Catalyst

Emner:

Algemeen
Treveis/oksidasjonskatalysatordrift
Arbeidstemperaturer
NOx-katalysatordrift
Aldring og dens årsaker

generelle:
Navnet Catalyst kommer opprinnelig fra det greske ordet Katalysis (som betyr oppløsning). En katalysator har vært nødvendig siden slutten av 1992 for å oppfylle miljøkravene. Avgasser inneholder skadelige stoffer: CO (karbonmonoksid), NOx (nitrogenoksid) og CH (ubrent hydrokarbon). Disse stoffene (oksideres) til ikke-skadelige stoffer. Derav navnet Oxidation Catalyst.
I kjemi er en katalysator et stoff som provoserer en kjemisk reaksjon og fremskynder den eller bremser den uten at den selv gjennomgår noen forandring.

Treveis/oksidasjonskatalysatordrift:
En katalysator er ikke et filter, men kan sees på som et konverteringselement der edle metaller som platina, rhodium eller paladium er tilsatt. Hvis avgassene kommer i kontakt med den, oppstår en veldig rask kjemisk reaksjon. Molekylene til de skadelige gassene spaltes og bindes til andre molekyler, noe som resulterer i en ikke-skadelig gass. Katalysatoren er i stand til å rense eksosgassene med 90 %. Dette går imidlertid på bekostning av høyere forbruk og lavere effekt. Dette er fordi det skaper en viss luftmotstand i eksosbanen.

Stoffer i avgassene:

CO2: Karbondioksid (skadelig for miljøet, mennesker og dyr i høye konsentrasjoner)
CO: Karbonmonoksid (ufullstendig forbrent gass, også helseskadelig)
CH: Hydrokarboner (ubrent bensindeler)
O2: Oksygendeler (som ikke deltok i forbrenningen)
NOx: Nitrogenforbindelse (som kun dannes ved svært høye forbrenningstemperaturer.

Katalysatoren omdanner de 3 skadelige komponentene CO, HC og NOx til 3 ufarlige komponenter: CO2, H2O og N2. Navnet treveiskatalysator kommer også herfra.

For å tilføre O2 og CO til katalysatoren slik at konverteringen kan finne sted, må motorens injeksjonsmønster justeres. For å danne O2 må blandingen være mager (mindre drivstoff, mer luft). For å danne CO må blandingen være rik (mer drivstoff, mindre luft). Det siste er ikke tilfellet med magre blandingsmotorer, se kapittelet om NOx-katalysator lenger ned på siden.
Ved å alltid injisere litt for mye og litt for lite drivstoff i sylindrene, skapes det alltid en fyldig og mager blanding. Overskuddet av CO og O2 havner dermed i katalysatoren. I katalysatoren reagerer platina med CO og HC. Rhodium sørger for reduksjon av NOx. Dette forklarer også hvorfor det måles varierende spenning ved måling på lambdasensoren. Der varierer spenningen mellom 0,2 og 0,8 Volt (fra fattig til rik osv.) Bilens motorstyringssystem (ECU) regulerer dette selv. Så ingenting må justeres.

Skadelig stoff:	Legg til fra:	Resulterer i:
CO+	O2 =	CO2
HC+	O2 =	CO2 + H2O
NOx+	CO =	N2 + CO2

For å tilføre O2 og CO til katalysatoren slik at konverteringen kan finne sted, må motorens injeksjonsmønster justeres. For å danne O2 må blandingen være mager (mindre drivstoff, mer luft). For å danne CO må blandingen være rik (mer drivstoff, mindre luft). Det siste er ikke tilfellet med magre blandingsmotorer, se kapittelet om NOx-katalysator lenger ned på siden.
Ved å alltid injisere litt for mye og litt for lite drivstoff i sylindrene, skapes det alltid en fyldig og mager blanding. Overskuddet av CO og O2 havner dermed i katalysatoren. I katalysatoren reagerer platina med CO og HC. Rhodium sørger for reduksjon av NOx. Dette forklarer også hvorfor en varierende spenning måles når lambdasensor blir målt. Der varierer spenningen mellom 0,2 og 0,8 Volt (fra fattig til rik osv.) Bilens motorstyringssystem (ECU) regulerer dette selv. Så ingenting må justeres.

Det som kan ses i tabellen over er at stoffene alle omdannes til blant annet CO2. CO2 blir nå sett på som et stoff som er farlig for miljøet og ansvarlig for global oppvarming. Men en person puster også ut CO2. Dette omdannes tilbake til O2 (oksygen) av trær og planter. For mye CO2 har en skadelig effekt. Trærne og plantene er i mindretall og klarer ikke å konvertere alt til O2. For forbrenningsmotorer bør CO2-innholdet være så høyt som mulig. Det høres sprøtt ut, for du skulle tro at dette ville holdes så lavt som mulig. Saken er slik; jo høyere CO2-innhold, jo mindre CO og HC frigjøres. CO og HC er direkte helseskadelige ved innånding. Den eneste måten å redusere CO2-nivået på er å gå over til alternativt drivstoff, mindre (mer økonomiske) forbrenningsmotorer og roligere kjøring.

Arbeidstemperaturer:
Den nyttige effekten av katalysatoren starter fra en temperatur på 250 grader og er maksimal ved en temperatur på 450 grader. Etter start av motoren tar det en stund før renseeffekten begynner. Katalysatoren er montert så nært eksosmanifolden som mulig, fordi den når arbeidstemperaturen raskere. Avgasstemperaturer mellom 800 og 1000 grader sikrer raskere termisk aldring, noe som forkorter levetiden og derfor reduserer det aktive overflatearealet.
Det finnes også katalysatorer med varmeelement som sørger for at katalysatoren når temperaturen enda raskere etter en kaldstart. Dette kan da reguleres enda raskere etter at motoren er slått på, noe som gir renere avgasser

For å varme opp katalysatoren så raskt som mulig etter en kaldstart, a sekundær luftpumpe.

NOx-katalysatordrift:
Det ble tidligere forklart at NOx kan reduseres av katalysatoren ved å få ekstra CO i avgassen. Dette er kun mulig for å gjøre blandingen rikere. I de magre blandingsmotorene til blant annet Volkswagen (FSI) og BMW (Efficient Dynamics), går motorene alltid på en blanding med overskudd av luft ved dellast og lave hastigheter (dvs. magre, og aldri rike). Med en vanlig treveiskatalysator er det derfor umulig å omdanne NOx til N2 + CO2. For å fjerne NOx fra eksosgassen, kreves det en spesiell NOx (lagrings)katalysator med en spesiell bariumkomponent. I tillegg til bariumkomponenten inneholder denne katalysatoren også edle metaller som platina og rhodium.
Treveiskatalysatoren konverterer CO- og HC-verdiene til CO2 og H2O som beskrevet tidligere. NOx omdannes av NOx-katalysatoren. Ytterligere temperatursensorer og en NOx-sensor er nødvendig for å kontinuerlig overvåke verdiene.
Bildet nedenfor viser et eksosanlegg som brukes av VW, BMW (og flere og flere andre merker).

NOx-gassene lagres i kald tilstand i denne katalysatoren. De andre avgassene kan fortsette sin vei gjennom eksosen. I den oksygenrike perioden lagres NOx-gassene i bariumkomponenten. NOx akkumuleres (akkurat som sot lagres i et partikkelfilter). Over tid blir katalysatoren mettet. Det er øyeblikket da den er full av NOx. Katalysatoren må deretter regenereres. NOx-sensoren gjenkjenner dette og sender et signal til ECU. På dette tidspunktet gjøres blandingen rik, spesielt for å regenerere NOx-katalysatoren. Dette skjer først når NOx-katalysatoren har nådd en temperatur på 800 grader (dette registreres av temperatursensoren og sendes også videre til motorens kontrollenhet). Midlertidig anriking frigjør ekstra CO. Ved hjelp av denne CO kan en omdanning til N2 + CO2 skje gjennom platina- og rhodiumkomponentene. Etter regenerering vil motoren gå på en mager blanding igjen til katalysatoren er mettet igjen.
Det kan også oppstå funksjonsfeil med dette systemet. Hvis bilen kun kjøres over korte avstander (noe som er dårlig for hele bilen), vil ikke NOx-katalysatoren nå sin arbeidstemperatur. Så snart den er mettet (full), må den regenereres. Bare hvis temperatursensoren fortsetter å måle en temperatur som er for lav, vil ECU aldri berike blandingen. Hvis katalysatoren ikke har driftstemperatur, kan platina- og rhodiumkomponentene ennå ikke bevirke en omdannelse. På dette tidspunktet vil motorfeillampen tennes og årsaken vil bli avslørt når bilen skannes. Katalysatoren vil da bli regenerert ved hjelp av testskapet eller en rask prøvekjøring. Det er derfor best å av og til kjøre en lang strekning (f.eks. 50 km eller mer på motorveien) og gjerne en strekning med høyere hastighet. Katalysatoren vil da lett nå sin arbeidstemperatur.

I dag bruker dieselmotorer SCR (Selective Catalytic Reduction) katalysator anvendt. Denne SCR-katalysatoren lagrer også NOx, men det finnes også en AdBlue doseringssystem lagt til.

Aldring og dens årsaker:

Bensin: En treveis katalysator kan bare fungere med blyfri bensin. Hvis blyholdig bensin fylles på, fester den seg til edelmetallet i et tynt lag, noe som reduserer kontakten med avgassene og etter en stund gjør det ikke lenger mulig. En kjemisk reaksjon kan da ikke lenger skje. Katalysatoren er nå ute av drift og må skiftes ut. Det er en kostbar sak. Blyholdig bensin ble tilsatt for å nå en viss bankegrense. Fordi bankesensorer brukes i dag, har bly blitt fjernet fra drivstoffet.
Olje har også en ødeleggende effekt på interiøret. Hvis det er mye oljelekkasje langs for eksempel stempelringene, ventilføringene eller turboen, kan det havne mye olje i katalysatoren. Oljen får også et lag til å feste seg til det edle metallet, som da mister sin effektivitet.
Kjøre korte avstander: Ved å kjøre mange korte avstander når katalysatoren sjelden eller aldri arbeidstemperaturen. De uforbrente HC (bensin)-restene fester seg til den keramiske overflaten. Hvis det kjøres over lang avstand, forbrennes fortsatt disse HC-restene. Hvis du fortsetter å kjøre den over korte avstander, vil disse HC-restene også feste seg til interiøret, noe som fører til at katalysatoren mister sin effektivitet over tid.

Den andre lambdasensoren (hoppsensoren) måler ofte om katalysatoren har konvertert gassene riktig. Hvis katalysatoren eldes eller hvis interiøret er defekt, vil denne andre lambdasensoren måle dette. En feillampe vil da lyse på dashbordet. Utskifting av katalysatoren er da nødvendig. Mer informasjon om lambdasonden finner du på siden Lambdasonde.