.
Kolmitie/hapetuskatalysaattorin toiminta:
Katalyytti ei ole suodatin, vaan sitä voidaan pitää konversioelementtinä, johon on lisätty jalometalleja, kuten platinaa, rodiumia tai paladiumia. Jos pakokaasut joutuvat kosketuksiin sen kanssa, tapahtuu erittäin nopea kemiallinen reaktio. Haitallisten kaasujen molekyylit hajoavat ja sitoutuvat muihin molekyyleihin, jolloin muodostuu haitaton kaasu. Katalyytti pystyy puhdistamaan pakokaasut 90 %. Tämä tapahtuu kuitenkin suuremman kulutuksen ja pienemmän tehon kustannuksella. Tämä johtuu siitä, että se luo tietyn ilmanvastuksen pakoputkeen.
Pakokaasuissa olevat aineet:
- CO2: Hiilidioksidi (Haitallista ympäristölle, ihmisille ja eläimille korkeina pitoisuuksina)
- CO: Hiilimonoksidi (epätäydellisesti palanut kaasu, myös terveydelle haitallinen)
- CH: Hiilivedyt (palamattomat bensiiniosat)
- O2: Happiosat (jotka eivät osallistuneet palamiseen)
- NOx: Typpiyhdiste (jota muodostuu vain erittäin korkeissa palamislämpötiloissa.
Katalyytti muuttaa kolme haitallista komponenttia CO, HC ja NOx kolmeksi vaarattomaksi komponentiksi: CO3, H3O ja N2. Sieltä tulee myös nimi kolmitiekatalysaattori.
Jotta katalysaattoriin voidaan lisätä O2:ta ja CO:ta, jotta konversio voi tapahtua, moottorin ruiskutuskuviota on säädettävä. O2:n muodostamiseksi seoksen on oltava laihaa (vähemmän polttoainetta, enemmän ilmaa). CO:n muodostamiseksi seoksen on oltava rikas (enemmän polttoainetta, vähemmän ilmaa). Jälkimmäinen ei koske laihaseosmoottoreita, katso NOx-katalyyttiluku alempana sivua.
Ruiskuttamalla aina vähän liikaa ja vähän liian vähän polttoainetta sylintereihin syntyy aina runsas ja laiha seos. CO:n ja O2:n ylijäämät päätyvät siten katalyyttiin. Katalyytissä platina reagoi CO:n ja HC:n kanssa. Rodium varmistaa NOx:n vähentämisen. Tämä selittää myös sen, miksi Lambda-anturista mitataan vaihteleva jännite. Siellä jännite vaihtelee välillä 0,2 - 0,8 V (köyhästä rikkaaseen jne.) Auton moottorinhallintajärjestelmä (ECU) säätelee tätä itse. Mitään ei siis tarvitse säätää.
| Haitallinen aine: | Lisää osoitteesta: | Johtaa: |
| CO+ | O2 = | CO2 |
| HC+ | O2 = | CO2 + H2O |
| NOx+ | CO = | N2 + CO2 |
Jotta katalysaattoriin voidaan lisätä O2:ta ja CO:ta, jotta konversio voi tapahtua, moottorin ruiskutuskuviota on säädettävä. O2:n muodostamiseksi seoksen on oltava laihaa (vähemmän polttoainetta, enemmän ilmaa). CO:n muodostamiseksi seoksen on oltava rikas (enemmän polttoainetta, vähemmän ilmaa). Jälkimmäinen ei koske laihaseosmoottoreita, katso NOx-katalyyttiluku alempana sivua.
Ruiskuttamalla aina vähän liikaa ja vähän liian vähän polttoainetta sylintereihin syntyy aina runsas ja laiha seos. CO:n ja O2:n ylijäämät päätyvät siten katalyyttiin. Katalyytissä platina reagoi CO:n ja HC:n kanssa. Rodium varmistaa NOx:n vähentämisen. Tämä selittää myös, miksi vaihteleva jännite mitataan, kun lambda anturi mitataan. Siellä jännite vaihtelee välillä 0,2 - 0,8 V (köyhästä rikkaaseen jne.) Auton moottorinhallintajärjestelmä (ECU) säätelee tätä itse. Mitään ei siis tarvitse säätää.
Yllä olevasta taulukosta näkyy, että kaikki aineet muuntuvat muun muassa CO2:ksi. CO2 nähdään nykyään ympäristölle vaarallisena ja ilmaston lämpenemistä aiheuttavana aineena. Ihminen hengittää kuitenkin myös CO2:ta. Puut ja kasvit muuttavat tämän takaisin O2:ksi (hapeksi). Liialla CO2:lla on haitallinen vaikutus. Puut ja kasvit ovat vähemmistössä eivätkä pysty muuttamaan kaikkea O2:ksi. Polttomoottoreissa CO2-pitoisuuden tulee olla mahdollisimman korkea. Se kuulostaa hullulta, koska luulisi, että tämä pidettäisiin mahdollisimman alhaisena. Asia on näin; mitä korkeampi CO2-pitoisuus, sitä vähemmän hiilidioksidia ja HC:tä vapautuu. CO ja HC ovat suoraan haitallisia terveydelle hengitettynä. Ainoa tapa vähentää CO2-tasoa on vaihtaa vaihtoehtoisiin polttoaineisiin, pienempiin (taloudellisempiin) polttomoottoreihin ja hiljaisempaan ajoon.
Työlämpötilat:
Katalyytin hyötyvaikutus alkaa 250 asteen lämpötilasta ja on suurin 450 asteen lämpötilassa. Moottorin käynnistämisen jälkeen kestää hetken ennen kuin puhdistava vaikutus alkaa. Katalysaattori asennetaan mahdollisimman lähelle pakosarjaa, koska se saavuttaa työlämpötilansa nopeammin. Pakokaasujen lämpötilat 800-1000 astetta takaavat nopeamman lämpövanhenemisen, mikä lyhentää käyttöikää ja siten pienentää aktiivista pinta-alaa.
On myös katalysaattoreita, joissa on lämmityselementti, joka varmistaa, että katalysaattori saavuttaa lämpötilan vielä nopeammin kylmäkäynnistyksen jälkeen. Tämä voi sitten säädellä vieläkin nopeammin, kun moottori on käynnistetty, jolloin pakokaasut ovat puhtaampia
Katalysaattorin lämpenemiseksi mahdollisimman nopeasti kylmäkäynnistyksen jälkeen a toissijainen ilmapumppu.
NOx-katalysaattorin toiminta:
Aiemmin selitettiin, että katalyytti voi vähentää NOx:ää saamalla pakokaasuun ylimääräistä CO:ta. Tämä on mahdollista vain tehdä seoksesta rikkaampi. Muun muassa Volkswagenin (FSI) ja BMW:n (Efficient Dynamics) laihaseosmoottoreissa moottorit toimivat aina seoksella, jossa on ylimääräistä ilmaa osakuormituksella ja alhaisilla nopeuksilla (eli laihalla, ei koskaan rikkaalla). Normaalilla kolmitiekatalyytillä on siksi mahdotonta muuttaa NOx:a N2 + CO2:ksi. NOx:n poistamiseksi pakokaasuista tarvitaan erityinen NOx (varasto)katalysaattori, jossa on erityinen bariumkomponentti. Bariumkomponentin lisäksi tämä katalyytti sisältää myös jalometalleja, kuten platinaa ja rodiumia.
Kolmisuuntainen katalyytti muuntaa CO- ja HC-arvot CO2:ksi ja H2O:ksi, kuten aiemmin on kuvattu. NOx muunnetaan NOx-katalyytin avulla. Arvojen jatkuvaan seurantaan tarvitaan lisälämpötila-antureita ja NOx-anturia.
Alla olevassa kuvassa näkyy pakojärjestelmä, jota käyttävät VW, BMW (ja yhä useammat muut merkit).
NOx-kaasut varastoidaan kylmässä tilassa tässä katalyytissä. Muut pakokaasut voivat jatkaa matkaansa pakoputken läpi. Happirikkaan ajanjakson aikana NOx-kaasut varastoidaan bariumkomponenttiin. NOx kerääntyy (ihan kuin noki varastoidaan hiukkassuodattimeen). Ajan myötä katalyytti kyllästyy. Se on hetki, jolloin se on täynnä NOx:a. Katalyytti on tämän jälkeen regeneroitava. NOx-anturi tunnistaa tämän ja lähettää signaalin ECU:lle. Tällä hetkellä seoksesta tehdään rikas, erityisesti NOx-katalyytin regeneroimiseksi. Tämä tapahtuu vain, kun NOx-katalysaattori on saavuttanut 800 asteen lämpötilan (lämpötila-anturi rekisteröi tämän ja välittää myös moottorin ohjausyksikköön). Väliaikainen rikastus vapauttaa ylimääräistä hiilidioksidia. Tämän CO:n avulla voi muuttua N2 + CO2:ksi platina- ja rodiumkomponenttien kautta. Regeneroinnin jälkeen moottori käy taas laihalla seoksella, kunnes katalyytti on jälleen kyllästynyt.
Myös tässä järjestelmässä voi esiintyä toimintahäiriöitä. Jos autolla ajetaan vain lyhyitä matkoja (mikä on huono koko autolle), NOx-katalysaattori ei pääse saavuttamaan käyttölämpötilaansa. Heti kun se on kyllästynyt (täynnä), se on regeneroitava. Vain jos lämpötila-anturi jatkaa liian alhaisen lämpötilan mittaamista, ECU ei koskaan rikasta seosta. Jos katalyytti ei ole käyttölämpötilassa, platina- ja rodiumkomponentit eivät voi vielä saada aikaan konversiota. Tällä hetkellä moottorin vikavalo syttyy ja syy selviää, kun autoa tarkistetaan. Katalysaattori regeneroidaan sitten testikaapin tai reippaan koeajon avulla. Siksi on parasta ajaa välillä pitkiä osia (esim. 50 km tai enemmän maantiellä) ja mieluiten suuremmalla nopeudella. Katalyytti saavuttaa sitten helposti käyttölämpötilansa.
Nykyään dieselmoottorit käyttävät SCR (Selective Catalytic Reduction) katalyytti sovelletaan. Tämä SCR-katalyytti varastoi myös NOx:a, mutta on myös yksi AdBlue-annostelujärjestelmä lisätty.
Ikääntyminen ja sen syyt:
- Bensiini: Kolmitiekatalysaattori voi toimia vain lyijyttömän bensiinin kanssa. Jos lyijypitoista bensiiniä tankataan, se kiinnittyy jalometalliin ohuena kerroksena, mikä vähentää kosketusta pakokaasujen kanssa ja tekee sen hetken kuluttua mahdottomaksi. Kemiallista reaktiota ei silloin voi enää tapahtua. Katalysaattori on nyt epäkunnossa ja se on vaihdettava. Se on kallis asia. Lyijypitoista bensiiniä lisättiin tietyn nakutusrajan saavuttamiseksi. Koska nakutusantureita käytetään nykyään, lyijyä on poistettu polttoaineesta.
- Öljyllä on myös tuhoisa vaikutus sisätiloihin. Jos öljyä vuotaa paljon esimerkiksi männänrenkaissa, venttiilin ohjaimissa tai turbossa, katalysaattoriin voi päätyä paljon öljyä. Öljy saa myös kerroksen kiinnittymään jalometalliin, joka sitten menettää tehonsa.
- Ajettaessa lyhyitä matkoja: Ajettaessa monia lyhyitä matkoja katalyytti saavuttaa harvoin tai ei koskaan käyttölämpötilaansa. Palamattomat HC-jäämät (bensiini) tarttuvat keraamiseen pintaan. Jos sillä ajetaan pitkiä matkoja, nämä HC-jäämät palavat edelleen. Jos jatkat ajamista lyhyitä matkoja, nämä HC-jäämät tarttuvat myös sisäosaan, jolloin katalysaattori menettää tehonsa ajan myötä.
Toinen lambda-anturi (hyppyanturi) mittaa usein, onko katalyytti muuntanut kaasut oikein. Jos katalysaattori vanhenee tai sisäpuoli on viallinen, tämä toinen lambda-anturi mittaa tämän. Vikavalo syttyy sitten kojelautaan. Katalysaattori on tällöin vaihdettava. Lisätietoa lambda-anturista löytyy sivulta Lambda anturi.
