Catalizatorul și filtrul de particule

Pentru a satisface normele din ce în ce mai severe care privesc poluarea, motoarele termice au început să
fie echipate cu convertoare catalitice încă de la sfârşitul anilor ’80.

Pentru a satisface normele din ce în ce mai severe care privesc poluarea, motoarele termice au început să fie echipate cu convertoare catalitice încă de la sfârşitul anilor ’80. Pe modelele actuale s-au dezvoltat următoarele dispozitive:

• Catalizatorul pe 3 căi pentru M.A.S. (motoare cu aprindere prin scânteie, alimentate cu benzină)
• Catalizatorul şi filtrul de particule pentru motoarele Diesel
• Filtrul de particule (DPF)

Catalizatorul pe 3 căi pentru M.A.S. (motoare cu aprindere prin scânteie, alimentate cu benzină)

În interiorul carcasei din oţel inoxidabil, fixat pe o structură metalică menită să îl protejeze de şocuri, se găseşte un bloc ceramic cu structură de tip fagure prin care sunt dirijate gazele de evacuare. Suprafaţa acestuia este acoperită cu un strat subţire de substanţe catalizatoare active – platină sau rodiu – care accelerează descompunerea gazelor nocive. În interiorul catalizatorului, atunci când temperatura sa atinge 300-350° C, au loc două tipuri de reacţii:

• Oxidarea hidrocarburilor nearse (HC) şi a monoxidului de carbon (CO), proces din care rezultă dioxid de carbon (CO2) şi vapori de apă (H2O)
• Reducerea oxizilor de azot (NOx) în azot (N)

De la cele trei gaze poluante, ale căror emisii sunt diminuate prin procesele enumerate mai sus, provine şi denumirea de catalizator pe trei căi. Pentru a eficientiza procesul de reducere a emisiilor sunt instalaţi, atât înainte cât și după catalizator, senzori de oxigen – aşa numitele sonde Lambda – care transmit informaţii privitoare la calitatea amestecului carburant către centrală electronică a motorului (ECU). În contact cu gazele de evacuare aceşti senzori generează un semnal electric proporţional cu nivelul de oxigen, astfel:

Se poate observa că semnalul provenit de la senzor, variază abrupt la modificarea factorului λ de la valoarea 1 (banda îngustă). Senzorul are în alcătuirea sa, o rezistenţă de încălzire alimentată din ECU, care previne şocurile termice care ar putea apărea la contactul traductorului cu apă condensată din gazele de eşapament. Construcţia lamelară a traductorului permite încălzirea rapidă, la doar 10 secunde după pornirea motorului, reducând astfel timpul în care motorul funcţionează fără monitorizarea emisiilor de către centrală de comandă.

Catalizatorul şi filtrul de particule pentru motoarele Diesel
Catalizatorul ce echipează aceste motoare are o construcţie asemănătoare cu cel prezentat anterior, elementul ceramic poros fiind acoperit cu un start subţire de platină. În interiorul său se produc reacţii de oxidare a monoxidului de carbon şi hidrocarburilor nearse la temperaturi între 200 şi 350 °C şi transformare a lor în CO2 şi vapori de apă – este un catalizator pe două căi.

Peste această temperatură se produce oxidarea sulfului prezent în combustibil, proces în urma căruia rezultă dioxid şi trioxid de sulf, substanţe deosebit de dăunătoare. După catalizator, doar în unele cazuri, este prezent un senzor similar sondei lambda descrise anterior, cu rolul de a transmite centralei de control date despre calitatea amestecului.

Filtrul de particule (DPF)
Este un filtru mecanic ce reţine în interiorul sau până la 90% din particulele de carbon şi cenuşă prezente în gazele de evacuare ale motoarelor Diesel, făcând posibilă încadrarea în normele Euro 4 şi Euro 5.

În timpul funcţionării se acumulează în filtru depuneri care, treptat, conduc la colmatarea lui, devenind necesar din când în când aşa numitul proces de regenerare, de fapt o ardere a acestor depuneri din care rezultă o cantitate mică de cenuşă.
Întregul proces este gestionat de centrala de control a motorului, pe baza semnalului primit de la o serie de senzori. Este monitorizată atât temperatura gazelor de evacuare în diverse puncte ale traseului (pentru a preveni deteriorarea catalizatorului şi pentru a menţine temperatura optimă în timpul procesului de regenerare), cât şi presiunea gazelor în amonte şi în aval de filtru, factor determinant în stabilirea gradului de încărcare a acestuia şi care dictează necesitatea regenerării. Arderea reziduurilor are loc la temperaturi de cca. 600° C, temperatura care se obţine printr-o strategie specifică a ECU, care comandă injectarea unei cantităţi suplimentare de combustibil, închiderea supapei de recirculare a gazelor de ardere (EGR), o presiune de supraalimentare mărită, iar în unele cazuri scurtcircuitează intercoolerul şi creşte solicitarea
motorului prin comanda unor consumatori electrici de putere mare.
Unii producători utilizează sisteme care introduc în rezervorul de combustibil un aditiv special pe bază de oxid de ceriu pentru a micşora cu cca. 100° C temperatura de combustie a reziduurilor, fără însă a arde şi aditivul în timpul procesului – acesta se depune pe suprafaţa interioară a carcasei filtrului. Logica după care are loc adăugarea de aditiv este complexă: se monitorizează nivelul de combustibil din rezervor, deschiderea capacului acestuia şi, prin intermediul unei pompe şi al unui injector, se amestecă aditivul în combustibilul din rezervor. Cantitatea de aditiv este suficientă pentru parcurgerea a 50-80.000 km, după care acesta trebuie completat cu produsul indicat de producător. De asemenea, filtrul se deteriorează în timp şi poate fi necesară înlocuirea să, spre deosebire de filtrele care funcţionează fără aditiv şi care, în condiţii optime, oferă o durată de viaţă mai mare.
Prin injectarea unor cantităţi suplimentare de combustibil necesare la creşterea temperaturii gazelor de evacuare, o parte din acesta poate să nu ardă şi să pătrundă în baia de ulei, degradându-l prematur – de aceea, înlocuirea uleiului se face atunci când computerul de bord o solicită şi nu la un parcurs fix.
Arderea reziduurilor se desfăşoară optim în parcurs extraurban, când se rulează la viteze constante mai mult timp şi temperatura necesară procesului este mai uşor de obţinut. De multe ori, în cazul vehiculelor de acest tip care rulează în oraş, apar probleme datorate colmatării filtrului şi a repetatelor tentative de regenerare nefinalizate. Este preferabil să optaţi pentru un motor cu benzină, dacă utilizarea prevăzută este preponderent urbană!