Katalyzátor (auto)

Z Wikipédie

Katalyzátor je technické zariadenie vo výfukovom systéme spaľovacieho motora, ktorého úlohou je upraviť zloženie výfukových plynov do neho vstupujúcich tak, aby na výstupe obsahovali menší (najlepšie nulový) podiel škodlivých zložiek - exhalátov, alebo emisií.

Katalyzátor pri svojej činnosti využíva prítomnosť látky - katalyzátora, ktorý sa počas chemickej reakcie nemení, ale významne ovplyvňuje jej rýchlosť. Odtiaľ bolo odvodené jeho meno. Ako katalyzačná látka sa obvykle používa platina.

Katalyzátor je väčšinou konštruovaný ako keramické teleso valcového tvaru s množstvom malých kanálikov, s povrchom obsahujúcim katalyzačnú látku. Takéto riešenie zabezpečuje čo najväčšiu pracovnú plochu, pri minimálnych rozmeroch. Zvolený materiál zároveň umožňuje dosahovať a udržať vysokú pracovnú teplotu.

Prvé vozidlá vybavené katalyzátormi prišli na trh v roku 1975.

Obsah 1 Zloženie spalín 2 Rozdelenie 3 Trojcestný katalyzátor 4 Oxidačný katalyzátor 5 Redukčný katalyzátor 6 Prevádzkové podmienky 7 Referencie

[úprava] Zloženie spalín

Zloženie spalín závisí od toho, s akým prebytkom vzduchu, ako dokonale a ako rýchlo spaľovanie prebehlo.

1. V prípade, ak spaľovanie uhľovodíkového paliva prebieha pri stechiometrickom pomere (z makroskopického aj mikroskopického hľadiska) a dostatočne pomaly, teoreticky nevzniknú škodliviny, iba čisté produkty spaľovania oxid uhličitý a voda.
2. Ak spaľovanie síce prebehne pri stechiometrickom pomere, ale rýchlo, výfukové spaliny nie sú v rovnovážnom stave a obsahujú nedokonalé produkty spaľovania. Ak by však mali dostatočný čas a teplotu na pokračovanie spaľovania ich zloženie by sa priblížilo k produktom dokonalého spaľovania.
3. Ak spaľovanie prebieha pri nestechiometrickom pomere vzniká prevaha buď látok ktoré treba redukovať odstránením kyslíka, alebo naopak oxidovať pridaním kyslíka.

[úprava] Rozdelenie

Podľa reakcií v katalyzátore prebiehajúcich sa delia na:

• trojcestné,
• oxidačné,
• redukčné.

[úprava] Trojcestný katalyzátor

Trojcestný katalyzátor využíva na svoju činnosť vyššie uvedený fakt, že spaliny, ktoré sú produktom spaľovania pri stechiometrickom pomere sú len dočasne v nerovnovážnom stave. Na svojom katalytickom povrchu pri dostatočnej teplote umožní vzájomnú reakciu oxidantov NO_x a redukčných činidiel CH_x a CO, ktoré sú vo vhodnom pomere, aby vzájomne reagovali za vzniku N₂, H₂O a CO₂.

Trojcestný katalyzátor sa používa pre zážihové motory ktoré spĺňajú základné podmienky:

• regulujú sa množstvom zmesi a teda pracujú so súčiniteľom prebytku vzduchu λ = 1
• pracujú s homogénnou zmesou vytvorenou ľahkoodpariteľným palivom a teda potrebný súčiniteľ prebytku vzduchu je možné dodržať aj na mikroúrovni.

Zároveň je nevyhnutnou podmienkou vybavenie motora λ-sondou. Pri jej nesprávnej funkčnosti, prestáva byť katalyzátor účinný a hrozí jeho úplné zničenie.

[úprava] Oxidačný katalyzátor

Oxidačný katalyzátor sa používa pre vznetové motory, ktoré síce pracujú s vysokým prebytkom vzduchu, ale pri ich mechanizme spaľovania dochádza mikroskopicky k spaľovaniu veľmi bohatej zmesi, pretože kvapôčky rozprášeného paliva môžu byť priveľké. Katalyzátor je určený na redukciu škodlivín CH_x a CO. Pri vysokej teplote katalyzátora dochádza k dodatočnému spaľovaniu pevných častíc vo výfukových plynoch v prebytkovom kyslíku, ktorý vždy obsahujú. Spaľovaním sa zmenšuje veľkosť častíc, prípadne mikročastice zhoria úplne (1).

[úprava] Redukčný katalyzátor

Katalyzátor pre redukciu NO_x (známy aj pod označením DENO_x) zatiaľ nie je pripravený pre sériové využitie aj keď sa intenzívne pracuje na jeho vývoji. Podľa princípu možno rozdeliť katalyzátory na dva typy (2):

1. so selektívnou katalytickou redukciou (SCR), ktorý je schopný znižovať iba emisie NO_x
   • vysoká účinnosť premeny nad 90 %
   • pre stacionárne aplikácie sú už vyvinuté a úspešne používané
   • vysoká cena
   • vstrekovanie redukčných činidiel do výfukových plynov (amoniak, močovina) pred katalyzátor
   • je potrebá regulácia dynamického dávkovania činidiel
   • je nevyhnutný prídavný oxidačný katalyzátor pre redukciu pevných častíc
2. s neselektívnou katalytickou redukciou (NCR)
   • nízka cena
   • využitie CH_x a CO ako redukčných činidiel
   • je možná súčasná oxidácia pevných častíc, CH_x a CO
   • nízka účinnosť premeny
   • potrebná úprava motorov a prevádzkových podmienok tak, aby dochádzalo k vyšším emisiám CH_x a CO (redukčné činidlá), bez nutnosti vstrekovať uhľovodíky do spalín pred katalyzátorom, čo má za následok zvyšovanie spotreby paliva.

[úprava] Prevádzkové podmienky

Optimálna teplota katalyzátora pre palivá s bežným obsahom síry je okolo 400 °C. Pri nízkych teplotách má katalyzátor nízku účinnosť, pri teplotách nad 400 °C sa začínajú tvoriť sulfáty, zvyšujúce emisie. Pri nízkosírových palivách je možné prejsť na vyššie teploty katalyzátorov zaručujúce ich vyššiu účinnosť.

Skrátenie doby nábehu katalyzátora na pracovnú teplotu sa môže dosiahnuť niekoľkými spôsobmi:

• elektrickým ohrievaním katalyzátora,
• použitím dvoch katalyzátorov (menšieho - štartovacieho a väčšieho - prevádzkového). Štartovací katalyzátor je umiestnený blízko pri motore, kde sa rýchlo zohreje od vysokej teploty výfukových plynov, a keď prevádzkový katalyzátor dosiahne potrebnú teplotu, štartovací katalyzátor sa odpojí, aby sa nezničil pri vysokých zaťaženiach.

[úprava] Referencie

(1) Zelenka P., Kriegler W., Herzog P.L., Cartellieri W.P. : Ways Toward the Clean Heavy-Duty Diesel. SAE paper 900602. International Congress and Exposition, Feb.1990.(in) Diesel Particulate Emissions: Measurement Techniques, Fuel Effects and Control Technology PT-42, (ed.) Johnson J.H., SAE,Inc Warrendale,PA USA,1992.

(2) Zelenka P., Burgler L., Herzog P.L., Winklhofer E., Cartellieri W.P. : NOx Reduction Strategies for DI Diesel Engines. SAE paper 920470. International Congress and Exposition, Feb.1992.(in) Diesel Particulate Emissions: Measurement Techniques, Fuel Effects and Control Technology PT-42, (ed.) Johnson J.H., SAE,Inc Warrendale,PA USA,1992.