καταλύτες αυτοκινητων
Καταλυτική μετατροπή των καυσαερίων ( από http://www.thalys.gr/pagesgr/technical%20issues/catalyt/ )
ΑΝΙΜΑΤΙΟΝ ΔΡΑΣΗ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ
Στην καταλυτική μετατροπή χρησιμοποιείται μια παλιά γνωστή χημική διαδικασία για να επιταχυνθεί η αντίδραση που αυτόματα, πραγματοποιείται μέσα στο σύστημα εξάτμισης.
Υπάρχουν κάποιες συγκεκριμένες ουσίες, οι οποίες, χωρίς να παίρνουν μέρος στην αντίδραση, προκαλούν σημαντική επιτάχυνσή της (π.χ. ευγενή μέταλλα, όπως η πλατίνα και το ρόδιο).
Στην περίπτωση των αυτοκινήτων, τα μέταλλα που ευθύνονται για την καταλυτική μετατροπή των καυσαερίων βρίσκονται σε ένα μεταλλικό κουτί που μοιάζει πολύ με σιγαστήρα εξάτμισης και είναι τοποθετημένο κοντά στη μηχανή για να διατηρεί υψηλή θερμοκρασία. Αυτό το εξάρτημα ονομάζεται καταλύτης ή καταλυτικός μετατροπέας.
Στο χώρο της χημείας, ουσίες που παραβρίσκονται σε μια χημική αντίδραση και την επιταχύνουν, χωρίς όμως να παίρνουν μέρος σε αυτήν ονομάζονται καταλύτες. Όταν η διαδικασία της αντίδρασης τελειώνει, ο καταλύτης δεν έχει μεταβληθεί και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ξανά.
Στο αυτοκίνητο, ο καταλύτης είναι ένας μηχανισμός τοποθετημένος μέσα στο σύστημα εξάτμισης, πολύ κοντά στη μηχανή προκειμένου να διατηρείται σε υψηλή θερμοκρασία. Σκοπός του είναι να εξουδετερώνει τους ρύπους που παράγονται λόγω της ατελούς καύσης και να τους μετατρέπει σε αβλαβείς ουσίες.
Στην πραγματικότητα, η ονομασία “καταλύτης” δεν είναι ιδιαίτερα ακριβής, γιατί ο καταλύτης είναι μια ομάδα ευγενών μετάλλων, που περιέχονται μέσα στο μετατροπέα και σκοπό τους έχουν να επιταχύνουν τις χημικές αντιδράσεις που αφαιρούν τους ρυπαντές από τα καυσαέρια.
ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ 5.1
Θέση του καταλυτικού μετατροπέα μέσα στο σύστημα εξάτμισης
Κεραμικός φορέας
ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ 5.3
Συνήθως αναφέρεται ως “κεραμικός μονόλιθος”. Κατασκευάζεται από κορδίτη, ο οποίος βρίσκεται σε εύπλαστη κατάσταση, σε κυψελοειδή μορφή με 400 κανάλια ανά τετραγωνική ίντσα και πάχος τοιχώματος 0.15mm. Με δεδομένη τη λεπτότητα των τοιχωμάτων, το μπροστινό μέρος που είναι ανοικτό στη ροή των καυσαερίων υπερβαίνει το 70% της συνολικής επιφάνειας, για αυτό και η αντίθλιψη είναι πολύ μικρή. Αυτό το εσωτερικό υλικό χρησιμοποιείται στους περισσότερους καταλυτικούς μετατροπείς.
Μεταλλικός φορέας
Κατασκευάζεται από ελάσματα ανοξείδωτου χάλυβα, πάχους 0.01mm, που σχηματίζουν ένα κυψελοειδές πλέγμα (όπως και στον κεραμικό) με 400 κανάλια/τετραγωνική ίντσα. Τα δύο βασικά πλεονεκτήματα αυτού του είδους φορέα είναι η μικρότερη αντίθλιψη που προκαλείται, αφού η ανοιχτή μπροστινή επιφάνεια υπερβαίνει το 80%, και η μεγαλύτερη ανθεκτικότητά του στις υψηλές θερμοκρασίες. Κύριο μειονέκτημά του αποτελεί το υψηλό κόστος του. Αυτό το είδος φορέα κανονικά χρησιμοποιείται σε μικρούς μετατροπείς ή στους προκαταλύτες, οι οποίοι, επειδή βρίσκονται πολύ κοντά στην εξαγωγή, καταπονούνται σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες.
ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ 5.4
Αντίθλιψη των καυσαερίων στον καταλύτη
Το εσωτερικό υλικό του καταλυτικού μετατροπέα (είτε κεραμικό είτε μεταλλικό) δεν έχει από μόνο του επαρκή επιφάνεια για να επιτευχθεί αποτελεσματική επαφή των καυσαερίων με τα ευγενή μέταλλα. Επιπλέον, χρειάζεται με κάποιο τρόπο να στερεωθούν τα λεγόμενα ευγενή μέταλλα πάνω στο εσωτερικό υλικό. Αυτός είναι ο διπλός ρόλος της ενδιάμεσης επίστρωσης αλουμίνας, (μεταξύ εσωτερικού υλικού και ευγενών μετάλλων), η οποία αυξάνει μέχρι και 100 φορές την ενεργό επιφάνεια στην οποία γίνονται οι αντιδράσεις. Οι τύποι της ενδιάμεσης επίστρωσης ποικίλουν ανάλογα με τα ευγενή μέταλλα και τις ποσότητές τους που θα στερεωθούν σε αυτή, καθώς και με τη μέθοδο κατασκευής της ίδιας της ενδιάμεσης επίστρωσης. Όλοι αυτοί οι παράγοντες επηρεάζουν τη χημική σύσταση, την αποτελεσματικότητα του καταλύτη, την αντίστασή του στις υψηλές θερμοκρασίες και τη διάρκεια ζωής του τελικού προϊόντος.
Στην περίπτωση των κεραμικών καταλυτών υπάρχει ένα ενδιάμεσο συστατικό, ανάμεσα στον μονόλιθο και το μεταλλικό κέλυφος, το οποίο συνδέει τον κεραμικό φορέα και το εξωτερικό κάλυμμα, απορροφώντας τις διαφορές διαστολής τους, αφού όταν η θερμοκρασία αυξάνεται, το χαλύβδινο κέλυφος διαστέλλεται ενώ ο κεραμικός μονόλιθος δεν μεταβάλλεται ως προς τις διαστάσεις του. Συνέπεια αυτού είναι η άνοδος της θερμοκρασίας να επιφέρει αύξηση του χώρου ανάμεσα στον κεραμικό φορέα και το μεταλλικό κάλυμμα. Υπάρχουν δύο λύσεις στο πρόβλημα : η χρήση μιας προστατευτικής ψάθας, είτε τύπου συρμάτινου πλέγματος, είτε τύπου διαστελλόμενου τάπητα.
ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ 5.5
Επιφάνεια καναλιού σε μεγέθυνση
Διοδικοί καταλύτες
Είναι επίσης γνωστοί και ως οξειδωτικοί καταλύτες καθώς αυτό το είδος αντίδρασης πραγματοποιούν. Αποτελούν εναλλακτική λύση, αντί των θερμικών μετατροπέων που εξουδετερώνουν το CO και τους HC.
Πετυχαίνουν μεγάλη μείωση αυτών των ρυπαντών, αλλά οι υψηλές θερμοκρασίες στις οποίες αυτές οι αντιδράσεις πραγματοποιούνται, αυξάνουν τις εκπομπές NOx. Κανονικά αυτοί οι καταλύτες χρησιμοποιούνται σε μηχανές που λειτουργούν με φτωχό μίγμα, αφού οι εκπομπές HC και CO είναι χαμηλές, ενώ τα NOx αντιμετωπίζονται με κάποια άλλη διαδικασία, πχ. επανακυκλοφορία των καυσαερίων.
Αν χρησιμοποιηθούν σε μηχανές που λειτουργούν με πλούσιο μίγμα, για να επιτευχθεί χαμηλή παραγωγή NΟx αρχικά, τότε πρέπει να εισαχθεί πρόσθετος αέρας με τη βοήθεια μιας αντλίας, έτσι ώστε να υπάρχει επάρκεια οξυγόνου στον καταλύτη για να πραγματοποιηθεί η οξείδωση.
ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ 5.6
Διοδικός καταλύτης
Ρυθμιζόμενοι τριοδικοί καταλύτες
Ονομάζονται επίσης “τριοδικοί καταλύτες κλειστού συστήματος ρύθμισης”. Αυτή η ονομασία (όπως η αντίστοιχη “τριοδικός ανοικτού συστήματος ρύθμισης” για τους αρρύθμιστους τριοδικούς), αναφέρεται στην ύπαρξη ή μη λήπτη λάμδα, που αντιστοίχως δημιουργεί κλειστό ή ανοικτό σύστημα ρύθμισης. Σε αντίθεση με τους αρρύθμιστους τριοδικούς, που πραγματοποιούν πρώτα τις αναγωγικές και ύστερα τις οξειδωτικές αντιδράσεις, οι ρυθμιζόμενοι τριοδικοί πραγματοποιούν και τις τρεις αντιδράσεις ταυτόχρονα. Η οξείδωση των HC και του CO συμβαίνει συγχρόνως με την αναγωγή των NOx.
ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ 5.8
Τριοδικός καταλύτης κλειστού συστήματος ρύθμισης
Για να γίνουν επαρκώς οι αντιδράσεις πρέπει το μίγμα αέρα/καυσίμου να βρίσκεται πολύ κοντά στο τέλειο μίγμα, συνεπώς είναι απαραίτητη η χρήση ηλεκτρονικού συστήματος ψεκασμού καυσίμων ή ηλεκτρονικά ελεγχόμενου συστήματος τροφοδοσίας, έτσι ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί κλειστό σύστημα ρύθμισης.
Η αποτελεσματικότητα του τριοδικού καταλύτη καθορίζεται από το λόγο λάμδα λειτουργίας της μηχανής. Η τέλεια καταλυτική αντίδραση είναι δυνατή μόνο μέσα στο “πεδίο λάμδα”. Όταν ο λόγος λάμδα διατηρείται μέσα σε αυτά τα όρια, οι τρεις χημικές αντιδράσεις (οξείδωση του CO, οξείδωση των HC και αναγωγή των NΟx) πραγματοποιούνται ταυτόχρονα και πολύ αποτελεσματικά.
Εάν το μίγμα γίνει φτωχότερο και ο λόγος λάμδα αυξηθεί σε βαθμό να ξεπεράσει τα όρια του “πεδίου λάμδα” της βέλτιστης περιοχής λειτουργίας του τριοδικού καταλύτη, η ποσότητα του οξυγόνου στα καυσαέρια θα εμποδίσει την πραγματοποίηση της αναγωγικής αντίδρασης και οι εκπομπές NΟx θα αυξηθούν ραγδαία. Όμοια αν το μίγμα εμπλουτιστεί και ο λόγος λάμδα μειωθεί, η έλλειψη οξυγόνου θα δυσχεράνει τις οξειδωτικές αντιδράσεις, αυξάνοντας τις εκπομπές CO και HC.
Χημικές αντιδράσεις
Μέσα στην ομάδα των υδρογονανθράκων πολλές διαφορετικές αντιδράσεις πραγματοποιούνται και σε ποικίλες ταχύτητες. Εκείνοι που αντιδρούν πιο αργά είναι οι κεκορεσμένοι υδρογονάνθρακες (ειδικά το μεθάνιο). Οι ακόρεστοι υδρογονάνθρακες εφόσον βρίσκονται σε πλούσια σε οξυγόνο ατμόσφαιρα) και οι πολυκυκλικοί αρωματικοί αντιδρούν σε μέτρια ταχύτητα, αλλά το μονοξείδιο του άνθρακα (CO) και το υδρογόνο (Η2) αντιδρούν ταχύτατα.
CνΗμ+(ν+μ/4)Ο2 O νCO2+μ/2Η2Ο (1)
CΟ+1/2Ο2 O CO2 (2)
Η2+1/2Ο2 O Η2Ο (3)
Αυτές είναι οι αντιδράσεις που πραγματοποιούνται στους οξειδωτικούς καταλύτες και μέσα από αυτές πετυχαίνουμε δραστική μείωση των HC και του CO.
Στους τριοδικούς καταλύτες πραγματοποιούνται επίσης και άλλες αντιδράσεις, είτε ταυτόχρονα (καταλύτες κλειστού συστήματος ρύθμισης) είτε διαδοχικά (καταλύτες ανοικτού συστήματος ρύθμισης). Αυτές είναι οι αναγωγικές αντιδράσεις που τελικά θα εξουδετερώσουν τα οξείδια του αζώτου (NOx).
CΟ+ΝΟ O 1/2Ν2+CΟ2 (4)
CνΗμ+2(ν+μ/4)NΟ O (ν+μ/4)Ν2+μ/2Η2Ο+νCO2 (5)
Η2+ΝΟ O 1/2Ν2+Η2Ο (6)
Οι αντιδράσεις (2) και (4) είναι οι κύριες αντιδράσεις που πραγματοποιούνται σε έναν τριοδικό καταλύτη για να αφαιρεθούν το CO και οι HC. Σε έναν καταλύτη ανοιχτού συστήματος ρύθμισης (αρρύθμιστο τριοδικό) συμβαίνουν διαδοχικά, ενώ σε ένα καταλύτη κλειστού συστήματος ρύθμισης (ρυθμιζόμενο τριοδικό) συμβαίνουν ταυτόχρονα. Στη δεύτερη περίπτωση, για να πραγματοποιηθούν οι αντιδράσεις, οι συνθήκες πρέπει να ρυθμίζονται τέλεια.
Υπάρχουν επίσης κάποιες ξεκάθαρες προϋποθέσεις, που πρέπει να καλυφθούν ώστε οι δύο αντιδράσεις να πραγματοποιηθούν ταυτόχρονα. Η αντίδραση (2) θα προκαθορίσει αν το μίγμα θα γίνει φτωχό και τα καυσαέρια θα είναι πλούσια σε οξυγόνο. Εάν συμβεί αυτό, η αντίδραση (4) που είναι πιο αργή, θα μετακινηθεί προς τα αριστερά και η μετατροπή του ΝΟ θα μειωθεί. Αντιστρόφως, εάν υπάρχει μια φανερή έλλειψη οξυγόνου, η συγκέντρωση αυτού του αερίου και του ΝΟ δεν θα είναι αρκετή για να επιτύχει τα απαραίτητα για τη μετατροπή του CO και των HC επίπεδα.
Με δεδομένο ότι η αντίδραση (4) είναι πιο αργή από την αντίδραση (2), και για να επιτύχουμε την πιο αποτελεσματική μετατροπή του CO και του ΝΟ, πρέπει να μετακινήσουμε την αντίδραση (4) προς τα δεξιά, έτσι ώστε να πραγματοποιηθεί στην ίδια ταχύτητα με την αντίδραση (2). Ο λόγος λάμδα λειτουργίας της μηχανής θα πρέπει συνεπώς να είναι λίγο μικρότερος από 1.
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι οι τριοδικοί καταλύτες είναι χρήσιμοι, μόνο μέσα στο λεγόμενο πεδίο λάμδα, κοντά στο σημείο όπου το μίγμα είναι τέλειο. Εάν ο καταλύτης λειτουργεί μέσα σε αυτό το πεδίο, πετυχαίνει μια πολύ καλή μείωση των τοξικών εκπομπών. Η έρευνα συνεχίζει τις προσπάθειες διεύρυνσης αυτού του πεδίου λάμδα όσο το δυνατόν περισσότερο. Μια τέτοια διεύρυνση θα ήταν δυνατή αν αυξήσουμε την ικανότητα του ροδίου να δεσμεύει οξυγόνο, με την εξασφάλιση αρκετών οξειδίων αλουμινίου (ενδιάμεση επίστρωση αλουμίνας) πάνω στην προστατευτική ψάθα τύπου διαστελλόμενου τάπητα. Όταν δεν υπάρχει επάρκεια οξυγόνου στα καυσαέρια, αυτά μπορούν να οξειδώνουν τους υδρογονάνθρακες και το μονοξείδιο του άνθρακα για ένα μικρό χρονικό διάστημα. Όταν υπάρχει έλλειψη οξυγόνου θα κατακρατούν τα καυσαέρια, επιβραδύνοντας έτσι τη διαδικασία της οξείδωσης.
Άλλος ένας τρόπος επιτάχυνσης της μετατροπής των υδρογονανθράκων και του CΟ κατά την περίοδο ανεπάρκειας οξυγόνου είναι η χρήση καταλυτών οι οποίοι επιταχύνουν τις αντιδράσεις (7) και (8). Χάρη στην παρουσία των υδρατμών, οι οποίοι βρίσκονται πάντοτε σε ικανοποιητικές ποσότητες, κάποιοι από τους ρυπαντές μπορούν να οξειδωθούν και με απουσία οξυγόνου.
CΟ+Η2Ο O CO2+Η2 (7)
CΗμ+2Η2Ο O CO2+(2+μ/2)Η2 (8)
Στην πραγματικότητα οι αντιδράσεις που πραγματοποιούνται μέσα σε έναν καταλυτικό μετατροπέα είναι πολύ περίπλοκες, και πέρα από εκείνες που εξετάσαμε - οι οποίες είναι όλες επιθυμητές - παράλληλες αντιδράσεις μπορεί να πραγματοποιηθούν, οι οποίες να σχηματίσουν άλλες ανεπιθύμητες ουσίες.
SO2+1/2O2 O SO3 (9)
5/2H2+NO O NH3 +H2O (10)
SO2+3H2 O H2S+2H2O (11)
NH3+CH4 O HCN+3H2 (12)
Αυτό το πρόβλημα της “δευτερεύουσας ρύπανσης” έχει γίνει αντικείμενο ευρείας εξέτασης στις ΗΠΑ, όπου οι καταλυτικοί μετατροπείς είναι ο κανόνας, και το συμπέρασμα ήταν, ότι έχει μικρή σημασία. Με τη χρήση ρυθμιζόμενων τριοδικών καταλυτών, οι οποίοι λειτουργούν πολύ κοντά στο τέλειο μίγμα, είναι δυνατή η επίτευξη ευνοϊκών αποτελεσμάτων όπου οι παράλληλες αντιδράσεις πρακτικά εξαφανίζονται. Μόνο όταν το αυτοκίνητο είναι καινούργιο ή η μηχανή δεν είναι σωστά ρυθμισμένη είναι πιθανό να εντοπιστεί δευτερεύουσα ρύπανση. Ιδιαίτερα αξιοσημείωτο είναι το υδρόθειο (H2S) εξαιτίας της διαπεραστικής του οσμής χαλασμένων αυγών.
Αιτίες βλαβών καταλύτη
Όταν ένας καταλύτης καταστρέφεται πρόωρα, είναι απολύτως απαραίτητο να βρεθεί η αιτία της βλάβης, αφού ο αντικαταστάτης του, μπορεί να επηρεαστεί από το ίδιο πρόβλημα μέσα σε σύντομο χρονικό διάστημα. Η κακή λειτουργία ενός καταλύτη, όταν τα χλμ. χρήσης του δεν δικαιολογούν τέλος της διάρκεια ζωής του είναι δυνατό να οφείλεται σε κάποια (ή περισσότερες) από τις παρακάτω αιτίες :
- Λιώσιμο (τήξη) του μονόλιθου
6.1.1 Δηλητηρίαση από μόλυβδο
Ο μόλυβδος που περιέχεται στη βενζίνη καθώς και σε μερικά πρόσθετα καύσιμα που χρησιμοποιούν οι ιδιοκτήτες αυτοκινήτων, καταστρέφει σημαντικά τον καταλυτικό μετατροπέα σε βαθμό, που να τον καθιστά εντελώς άχρηστο. Η δηλητηρίαση από το μόλυβδο είναι μια χημική αντίδραση. Ο μόλυβδος αντιδρά με τα ευγενή μέταλλα μέσα στον καταλύτη εξουδετερώνοντας την ικανότητά τους να επιταχύνουν τις χημικές αντιδράσεις. Η κατανάλωση ενός γεμάτου ρεζερβουάρ βενζίνης με μόλυβδο, μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την αποτελεσματικότητα του καταλύτη, χωρίς όμως η ζημιά να είναι ανεπανόρθωτη. Δύο ή τρία γεμάτα ρεζερβουάρ με μολυβδούχο βενζίνη θα προκαλέσουν μόνιμη καταστροφή.
Από τη στιγμή που ο καταλύτης δηλητηριαστεί από μόλυβδο, δεν θα εκτελεί τον σκοπό της λειτουργίας του δηλ. την αφαίρεση των ρυπαντών, αν και η απόδοση του αυτοκινήτου δεν θα επηρεαστεί αρχικά, εκτός εάν έχει καταστραφεί και ο λήπτης λάμδα - πράγμα πιθανό- καθώς κάποιοι λήπτες είναι ευαίσθητοι στο μόλυβδο. Σε αυτήν την περίπτωση το αυτοκίνητο δεν θα λειτουργεί ομαλά και το ρελαντί δεν θα είναι σταθερό εξαιτίας της βλάβης στο σύστημα ρύθμισης του λήπτη λάμδα.
Ο μόλυβδος στην εξάτμιση μπορεί να ανιχνευθεί με την βοήθεια ενός χημικά επεξεργασμένου χαρτιού το οποίο ακουμπάμε στις αποθέσεις που σχηματίστηκαν είτε στο σύστημα εξάτμισης είτε στον καταλύτη. Αυτό το χαρτί, υποδεικνύει την παρουσία μόλυβδου αλλάζοντας χρώμα.
6.1.2 Βούλωμα
Η έλλειψη επιτάχυνσης και η απώλεια ιπποδύναμης, μπορεί να αποτελούν ενδείξεις βουλώματος του συστήματος εξάτμισης, συνήθως στον καταλύτη. Αυτό το είδος της βλάβης συνήθως προκαλείται από σωματίδια προερχόμενα από τη μηχανή λόγω κακής λειτουργίας, υπερβολική κατανάλωση λαδιού ή από σκουριά στο σωλήνα της πολλαπλής εξαγωγής. Ένας καταλύτης που δηλητηριάστηκε από μόλυβδο, μπορεί επίσης να βουλώσει, καθώς δεν είναι πλέον σε θέση να επεξεργαστεί τα μικρά σωματίδια άνθρακα που δημιουργεί η μηχανή και τα οποία ένας υγιής καταλύτης θα εξαφάνιζε σχεδόν εντελώς.
6.1.3 Σπάσιμο λόγω πρόσκρουσης
Ο κεραμικός μονόλιθος που σχηματίζει το εσωτερικό στρώμα του καταλύτη είναι εξαιρετικά ευαίσθητος σε χτυπήματα. Με δεδομένη τη θέση του στο όχημα, εκτίθεται σε κάθε είδους κακομεταχείριση. Επίσης, οι δονήσεις από ένα χαλαρό σύστημα εξάτμισης λόγω κακής στερέωσης, μπορούν να προκαλέσουν σπασίματα του κεραμικού μονόλιθου.
Κανονικά οι καταλύτες προστατεύονται εξωτερικά από ένα μεταλλικό κέλυφος, που εμποδίζει πέτρες ή άλλα αντικείμενα, που μπορεί να βρεθούν στο δρόμο και να σπάσουν το μονόλιθο.
6.1.4 Λιώσιμο του μονόλιθου
Πολλά πράγματα που συμβαίνουν σε μια μηχανή μπορεί να επηρεάσουν την απόδοση του καταλυτικού μετατροπέα, αλλά το μόνο που μπορεί να προκαλέσει τήξη του μονόλιθου είναι η είσοδος άκαυστου καυσίμου στον καταλύτη λόγω κακής λειτουργίας της μηχανής. Η ζημιά που προκαλείται κυμαίνεται από μικρή πτώση της αποτελεσματικότητας του καταλύτη έως και πλήρες λιώσιμο του μονόλιθου.
Προβλήματα στο σύστημα ανάφλεξης είναι συνήθως η αιτία της εισόδου άκαυστου καυσίμου στο σύστημα εξάτμισης. Μπουζί που δεν λειτουργούν κανονικά, ελαττωματική τροφοδοσία και σπασμένα μπουζοκαλώδια προκαλούν ατελή καύση και αυξάνουν σε υψηλά επίπεδα τους υδρογονάνθρακες στα καυσαέρια. Μόλις αυτοί οι υδρογονάνθρακες φτάσουν στον καταλύτη, και με δεδομένη την υψηλή θερμοκρασία στην οποία λειτουργεί (περίπου 1000ο C), καίγονται μέσα σε αυτόν. Αυτό προκαλεί ακόμα μεγαλύτερη αύξηση της θερμοκρασίας, μέχρι το σημείο όπου ο κεραμικός μονόλιθος λιώνει (1400ο C). Χρειάζονται μόνο δύο δευτερόλεπτα χωρίς ανάφλεξη στον κύλινδρο, όταν η μηχανή λειτουργεί υπό χαμηλό φορτίο, για να λιώσει ο μονόλιθος εντελώς.
Μακρά διαστήματα λειτουργίας της μηχανής με μίγμα είτε πολύ πλούσιο είτε πολύ φτωχό μπορούν επίσης να προκαλέσουν αύξηση της θερμοκρασίας μέσα στον καταλύτη με συνέπεια και πάλι την τήξη του μονόλιθου.
1. ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ
Οι προσπάθειες για τον περιορισμό των ρύπων στα καυσαέρια των αυτοκινήτων άρχισαν από
τα πρώτα έτη της δεκαετίας του 1960. Στόχος των προσπαθειών ήταν (και εξακολουθεί να είναι)
η κατασκευή ενός συστήματος, το οποίο θα εξουδετέρωνε τους ρύπους (μονοξείδιο του άνθρακα -
CO, υδρογονάνθρακες - CH και οξείδια του αζώτου - NOx), που περιέχονται στα καυσαέρια,
χωρίς βέβαια να μειώνεται η απόδοση των κινητήρων, ούτε να αυξάνεται η κατανάλωση του
καυσίμου.
Το σύστημα που ανταποκρίθηκε στις παραπάνω απαιτήσεις και επικράτησε ήταν η
καταλυτική επεξεργασία των καυσαερίων.
Κατά την καταλυτική επεξεργασία των καυσαερίων οξειδώνονται οι υδρογονάνθρακες και το
μονοξείδιο του άνθρακα, ενώ ανάγονται τα οξείδια του αζώτου.
Χημικές αντιδράσεις οξείδωσης :
2CO + O2 " 2CO2
Cx Hy + (x + y/4)O2 " xCO2 + y/2 (H2O)
Χημικές αντιδράσεις αναγωγής :
2NO + 2CO " N2 + 2CO2
(2x + y/2) NO + CxHy " (2x +y/2)/2 N2 + x CO2 + y/2 H2O
2 NO + 2 H2 " N2 + 2 H2O
Ο ρυθμιζόμενος τριοδικός καταλυτικός μετατροπέας καθιερώθηκε εδώ και πολλά χρόνια, ως
το πιο αποτελεσματικό μέσο για τη μείωση των ρύπων των καυσαερίων.
Σήμερα όλοι οι κύριοι καταλυτικοί μετατροπείς είναι ρυθμιζόμενοι, δηλαδή στο σύστημα της
καταλυτικής επεξεργασίας των καυσαερίων υπάρχει ένα κλειστό σύστημα ρύθμισης της
προετοιμασίας του καυσίμου μείγματος. Έτσι, ο κινητήρας λειτουργεί μέσα σε ένα στενό πεδίο
λάμδα (λ H 1) και ο κυρίως καταλυτικός μετατροπέας εξουδετερώνει σε μεγάλο βαθμό τους
ρύπους που περιέχονται στα καυσαέρια.
Η χημική διάρκεια ζωής του καταλύτη του καταλυτικού μετατροπέα, δηλαδή η ικανότητά του
να εξουδετερώνει τους ρύπους των καυσαερίων μειώνεται με την πάροδο του χρόνου. Κατά
κανόνα, η αποτελεσματικότητά του είναι ικανοποιητική κατά τα πρώτα 100000 Km κίνησης του
αυτοκινήτου. Από αυτό το σημείο και μετά η ικανότητα κατάλυσης των καυσαερίων μπορεί να
πέσει απότομα.
Κατά τη διαδικασία παραγωγής των καταλυτικών μετατροπέων γίνεται ποιοτικός έλεγχος των
εξαρτημάτων τους. Οι πιο βασικοί έλεγχοι που γίνονται είναι :
- Έλεγχος του εύρους του κενού μεταξύ του μονόλιθου και του κελύφους.
- Μέτρηση και των τριών διατάσεων, σε ειδική συσκευή.
- Έλεγχος της στεγανότητας, μέσα σε ειδική δεξαμενή με νερό.
Εικόνα 1. Καθαρισμός των καυσαερίων με
καταλυτική επεξεργασία
Εικόνα 2. Ρυθμιζόμενος τριοδικός καταλυτικός
μετατροπέας
2. ΑΙΣΘΗΤΗΡΑΣ ΛΑΜΔΑ
Ο αισθητήρας λάμδα σε συνεργασία με τον καταλυτικό μετατροπέα φροντίζει, ώστε τα
ποσοστά των ρύπων στα καυσαέρια να παραμένουν κάτω από τα επιτρεπτά όρια τιμών. Είναι
διαρκώς εκτεθειμένος σε υψηλές θερμοκρασίες, σε χημικές επιδράσεις και σε μηχανικές
καταπονήσεις (δονήσεις). Γι΄ αυτό το λόγο φθείρεται εύκολα και πρέπει να ελέγχεται σε τακτά
χρονικά διαστήματα.
Ο αισθητήρας λάμδα δεν μετράει απευθείας τις τιμές των ρύπων που περιέχονται στα
καυσαέρια, αλλά τις προσδιορίζει, μετρώντας την ποσότητα του οξυγόνου που περιέχεται σ΄ αυτά.
Η ποσότητα του οξυγόνου που περιέχεται στα καυσαέρια είναι ανάλογη με τη σύσταση του
καυσίμου μείγματος, το οποίο έχει εισαχθεί στον κινητήρα και έχει καεί. Άρα, ο αισθητήρας
λάμδα μετράει εκ των υστέρων και με έμμεσο τρόπο τη σύσταση του μείγματος αέρα - βενζίνης.
Αν το μείγμα καυσίμου που κάηκε ήταν φτωχό, τότε και στα δύο ηλεκτρόδια από πορώδη
πλατίνα θα εισέρχεται μεγάλος αριθμός μορίων οξυγόνου. Έτσι θα αναπτύσσεται μία τάση πολύ
μικρής τιμής (της τάξης των 100 mV) μεταξύ των ηλεκτροδίων και μέσω του πορώδους σώματος
(ZrO2) του αισθητήρα, το οποίο στις υψηλές θερμοκρασίες (πάνω από 3500 C) γίνεται αγώγιμο, θα
διέρχονται ελάχιστα φορτία. Η τάση (αναλογικό σήμα) των 100mV μεταφέρεται από τον
αισθητήρα, μέσω του θετικού ηλεκτροδίου, στην ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου του συστήματος
τροφοδοσίας, η οποία «μεταφράζει» την πληροφορία αυτή ως καύση φτωχού μείγματος.
Στο πλούσιο μείγμα η ποσότητα της βενζίνης είναι περισσότερη απ΄ ό,τι στη στοιχειομετρική
αναλογία. Έτσι, στους κυλίνδρους του κινητήρα θα καεί ολόκληρη σχεδόν η ποσότητα του
οξυγόνου. Τότε, λόγω της μεγάλης διαφοράς συγκέντρωσης ηλεκτρικών φορτίων στα δύο
ηλεκτρόδια, αναπτύσσεται μία ηλεκτρική τάση 800 mV περίπου (από 750 έως 900 mV). Επίσης,
παρατηρείται μεγάλη κίνηση ιόντων από εσωτερικό ηλεκτρόδιο (+), μέσω του πορώδους
στρώματος (ZrO2) του αισθητήρα, προς το εξωτερικό ηλεκτρόδιο (-). Η τάση των 800 mV
μεταφέρεται στην ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου ως πληροφορία πλούσιου μείγματος.
ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΠΑΡΕΜΒΑΣΗ
Με αυτή την διδακτική ενότητα χρησιμοποιούμε τον Η. Υ. για την κατανόηση της
λειτουργίας του καταλυτικού μετατροπέα και του αισθητήρα «λ», ενός αυτοκινήτου. Η
παρουσίαση της ενότητας με αυτή τη μορφή εξοικειώνει τους μαθητές τόσο με τους Η/Υ, όσο και
με την καθορισμένη ύλη. Έτσι η διδασκαλία γίνεται πιο αποδοτική και ευχάριστη και πιστεύουμε
ότι επιτυγχάνουμε τους στόχους μας ευκολότερα. Τα συμπεράσματά μας από την εφαρμογή νέων
διδακτικών προσεγγίσεων σε σχέση με τις «πατροπαράδοτες», είναι πολύ ενθαρρυντικά και
τεράστια η ωφέλεια των μαθητών μας.
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ
1. Automotive Handbook, Bosch, 1993, Dusseldorf, Germany
2. Αγιακάτσικας Π., Αντωνελάκης Μ-Ι., Τσαραμιάδης Π., (2001) Εργαστήριο Συστημάτων Ελέγχου και
Αυτοματισμών Αυτοκινήτου Παιδαγωγικό Ινστιτούτο, Αθήνα.
3. Ιωάννου Χ., Λάϊος Ι., Μαραμπέας Π., (2001), Συστήματα Ελέγχου Αυτοκινήτου Παιδαγωγικό
Ινστιτούτο, Αθήνα.
4. Καραμπίλας Π., (1994) Injection - Καταλύτες και Αναλυτές καυσαερίων Αθήνα.
φωτογραφίες καταλυτικών μετατροπέων