Catalizatori Auto [PDF]

Zitiervorschau

Reducerea poluarii prin utilizarea Convertizorilor Catalitici

Cucu Andrei STA anul II 2012 1

Cuprins 1. 2. 3. 4. 5.

6. 7. 8.

Introducere............................................................................pag.3 Poluanţi produşi de motorul unei maşini………………...pag.4 Convertizorul catalitic (catalizatorul)…………………...pag.5 Tipuri de convertizori catalitici...........................................pag.7 Cum reduc convertizorii catalitici poluarea……………..pag.8 5.1 Catalizatorul de oxidare.............................................pag.9 5.2 Catalizatorul de reducere...........................................pag.9 5.3 Sistemu de control.....................................................pag.11 Localizarea convertizorului catalitic................................pag.11 Alte metode de reducere a poluarii...................................pag.12 Bibliografie..........................................................................pag.13

2

Convertizorul catalitic (catalizatorul) reprezinta acea componenta a sistemului de evacuare a gazelor, rezultate ca urmare a arderii combustibilului care “trateaza” gazele de esapament inainte ca acestea sa fie evacuate. Functionarea in conditii normale a unui convertor catalitic conduce la o transformare a gazelor de ardere in gaze cvasiinofensive eliminand in acest fel o parte importanta a poluantilor. Catalizatorul are forma unui amortizor de sunet clasic, eliptic sau rotund, in interiorul caruia sa afla un monolit ceramic sau metalic pe care sunt depuse metale nobile care favorizeaza conversia gazelor poluante in gaze nepoluante. In catalizator (convertorul catalitic) au loc procese de transformare a hidrocarburilor in dioxid de carbon (CO2 ) si vapori de apa, a monoxidului de carbon (CO) in dioxid de carbon (CO2) si a oxidului de azot (NO in azot (N2) si oxigen (O2).

Primul convertor catalitic oxidant a fost creat de VOLVO in anul 1974.

3

Poluanţi produşi de motorul unei maşini Pentru a reduce emisiile de poluanţi, motoarele moderne controlează cu precizie cantitatea de carburant pe care o consumă. Acestea încearcă să menţină raportul aer-carburant foarte aproape de punctul stoichiometric, care reprezintă raportul ideal calculat pentru aer şi carburant. Teoretic, la acest raport, tot carburantul ar fi ars utilizând tot oxigenul din aer. Pentru benzină, raportul stoichiometric este de aproximativ 14,7:1, adică pentru fiecare o parte de benzină vor fi arse 14,7 parti de aer. Amestecul carburant variază în realitate de la raportul ideal destul de mult în timpul funcţionării motorului. În unele cazuri amestecul poate fi sărac (un raport aer-carburant mai mare de 14,7) iar în alte cazuri amestecul poate fi bogat (un raport aer-carburant mai mic de 14,7). Principalele emisii ale unui motor de maşină sunt: • • •

Azot (N2) - Aerul este format din 78 la sută azot şi cea mai mare parte din acesta trece neschimbat prin motorul maşinii. Dioxid de carbon (CO2) - Acesta este unul dintre produsele combustiei. Carbonul din carburant se leagă cu oxigenul din aer. Vapori de apă (H2O) - Aceştia sunt un alt produs al combustiei. Hidrogenul din carburant se leagă cu oxigenul din aer.

Aceste emisii sunt în general nedăunătoare (deşi se crede că emisiile de dioxid de carbon contribuie la încălzirea globală). Dar, deoarece procesul de combustie nu este niciodată perfect, în motoarele maşinilor sunt produse de asemenea cantităţi mai mici de emisii mai dăunătoare. • •

•

Monoxid de carbon (CO) - un gaz toxic incolor şi inodor. Hidrocarburi sau compuşi organici volatili (COV) - produşi în principal datorită carburantului nears care se evaporă. Lumina soarelui desface aceşti compuşi formând oxidanţi, care reacţionează cu oxizii azotului şi crează ozon (O3) la nivelul solului, unul dintre componentele principale ale smogului. Oxizi de azot (NO şi NO2, denumiţi împreună NOx) - contribuie la formarea smogului şi a ploii acide, şi produc de asemenea iritaţii ale membranelor mucoase umane.

4

Acestea sunt principalele trei emisii reglementate şi de asemenea cele pe care convertizorii catalitici sunt proiectaţi să le reducă.

Catalizatorul (convertizorul catalitic) Structura catalizatorului: 1 - suportul; 2 - stratul intermediar ; 3 - stratul catalitic activ. Suportul formeaza in ansamblu cu carcasa corpul propriu-zis al convertorului. Suportul ceramic este o constructie de tip fagure cu sectiunea rotunda sau ovala, cu canale patrate, dispuse perpendicular pe directia de curgere. Materialul ceramic, denumit cordierit, este refractar. Materialul are conductibilitate termica mica, rezistenta mecanica, rezistenta gazodinamica redusa si sectiune transversala mare. Stratul intermediar este compus din alumina si este depus printr-un procedeu special pe suport, in vederea intensificarii activitatii catalitice a stratului nobil. Acest strat intermediar are o suprafata specifica mare si contine promotori care maresc capacitatea de acumulare a oxigenului la catalizatorul trivalent si care ajuta reactiile de reformare a vaporilor de apa si a vaporilor de hidrocarburi.

Stratul catalitic activ consta din metale nobile cum sunt platina, paladiul si rodiul. In timp ce platina promoveaza reactiile de oxidare, rodiul contribuie la reducerea NOx. Catalizatorii ceramici monoliti au depus oxid de aluminiu peste 5

care se aplica pentra reactori oxidanti platina si paladiu iar pentru cei cu trei componente, platina, pentru hidrocarburi, platina si rodiu pentru NOx. Continutul de metale nobile poate fi redus la 2-3g pe un reactor. Domeniul optim de functionare este 400...950°C, peste 800°C existand pericol de compromitere termica, pana la aceasta valoare putandu-se folosi si 100 000 km fara probleme. La defectiuni, mai ales in sistemul de aprindere, reactorul poate ajunge la 1400 °C, cand se compromite rapid mai ales exfolierea substantei active. Este interzisa folosirea benzinelor cu Pb. Daca se face totusi o astfel de alimentare, este permis eventual un singur rezervor, se va decupla sonda lambda, se va alimenta apoi cu 2-3 rezervoare cu benzina verde, tot fara sonda si apoi se va reintroduce sonda in functiune.

Pentru aceasta situatie, gradul de murdarire al reactorului este suportabil. Este indicata totusi o verificare la o statie service autorizata. Sonda lambda functionand in conditiile utilizarii benzinei cu Pb, respectiv la reactor partial murdar, da informatii eronate despre calitatea amestecului, ceea ce face ca motorul sa functioneze cu amestec bogat, cu penalizari atat la consum cat si la noxe. Daca sonda lambda este scoasa din functiune, eficacitatea de reducere a noxelor scade la 30%. Sonda lambda instalata in sistemul de evacuare masoara continutul de oxigen al gazelor arse. In cazul amestecurilor sarace tensiunea in senzor este de lOOmV, iar la amestecuri bogate tensiunea creste la 800mV. Pentru amestecul stoechiometric tensiunea senzorului scade brusc de la o valoare la cealalta. Se observa ca in domeniul amestecurilor sarace catalizatorul nu mai are efecte benefice in ceea ce priveste diminuarea oxizilor de azot si datorita disponibilitatilor excesive de oxigen.

6

Tipuri de catalizatori

Catalizator cu filtru ceramic

Catalizator cu filtru metalic

Diferite forme de catalizatori

7

Cum reduc convertizorii catalitici poluarea

Majoritatea maşinilor moderne sunt echipate cu convertizori catalitici cu trei acţiuni. "Trei acţiuni" se referă la cele trei emisii reglementate la a căror reducere ajută catalizatorul - moleculele de monoxid de carbon, COV şi NOx. Convertizorul utilizează două tipuri diferite de catalizatori, un catalizator de reducere şi un catalizator de oxidare. Ambele tipuri constau dintr-o structură ceramică acoperită cu un catalizator metalic, în general platină, rodiu şi/sau paladiu. Idee este de a crea o structură care expune o suprafaţă maximă de catalizator la fluxul de eşapament, minimizând în acelaşi timp cantitatea de catalizator necesară (catalizatorii sunt foarte scumpi).

Principalii parametri care influenteaza gradul de conversie sunt: -coeficientul de exces de aer si variatia acestuia; -temperatura gazelor arse; -viteza spatiala (debitul gazelor arse raportat la volumul catalizatorului). In prezent, in Europa se foloseste aproape in exclusivitate catalizatorul trivalent sau cu tripla actiune (sau cu trei cai) cu suport ceramic. Există două tipuri principale de structuri utilizate în convertizorii catalitici fagure şi bile ceramice. Majoritatea maşinilor din prezent utilizează structurafagure. 8

Structură fagure-ceramic catalizator

Structura fagure metalic catalizator

Eficienta unui catalizator este apreciata prin gradul de conversie definit cu formula: E = (ci ~ce)/ci in care: 9

-ci este concentratia poluantului inaintea catalizatorului; -ce este concentratia poluantului dupa catalizator. • Catalizatorul de reducere

Catalizatorul de reducere este prima treaptă a convertizorului catalitic. Aceasta utilizează platină şi rodiu pentru a ajuta la reducerea emisiilor de NOx. Când o moleculă de NO sau NO2 ia contact cu catalizatorul, catalizatorul desface atomul de azot din moleculă şi îl reţine, eliberând oxigenul sub formă de O2. Atomii de azot se leagă cu alţi atomi de azot fixaţi pe catalizator formând N2. De exemplu: 2NO → N2 + O2 or 2NO2 → N2 + 2O2

• Catalizatorul de oxidare

Catalizatorul de oxidare este a doua treaptă a convertizorului catalitic. Acesta reduce hidrocarburile nearse şi monoxidul de carbon prin arderea (oxidarea) acestora asupra unui catalizator din platină şi paladiu. Catalizatorul ajută reacţia dintre CO şi hidrocarburi şi oxigenul rămas în gazul de eşapament. De exemplu: 2CO + O2 → 2CO2

10

• Sistemul de control

A treia treaptă este un sistem de control care monitorizează fluxul de eşapament şi utilizează aceste informaţii pentru controlul sistemului de injecţie a carburantului. Există un senzor de oxigen montat înaintea convertizorului catalitic, adică mai aproape de motor decât convertizorul. Acest senzor comunică computerului motorului cât oxigen există în gazul de eşapament. Computerul motorului poate mări sau micşora cantitatea de oxigen din gazul de eşapament modificând raportul aer-carburant. Acest sistem de control permite computerului motorului să asigure funcţionarea motorului în apropierea punctului stoichiometric şi de asemenea permite să se asigure existenţa a suficient oxigent în gazul de eşapament pentru ca, convertizorul catalitic să poată arde hidrocarburile nearse şi CO.

11

Localizarea convertizorului catalitic in cadrul ansamblului sistemului de evacuare al unui autovehicol.

Alte metode de reducere a poluării Convertizorul catalitic reduce mult poluarea, dar această reducere poate fi îmbunătăţită substanţial. Unul dintre cele mai mari neajunsuri este faptul că acesta funcţionează doar la temperaturi destul de mari. Când porniţi maşina de la rece, convertizorul catalitic nu acţionează aproape deloc pentru reducerea poluanţilor din gazul de eşapament. O soluţie simplă constă în deplasarea convertizorului catalitic mai aproape de motor. Astfel, gazele de eşapament mai fierbinţi ating convertizorul şi acesta se încălzeşte mai rapid, dar această soluţie poate reduce de asemenea viaţa convertizorului prin expunerea acestuia la temperaturi extrem de mari. Majoritatea producătorilor de maşini poziţionează convertizorul sub scaunele din faţă ale pasagerilor, destul de departe de motor pentru a menţine temperatura la un nivel care să nu îi dăuneze acestuia. Preîncălzirea convertizorului catalitic este o metodă bună pentru reducerea emisiilor. Cea mai simplă metodă de preîncălzire a convertizorului este de a utiliza încălzitoare cu rezistenţă electrică. Din păcate, sistemele electrice la 12 volţi existente pe majoritatea maşinilor nu oferă destulă energie sau putere pentru a încălzi destul de rapid convertizorul. Majoritatea oamenilor nu ar aştepta câteva minute pentru ca, convertizorul catalitic să se încălzească înainte de a porni maşina. Maşinile hibrid care dispun de pachete mari de baterii de voltaj mare oferă destulă putere pentru a încălzi convertizorul catalitic foarte rapid.

12

Bibliografie

 http://ro.techemet.com/converter.html  http://www.enciclopedie-auto.ro/termen/default.asp?

Termen=catalizator+SSID22+TTID60  http://www.kwik-fit.com/catalytic-convertors.asp  http://www.catalyticconverter.org  http://en.wikipedia.org/wiki/Catalytic_converter#Environmental_impact

13