A katalizátorokról bővebben

Az oxidációs katalizátor, a kétutas katalizátor, a háromutas katalizátor...

   Többféle katalizátor típus létezik. Vannak, ún. oxidációs- , kétágyas vagy kétutas- , illetve hármas-hatású vagy háromutas katalizátorok is.

   Egyetlen dolog közös bennük, és ez az, hogy a katalizátorok feladata, hogy a robbanómotorok kipufogógázának károsanyag-tartalmát csökkentsék, a megengedett határértékek alá szorítsák. A robbanómotorokban a tökéletlen égés miatt keletkező szénmonoxid, nitrogénoxidok, szénhidrogének, kénessavak és az ólomvegyületek mind az egészségre, mind a környezetre rendkívül ártalmasak, mérgezőek.

   Az oxidációs katalizátorokat 1975-től az USA-ban kezdték el először használni. Azóta a környezetvédelmi előírások szigorodásával, és a technikai ismeretek és feltételek változásával és fejlődésével párhuzamosan a katalizátorok felépítése, anyagösszetétele és hatékonysága is sokat módosult.

   Az oxidációs katalizátorok a füstgázban található káros szénhidrogéneket és szénmonoxidot a környezetre ártalmatlan vízgőzzé és széndioxiddá alakítják. Hátrányuk az, hogy a kiáramló nitrogén oxidok koncentrációját nem csökkentik.

   A kétutas katalizátorok két darab egymás után kapcsolt, egymástól elkülönülő elemből állnak, amelynek két eleme között még levegőt is fújnak a kipufogó rendszerbe. A kiáramló gáz először a redukciós katalizátor egységen halad keresztül, ahol a nitrogén oxidok reakciója következik be, aztán a második, oxidációs katalizátor egységben megtörténik a szénhidrogének és a szénmonoxid átalakulása. Ez a katalizátor típus az előzőhöz viszonyítva kedvezőbb károsanyag kibocsátást tesz lehetővé, de a hatásfoka még sem igazán felel meg a mai követelményeknek.

   A háromutas, helyesebben hármas hatású katalizátorokban mindhárom károsanyag kisebb környezeti terhelést jelentő gázokra történő átalakítása megvalósul. A katalizátorban egy lambda szonda került elhelyezésre, amely szonda méri a kipufogógáz összetételét, és ha abban negatív változás áll be, akkor az elektronikus szabályozás az átalakítás szempontjából optimális szintre állítja, a benzin-levegő keverék összetételét. A katalizátor felépítésének köszönhetően, és a szabályozással elérték, hogy jelenleg a hármas-hatású katalizátorok a leghatásosabb károsanyag szűrőrendszert alkotják.

 

A katalizátor felépítése, működése...

   A katalizátorok egy hegesztett lemezházból, hőterelő palástból, katalizátor magból, és az erre fölvitt hordozó- és nemesfém katalitikus rétegből állnak.

    A katalizátor-mag egy extrudált kerámiából készült, méhsejt szerkezetű tömb, amely több ezer áromlási csatornát tartalmaz. Így az átáramló kipufogógáz a katalizátor-mag kis terjedelméhez viszonyítva, rendkívül nagy felülettel érintkezik. A katalitikus reakció csak így, közvetlen érintkezéssel biztosítható. A bevonatban található nemesfémek reakcióba lépve a kiáramló gázban található káros anyagokkal, azok kémiai szerkezetét megváltoztatják (oxidáció, redukció), és így a kiáramló szennyezőanyagok értékét a megengedett határértékek alá csökkentik. Az elszennyeződött, eltömődött, megolvadt kerámia hatékonysága lényegesen kisebb, mint ép társaié.

   A test anyaga Magnézium-Alumínium szilikát. Ez a rendkívül hőálló anyagösszetétel teszi lehetővé. hogy a katalizátor hosszú időn át ellenálljon az égéstermékek magas hőjének. A kerámia szivacsos szerkezetű, a falvastagsága nem több mint 0.15-0.2 mm. A rácsszerkezetnek köszönhetően a kerámiatest 1 köbcentiméternyi anyaga kb. 20 négyzetméternyi hasznos felületnek felel meg. A katalizátorok gyártása során a monolit kerámia anyagra alumínium-oxidot visznek fel, amely hordozóanyagként funkcionál. Erre a hordozóra gőzöléses eljárással kerülnek fel a nemesfémek, gyakorlatilag egy rendkívül vékony füst-filmet képezve a kerámia anyagon. Ez alkotja a tulajdonképpeni katalitikus réteget. Rendkívül kis mennyiségről van szó, egy liter térfogatú kerámiában átlagosan mindössze 1.5 g nemesfém található. A platina az oxidációt, a palládium és a ródium a redukciót segíti elő.

   A katalizátorok működéséhez minimum 250 °C szükséges, de legideálisabb számukra a 400-800 °C közötti üzemi hőmérséklet. Ennél magasabb hőmérsékleti tartományban a katalizátor „elöregszik” és idő előtt tönkremegy, 1400 °C körül és afölött pedig megolvad, kiég.

 

A Hármas hatású katalizátor

Feladata

  A hármas hatású katalizátor feladata az, hogy a levegő-tüzelőanyag keverék égése során keletkező három károsanyagot, a szénhidrogéneket (HC), a szén-monoxidot (CO), és a nitrogén-oxidot (NOx) nem mérgező alkotóelemekké alakítsa át (konvertálja). Végtermékként vízgőz (H2O), szén-dioxid (CO2) és nitrogéngáz (N2) keletkezik.

  Működési mód

  A károsanyagok átalakítása (a kipufogó-gáz tisztítása) két fázisban történik: a szén-monoxid és a szénhidrogének oxidáció által átalakulnak. Az oxidációhoz szükséges oxigén vagy a tökéletlen égés által a kipufogógázban jelenlevő maradék oxigénként van jelen, vagy pedig a nitrogénoxidokból kerül kivonásra, melyek ilyen módon egyúttal redukálódnak.

  A károsanyagok koncentrációja a nyers kipufogógázban a beállított légviszonytól (lambda) függ. A szénhidrogének (HC) és a szén-monoxid (CO) átalakítási rátája a levegőmennyiség növekedésével folyamatosan nő. Ha a lambda=1, a károsanyag összetevők hányada már nagyon csekély. Nagyobb légviszony esetén (lambda>1) a károsanyagaok koncentrációja ezen az alacsony szinten marad.
A nitrogén-oxidok (NOx) átalakítása a dús tartományban (lambda<1) jó.  legalacsonyabb NOx-koncentráció a sztöchiometrikus üzemben (lambda=1) jön létre. Azonban az oxigénarány kismértékű emelkedése a kipufogógázban lambda>1 üzem esetén is akadályozza a nitrogénoxidok redukcióját és meredeken emeli azok koncentrációját.

  Annak érdekében, hogy a hármas hatású katalizátor konverziós rátája minden károsanyag-komponens számára minél jobb legyen, a károsanyagoknak kémiai egyensúlyban kell lenniük. Ez sztöchiometrikus arányban álló, lambda=1,0 értékű keverékösszetételt követel meg. Az "ablak" (lambda szabályozási tartomány), melyben a lambda levegő-tüzelőanyag aránynak lennie kell, nagyon szűk. Emiatt a keverék képzést egy lambda-szabályozási körben kell beállítani.


  Felépítés

  A katalizátor lemeztartály házból, hordozóból és az aktív katalitikus nemesfém bevonatból áll.


  Hordozó

  A hordozók terén általában kétféle rendszert alkalmaznak:


  Kerámia monolitok

  A kerámia monolitok több ezer kis csatornával behálózott kerámia testek. Ezeken áramlik át a kipufogógáz. A kerámia magas hőmérsékletnek ellenálló magnézium-alumínium szilikátból készül. A mechanikus feszültségre rendkívül érzékenyen reagáló monolit lemezházba van rögzítve. Erre a célra ásványi eredetű betéteket alkalmaznak, melyek az első felfűtéskor  maradandóan kitágulnak, és egyben biztosítják a gáztömítettséget. A kerámia monolitok jelenleg a leggyakrabban alkalmazott katalizátorhordozók.


  Fémes monolitok

  A kerámia monolit alternatívája a fémes monolit. Ez finoman hullámosra formázott, 0,05 mm vastag vékony fémfóliából van feltekercselve és magas hőmérsékletű eljárással van forrasztva. A vékony falakkal több csatornát lehet elhelyezni ugyanakkora felületen. Ez a megoldás kisebb áramlási ellenállást jelent a kipufogógáz számára, mely a nagyteljesítményű motorok teljesítmény-optimalizálásánál előnyöket jelent.


  Bevonat

  A kerámia és fémes monolitokat alumínium-oxid hordozóréteggel vonják be. Ez a réteg 7000-szeresére növeli
a katalizátor hatékony felületét. Az erre felhordott hatékony katalitikus bevonat oxidációs katalizátorok esetében olyan nemesfémeket tartalmaz, mint a platina és/vagy a palládium , a hármas hatású katalizátoroknál emellett még ródiumot is használnak. A platina és a palládium felgyorsítja a szénhidrogének és a szénmonoxid oxidációját, a ródium a nitrogénoxidok redukcióját.
   Az egy katalizátorban található nemesfémtartalom kb. 1...3 g. Ennek nagysága a motor hengerűrtartalmától függ.


  Üzemi körűlmények, üzemi hőmérséklet

  A katalizátor hőmérséklete a kipufogógáz tisztításakor nagyon fontos szerepet játszik. A károsanyagok említésre méltó átalakítása a hármas hatású katalizátornál csak 300C feletti üzemi hőmérsékleten kezdődik. Az ideális üzemi feltételek a magas konverziós ráta és a hosszú élettartam érdekében 400...800 C közötti hőmérsékleti tartományban vannak.
  A termikus öregedés a 800...1000 C közötti hőmérsékleten a nemesfémek szinterezése és az Al2O3 hordozóréteg miatt jelentősen felerősödik, ami az aktív felület csökkenéséhez vezet. Emelett az üzemidőnek is nagy jelentősége van ebben a hőmérsékleti tartományban. 1000 C felett a termikus öregedés nagyon erősen fokozódik és végül a katalizátor szinte teljes hatástalanságához vezet.

  A motor hibás működése következtében (pl. gyújtáskimaradás) a hőmérséklet a katalizátorban 1400 C-ra is emelkedhet. Az ilyen magas hőmérsékletek a katalizátort teljesen tönkretehetik a hordozóanyag megolvadása miatt. Ennek megakadályozása érdekében gyújtórendszernek kell rendkívül megbízhatóan és karbantartásmentesen működnie. A korszerű motorvezérlő rendszerek felismerik a gyújtás- és égéskimaradásokat. Adott esetben megakadályozzák az adott hengerbe a befecskendezést, így nem kerül elégetlen keverék a kipufogórendszerbe.

  Ólommentes tüzelőanyag

  A megbízható, hosszútávú üzemelés további feltétele a motor ólommentes tüzelőanyaggal való üzemeltetése. Az ólomvegyületek az aktív felület pórusaiban vagy közvetlenül azon rakódnak le, és csökkentik azok számát. Emellett a motorolaj maradványok is "megmérgezhetik" a katalizátort, vagyis működőképtelenné tehetik.

  Beszerelési hely

  A kipufogógázokra vonatkozó szigorú előírások speciális koncepciókat kívánnak a motor beindításakor. Ezek a koncepciók (pl. szekunder-levegő befúvás, gyújtási időpont elállítása "késői" irányba) meghatározzák a katalizátor beépítési helyét. A hármas hatású katalizátor tulajdonságai az üzemi hőmérsékletre vonatkozóan behatárolják a beszerelési lehetőségeket. A magas konverziós szinthez szükséges hőmérsékleti viszonyok miatt elkerülhetetlen a motor közelében való elhelyezés.

  A hármas határú katalizátornál lényegében megosztott elrendezés vált uralkodóvá, egy, a motorhoz közeli előkatalizátorral és egy főkatalizátorral (padlólemez alatt). A motorhoz közeli katalizátorok a magas hőmérsékleti stabilitást szolgáló bevonat optimalizálását kívánják meg, a főkatalizátorok számára az alacsony üzemkezdeti hőmérséklet ("low light off"), illetve a megfelelő NOx-átalakítás az elsődleges szempont ebben a tekintetben.
Emelett bizonyos koncepciók szerint egy katalizátor is elegendő, mely a motor közelébe van beépítve.

  Hatékonyság

  A kipufogógáz katalitikus utókezelése a hármas hatású katalizátor segítségével jelenleg a leghatékonyabb kipufogógáz-tisztítási eljárás a benzinmotoroknál, lambda=1 homogén keverékeloszlás esetén. Egyik alkotóeleme ennek a lambda-szabályozás, mely levegő-tüzelőanyag keverék összetételét felügyeli. A hármas hatású katalizátorral a szén-monoxid, a szénhidrogének és a nitrogén-oxidok károsanyag-kibocsátását homogén keverék-eloszlás és sztöchiometrikus keverék-összetétel esetén majdnem tökéletesen meg lehet akadályozni. Az ilyen ideális üzemi körülményeket azonban nem lehet mindig biztosítani. Ennek ellenére átlagosan 98%-os károsanyag-csökkentésből lehet kiindulni.