Katalizator - Catalytic converter

Katalizator jest spalin kontroli emisji urządzeniem przekształcającym toksyczne gazy i zanieczyszczeń w gazach spalinowych z silnika wewnętrznego spalania język mniej toksycznych zanieczyszczeń przez katalizowanie w redoks reakcji . Konwertery katalityczne są zwykle stosowane w silnikach spalinowych napędzanych benzyną lub olejem napędowym , w tym w silnikach o spalaniu ubogim, a czasami w podgrzewaczach i piecach naftowych .

Pierwsze powszechne wprowadzenie katalizatorów miało miejsce na rynku samochodowym Stanów Zjednoczonych . Przemysł motoryzacyjny został oskarżony o spisek przez amerykański Departament Sprawiedliwości za zmowę w celu wstrzymania technologii w latach 1953-1969, podczas gdy smog niszczył jakość powietrza w ośrodkach miejskich. Aby spełnić bardziej rygorystyczne przepisy Agencji Ochrony Środowiska USA dotyczące emisji spalin, większość pojazdów napędzanych benzyną począwszy od roku modelowego 1975 jest wyposażona w katalizatory. Te „dwukierunkowe” konwertery łączą tlen z tlenkiem węgla (CO) i niespalonymi węglowodorami (C _n H _n ) w celu wytworzenia dwutlenku węgla (CO ₂ ) i wody (H ₂ O). W 1981 r. dwukierunkowe konwertery katalityczne stały się przestarzałe przez konwertery „trójdrożne”, które również redukują tlenki azotu ( NO
x ); jednak konwertery dwukierunkowe są nadal używane w silnikach o spalaniu ubogim. Dzieje się tak, ponieważ konwertery trójdrożne wymagają spalania bogatego lub stechiometrycznego, aby skutecznie zredukować NO
x .

Chociaż katalizatory są najczęściej stosowane w układach wydechowych w samochodach, są również stosowane w generatorach elektrycznych , wózkach widłowych , sprzęcie górniczym, ciężarówkach , autobusach , lokomotywach , motocyklach i na statkach. Są nawet używane w niektórych piecach na drewno w celu kontroli emisji. Jest to zwykle odpowiedź na regulacje rządowe , albo poprzez bezpośrednie regulacje dotyczące ochrony środowiska, albo poprzez przepisy dotyczące zdrowia i bezpieczeństwa.

Historia

Prototypy katalizatorów zostały po raz pierwszy zaprojektowane we Francji pod koniec XIX wieku, kiedy na drogach jeździło zaledwie kilka tysięcy „samochodów naftowych”; Te prototypy miały obojętny materiał pokryty platyną, irydem i palladem, zamknięty w podwójnym metalowym cylindrze.

Kilkadziesiąt lat później katalizator został opatentowany przez Eugene'a Houdry'ego , francuskiego inżyniera mechanika i eksperta w dziedzinie katalitycznej rafinacji ropy naftowej, który w 1930 roku przeniósł się do Stanów Zjednoczonych. Kiedy opublikowano wyniki wczesnych badań nad smogiem w Los Angeles, Houdry stał się zaniepokojony rolą spalin kominowych i samochodowych w zanieczyszczaniu powietrza i założył firmę o nazwie Oxy-Catalyst. Houdry najpierw opracował katalizatory do kominów, zwane w skrócie „kotami”, a później opracował katalizatory do magazynowych wózków widłowych, które używały niskiej jakości bezołowiowej benzyny. W połowie lat 50. rozpoczął badania nad katalizatorami do silników benzynowych stosowanych w samochodach. Za swoją pracę otrzymał patent Stanów Zjednoczonych 2.742.437 .

Katalizatory były dalej rozwijane przez szereg inżynierów, w tym Carla D. Keitha , Johna J. Mooneya , Antonio Eleazara i Phillipa Messinę w Engelhard Corporation, tworząc pierwszy katalizator produkcyjny w 1973 roku.

Pierwsze powszechne wprowadzenie katalizatorów miało miejsce na rynku samochodowym Stanów Zjednoczonych. Aby zachować zgodność z nową regulacją emisji spalin Agencji Ochrony Środowiska USA , większość pojazdów napędzanych benzyną począwszy od roku modelowego 1975 jest wyposażona w katalizatory. Te „dwukierunkowe” konwertory łączyły tlen z tlenkiem węgla (CO) i niespalonymi węglowodorami (C _n H _n ) w celu wytworzenia dwutlenku węgla (CO ₂ ) i wody (H ₂ O). Te rygorystyczne przepisy dotyczące kontroli emisji wymusiły usunięcie środka przeciwstukowego, tetraetyloołowiu z benzyny samochodowej, w celu zmniejszenia zawartości ołowiu w powietrzu. Ołów jest trucizną katalizatora i skutecznie zniszczy katalizator, pokrywając powierzchnię katalizatora. Wymóg usuwania ołowiu pozwolił na zastosowanie katalizatorów, aby spełnić pozostałe normy emisji określone w przepisach.

William C. Pfefferle opracował katalityczną komorę spalania do turbin gazowych we wczesnych latach 70-tych, umożliwiając spalanie bez znaczącego powstawania tlenków azotu i tlenku węgla.

Budowa

Konstrukcja katalizatora jest następująca:

1. Nośnik katalizatora lub podłoże . W przypadku samochodowych konwertorów katalitycznych, rdzeń jest zwykle ceramiczny monolit , który ma strukturę komórkową (powszechnie kwadratowy, a nie sześciokątny). (Przed połową lat osiemdziesiątych materiał katalizatora osadzano na wypełnionym złożu granulek tlenku glinu we wczesnych zastosowaniach GM). Monolity z folii metalicznej wykonane z Kanthala (FeCrAl) są używane w zastosowaniach, w których wymagana jest szczególnie wysoka odporność na ciepło. Podłoże jest tak skonstruowane, aby uzyskać dużą powierzchnię . Kordieryt podłoże ceramiczne stosowane w większości katalizatorów został wynaleziony przez Rodney Bagley , Irwin Lachman i Ronald Lewis w Corning Szkła , dla których zostały one wpisany do Krajowego Wynalazców Hall of Fame w 2002 roku.
2. Płaszcz. Washcoat jest nośnikiem materiałów katalitycznych i służy do rozprowadzania materiałów na dużej powierzchni. Tlenek glinu , dwutlenek tytanu , dwutlenek krzemu lub mieszanina krzemionki i tlenku glinu może być używany. Materiały katalityczne są zawieszone w powłoce przed nałożeniem na rdzeń. Materiały Washcoat są dobierane tak, aby tworzyły chropowatą , nieregularną powierzchnię, co zwiększa pole powierzchni w porównaniu z gładką powierzchnią gołego podłoża.
3. Ceria lub Ceria -cyrkonia . Te tlenki są dodawane głównie jako promotory magazynowania tlenu.
4. Sam katalizator to najczęściej mieszanka metali szlachetnych , głównie z grupy platynowców . Platyna jest najbardziej aktywnym katalizatorem i jest szeroko stosowana, ale nie nadaje się do wszystkich zastosowań z powodu niepożądanych dodatkowych reakcji i wysokich kosztów. Pallad i rod to dwa inne stosowane metale szlachetne. Rod jest używany jako katalizator redukcji , pallad jest używany jako katalizator utleniania , a platyna jest używana zarówno do redukcji, jak i utleniania. Stosuje się również cer , żelazo , mangan i nikiel , chociaż każdy z nich ma swoje ograniczenia. Nikiel nie jest legalny do stosowania w Unii Europejskiej ze względu na jego reakcję z tlenkiem węgla w toksyczny tetrakarbonyl niklu . Miedź może być używana wszędzie z wyjątkiem Japonii .

W przypadku awarii katalizator można poddać recyklingowi na złom . W konwerterze wydobywane są metale szlachetne, w tym platyna, pallad i rod.

Umieszczenie katalizatorów

Do efektywnej pracy konwertery katalityczne wymagają temperatury 400 °C (752°F). Dlatego są one umieszczane jak najbliżej silnika, lub jeden lub więcej mniejszych katalizatorów (znanych jako „pre-cats”) umieszcza się bezpośrednio za kolektorem wydechowym.

Rodzaje

Dwukierunkowa

Dwukierunkowy (lub „utleniający”, czasami nazywany „oksykatem”) katalizator ma dwa jednoczesne zadania:

1. Utlenianie z tlenku węgla do ditlenku węgla : CO + 2 O ₂ → 2CO ₂
2. Utlenianie węglowodorów (niespalone i częściowo spalone paliwo) do dwutlenku węgla i wody : C _x H _2x+2 + [(3x+1)/2] O ₂ → x CO ₂ + (x+1) H ₂ O (spalanie reakcja)

Ten typ katalizatora jest szeroko stosowany w silnikach wysokoprężnych w celu zmniejszenia emisji węglowodorów i tlenku węgla. Były one również stosowane w silnikach benzynowych w samochodach na rynku amerykańskim i kanadyjskim do 1981 roku. Ze względu na niemożność kontrolowania tlenków azotu zostały zastąpione przez konwertery trójdrożne.

Trójdrożny

Katalizatory trójdrożne mają dodatkową zaletę kontrolowania emisji tlenku azotu (NO) i dwutlenku azotu (NO ₂ ) (oba razem w skrócie NO
x i nie mylić z podtlenkiem azotu (N ₂ O) ), które są prekursorami kwaśnych deszczy i smogu .

Od 1981 roku katalizatory „trójdrożne” (utlenianie-redukcja) są stosowane w układach kontroli emisji pojazdów w Stanach Zjednoczonych i Kanadzie; wiele innych krajów przyjęło również rygorystyczne przepisy dotyczące emisji spalin, które w efekcie wymagają trójdrożnych konwerterów w pojazdach napędzanych benzyną. Katalizatory redukcji i utleniania są zazwyczaj zawarte we wspólnej obudowie; jednak w niektórych przypadkach mogą być przechowywane oddzielnie. Katalizator trójdrożny ma trzy jednoczesne zadania:

Redukcja tlenków azotu do azotu (N ₂ )

• ${\ Displaystyle {\ tekst {C}} +2 {\ tekst {NIE}} _ {2} \ \ rightarrow \ {\ tekst {CO}} _ {2} +2 {\ tekst {NIE}}}$
• ${\ Displaystyle {\ tekst {CO}} + {\ tekst {NIE}} \ \ rightarrow \ {\ tekst {CO}} _ {2} + {\ Frac {1} {2}} \ tekst { N}}_{2}}$
• ${\ Displaystyle 2 {\ tekst {CO}} + {\ tekst {NIE}} _ {2} \ \ rightarrow \ 2 {\ tekst {CO}} _ {2} + {\ Frac {1} {2 }}{\text{N}}_{2}}$
• ${\ Displaystyle {\ tekst {H}} {2} + {\ tekst {NIE}} \ \ rightarrow \ {\ tekst {H}} {2} {\ tekst {O}} + {\ Frac {1}{2}}{\text{N}}_{2}}$

Utlenianie węgla, węglowodorów i tlenku węgla do dwutlenku węgla

• ${\displaystyle {\text{C}}+{\text{O}}_{2}\\rightarrow \{\text{CO}}_{2}}$
• ${\displaystyle {\text{CO}}+{\frac{1}{2}}{\text{O}}_{2}\\rightarrow \{\text{CO}}_{2}}$
• ${\ Displaystyle a \, {\ tekst {C}} _ ​​{x} {\ tekst {H}} _ {y} + b \, {\ tekst {O}}_ {2} \ \ rightarrow \, c \,{\text{CO}}_{2}+d\,{\text{H}}_{2}{\text{O}}\qquad a,\,b,\,c,\,d ,\,x,\,y\w \mathbb {Z} }$

Te trzy reakcje zachodzą najskuteczniej, gdy katalizator odbiera spaliny z silnika pracującego nieco powyżej punktu stechiometrycznego . W przypadku spalania benzyny stosunek ten wynosi od 14,6 do 14,8 części powietrza na jedną część paliwa, wagowo. Proporcje dla autogazu (lub gazu płynnego LPG), gazu ziemnego i paliw etanolowych mogą się znacznie różnić dla każdego z nich, szczególnie w przypadku paliw natlenianych lub na bazie alkoholu, przy czym e85 wymaga około 34% więcej paliwa, co wymaga zmodyfikowanego tuningu układu paliwowego i komponentów, gdy używając tych paliw. Na ogół silników z 3-drożne katalizatory są wyposażone w skomputeryzowany zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego wtrysku paliwa do systemu wykorzystując jedną lub więcej czujników tlenu , ale na początku rozmieszczenia trójfunkcyjne, gaźniki wyposażone w sterowanie mieszaniny sprzężenia użyto.

Konwertery trójdrożne są skuteczne, gdy silnik pracuje w wąskim zakresie stosunków powietrza do paliwa w pobliżu punktu stechiometrycznego, tak że skład spalin oscyluje między zawartością bogatą (nadmiar paliwa) a ubogą (nadmiar tlenu). Sprawność konwersji spada bardzo szybko, gdy silnik pracuje poza tym zakresem. Przy ubogiej pracy silnika spaliny zawierają nadmiar tlenu i redukcję NO
x nie jest faworyzowany. W bogatych warunkach nadmiar paliwa zużywa cały dostępny tlen przed katalizatorem, pozostawiając tylko tlen zmagazynowany w katalizatorze dostępny dla funkcji utleniania.

Układy sterowania silnikiem w pętli zamkniętej są niezbędne do efektywnego działania trójdrożnych katalizatorów ze względu na ciągłe równoważenie wymagane do skutecznego NO
x redukcja i utlenianie HC. System sterowania ma na celu zapobieganie NO
x katalizatora redukcji przed całkowitym utlenieniem, a jednocześnie uzupełnia materiał magazynujący tlen, tak aby zachowana była jego funkcja jako katalizatora utleniania.

Trójdrożne konwertery katalityczne mogą magazynować tlen ze strumienia spalin, zwykle gdy stosunek powietrza do paliwa spada. Gdy ze strumienia spalin nie ma wystarczającej ilości tlenu, zmagazynowany tlen jest uwalniany i zużywany (patrz tlenek ceru(IV) ) . Brak wystarczającej ilości tlenu występuje zarówno w przypadku tlenu pochodzącego z NO
x redukcja jest niedostępna lub gdy pewne manewry, takie jak gwałtowne przyspieszanie, wzbogacają mieszankę poza zdolność konwertera do dostarczania tlenu.

Niepożądane reakcje

Niepożądane reakcje powodują powstawanie siarkowodoru i amoniaku , które zatruwają katalizatory. Czasami do podkładu dodaje się nikiel lub mangan w celu ograniczenia emisji siarkowodoru. Paliwa bezsiarkowe lub o niskiej zawartości siarki eliminują lub minimalizują problemy z siarkowodorem.

Silniki Diesla

W przypadku silników wysokoprężnych (tj. Diesla ) najczęściej stosowanym katalizatorem jest katalizator utleniający (DOC). DOC zawierają pallad i/lub platynę opartą na tlenku glinu . Katalizator ten przekształca cząstki stałe (PM), węglowodory i tlenek węgla w dwutlenek węgla i wodę. Przetwornice te często działają z 90-procentową wydajnością, praktycznie eliminując zapach oleju napędowego i pomagając zredukować widoczne cząstki stałe. Katalizatory te są nieskuteczne dla NO
x , więc NIE
x emisje z silników Diesla są kontrolowane przez recyrkulację spalin (EGR).

W 2010 r. większość producentów lekkich silników wysokoprężnych w USA dodała do swoich pojazdów systemy katalityczne, aby spełnić federalne wymagania dotyczące emisji. Opracowano dwie techniki katalitycznej redukcji NO
x emisje w warunkach ubogich spalin, selektywna redukcja katalityczna (SCR) i NO
x adsorber .

Zamiast NO zawierającego metale szlachetne
x absorbery, większość producentów wybrała systemy SCR z metali nieszlachetnych, które wykorzystują odczynnik, taki jak amoniak, w celu zmniejszenia NO
x na azot i wodę. Amoniak dostarczany jest do układu katalitycznego poprzez wtrysk mocznika do spalin, który następnie ulega rozkładowi termicznemu i hydrolizie do amoniaku. Roztwór mocznika jest również nazywany płynem wydechowym silnika Diesla (DEF).

Spaliny Diesla zawierają stosunkowo duże ilości cząstek stałych. Konwertery katalityczne usuwają tylko 20-40% PM, dzięki czemu cząstki są usuwane przez wychwytywacz sadzy lub filtr cząstek stałych (DPF). W Stanach Zjednoczonych wszystkie lekkie, średnie i ciężkie pojazdy z silnikami wysokoprężnymi wyprodukowane po 1 stycznia 2007 r. podlegają ograniczeniom emisji cząstek stałych, dlatego są wyposażone w dwukierunkowy katalizator i filtr cząstek stałych w silnikach wysokoprężnych. . Dopóki silnik został wyprodukowany przed 1 stycznia 2007, pojazd nie musi posiadać systemu DPF. Doprowadziło to do zwiększenia zapasów przez producentów silników pod koniec 2006 r., dzięki czemu mogli kontynuować sprzedaż pojazdów przed filtrem DPF do 2007 r.

Silniki z zapłonem iskrowym ubogim w spalanie

W przypadku silników o zapłonie iskrowym na ubogą mieszankę katalizator utleniający stosuje się w taki sam sposób, jak w silniku wysokoprężnym. Emisje z silników z zapłonem iskrowym o spalaniu ubogim są bardzo podobne do emisji z silnika wysokoprężnego o zapłonie samoczynnym.

Instalacja

Wiele pojazdów posiada blisko sprzężony katalizator umieszczony w pobliżu kolektora wydechowego silnika . Konwerter szybko się nagrzewa, ze względu na kontakt z bardzo gorącymi spalinami, co pozwala na redukcję niepożądanych emisji w okresie rozgrzewania silnika. Osiąga się to poprzez spalenie nadmiaru węglowodorów, które powstają w bardzo bogatej mieszance wymaganej do zimnego rozruchu.

Kiedy po raz pierwszy wprowadzono katalizatory, większość pojazdów używała gaźników, które zapewniały stosunkowo bogaty stosunek powietrza do paliwa . Poziomy tlenu (O ₂ ) w strumieniu spalin były zatem ogólnie niewystarczające, aby reakcja katalityczna przebiegała wydajnie. Większość ówczesnych projektów obejmowała zatem wtrysk powietrza wtórnego , który wstrzykiwał powietrze do strumienia spalin. Zwiększyło to dostępny tlen, umożliwiając katalizatorowi działanie zgodnie z przeznaczeniem.

Niektóre trójdrożne układy katalizatorów mają układy wtrysku powietrza z powietrzem wtryskiwanym między pierwszym ( NO
x redukcji) i drugiego stopnia (utlenianie HC i CO) konwertora. Podobnie jak w konwertorach dwukierunkowych, to wtryskiwane powietrze dostarcza tlen do reakcji utleniania. Czasami występuje również punkt wtrysku powietrza przed katalizatorem, który dostarcza dodatkowy tlen tylko w okresie rozgrzewania silnika. Powoduje to zapłon niespalonego paliwa w układzie wydechowym, co w ogóle uniemożliwia jego dotarcie do katalizatora. Ta technika skraca czas pracy silnika potrzebny do osiągnięcia przez katalizator temperatury „wyłączenia” lub temperatury roboczej .

Większość nowszych pojazdów ma elektroniczne układy wtrysku paliwa i nie wymagają układów wtrysku powietrza w układach wydechowych. Zamiast tego zapewniają precyzyjnie kontrolowaną mieszankę paliwowo-powietrzną, która szybko i nieprzerwanie przechodzi od spalania ubogiego do bogatego. Czujniki tlenu monitorują zawartość tlenu w spalinach przed i za katalizatorem, a sterownik silnika wykorzystuje te informacje do regulacji wtrysku paliwa, aby zapobiec pierwszemu ( NIE
x redukcji) przed ładowaniem tlenu, przy jednoczesnym zapewnieniu, że drugi katalizator (utlenianie HC i CO) jest wystarczająco nasycony tlenem.

Szkoda

Zatrucie katalizatora występuje, gdy katalizator jest wystawiony na działanie substancji zawierających spaliny, które pokrywają powierzchnie robocze, tak że nie mogą się one kontaktować i reagować ze spalinami. Najbardziej zauważalnym zanieczyszczeniem jest ołów , więc pojazdy wyposażone w katalizatory mogą być napędzane wyłącznie paliwem bezołowiowym . Inne powszechne trucizny katalizatorów to siarka , mangan (pochodzący głównie z dodatku do benzyny MMT ) i krzem , które mogą dostać się do strumienia spalin, jeśli silnik ma wyciek, który umożliwia przedostanie się chłodziwa do komory spalania. Fosfor to kolejne zanieczyszczenie katalizatora. Chociaż fosfor nie jest już używany w benzynie, to (oraz cynk , inne zanieczyszczenie katalizatora o niskim poziomie) był szeroko stosowany w dodatkach przeciwzużyciowych do olejów silnikowych, takich jak ditiofosforan cynku (ZDDP). Od 2004 roku w specyfikacjach API SM i ILSAC GF-4 przyjęto limit stężenia fosforu w olejach silnikowych .

W zależności od zanieczyszczenia, zatrucie katalizatora można czasem odwrócić, uruchamiając silnik pod bardzo dużym obciążeniem przez dłuższy czas. Podwyższona temperatura spalin może czasami odparować lub sublimować zanieczyszczenia, usuwając je z powierzchni katalitycznej. Jednak usuwanie osadów ołowiu w ten sposób zwykle nie jest możliwe ze względu na wysoką temperaturę wrzenia ołowiu.

Wszelkie warunki, które powodują, że do konwertera docierają nienormalnie wysokie poziomy niespalonych węglowodorów (surowe lub częściowo spalone paliwo lub oleje), będą miały tendencję do znacznego podwyższenia jego temperatury, co niesie ryzyko stopienia substratu i wynikającej z tego katalitycznej dezaktywacji i poważnego ograniczenia emisji spalin. Warunki te obejmują awarię elementów poprzedzających układu wydechowego (zespół kolektora/zespołu kolektora i powiązane zaciski podatne na rdzę/korozję i/lub zmęczenie, np. odpryski kolektora wydechowego po wielokrotnych cyklach cieplnych), układ zapłonowy, np. pakiety cewek i/lub zapłon pierwotny elementy (np. korek rozdzielacza, przewody, cewka zapłonowa i świece zapłonowe) i/lub uszkodzone elementy układu paliwowego (wtryskiwacze paliwa, regulator ciśnienia paliwa i powiązane czujniki). Wycieki oleju i/lub chłodziwa, być może spowodowane nieszczelnością uszczelki głowicy, mogą również powodować wysoką zawartość niespalonych węglowodorów.

Przepisy prawne

Przepisy dotyczące emisji różnią się znacznie w zależności od jurysdykcji. Większość samochodowych silników o zapłonie iskrowym w Ameryce Północnej jest wyposażona w katalizatory od 1975 r., a technologia wykorzystywana w zastosowaniach innych niż motoryzacyjne jest zasadniczo oparta na technologii motoryzacyjnej. W wielu jurysdykcjach nielegalne jest usuwanie lub wyłączanie katalizatora z jakiegokolwiek powodu innego niż jego bezpośrednia i natychmiastowa wymiana. Niemniej jednak niektórzy właściciele pojazdów usuwają lub „wypatroszają” katalizator w swoim pojeździe. W takich przypadkach konwerter można zastąpić wspawanym odcinkiem zwykłej rury lub kołnierzowym „rurką testową”, rzekomo mającą na celu sprawdzenie, czy konwerter jest zatkany, porównując pracę silnika z konwerterem i bez niego. Ułatwia to tymczasową ponowną instalację konwertera w celu przejścia testu emisji.

W Stanach Zjednoczonych usunięcie konwertera z pojazdu lub spowodowanie usunięcia konwertera z pojazdu przez warsztat samochodowy stanowi naruszenie sekcji 203(a)(3)(A) zmienionej ustawy o czystym powietrzu z 1990 roku. pojazd, z wyjątkiem wymiany na inny konwerter, a sekcja 203(a)(3)(B) zabrania jakiejkolwiek osobie sprzedaży lub instalacji jakiejkolwiek części, która mogłaby obejść, ominąć lub uniemożliwić działanie jakiegokolwiek systemu kontroli emisji , urządzenie lub element projektu. Pojazdy bez sprawnych katalizatorów generalnie nie przechodzą kontroli emisji. W Automotive Aftermarket materiały high-flow konwerterów dla pojazdów z silnikami modernizowanych lub których właściciele wolą układ wydechowy z większej niż magazynowych pojemności.

Wpływ na przepływ spalin

Wadliwe katalizatory, a także nieuszkodzone wczesne typy katalizatorów mogą ograniczać przepływ spalin, co negatywnie wpływa na osiągi pojazdu i oszczędność paliwa. Nowoczesne katalizatory nie ograniczają znacząco przepływu spalin. Na przykład w 2006 roku test Hondy Civic z 1999 roku wykazał, że usunięcie fabrycznego katalizatora dało tylko 3% wzrost maksymalnej mocy; nowy konwerter z metalowym rdzeniem kosztował samochód tylko 1% mocy w porównaniu do braku konwertera.

Niebezpieczeństwa

Gaźniki w pojazdach sprzed 1981 roku bez sprzężenia zwrotnego sterowania mieszanką paliwowo-powietrzną mogą z łatwością dostarczać zbyt dużo paliwa do silnika, co mogłoby spowodować przegrzanie katalizatora i potencjalnie zapłon materiałów palnych pod samochodem.

Okres rozgrzewki

Pojazdy wyposażone w katalizatory emitują większość swojego całkowitego zanieczyszczenia podczas pierwszych pięciu minut pracy silnika; na przykład, zanim katalizator rozgrzeje się wystarczająco, aby był w pełni skuteczny.

Na początku lat 2000 powszechne stało się umieszczanie katalizatora tuż obok kolektora wydechowego, blisko silnika, w celu znacznie szybszego rozgrzania. W 1995 roku Alpina wprowadziła podgrzewany elektrycznie katalizator. Nazywany „E-KAT”, był używany w Alpina B12 5,7 E-KAT opartym na BMW 750i . Cewki grzejne wewnątrz zespołów katalizatora są elektryzowane tuż po uruchomieniu silnika, co bardzo szybko doprowadza katalizator do temperatury roboczej, aby zakwalifikować pojazd do oznaczenia pojazdu niskoemisyjnego (LEV). BMW później wprowadziło ten sam podgrzewany katalizator, opracowany wspólnie przez Emitec, Alpinę i BMW, w swoim 750i w 1999 roku.

Niektóre pojazdy zawierają pre-cat, mały katalizator przed głównym katalizatorem, który nagrzewa się szybciej podczas rozruchu pojazdu, zmniejszając emisje związane z zimnym rozruchem. Pre-cat jest najczęściej używany przez producentów samochodów podczas próby uzyskania oceny Ultra Low Emissions Vehicle (ULEV), na przykład w Toyocie MR2 Roadster.

Wpływ środowiska

Konwertery katalityczne okazały się niezawodne i skuteczne w ograniczaniu szkodliwych emisji z rury wydechowej. Jednak mają również pewne niedociągnięcia w użytkowaniu, a także negatywny wpływ na środowisko podczas produkcji:

• Silnik wyposażony w katalizator trójdrożny musi pracować w punkcie stechiometrycznym , co oznacza zużycie większej ilości paliwa niż w silniku o spalaniu ubogim. Oznacza to około 10% więcej emisji CO ₂ z pojazdu.
• Produkcja katalizatorów wymaga palladu lub platyny ; część światowych dostaw tych metali szlachetnych jest produkowana w pobliżu Norylska w Rosji , gdzie przemysł (m.in.) spowodował, że Norylsk został wpisany na listę najbardziej zanieczyszczonych miejsc magazynu Time .
• Ekstremalne ciepło samych konwerterów może spowodować pożary , szczególnie na suchych obszarach.

Kradzież

Ze względu na zewnętrzne położenie oraz wykorzystanie cennych metali szlachetnych, w tym platyny , palladu i rodu , katalizatory są celem złodziei. Problem jest szczególnie powszechny w przypadku późnych modeli samochodów ciężarowych i SUV-ów, ze względu na duży prześwit i łatwe do usunięcia przykręcane katalizatory. Konwertery spawane są również zagrożone kradzieżą, ponieważ można je łatwo odciąć. Obcinaki do rur są często używane do cichego wyjmowania konwertera, ale inne narzędzia, takie jak przenośna piła szablasta, mogą uszkodzić inne elementy samochodu, takie jak alternator, okablowanie lub przewody paliwowe, z potencjalnie niebezpiecznymi konsekwencjami. Rosnące ceny metali w USA podczas boomu towarowego w 2000 roku doprowadziły do ​​znacznego wzrostu kradzieży konwerterów. Wymiana katalizatora może kosztować ponad 1000 USD, więcej, jeśli pojazd zostanie uszkodzony podczas kradzieży.

W latach 2019-2020 złodzieje w Wielkiej Brytanii atakowali starsze modele samochodów hybrydowych, które mają więcej metali szlachetnych niż nowsze pojazdy – czasami warte więcej niż wartość samochodu – co prowadziło do niedoborów i długich opóźnień w ich wymianie.

W 2021 r. w Demokratycznej Republice Konga pojawił się trend, w którym skradziono katalizatory do produkcji narkotyków.

Diagnostyka

Różne jurysdykcje wymagają obecnie diagnostyki pokładowej w celu monitorowania działania i stanu układu kontroli emisji, w tym katalizatora. Pojazdy wyposażone w systemy diagnostyczne OBD-II są zaprojektowane tak, aby ostrzegać kierowcę o stanie przerw zapłonu poprzez zapalenie kontrolki „check engine” na desce rozdzielczej lub jej miganie, jeśli obecne warunki przerw zapłonu są na tyle poważne, że mogą uszkodzić katalizator.

Systemy diagnostyki pokładowej przybierają różne formy.

Czujniki temperatury służą do dwóch celów. Pierwszym z nich jest system ostrzegawczy, zwykle stosowany w dwukierunkowych katalizatorach, które są czasami stosowane w wózkach widłowych LPG. Funkcją czujnika jest ostrzeganie o temperaturze katalizatora powyżej bezpiecznej granicy 750 °C (1380 °F). Nowoczesne konstrukcje konwerterów katalitycznych nie są tak podatne na uszkodzenia termiczne i wytrzymują długotrwałe temperatury 900°C (1650 °F). Czujniki temperatury są również wykorzystywane do monitorowania działania katalizatora: zwykle instalowane są dwa czujniki, jeden przed katalizatorem, a drugi po, aby monitorować wzrost temperatury na rdzeniu katalizatora.

Czujnika tlenu jest podstawą z zamkniętej pętli systemu sterowania na bogatych spalania silnika z zapłonem iskrowym; jednak służy również do diagnostyki. W przypadku pojazdów z OBD II , drugi czujnik tlenu zamontowany po katalizatorze do monitorowania Õ ₂ poziomy. W O _dwa poziomy są monitorowane w celu kontroli efektywności procesu spalania. Komputer pokładowy dokonuje porównań między odczytami dwóch czujników. Odczyty dokonywane są poprzez pomiary napięcia. Jeżeli oba czujniki pokazują taki sam efekt albo tylny O ₂ jest „przełączania”, komputer wykrywa, że katalizator albo nie działa albo została usunięta, i będzie działać lampka kontrolna awarii i wpływają na osiągi silnika. Opracowano proste „symulatory czujnika tlenu”, aby obejść ten problem, symulując zmianę w katalizatorze za pomocą planów i wstępnie zmontowanych urządzeń dostępnych w Internecie. Chociaż nie są one legalne do użytku na drogach, były używane z mieszanymi wynikami. Podobne urządzenia stosują przesunięcie sygnałów z czujników, dzięki czemu silnik może pracować na bardziej oszczędnym spalaniu ubogim, co może jednak spowodować uszkodzenie silnika lub katalizatora.

NIE
x czujniki są bardzo drogie i zwykle są używane tylko wtedy, gdy silnik wysokoprężny jest wyposażony w konwerter selektywnej redukcji katalitycznej (SCR) lub NO
x absorber w systemie sprzężenia zwrotnego. Po zamontowaniu w systemie SCR może być jeden lub dwa czujniki. Po zamontowaniu jednego czujnika będzie on katalizatorem wstępnym; po zamontowaniu dwóch, drugi będzie katalizatorem za katalizatorem. Są używane z tych samych powodów iw taki sam sposób jak czujnik tlenu; jedyną różnicą jest monitorowana substancja.

Zobacz też

• Grzałka katalityczna
• Tlenek ceru(III)
• NIE
  x adsorber
• Modelowanie dyspersji powietrza na jezdni

Bibliografia

Dalsza lektura

• Keith, CD i in. Patent US 3441381 : „Urządzenie do oczyszczania gazów spalinowych silnika spalinowego”. 29 kwietnia 1969
• Lachman, IM i in. Patent US 3 885 977 : „Anizotropowy monolit kordierytu” (podłoże ceramiczne). 5 listopada 1973
• Charlesa H. Baileya. Patent US 4 094 645 : „Połączony tłumik i katalizator o niskim przeciwciśnieniu”. 13 czerwca 1978
• Charlesa H. Baileya. Patent USA 4,250,146 : „„Bezkorpusowy monolityczny konwerter katalityczny”. 10 lutego 1981
• Srinivasan Gopalakrishnan. GB 2397782  : „Proces i syntezator do inżynierii molekularnej materiałów”. 13 marca 2002 .

Zewnętrzne linki

• Katalizator w HowStuffWorks
• Zastosowania motoryzacyjne wysokotemperaturowej wełny izolacyjnej
• Zdjęcia katalizatorów
• Informacje dotyczące recyklingu katalizatora
• Raporty policyjne wskazują na kradzież samochodowych katalizatorów w różnych częściach USA na Wikinews