ΚΑΤΑΛΥΤΕΣ ΚΑΥΣΑΕΡΙΩΝ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ. Μ.Ε.Κ. Ι (Θ) Διαλέξεις Μ4, ΤΕΙ Χαλκίδας Επικ. Καθηγ. Δρ. Μηχ. Α. Φατσής

Transcript

1 ΚΑΤΑΛΥΤΕΣ ΚΑΥΣΑΕΡΙΩΝ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ Μ.Ε.Κ. Ι (Θ) Διαλέξεις Μ4, ΤΕΙ Χαλκίδας Επικ. Καθηγ. Δρ. Μηχ. Α. Φατσής

2 ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΚΑΤΑΛΥΤΗ Ο καταλύτης είναι ουσία που σε ελάχιστη ποσότητα, επηρεάζει την ταχύτητα μιας χημικής ή βιοχημικής αντίδρασης, χωρίς να παίρνει μέρος σε αυτήν. Οι καταλύτες καυσαερίων χρησιμοποιούνται για να επεξεργάζονται τα καυσαέρια των αυτοκινήτων και να τα αδρανοποιούν. Με τους καταλύτες καυσαερίων οι άκαυστοι υδρογονάνθρακες μετατρέπονται σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό, το μονοξείδιο του άνθρακα οξειδώνεται σε διοξείδιο και το οξείδιο του αζώτου ανάγεται σε άζωτο.

3 ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΚΑΥΣΑΕΡΙΩΝ Ο καταλύτης διευκολύνει μεν τη χημική αντίδραση, αλλά δε φθείρεται και δεν αλλοιώνεται διότι δεν παίρνει μέρος σε αυτή. Για να επιτευχθεί η μετατροπή των ρύπων πρέπει η θερμοκρασία του καταλύτη να αυξηθεί αρκετά, διότι δε μπορεί να διευκολύνει τις χημικές αντιδράσεις. 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.

4 ΘΕΣΗ ΚΑΤΑΛΥΤΗ

5 Λήπτης οξυγόνου «λ» Μετρά το ποσοστό του οξυγόνου στα καυσαέρια

6 Υλικά κατασκευής καταλυτών Τα ευγενή μέταλλα που χρησιμοποιούνται σαν επίστρωση στους καταλυτικούς μετατροπείς των αυτοκινήτων, είναι: α) Ο λευκόχρυσος ή πλατίνα (Pt). Σε λεπτό διαμερισμό και σε υψηλές θερμοκρασίες έχει την ικανότητα απορρόφησης του υδρογόνου το οποίο ενώνεται με το οξυγόνο, προς σχηματισμό υδρατμών. β) Το παλλάδιο (Pd). Σε υψηλές θερμοκρασίες και λεπτό διαμερισμό όπως και η πλατίνα έτσι και το παλλάδιο έχει την ικανότητα απορρόφησης του υδρογόνου, το οποίο ενώνεται με το οξυγόνο προς σχηματισμό υδρατμών. γ) Το ρόδιο (Rh). Δεν προβάλλεται από τα οξέα όταν είναι σε συμπαγή κατάσταση.

7 Για να πραγματοποιηθούν γρήγορα και αποτελεσματικά οι χημικές αντιδράσεις, που μειώνουν τους ρυπαντές, πρέπει τα καυσαέρια να έρχονται σε επαφή με τα πολύτιμα μέταλλα που επιταχύνουν τις αντιδράσεις για χρονικό διάστημα αρκετό για να ολοκληρωθεί η χημική αντίδραση. Για την επίτευξη αυτού του στόχου: 1.Τα καυσαέρια διοχετεύονται μέσα από εξαιρετικά λεπτούς αγωγούς, έτσι ώστε πρακτικά κάθε μόριο αερίου να έρχεται σε επαφή με τα πολύτιμα μέταλλα. 2.Ο διαχωρισμός της ροής πραγματοποιείται από το εσωτερικό υλικό του καταλύτη, το οποίο μπορεί να είναι μεταλλικό ή κεραμικό.

8 Πόροι καταλυτών Τα πορώδη υλικά είναι ιδιαίτερα εύχρηστα ως υπόστρωμα σε καταλύτες. Αυτό οφείλεται σε δύο κυρίως λόγους: Κατά πρώτον, στομεγάλοειδικό όγκο των πόρων τους (specific pore volume ). Κατά δεύτερον στην κατανομή του μεγέθους των πόρων (pore volume distribution ). Οι πόροι αυτοί μπορούν να ταξινομηθούν ανάλογα με το μέγεθος τους. Μικροπορώδη υλικά είναι οι ζεόλιθοι και αρκετοί πηλοί (clays ). Μακροπορώδες του καταλύτη ονομάζεται το σύνολο των κενών που δημιουργούνται σε έναν καταλύτη από τη συγκόλληση των επιμέρους μικροτεμαχιδίων.

9 Είδη καταλυτών 1) Με αντικαθιστάμενα σφαιρίδια 2) Με κεραμικό υπόστρωμα 3) Με μεταλλικό υπόστρωμα

10 Καταλύτης με κεραμικό υπόστρωμα με τετραγωνικής μορφής αγωγούς

11 Αύξηση της ενεργούς επιφάνειας καταλύτη με ενδιάμεση επίστρωση και ευγενή μέταλλα

12 Καταλύτης με κεραμικό υπόστρωμα Είναι ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος από τους κατασκευαστές αυτοκινήτων. Αποτελείται από: 1) Εξωτερικό κέλυφος ή μεταλλικό κάλυμμα. 2) Κεραμικός μονόλιθος ή κεραμικός υποστρώματος 0,15mm 0,30 mm φορέας. Πάχος Περιβάλλεται από προστατευτική ψάθα τύπου: 2.1) Συρμάτινου πλέγματος 2.2) Διαστελλόμενου τάπητα που τον προστατεύει από τους κραδασμούς και από τις συστολές-διαστολές του μεταλλικού καλύμματος.

13 ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑ Όταν το υπόστρωμα είναι καταλυτικά αδρανές επιλέγεται έτσι ώστε να παρουσιάζει : Μεγάλη μηχανική αντοχή Θερμική σταθερότητα Κατάλληλο μέγεθος τεμαχιδίων ( pellets ) Σχήμα και κατανομή των πόρων

14 Το πάχος των τοιχωμάτων των αγωγών του κεραμικού υποστρώματος κυμαίνεται από 0,15 mm έως και 0,3 mm ανάλογα με τον κατασκευαστή. Σε κάθε τετραγωνικό εκατοστό επιφάνειας, υπάρχουν περίπου 60 αγωγοί ροής (κυψέλες). Ο κεραμικός μονόλιθος έχει μία επικάλυψη βασισμένη στην αλουμίνα (γ-αl 2 O 3 ) λόγω της πορώδους ικανότητας Το (γ-αl 2 O 3 ) μετατρέπεται σε (α-αl 2 O 3 ) στους 900 C με αποτέλεσμα να χάνεται η πορώδης ιδιότητα του και γι αυτό σταθεροποιητές προστίθενται για να διασφαλίσουν υψηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας. Προσθήκη σταθεροποιητών όπως το οξείδιο Δημήτριου (CeO 2 ) και το οξείδιο του Βαρίου (ΒαΟ).

15 Εξωτερικό μεταλλικό κέλυφος Κατασκευάζεται από ανοξείδωτο χάλυβα που βελτιώνει τα μηχανικά χαρακτηριστικά του στις υψηλές θερμοκρασίες και προβάλλει ισχυρή αντίσταση στη διάβρωση. Ο καταλυτικός μετατροπέας μπορεί να χρησιμοποιεί και άλλα δευτερεύοντα συστατικά μέρη, όπως προστατευτικούς δακτύλιους, διπλό κέλυφος, μονωτικές κεραμικές ίνες, προστατευτική σχάρα (για τυχόν προσκρούσεις κλπ.).

16 Τομή καταλυτικού μετατροπέα

17 Καταλύτης με μεταλλικό υπόστρωμα Κατασκευάζεται από ελάσματα ανοξείδωτου χάλυβα, πάχους 0.01mm, που σχηματίζουν ένα κυψελοειδές πλέγμα. Τα δύο βασικά πλεονεκτήματα αυτού του είδους φορέα είναι : 1.Η μικρότερη αντίθλιψη που προκαλείται 2.Και η μεγαλύτερη ανθεκτικότητά του στις υψηλές θερμοκρασίες. Κύριο μειονέκτημα του αποτελεί το υψηλό κόστος του, γι αυτό και οι κατασκευάστριες εταιρείες τους τοποθετούν στα κορυφαία μοντέλα τους.

18

19 Καταλύτης με σφαιρίδια

20 Τύποι καταλυτικών μετατροπέων Μπορούμε να διαχωρίσουμε τους καταλυτικούς μετατροπείς σε τρεις μεγάλες κατηγορίες : Στους αναγωγικούς Στους οξειδωτικούς διοδικούς καταλύτες, Στους αρρύθμιστους τριοδικούς καταλύτες Και στους ρυθμιζόμενους τριοδικούς καταλύτες.

21 1. Αναγωγικοί καταλύτες Ονομάζονται έτσι γιατί ανάγουν τα οξείδια του αζώτου (ΝΟx) σε άζωτο (Ν 2 ). Το ρόδιο έχει την ικανότητα να αναγάγει τα οξείδια του αζώτου. Για ένα μεσαίου μεγέθους μετατροπέα αυτοκινήτου απαιτείται μια ποσότητα ροδίου λίγο μικρότερη του γραμμαρίου.

22 2. Διοδικοί καταλύτες Είναι γνωστοί και ως οξειδωτικοί καταλύτες καθώς αυτό το είδος αντίδρασης πραγματοποιούν. Το παλλάδιο και η πλατίνα παρουσιάζουν μια ιδιαίτερη ικανότητα στο να οξειδώνουν τους υδρογονάνθρακες και το μονοξείδιο του άνθρακα. Αυτοί οι καταλύτες χρησιμοποιούνται σε μηχανές που λειτουργούν με φτωχό μίγμα, αφού οι εκπομπές HC και CO είναι χαμηλές. Η ποσότητα της πλατίνας που χρησιμοποιείται για την επίστρωση ενός οξειδωτικού μετατροπέα που έχει όγκο ένα κυβικό πόδι, δε ξεπερνά τα 20 γραμμάρια.

23 2. ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗ ΔΙΟΔΙΚΟΥ (ΟΞΕΙΔΩΤΙΚΟΥ) ΚΑΤΑΛΥΤΗ

24 3α.Τριοδικός καταλύτης ανοικτού συστήματος ρύθμισης Ονομάζεται συχνά και αρρύθμιστος τριοδικός καταλύτης. Αποτελείται από δύο κεραμικούς μονόλιθους τοποθετημένους ξεχωριστά μέσα στο ίδιο μεταλλικό κέλυφος. Ανάμεσα στους δύο μονόλιθους υπάρχει ένας ατσάλινος σωλήνας, στον οποίο είναι συνδεδεμένο ένα σωληνάκι αντλίας που εισάγει τον αέρα από τη μηχανή.

25 3α.Τριοδικός καταλύτης ανοικτού συστήματος ρύθμισης

26 3α. Τριοδικός καταλύτης ανοικτού συστήματος ρύθμισης

27 3β. Τριοδικός καταλύτης κλειστού συστήματος ρύθμισης

28 3β. Ρυθμιζόμενος τριοδικός καταλύτης

29 Οχήματα συμβατικής τεχνολογίας με έτος έκδοσης πρώτης άδειας κυκλοφορίας πριν από την Ρυπαντής Λειτουργία κινητήρα Ρελαντί /- 300 στροφές το λεπτό Μονοξείδιο του Άνθρακα (CO) % <4,5 <4 Υδρογονάνθρακες ppm (HC) <800 <700 Οχήματα συμβατικής τεχνολογίας με έτος έκδοσης πρώτης άδειας κυκλοφορίας από την και έπειτα Ρυπαντής Λειτουργία κινητήρα Ρελαντί /- 300 στροφές το λεπτό Μονοξείδιο του Άνθρακα (CO) % <3,5 <3 Υδρογονάνθρακες ppm (HC) <500 <400

30 Οχήματα με ρυθμιζόμενο τριοδικό καταλυτικό μετατροπέα Ρυπαντής Λειτουργία κινητήρα Ρελαντί /- 300 στροφές το λεπτό Μονοξείδιο του <0,5 <0,3 Άνθρακα (CO) % Υδρογονάνθρακες (HC) ppm <120 <100 Συντελεστής «λ» 0,97 /1,03 στις στροφές +/-στροφές το λεπτό Οχήματα με αρρύθμιστο τριαδικό ή οξειδωτικό καταλυτικό μετατροπέα Ρυπαντής Λειτουργία κινητήρα Ρελαντί /- 300 στροφές το λεπτό Μονοξείδιο του <1,2 <1 Άνθρακα (CO) % Υδρογονάνθρακες (HC) ppm <220 <200

31 ΚΩΔ. ΑΡ. Χαρακτηρισμός Ελλείψεων Δ Σ Ε 804 Συγκέντρωση CO και HC CO >5% με ζεστό κινητήρα, σε κενή λειτουργία X 4,5>CO <5% με ζεστό κινητήρα, σε κενή λειτουργία X HC > 1000 ppm με ζεστό κινητήρα, σε κενή λειτουργία X 900<HC < 1000 ppm με ζεστό κινητήρα, σε κενή λειτουργία X

32 Θερμοκρασία Ενεργοποίησης Καταλύτη Δύο ενεργητικά συστήματα είναι: (α) οι ηλεκτρικά θερμαινόμενοι καταλύτες (που χρησιμοποιούν μεταλλικό πορώδες υλικό) και (β) έναυση με θερμά καυσαέρια (EGI, Exhaust Gas Ignition).

33 ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΤΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΣΕ ΣΧΕΣΗ ΜΕ ΤΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ Σε αρκετά υψηλές θερμοκρασίες η σταθερή κατάσταση της απόδοσης της μετατροπής ενός νέου οξειδωτικού καταλύτη είναι 98-99% για το CO και 95% και περισσότερο για τους HC. Ωστόσο, ο καταλύτης δεν είναι αποδοτικός έως ότου η θερμοκρασία αυξηθεί πάνω από 250οC-300οC. Το όριο θερμοκρασίας ενεργοποίησης χρησιμοποιείται συχνά για να δηλώσει την θερμοκρασία κατά την οποία ο καταλύτης γίνεται αποδοτικός σε ποσοστό πάνω από 50%.

34 ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΟΥ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΣΩΣΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΚΑΤΑΛΥΤΗ Για τη σωστή λειτουργία του καταλύτη (καταλυτικού μετατροπέα), εξαιρετική σημασία έχει η καταρχήν σωστή τοποθέτησή του, καθώς και ο περιοδικός έλεγχός του σε ολόκληρη τη διάρκεια ζωής του. Οι καταλύτες είναι στιβαρής κατασκευής και φυσιολογικά έχουν διάρκεια ζωής πάνω από χλμ.

35 Έλεγχος του συστήματος ρύθμισης με λήπτη λ Έλεγχος του κλειστού συστήματος ρύθμισης Ο έλεγχος του κλειστού συστήματος ρύθμισης είναι μια εύκολη διαδικασία εάν έχουμε ένα πολύμετρο με αντίσταση εισαγωγής μεγαλύτερη από 1MΩ. Ολόγοςγια τον οποίο χρειαζόμαστε χαμηλή αντίσταση εισαγωγής είναι, ότι ο λήπτης λάμδα παράγει ένα πολύ χαμηλό γαλβανικό δυναμικό.

36 ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΡΥΘΜΙΣΗΣ Για να γίνει ο έλεγχος της λειτουργίας του κλειστού συστήματος ρύθμισης για τυχόν βλάβες χρειάζεται να ελέγξουμε : Τον λήπτη λάμδα Τον εγκέφαλο Και τα καλώδια προς τα δύο εξαρτήματα

37 ΠΟΛΥΜΕΤΡΟ ΓΙΑ ΤΟΝ ΕΛΕΓΧΟ ΤΟΥ ΚΛΕΙΣΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ

38 ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΔΙΑΤΗΡΗΣΗΣ ΤΟΥ ΚΑΤΑΛΥΤΗ ΣΕ ΚΑΛΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ 1. Ποτέ μη χρησιμοποιείτε βενζίνη με μόλυβδο 2. Ελέγξτε την κατανάλωση λαδιού της μηχανής, ώστε να μην υπερβαίνει το ένα λίτρο ανά 1000 χλμ. 3. Μην προσπαθήσετε να ξεκινήσετε το όχημα με το να το σπρώχνετε, όταν ο καταλύτης είναι ζεστός 4. Μη χρησιμοποιείτε στα καύσιμα πρόσθετα που περιέχουν μόλυβδο 5. Συνιστάται η τακτική συντήρηση του αυτοκινήτου, ιδίως του συστήματος ανάφλέξης 6. Ποτέ μην αφήνετε το ρεζερβουάρ να αδειάσει, καθώς αυτό προκαλεί ακανόνιστη παροχή καυσίμου, με συνέπεια τη δημιουργία μικροεκρήξεων (πειράκια) και υψηλή θερμοκρασία μέσα στον καταλύτη

39 Αιτίες βλαβών καταλύτη Λιώσιμο του μονόλιθου Βούλωμα Σπάσιμο λόγω πρόσκρουσης Δηλητηρίαση από μόλυβδο

40 Είδη καταλυτών στο εμπόριο