Tárgyak:
- Általános
- Háromutas/oxidációs katalizátoros működés
- Üzemi hőmérsékletek
- NOx katalizátor működése
- Öregedés és okai
összesen:
A katalizátor név eredetileg a görög Katalizis szóból származik (ami feloldódást jelent). A környezetvédelmi követelmények teljesítéséhez 1992 vége óta volt szükség katalizátorra. A kipufogógázok káros anyagokat tartalmaznak: CO (szén-monoxid), NOx (nitrogén-oxid) és CH (elégetlen szénhidrogén). Ezek az anyagok (oxidálódnak) nem káros anyagokká. Innen származik az oxidációs katalizátor elnevezés.
A kémiában a katalizátor olyan anyag, amely kémiai reakciót vált ki, és felgyorsítja vagy lelassítja azt anélkül, hogy bármi változáson menne keresztül.
Háromutas/oxidációs katalizátoros működés:
A katalizátor nem szűrő, hanem konverziós elemnek tekinthető, amelyben nemesfémeket, például platinát, ródiumot vagy paladiumot adtak hozzá. Ha a kipufogógázok érintkezésbe kerülnek vele, nagyon gyors kémiai reakció megy végbe. A káros gázok molekulái lebomlanak és más molekulákkal kötődnek, így nem káros gáz keletkezik. A katalizátor a kipufogógázokat 90%-ban képes megtisztítani. Ez azonban a magasabb fogyasztás és az alacsonyabb teljesítmény rovására megy. Ennek az az oka, hogy bizonyos légellenállást hoz létre a kipufogócsatornában.
A kipufogógázokban lévő anyagok:
- CO2: Szén-dioxid (Magas koncentrációban ártalmas a környezetre, emberre és állatokra)
- CO: Szén-monoxid (nem teljesen elégett gáz, egészségre is ártalmas)
- CH: Szénhidrogének (nem égett benzin alkatrészek)
- O2: Oxigén részek (amelyek nem vettek részt az égésben)
- NOx: Nitrogénvegyület (amely csak nagyon magas égési hőmérsékleten képződik.
A katalizátor a 3 káros összetevőt CO, HC és NOx 3 ártalmatlan komponenssé alakítja át: CO2, H2O és N2. A háromutas katalizátor elnevezés is innen származik.
Ahhoz, hogy O2-t és CO-t adjon a katalizátorhoz, hogy az átalakítás megtörténhessen, be kell állítani a motor befecskendezési mintáját. Az O2 képződéséhez a keveréknek soványnak kell lennie (kevesebb üzemanyag, több levegő). A CO képzéséhez a keveréknek gazdagnak kell lennie (több üzemanyag, kevesebb levegő). Ez utóbbi nem igaz a sovány keverékű motoroknál, lásd az NOx katalizátorról szóló fejezetet az oldalon lentebb.
Ha mindig egy kicsit túl sok és egy kicsit túl kevés üzemanyagot fecskendezünk a hengerekbe, mindig gazdag és sovány keverék jön létre. A feleslegben lévő CO és O2 így a katalizátorba kerül. A katalizátorban a platina reakcióba lép a CO-val és a HC-vel. A ródium biztosítja az NOx csökkentését. Ez azt is megmagyarázza, hogy a lambda érzékelőn miért mérik a változó feszültséget. Ott a feszültség 0,2 és 0,8 Volt között változik (szegénytől gazdagig stb.) Az autó motorvezérlő rendszere (ECU) ezt maga szabályozza. Tehát semmit sem kell módosítani.
| Káros anyag: | Hozzáadás innen: | Eredmények: |
| CO+ | O2 = | CO2 |
| HC+ | O2 = | CO2 + H2O |
| NOx+ | CO = | N2 + CO2 |
Ahhoz, hogy O2-t és CO-t adjon a katalizátorhoz, hogy az átalakítás megtörténhessen, be kell állítani a motor befecskendezési mintáját. Az O2 képződéséhez a keveréknek soványnak kell lennie (kevesebb üzemanyag, több levegő). A CO képzéséhez a keveréknek gazdagnak kell lennie (több üzemanyag, kevesebb levegő). Ez utóbbi nem igaz a sovány keverékű motoroknál, lásd az NOx katalizátorról szóló fejezetet az oldalon lentebb.
Ha mindig egy kicsit túl sok és egy kicsit túl kevés üzemanyagot fecskendezünk a hengerekbe, mindig gazdag és sovány keverék jön létre. A feleslegben lévő CO és O2 így a katalizátorba kerül. A katalizátorban a platina reakcióba lép a CO-val és a HC-vel. A ródium biztosítja az NOx csökkentését. Ez azt is megmagyarázza, hogy miért mérünk változó feszültséget, amikor a lambda szenzor mérés alatt áll. Ott a feszültség 0,2 és 0,8 Volt között változik (szegénytől gazdagig stb.) Az autó motorvezérlő rendszere (ECU) ezt maga szabályozza. Tehát semmit sem kell módosítani.
A fenti táblázatban az látható, hogy az anyagok többek között CO2-vé alakulnak. A CO2-t ma olyan anyagnak tekintik, amely veszélyes a környezetre és felelős a globális felmelegedésért. Az ember azonban CO2-t is kilélegzik. Ezt a fák és a növények O2-vé (oxigénné) alakítják vissza. A túl sok CO2 káros hatással van. A fák és növények kisebbségben vannak, és nem képesek mindent O2-vé alakítani. A belső égésű motoroknál a CO2-tartalomnak a lehető legmagasabbnak kell lennie. Ez őrülten hangzik, mert azt gondolnád, hogy ezt a lehető legalacsonyabb szinten tartják. A dolog a következő; minél nagyobb a CO2 tartalom, annál kevesebb CO és HC szabadul fel. A CO és a HC belélegezve közvetlenül káros az egészségre. A CO2-szint csökkentésének egyetlen módja az alternatív üzemanyagokra való átállás, a kisebb (gazdaságosabb) belsőégésű motorok és a halkabb vezetés.
Üzemi hőmérsékletek:
A katalizátor hasznos hatása 250 fokos hőmérséklettől kezdődik és 450 fokos hőmérsékleten a maximális. A motor beindítása után eltart egy ideig, amíg a tisztító hatás beindul. A katalizátort a kipufogócsőhöz a lehető legközelebb kell felszerelni, mert hamarabb éri el üzemi hőmérsékletét. A 800 és 1000 fok közötti kipufogógáz-hőmérséklet gyorsabb termikus öregedést biztosít, ami lerövidíti az élettartamot, és ezáltal csökkenti az aktív felületet.
Vannak olyan fűtőelemmel ellátott katalizátorok is, amelyek gondoskodnak arról, hogy a katalizátor hidegindítás után még gyorsabban elérje a hőmérsékletet. Ez a motor bekapcsolása után még gyorsabban szabályozható, ami tisztább kipufogógázokat eredményez
A katalizátor lehető leggyorsabb felmelegítéséhez hidegindítás után a másodlagos légszivattyú.
NOx katalizátor működése:
Korábban elmagyarázták, hogy az NOx-ot a katalizátor csökkentheti, ha extra CO-t von be a kipufogógázba. Ezzel csak gazdagabbá lehet tenni a keveréket. Többek között a Volkswagen (FSI) és a BMW (Efficient Dynamics) sovány keverékű motorjaiban a motorok részterhelésnél és alacsony fordulatszámon (azaz sovány és sohasem dús) mindig többlevegős keverékkel működnek. Egy normál háromutas katalizátorral ezért lehetetlen az NOx-t N2 + CO2-vé alakítani. Az NOx kipufogógázokból való eltávolításához speciális bárium komponenst tartalmazó speciális NOx (tároló) katalizátor szükséges. Ez a katalizátor a báriumkomponensen kívül nemesfémeket is tartalmaz, például platinát és ródiumot.
A háromutas katalizátor a CO és HC értékeket CO2-vé és H2O-vá alakítja a korábban leírtak szerint. Az NOx-ot az NOx-katalizátor alakítja át. Az értékek folyamatos figyeléséhez további hőmérséklet-érzékelőkre és NOx-érzékelőre van szükség.
Az alábbi képen a VW, BMW (és egyre több más márka) által használt kipufogórendszer látható.
Ebben a katalizátorban az NOx gázokat hideg állapotban tárolják. A többi kipufogógáz folytathatja útját a kipufogón. Az oxigéndús időszakban az NOx gázok a báriumkomponensben tárolódnak. Az NOx felhalmozódik (akárcsak a korom a részecskeszűrőben). Idővel a katalizátor telítődik. Ez az a pillanat, amikor tele van NOx-szel. Ezután a katalizátort regenerálni kell. Az NOx-érzékelő felismeri ezt, és jelet küld az ECU-nak. Ekkor a keveréket dúsítják, különösen az NOx katalizátor regenerálása érdekében. Ez csak akkor történik meg, ha az NOx katalizátor elérte a 800 fokos hőmérsékletet (ezt a hőmérséklet-érzékelő regisztrálja, és továbbítja a motorvezérlő egységnek is). Az ideiglenes dúsítás extra CO-t bocsát ki. Ennek a CO-nak a segítségével a platina és ródium komponenseken keresztül N2+CO2-vé alakulhat át. A regeneráció után a motor ismét sovány keveréken működik, amíg a katalizátor ismét telítődik.
Meghibásodások is előfordulhatnak ennél a rendszernél. Ha az autót csak rövid távon vezetik (ami az egész autóra nézve rossz), az NOx katalizátor nem fogja tudni elérni az üzemi hőmérsékletét. Amint telített (megtelt), újra kell regenerálni. Csak ha a hőmérséklet-érzékelő továbbra is túl alacsony hőmérsékletet mér, az ECU soha nem dúsítja a keveréket. Ha a katalizátor nem üzemi hőmérsékleten van, a platina és a ródium komponensei még nem tudnak átalakulni. Ekkor a motorhiba lámpa kigyullad, és az ok az autó átvizsgálásakor kiderül. A katalizátort ezután a tesztszekrény vagy egy gyors tesztvezetés segítségével regenerálják. Ezért célszerű időnként egy hosszú szakaszt (pl. 50 km-t vagy többet autópályán) vezetni, és lehetőleg nagyobb sebességgel. A katalizátor ezután könnyen eléri üzemi hőmérsékletét.
Napjainkban a dízelmotorok a SCR (Selective Catalytic Reduction) katalizátor alkalmazott. Ez az SCR katalizátor NOx-ot is tárol, de van ilyen is AdBlue adagolórendszer hozzáadott.
Öregedés és okai:
- Benzin: A háromutas katalizátor csak ólommentes benzinnel működik. Ha ólmozott benzint tankolunk, az vékony rétegben tapad a nemesfémhez, ami csökkenti a kipufogógázokkal való érintkezést, és egy idő után már nem is lehetséges. Ekkor kémiai reakció már nem mehet végbe. A katalizátor most nem működik, és ki kell cserélni. Ez költséges ügy. Egy bizonyos kopogási határ eléréséhez ólmozott benzint adtak hozzá. Mivel manapság kopogásérzékelőket használnak, az ólmot eltávolították az üzemanyagból.
- Az olaj a belső térre is pusztító hatással van. Ha sok olaj szivárog például a dugattyúgyűrűk, szelepvezetők vagy a turbó mentén, sok olaj kerülhet a katalizátorba. Az olaj hatására a nemesfémhez egy réteg tapad, ami aztán elveszti hatékonyságát.
- Rövid távolságok vezetése: Sok rövid távolság megtételével a katalizátor ritkán vagy soha nem éri el üzemi hőmérsékletét. Az el nem égett HC (benzin) maradékok a kerámia felületre tapadnak. Ha hosszú távon vezetik, ezek a HC-maradványok továbbra is elégnek. Ha rövid távon tovább vezeti, ezek a HC-maradványok a belső térhez is hozzátapadnak, így a katalizátor idővel elveszíti hatékonyságát.
A második lambda érzékelő (az ugrásérzékelő) gyakran méri, hogy a katalizátor megfelelően alakította-e át a gázokat. Ha a katalizátor elöregszik, vagy ha a belső hibás, ez a második lambdaszonda méri ezt. Ekkor a műszerfalon kigyullad a hibajelző lámpa. Ekkor a katalizátor cseréje szükséges. A lambda érzékelőről bővebb információ a oldalon található Lambda szonda.
