Convertoarele catalitice, pe scurt catalizatoarele, au fost introduse în industria automobilelor pe la mijlocul anilor 1970. De atunci şi până astăzi tehnologia de fabricaţie şi performanţele acestora s-au îmbunătăţit continuu. În cazul motoarelor pe benzină, catalizatorul reprezintă sistemul principal de reducere a emisiilor poluante.
Rolul catalizatorului este de a modifica conţinutul de substanţe chimice din gazele de evacuare, prin transformarea elementelor poluante (HC, CO şi NOx), nocive mediului înconjurător, în substanţe sigure, neutre. Transformările chimice din catalizator se realizează cu ajutorul unormetale nobile cu ar fi platină (Pt), paladiu (Pd) sau rodiu (Rh).
Reacţiile chimice care au loc într-un catalizator:
Hidrocarburi (HC) + Oxigen (02) => Dioxid de carbon (CO2) + Vapori de apă (H2O)
Monoxid de carbon (CO) + Oxigen (O2) => Dioxid de carbon (CO2)
Oxid de azot (NO) + Hidrogen (H2) => Azot (N2) + Vapori de apă (H2O)
Catalizatorul reprezintă sistemul principal de reducere a emisiilor poluante. Procentul de transformare a emisiilor poluante în emisii neutre se numeşte eficienţa conversiei. Eficienţa transformărilor din catalizator este optimă la temperaturi înalte. Punctul la care eficienţa catalizatorului depăşeşte valoarea de 50% se numeşte punctul de „aprindere al catalizatorului”. Pentru majoritatea catalizatoarelor punctul de aprindere se situează în jurul temperaturii de 250…300 °C.
Din acest motiv este important ca temperatura catalizatorului să atingă valoarea optimă de funcţionare (400…800 °C) cât mai repede după pornirea motorului. Poziţionarea catalizatorului cât mai aproape de motor, pe galeria de evacuare, va facilita încălzirea mai rapidă a acestuia. Catalizatorul modifică conţinutul de substanţe chimice din gazele de evacuare, prin transformarea elementelor poluante (HC, CO si NOx), nocive mediului înconjurător, în substanţe sigure, neutre. Pentru a atinge temperatura optimă de funcţionare unele catalizatoare sunt prevăzute cu rezistenţe de încălzire amplasate înaintea monolitului metalic. Astfel, în momentul pornirii, rezistenţa electrică este alimentată cu curent electric şi produce căldură. Gazele arse preiau căldura emanată de rezistenţa de încălzire şi intră în catalizator accelerând procesul de încălzire.
PĂRŢILE COMPONENTE ALE UNUI CATALIZATOR CU SISTEM DE ÎNCĂLZIRE:
1. înveliş metalic exterior 2. conector electric 3. disc de încălzire (rezistentă electrică) 4. pini de fixare 5.carcasă metalică 6. pini de reţinere 7. înveliş metalic interior 8. catalizator (monolit metalic)
Catalizatorul pe trei căi acţionează asupra tuturor elementelor poluante ale unui motor pe benzină. Acesta combină două reacţii de oxidare, pentru conversia HC si CO, plus o reacţie de reducere, pentru conversia NOx. Reacţiile de oxidare si reducere au loc doar în prezenţa oxigenului şi sunt accelerate de metalele nobile (Pt, Pd, sau Rh).
Eficienţa maximă a catalizatorului este obţinută atunci când motorul funcţionează cu amestec stoichiometric (λ = 1.0). Din acest motiv toate motoarele pe benzină cu catalizator necesită un sistem de control în buclă închisă cu sondă lambda pentru amestecul aercombustibil.
Catalizator pe trei căi cu sondă lambda. Părţi componente:
1.sondă lambda 2. monolit ceramic 3.ecran metalic flexibil de protecţie 4.start termoizolant
Monolitul ceramic conţine o multitudine de canale longitudinale prin care curg gazele de evacuare.
Acesta este rezistent la temperaturi foarte înalte fiind produs din silicat de magneziu şi aluminiu.
Monolitul este înfăşurat într-un strat de protecţie care se dilată la creşterea temperaturii şi ajută la fixarea acestuia în carcasa metalică. De asemenea, stratul de protecţie are şi rol de etanşare, împiedicând gazele de evacuare să curgă pe lângă catalizator.
Există şi catalizatoare cu monolit metalic, fabricat din mai multe straturi metalice subţiri (foi) de aproximativ 0.03…0.05 mm grosime.
Acestea sunt înfăşurate într-un mod special şi fixate prin sudare. Datorită grosimii reduse a foilor metalice, comparativ cu monolitul ceramic, monolitul metalic poate conţine mai multe canale de curgere pentru gazelor de evacuare. Astfel se reduce si rezistenţa la curgere a gazelor, ceea ce reprezintă un avantaj din punct de vedere al performantelor motorului. Acest tip de catalizatoare se utilizează cu precădere la motoarele de performantă.
Monolitul ceramic este acoperit cu un strat din oxid de aluminiu (Al2O3) cu suprafaţa neregulată. Rolul acestui strat este de a mări suprafaţa de contact cu gazele de evacuare de aproximativ 7000 de ori. Acest strat conţine şi metalele nobile, platina si/sau paladiu şi rodiu. Platină si paladiul accelerează procesul de oxidare al hidrocarburilor si a monoxidului de carbon în timp ce rodiul accelerează procesul de reducere al monoxidului de azot. Masa de metale nobile dintr-un catalizator se situează în jurul valorii de 1…5 g si variază în funcţie de cilindreea motorului şi a normelor de emisii poluante care trebuiesc îndeplinite.
CATALIZATORUL PE TREI CĂI Parti componente:
- monolit ceramic
- strat din oxid de aluminiu
- metale nobile
Catalizatorul poate fi deteriorat sau chiar distrus dacă funcţionează la temperaturi excesive.
Temperaturile foarte înalte pe galeria de evacuare sunt cauzate de amestecul aer-combustibil nears care se aprinde în catalizator. Arderea amestecului aer-combustibil în catalizator poate ridica temperatura acestuia până la valori de 1400 °C.
Expunerea catalizatorului la temperaturi ridicate are influentă şi asupra eficienţei acestuia. Dacă temperatura în catalizator depăşeşte valoarea de aproximativ 1000 °C acesta se deteriorează ireversibil si în timp, după expuneri multiple, nu mai realizează conversia emisiilor poluante.
Catalizatorul se mai poate deteriora şi datorită contaminării cu substanţe chimice. Cele mai comune substanţe care pot contamina catalizatorul sunt:
- plumbul (Pb): chiar şi în cantităţi mici poate cauza deteriorări semnificative ale catalizatorului
- fosforul(P): prezent în combustibil sau în aditivi reduce eficienta catalizatorului
- sulful (S): prezent în combustibil reduce eficienţa catalizatorului
- zincul (Zn) : prezent în aditivii uleiului reduce eficienţa catalizatorului
- siliconul(Şi): prezent în combustibil sau în gazele de evacuare (datorită soluţiilor de etanşare pe bază de silicon) reduce eficienţa catalizatorului
Sursa principală a deteriorării catalizatorului, datorită temperaturilor, înalte o reprezintă aşa numitele „rateuri la aprindere”(engine misfire).
Rateurile la aprindere se produc din următoarele cauze:
- bujii deteriorate: scânteia nu mai este produsă sau este produsă dar cu intensitate scăzută
- amestecul aer-combustibil este pre bogat (lipsă acută de oxigen) sau prea sărac (lipsă acută de combustibil)
- cilindrul pierde compresie
Un motor care funcţionează cu rateuri la aprindere se va simţi la turaţia de ralanti cu şocuri şi vibraţii puternice, iar la turaţii mari cu putere scăzută.
Datorită efectului distructiv pe care-l au rateurilor la aprindere asupra catalizatorului, standardul OBD impune diagnosticarea acestui fenomen.
În cazul în care motorul funcţionează cu rateuri la aprinderemartorul MIL din bordul automobilului se va aprinde şi posibil că motorul să între în regim de avarie (performante limitate) pentru a limita efectul
distructiv asupra catalizatorului.
Eficienta catalizatorului este monitorizată cu ajutorul a două sonde lambda , o sondă înainte de catalizator şi una după catalizator. În funcţie de nivelul de oxigen măsurat de cele două sonde lambda calculatorul de injecţie poate determina dacă catalizatorul se află în parametrii nominali sau este defect.
