Soggetti:
- Generale
- Funzionamento a tre vie/catalizzatore di ossidazione
- Temperature di lavoro
- Funzionamento del catalizzatore NOx
- L'invecchiamento e le sue cause
nel complesso:
Il nome Catalyst deriva originariamente dalla parola greca Katalysis (che significa dissoluzione). Dalla fine del 1992 è stato necessario un catalizzatore per soddisfare i requisiti ambientali. I gas di scarico contengono sostanze nocive: CO (monossido di carbonio), NOx (ossido di azoto) e CH (idrocarburi incombusti). Queste sostanze vengono (ossidate) in sostanze non nocive. Da qui il nome catalizzatore di ossidazione.
In chimica, un catalizzatore è una sostanza che provoca una reazione chimica e la accelera o la rallenta senza subire essa stessa alcuna modifica.
Funzionamento a tre vie/catalizzatore di ossidazione:
Un catalizzatore non è un filtro, ma può essere visto come un elemento di conversione in cui sono stati aggiunti metalli preziosi come platino, rodio o paladio. Se i gas di scarico entrano in contatto con esso, avviene una reazione chimica molto rapida. Le molecole dei gas nocivi vengono decomposte e legate ad altre molecole risultando in un gas non nocivo. Il catalizzatore è in grado di purificare i gas di scarico del 90%. Tuttavia, ciò va a scapito di consumi più elevati e di una potenza inferiore. Questo perché crea una certa resistenza all'aria nel percorso di scarico.
Sostanze presenti nei gas di scarico:
- CO2: Anidride carbonica (nocivo per l'ambiente, l'uomo e gli animali ad alte concentrazioni)
- CO: Monossido di carbonio (gas non completamente bruciato, nocivo anche per la salute)
- CH: Idrocarburi (parti di benzina incombuste)
- O2: parti di ossigeno (che non hanno partecipato alla combustione)
- NOx: composto dell'azoto (che si forma solo a temperature di combustione molto elevate.
Il catalizzatore converte i 3 componenti nocivi CO, HC e NOx in 3 componenti innocui: CO2, H2O e N2. Da qui deriva anche il nome catalizzatore a tre vie.
Per aggiungere O2 e CO al catalizzatore in modo che possa avvenire la conversione, è necessario regolare lo schema di iniezione del motore. Per formare O2 la miscela deve essere magra (meno carburante, più aria). Per formare CO, la miscela deve essere ricca (più carburante, meno aria). Quest'ultimo non è il caso dei motori a miscela magra, vedere il capitolo sul catalizzatore NOx più in basso nella pagina.
Iniettando sempre un po' troppo e un po' troppo poco carburante nei cilindri si ottiene sempre una miscela ricca e magra. Le eccedenze di CO e O2 finiscono così nel catalizzatore. Nel catalizzatore, il platino reagisce con CO e HC. Il rodio garantisce la riduzione degli NOx. Questo spiega anche perché durante la misurazione sulla sonda Lambda viene misurata una tensione variabile. Lì la tensione varia tra 0,2 e 0,8 Volt (da povera a ricca, ecc.), regolata autonomamente dal sistema di gestione del motore dell'auto (ECU). Quindi non c'è bisogno di aggiustare nulla.
| Sostanza nociva: | Aggiungi da: | Risultati in: |
| CO+ | O2 = | CO2 |
| HC+ | O2 = | CO2+H2O |
| NOx+ | CO = | N2+CO2 |
Per aggiungere O2 e CO al catalizzatore in modo che possa avvenire la conversione, è necessario regolare lo schema di iniezione del motore. Per formare O2 la miscela deve essere magra (meno carburante, più aria). Per formare CO, la miscela deve essere ricca (più carburante, meno aria). Quest'ultimo non è il caso dei motori a miscela magra, vedere il capitolo sul catalizzatore NOx più in basso nella pagina.
Iniettando sempre un po' troppo e un po' troppo poco carburante nei cilindri si ottiene sempre una miscela ricca e magra. Le eccedenze di CO e O2 finiscono così nel catalizzatore. Nel catalizzatore, il platino reagisce con CO e HC. Il rodio garantisce la riduzione degli NOx. Questo spiega anche perché viene misurata una tensione variabile quando il sonda lambda viene misurato. Lì la tensione varia tra 0,2 e 0,8 Volt (da povera a ricca, ecc.), regolata autonomamente dal sistema di gestione del motore dell'auto (ECU). Quindi non c'è bisogno di aggiustare nulla.
Quello che si vede nella tabella sopra è che le sostanze vengono tutte convertite, tra le altre cose, in CO2. La CO2 è oggi considerata una sostanza pericolosa per l’ambiente e responsabile del riscaldamento globale. Tuttavia, una persona espira anche CO2. Questo viene riconvertito in O2 (ossigeno) da alberi e piante. Troppa CO2 ha un effetto dannoso. Gli alberi e le piante sono in minoranza e non sono in grado di convertire tutto in O2. Per i motori a combustione, il contenuto di CO2 dovrebbe essere il più elevato possibile. Sembra pazzesco, perché penseresti che questo valore verrebbe mantenuto il più basso possibile. Le cose stanno così; maggiore è il contenuto di CO2, minore è il rilascio di CO e HC. CO e HC sono direttamente dannosi per la salute se inalati. L’unico modo per ridurre i livelli di CO2 è passare a carburanti alternativi, motori a combustione più piccoli (più economici) e una guida più silenziosa.
Temperature di lavoro:
L'effetto utile del catalizzatore inizia ad una temperatura di 250 gradi ed è massimo ad una temperatura di 450 gradi. Dopo aver avviato il motore, è necessario un po' di tempo prima che inizi l'effetto purificante. Il catalizzatore viene montato il più vicino possibile al collettore di scarico, perché raggiunga prima la temperatura di esercizio. Le temperature dei gas di scarico comprese tra 800 e 1000 gradi garantiscono un invecchiamento termico più rapido, che accorcia la durata e quindi riduce la superficie attiva.
Esistono anche convertitori catalitici con un elemento riscaldante che garantisce che il catalizzatore raggiunga la temperatura ancora più velocemente dopo l'avviamento a freddo. Questo può quindi essere regolato ancora più velocemente dopo l'accensione del motore, con conseguente gas di scarico più puliti
Per riscaldare il catalizzatore il più rapidamente possibile dopo un avviamento a freddo, a pompa dell'aria secondaria.
Funzionamento del catalizzatore NOx:
In precedenza è stato spiegato che gli NOx possono essere ridotti dal catalizzatore ottenendo ulteriore CO nel gas di scarico. Questo è possibile solo per rendere la miscela più ricca. Nei motori a miscela magra di Volkswagen (FSI) e BMW (Efficient Dynamics), tra gli altri, i motori funzionano sempre con una miscela con un surplus di aria a carico parziale e a bassi regimi (cioè magra e mai ricca). Con un normale catalizzatore a tre vie è quindi impossibile convertire gli NOx in N2+CO2. Per rimuovere gli NOx dai gas di scarico è necessario uno speciale catalizzatore di NOx (immagazzinamento) con uno speciale componente di bario. Oltre alla componente bario, questo catalizzatore contiene anche metalli preziosi come platino e rodio.
Il catalizzatore a tre vie converte i valori di CO e HC in CO2 e H2O come descritto in precedenza. Il NOx viene convertito dal catalizzatore NOx. Per monitorare costantemente i valori sono necessari sensori di temperatura aggiuntivi e un sensore NOx.
L'immagine sotto mostra un sistema di scarico utilizzato da VW, BMW (e sempre più altri marchi).
I gas NOx vengono immagazzinati allo stato freddo in questo catalizzatore. Gli altri gas di scarico possono proseguire il loro percorso attraverso lo scarico. Durante il periodo ricco di ossigeno, i gas NOx vengono immagazzinati nel componente bario. Gli NOx si accumulano (proprio come la fuliggine viene immagazzinata in un filtro antiparticolato). Nel tempo il catalizzatore si satura. Questo è il momento in cui è pieno di NOx. Il catalizzatore deve quindi essere rigenerato. Il sensore NOx lo riconosce e invia un segnale alla ECU. In questo momento la miscela viene arricchita, soprattutto per rigenerare il catalizzatore NOx. Ciò avviene solo quando il catalizzatore NOx ha raggiunto una temperatura di 800 gradi (questa viene rilevata dal sensore di temperatura e trasmessa anche alla centralina del motore). L’arricchimento temporaneo rilascia CO extra. Con l'aiuto di questa CO può avvenire una conversione in N2 + CO2 attraverso i componenti di platino e rodio. Dopo la rigenerazione, il motore funzionerà nuovamente con una miscela magra finché il catalizzatore non sarà nuovamente saturo.
Anche con questo sistema possono verificarsi malfunzionamenti. Se l'auto viene guidata solo per brevi distanze (il che è dannoso per l'intera vettura), il catalizzatore NOx non sarà in grado di raggiungere la temperatura di esercizio. Appena sarà saturo (pieno), dovrà essere rigenerato. Solo se il sensore di temperatura continua a misurare una temperatura troppo bassa la ECU non arricchirà mai la miscela. Se il catalizzatore non è alla temperatura di esercizio, i componenti di platino e rodio non possono ancora effettuare la conversione. A questo punto la spia di guasto del motore si accenderà e la causa verrà rivelata quando l'auto verrà scansionata. Il catalizzatore verrà quindi rigenerato con l'aiuto della cabina di prova o di un rapido giro di prova. È quindi meglio percorrere occasionalmente un lungo tratto (ad esempio 50 km o più in autostrada) e preferibilmente un tratto a velocità più elevata. Il catalizzatore raggiungerà quindi facilmente la temperatura di esercizio.
Al giorno d'oggi, i motori diesel utilizzano il Catalizzatore SCR (riduzione catalitica selettiva). applicato. Questo catalizzatore SCR immagazzina anche NOx, ma ce n'è anche uno Sistema di dosaggio AdBlue aggiunto a.
Invecchiamento e sue cause:
- Benzina: un convertitore catalitico a tre vie può funzionare solo con benzina senza piombo. Se si fa rifornimento di benzina con piombo, questa aderisce al metallo prezioso in uno strato sottile, che riduce il contatto con i gas di scarico e dopo un po' lo rende più impossibile. Quindi una reazione chimica non può più verificarsi. Il catalizzatore ora è guasto e deve essere sostituito. Questa è una questione costosa. La benzina con piombo è stata aggiunta per raggiungere un certo limite di detonazione. Poiché ora vengono utilizzati i sensori di detonazione, il piombo è stato rimosso dal carburante.
- Il petrolio ha anche un effetto devastante sugli interni. Se ci sono molte perdite d'olio, ad esempio lungo le fasce elastiche, le guide delle valvole o il turbo, molto olio può finire nel catalizzatore. Inoltre l'olio fa aderire uno strato al metallo prezioso, che poi perde la sua efficacia.
- Percorrendo brevi distanze: Percorrendo molte brevi distanze, il catalizzatore raggiunge raramente o mai la sua temperatura di esercizio. I residui incombusti di HC (benzina) aderiscono alla superficie ceramica. Se si guida per una lunga distanza, questi residui di HC vengono comunque bruciati. Se continui a guidarla per brevi distanze, questi residui di HC aderiranno anche all'interno, facendo perdere la sua efficacia al catalizzatore nel tempo.
La seconda sonda lambda (il sensore di salto) misura spesso se il catalizzatore ha convertito correttamente i gas. Se il catalizzatore invecchia o se l'interno è difettoso, questa seconda sonda lambda lo misurerà. Una spia di guasto si accenderà quindi sul cruscotto. È quindi necessario sostituire il catalizzatore. Maggiori informazioni sulla sonda lambda si trovano alla pagina Sonda lambda.
