Katalizator

Przedmioty:

Zarys ogólny
Działanie katalizatora trójdrożnego/utleniającego
Temperatury pracy
Działanie katalizatora NOx
Starzenie się i jego przyczyny

Ogólne:
Nazwa Catalyst pierwotnie pochodzi od greckiego słowa Katalytic (co oznacza rozpuszczenie). Aby spełnić wymagania środowiskowe, od końca 1992 r. niezbędny był katalizator. Spaliny zawierają szkodliwe substancje: CO (tlenek węgla), NOx (tlenek azotu) i CH (niespalony węglowodór). Substancje te są (utleniane) w substancje nieszkodliwe. Stąd nazwa Katalizator Utleniający.
W chemii katalizator to substancja, która wywołuje reakcję chemiczną i przyspiesza ją lub spowalnia, sama nie ulegając żadnej zmianie.

Działanie katalizatora trójdrożnego/utleniającego:
Katalizator nie jest filtrem, ale można go postrzegać jako element konwersyjny, do którego dodano metale szlachetne, takie jak platyna, rod czy palad. Jeśli zetkną się z nim spaliny, następuje bardzo szybka reakcja chemiczna. Cząsteczki szkodliwych gazów ulegają rozkładowi i wiązaniu z innymi cząsteczkami, w wyniku czego powstaje nieszkodliwy gaz. Katalizator jest w stanie oczyścić spaliny o 90%. Odbywa się to jednak kosztem większego zużycia i mniejszej mocy. Dzieje się tak dlatego, że tworzy on pewien opór powietrza na ścieżce wydechu.

Substancje zawarte w spalinach:

CO2: Dwutlenek węgla (w wysokich stężeniach szkodliwy dla środowiska, ludzi i zwierząt)
CO: Tlenek węgla (gaz niecałkowicie spalony, również szkodliwy dla zdrowia)
CH: Węglowodory (niespalone części benzyny)
O2: Części tlenu (które nie brały udziału w spalaniu)
NOx: Związek azotu (który powstaje tylko przy bardzo wysokich temperaturach spalania.

Katalizator przekształca 3 szkodliwe składniki CO, HC i NOx w 3 nieszkodliwe składniki: CO2, H2O i N2. Stąd też wzięła się nazwa katalizatora trójdrożnego.

Aby dodać O2 i CO do katalizatora, aby mogła nastąpić konwersja, należy wyregulować wzór wtrysku silnika. Aby powstał O2, mieszanka musi być uboga (mniej paliwa, więcej powietrza). Aby powstał CO, mieszanka musi być bogata (więcej paliwa, mniej powietrza). To ostatnie nie ma miejsca w przypadku silników na mieszankę ubogą, patrz rozdział dotyczący katalizatora NOx w dalszej części strony.
Wtryskując zawsze trochę za dużo i trochę za mało paliwa do cylindrów, zawsze powstaje bogata i uboga mieszanka. Nadwyżki CO i O2 trafiają zatem do katalizatora. W katalizatorze platyna reaguje z CO i HC. Rod zapewnia redukcję NOx. Wyjaśnia to również, dlaczego podczas pomiaru sondy lambda mierzone jest zmienne napięcie. Tam napięcie waha się od 0,2 do 0,8 V (od słabego do bogatego itp.) System zarządzania silnikiem samochodu (ECU) reguluje to sam. Więc nic nie trzeba regulować.

Szkodliwa substancja:	Dodaj od:	Prowadzi do:
CO+	O2 =	CO2
HC+	O2 =	CO2 + H2O
NOx+	CO =	N2 + CO2

Aby dodać O2 i CO do katalizatora, aby mogła nastąpić konwersja, należy wyregulować wzór wtrysku silnika. Aby powstał O2, mieszanka musi być uboga (mniej paliwa, więcej powietrza). Aby powstał CO, mieszanka musi być bogata (więcej paliwa, mniej powietrza). To ostatnie nie ma miejsca w przypadku silników na mieszankę ubogą, patrz rozdział dotyczący katalizatora NOx w dalszej części strony.
Wtryskując zawsze trochę za dużo i trochę za mało paliwa do cylindrów, zawsze powstaje bogata i uboga mieszanka. Nadwyżki CO i O2 trafiają zatem do katalizatora. W katalizatorze platyna reaguje z CO i HC. Rod zapewnia redukcję NOx. Wyjaśnia to również, dlaczego mierzone jest zmienne napięcie, gdy sonda lambda jest mierzone. Tam napięcie waha się od 0,2 do 0,8 V (od słabego do bogatego itp.) System zarządzania silnikiem samochodu (ECU) reguluje to sam. Więc nic nie trzeba regulować.

Z powyższej tabeli wynika, że wszystkie substancje są przekształcane między innymi w CO2. CO2 jest obecnie postrzegany jako substancja niebezpieczna dla środowiska i odpowiedzialna za globalne ocieplenie. Jednak człowiek również wydycha CO2. Jest on przekształcany z powrotem w O2 (tlen) przez drzewa i rośliny. Nadmiar CO2 ma szkodliwy wpływ. Drzewa i rośliny są w mniejszości i nie są w stanie wszystkiego przekształcić w O2. W przypadku silników spalinowych zawartość CO2 powinna być jak najwyższa. Brzmi to szalenie, ponieważ można by pomyśleć, że kwota ta zostanie utrzymana na jak najniższym poziomie. Sprawa wygląda tak; im wyższa zawartość CO2, tym mniej uwalnianego CO i HC. CO i HC są bezpośrednio szkodliwe dla zdrowia w przypadku wdychania. Jedynym sposobem na zmniejszenie poziomu CO2 jest przejście na paliwa alternatywne, mniejsze (ekonomiczne) silniki spalinowe i cichsza jazda.

Temperatury pracy:
Użyteczne działanie katalizatora zaczyna się od temperatury 250 stopni i osiąga maksimum w temperaturze 450 stopni. Po uruchomieniu silnika musi minąć trochę czasu, zanim zacznie działać efekt oczyszczania. Katalizator montowany jest jak najbliżej kolektora wydechowego, ponieważ szybciej osiąga temperaturę roboczą. Temperatury spalin od 800 do 1000 stopni zapewniają szybsze starzenie termiczne, co skraca żywotność, a tym samym zmniejsza powierzchnię czynną.
Istnieją również katalizatory z elementem grzejnym, który zapewnia jeszcze szybsze osiągnięcie temperatury katalizatora po zimnym starcie. Można to następnie regulować jeszcze szybciej po włączeniu silnika, co skutkuje czystszymi spalinami

Aby jak najszybciej rozgrzać katalizator po zimnym uruchomieniu, a pompa powietrza wtórnego.

Działanie katalizatora NOx:
Wcześniej wyjaśniono, że katalizator może redukować NOx poprzez uzyskanie dodatkowego CO w gazach spalinowych. Można to jedynie wzbogacić mieszankę. W silnikach na mieszankę ubogą m.in. Volkswagena (FSI) i BMW (Efficient Dynamics) silniki zawsze pracują na mieszance z nadmiarem powietrza przy częściowym obciążeniu i niskich obrotach (tzn. na ubogiej, nigdy bogatej). Dlatego przy użyciu zwykłego katalizatora trójdrożnego nie jest możliwe przekształcenie NOx w N2 + CO2. Aby usunąć NOx ze spalin, wymagany jest specjalny katalizator NOx (magazynujący) ze specjalnym składnikiem baru. Oprócz składnika barowego katalizator ten zawiera także metale szlachetne, takie jak platyna i rod.
Katalizator trójdrożny przekształca wartości CO i HC w CO2 i H2O, jak opisano wcześniej. NOx jest przekształcany przez katalizator NOx. Do ciągłego monitorowania wartości wymagane są dodatkowe czujniki temperatury i czujnik NOx.
Zdjęcie poniżej przedstawia układ wydechowy używany przez VW, BMW (i coraz więcej innych marek).

Gazy NOx są przechowywane w tym katalizatorze w stanie zimnym. Pozostałe gazy spalinowe mogą przedostawać się dalej przez układ wydechowy. W okresie bogatym w tlen gazy NOx są magazynowane w składniku barowym. NOx gromadzi się (podobnie jak sadza gromadzi się w filtrze cząstek stałych). Z biegiem czasu katalizator nasyca się. To jest moment, w którym jest pełen NOx. Katalizator należy następnie zregenerować. Czujnik NOx rozpoznaje to i wysyła sygnał do ECU. W tym czasie mieszanina jest wzbogacana, szczególnie w celu regeneracji katalizatora NOx. Dzieje się tak tylko wtedy, gdy katalizator NOx osiągnie temperaturę 800 stopni (jest to rejestrowane przez czujnik temperatury i przekazywane również do sterownika silnika). Tymczasowe wzbogacanie uwalnia dodatkowy CO. Za pomocą tego CO może nastąpić konwersja do N2 + CO2 poprzez składniki platynowe i rodowe. Po regeneracji silnik będzie ponownie pracował na ubogiej mieszance do momentu ponownego nasycenia katalizatora.
W tym systemie mogą również wystąpić awarie. Jeśli samochód jeździ tylko na krótkich dystansach (co jest niekorzystne dla całego samochodu), katalizator NOx nie będzie w stanie osiągnąć swojej temperatury roboczej. Gdy tylko zostanie nasycony (pełny), trzeba będzie go zregenerować. Tylko jeśli czujnik temperatury w dalszym ciągu będzie mierzyć zbyt niską temperaturę, ECU nigdy nie wzbogaci mieszanki. Jeśli katalizator nie osiągnął temperatury roboczej, składniki platynowe i rodowe nie mogą jeszcze wpłynąć na konwersję. W tym momencie zaświeci się kontrolka usterki silnika, a przyczyna zostanie ujawniona podczas skanowania samochodu. Katalizator zostanie następnie zregenerowany za pomocą kabiny testowej lub energicznej jazdy próbnej. Dlatego najlepiej od czasu do czasu przejechać dłuższy odcinek (np. 50 km lub więcej autostradą), a najlepiej odcinek z większą prędkością. Katalizator z łatwością osiągnie wówczas temperaturę roboczą.

Obecnie silniki wysokoprężne korzystają z tzw Katalizator SCR (selektywna redukcja katalityczna). stosowany. Ten katalizator SCR również przechowuje NOx, ale jest też jeden System dozowania AdBlue dodano do.

Starzenie się i jego przyczyny:

Benzyna: Trójdrożny katalizator może działać tylko z benzyną bezołowiową. Jeśli tankujemy benzynę ołowiową, przykleja się ona do metalu szlachetnego cienką warstwą, co ogranicza kontakt ze spalinami, a po pewnym czasie uniemożliwia jego dalsze użytkowanie. W takim przypadku reakcja chemiczna nie może już zachodzić. Katalizator jest obecnie uszkodzony i należy go wymienić. To kosztowna sprawa. Aby osiągnąć określoną granicę spalania stukowego, dodano benzynę ołowiową. Ponieważ obecnie stosuje się czujniki spalania stukowego, z paliwa usunięto ołów.
Olej ma także niszczycielski wpływ na wnętrze. Jeśli występuje duży wyciek oleju, na przykład wzdłuż pierścieni tłokowych, prowadnic zaworów lub turbosprężarki, duża ilość oleju może przedostać się do katalizatora. Olejek powoduje także przywieranie warstwy do metalu szlachetnego, który traci wówczas swoją skuteczność.
Jazda na krótkich dystansach: Podczas jazdy na wielu krótkich dystansach katalizator rzadko lub nigdy nie osiąga temperatury roboczej. Niespalone pozostałości HC (benzyny) przylegają do powierzchni ceramicznej. W przypadku dłuższej jazdy pozostałości HC nadal ulegają spaleniu. Jeśli będziesz nadal jeździć na krótkich dystansach, pozostałości HC również przylgną do wnętrza, powodując z czasem utratę skuteczności katalizatora.

Druga sonda lambda (czujnik skoku) często mierzy, czy katalizator prawidłowo przekształcił gazy. Jeśli katalizator się starzeje lub wnętrze jest uszkodzone, druga sonda lambda to zmierzy. Następnie na desce rozdzielczej zapali się kontrolka awarii. Konieczna jest wówczas wymiana katalizatora. Więcej informacji na temat sondy lambda znajdziesz na stronie Sonda Lambda.