KATALIZATORI KATALIZATORI:

• materije koje uti~u na pokretanje, menjanje brzine i usmeravanje hemijskih reakcija, ne menjaju}i pri tom svoje stanje i koncentraciju.

• deluju kao: − INHIBITORI - usporavaju ili zaustavljaju hemijske reakcije

− AKTIVATORI (INICIJATORI) - iniciraju i ubrzavaju hemoreakcije

1

ZADATAK KATALITI^KIH KONVERTORA NA MOTORNOM VOZILU:

• naknadna obrada izduvnih gasova:

− oksidacija CO i CH

− redukcija NOX − CO2 , H2O , N2

2

KONSTRUKTIVNE KARAKTERISTIKE

• Metalno (limeno) ku}i{te • Obloga (metalna vuna) • Nosa~ (supstrat)

− granule zrnaste strukture (peleti) − kerami~ki monoliti − metalni monoliti

• Aktivni kataliti~ki sloj − plemeniti metali (platina Pt, paladijum Pd, rodijum Rh)

1 - 3 grama − promotor - pobolj{ava odredjena svojstava:

selektivnost, stabilnost povr{ine, difuzija...

• Zapremina katalizatora ≈ 80 % radne zapremine motora

3

Slika 1.4.:

Katalizator sa:

a) granulama (pelet tip)

b) kerami~kim monolitom

4

Slika 1.4.1.: Izgled kerami~kog monolita sa aktivnim slojem

5

Slika 1.4.2.:

Metalni monolit katalizatora

6

FUNKCIONALNE KARAKTERISTIKE

• Faktori sredine koji uti~u na funkcionalnost katalizatora:

− sastav sme{e (λ), odnosno sastav izduvnih gasova;

− temperatura izduvnih gasova na izlazu motora;

− linearna i prostorna brzina izduvnih gasova (zapreminski protok i.g./ zapremina katalizatora);

− vreme konverzije.

7

• Karakteristike za ocenu katalizatora na motornom vozilu:

− efikasnost kataliti~ke konverzije pojedinih komponenti u izduvnim gasovima u zavisnosti od temperature, sastava sme{e i re`ima rada;

[ ]E iM i M i

M i=

− '%

gde je:

Mi - masena emisija komponente "i" ispred katalizatora;

Mi/- masena emisija komponente "i" iza katalizatora;

i - indeks koji se odnosi na jednu od komponenti {CO, CH, NOx}

− startno pona{anje hladnog katalizatora i vreme odziva posle hladnog starta motora;

− pona{anje katalizatora u procesu starenja.

8

• Uslovi kataliti~ke konverzije:

− CO i CH : siroma{na ili stehiometrijska sme{a ili naknadno ubacivanje vazduha u izduvni sistem

− NOX : bogata (vi{e amonijaka) ili stehiometrijska sme{a (azot)

9

• Trokomponentni katalizator TWC (Three-Waz Catalist):

− vr{i kataliti~ku konverziju sve tri {tetne komponente izduvnih gasova

− stehiometrisjke sme{e ili vrlo bliskim ovom odnosu (Δλ ≤ ± 0,01)

1 - Kerami~ki monolit sa aktivnim slojem

2 - Obloga od ~eli~nih vlakana

3 - Metalno ku}i{te

Slika 1.5.: Presek trokomponentnog katalizatora

10

• Startna temperatura (Light Off) katalizatora:

− temperatura polukonverzije pri kojoj katalizator dosti`e efikasnost konverzije 50%

− 250 - 300 oC

− pove}ava se: starenjem katalizatora oboga}enjem sme{e (pri hladnom startu) prisustvom CO, NOX i CH.

11

DEZAKTIVIRANJE I STARENJE KATALIZATORA

• Trajnost katalizatora:

− vreme smanjenja njegove aktivnosti i efikasnosti tokom upotrebe do unapred definisane vrednosti

− na putni~kom vozilu najmanje 80.000 km (evropski zahtev), odnosno 160.000 km (zahtev u SAD)

− ocenjuje se preko faktora pogor{anja konverzije EDF (Emission Deterioration Factor) = Mi2 / Mi1

12

• Uzroci dezaktiviranja, starenja i o{te}enja:

1. Sinterovanje ili termi~ko dezaktiviranje:

fizi~ki proces - smanjenje aktivne povr{ine na visokim temperaturama

< 800 0C - minimalna, > 1000 0C - vrlo intenzivno

Slika 1.6.:

Faze procesa sinterovanja oksidne

nose}e podloge

2. Trovanje: dezaktiviranje aktivne povr{ine pod dejstvom adsorbcije kataliti~kih otrova:

− aditivi goriva (olovo, mangan, sumpor) − aditivi maziva (kalcijum, cink, fosfor) − metali iz izduvnog sistema (gvo`dje, nikl,

bakar)

reverzibilno - nestaje neposredno po uklanjanju inhibitora ireverzibilno - ostaje i posle uklanjanja inhibitora

3. Blokiranje:

dezaktiviranja zbog talo`enja materija koje u~estvuju u reakcijama: C-jedinjenja , sulfidi metala fizi~kog i hemijskog karaktera

4. Mehani~ka o{te}enja:

udari nagli porast pritiska gasova trenje pri strujanja reaktanata i dr

13

Slika 1.6.1.: Trovanje katalizatora: a) reverzibilno; b) ireverzibilno

Slika 1.7.:

Smanjenje efikasnosti trokomponentnog katalizatora

primenom olovnog benzina

14

SISTEMI S OKSIDACINIM KATALIZATOROM (slika 1.8.)

• Oksidacioni katalizator:

− CO i CH → CO2 i H2O

− NOX → neobradjeni

− smanjenje NOX mogu}e:

pri λ > 1,2 primenom recirkulacije izduvnih gasova (EGR) smanjenjem ugla pretpaljenja.

• Kiseonik za oksidaciju → dovodjenjem sekundarnog vazduha u izduvni kolektor.

Slika 1.8.: Sistem s oksidacionim katalizatorom i ubrizgavanjem sekudnarnog vazduha

15

SISTEMI S DVOSTEPENIM KATALIZATOROM (slika 1.10.)

• Kombinacija dva stepena katalizatora postavljena u seriji u istom ku}i{tu (slika 1.9.)

− redukcioni stepen: redukcija NOX − oksidacioni stepen: oksidacija CO i CH − sekundarni vazduh u komoru za me{anje

• Uslov: bogata (ili bar stehiometrijska) sme{a

Slika 1.9.:

Dvostepeni katalizator

Slika 1.10.: Sistem s dvostepenim katalizatorom

16

SISTEMI SA TROKOMPONENTNIM KATALIZATOROM (slika 1.11.)

• Konverzija sve tri komponente {tetnih izduvnih gasova (∼80%)

• Uslov: − stehiometrijska sme{a:

upravljanje u zatvorenoj petlji sa λ-sondom primena EFI (elektronsko ubrizgavanje goriva)

Slika 1.11.: Upravljanje sastavom gorive sme{e u zatvorenoj petlji

17

PROBLEM AKTIVNOSTI KATALIZATORA U FAZI ZAGREVANJA MOTORA

• Start hladnog motora - bogata sme{a

• Start EC sastava sme{e - min. radna temperatura λ-sonde ≈ 300 0C

18

• Mere za pobolj{anje startnih karakteristika katalizatora:

1. Smanjenje αP u po~etnoj fazi zagrevanja motora nakon starta (∼90 s) smanjenje emisije NOX jedinjenja pove}ano naknadno sagorevanje CH uticaj na potro{nju i snagu motora - prakti~no zanemarljiv.

2. Ubrizgavanje sekundarnog vazduha u izduvni kolektor smanjuje se emisija CH i CO, zbog njihove oksidacije egzotermna reakcija - pove}ava se temperatura u izduvnom sistemu

− skra}uje se vreme startovanja katalizatora − pove}ava se ukupna aktivnost katalizatora

3. Postavljanje katalizatora neposredno iza izduvnog kolektora smanjuje se vreme startovanja zbog vi{ih temperatura katalizator se izla`e opasno visokim temperaturama kada motor radi u re`imu maksimalne snage

19

4. Primena dodatnog startnog katalizatora neposredno iza izduvnog kolektora

serijska veza startnog katalizatora sa bajpas leptirom (sl. 1.12.a)

paralelna veza startnog katalizatora sa bajpas leptirima (sl. 1.12.b)

Slika 1.12.: Startni katalizator: a) serijski b) paralelni

20

5. Primena absorbera na bazi zeolita (slika 1.13.)

zeolit absorbuje molekule CH u po~etnoj fazi zagrevanja motora

oslobadjanje molekula CH iz absorbera pri temperaturi izduvnih gasova od 120 - 140 oC

naknadna obrada CH u glavnom katalizatoru

Slika 1.13.: Sistem sa apsorberom ugljovodonika

21

6. Predgrevanje katalizatora u po~etnoj fazi zagrevanja motora, iz posebnog spolja{njeg izvora:

gorionik s te~nim gorivom (slika 1.14.)

elektri~ni greja~ (Electrically Heated Catalyst - EHC)

Optimalno re{enje kataliti~kog sistema - slika 1.15.

Slika 1.14.: Koncept predgrevanja katalizatora gorionikom

Slika 1.15.:

EHC, startni i glavni katalizator

22

LAMBDA SONDA LAMBDA SONDA = EGO - SENZOR (Exhaust Gas Oxigen Sensor)

LAMBDA SONDA = O2 - SENZOR:

• dava~ informacije o sastavu izduvnih gasova na bazi koncentracije kiseonika u njima

• ugradnja u izduvnu cev motora (negrejana - bli`e motoru)

• radna temperatura: od 300 - 900 0C

23

KONSTRUKCIJA (slika 1.16):

Slika 1.16.: Lambda sonda na bazi cirkonijum dioksida

a) [ematski prikaz b) Konstrukcija sonde

24

PRINCIP RADA:

• Izlazni napon UL = f (ΔO2 )

• Stati~ka karakteristika λ-sonde (slika 1.17.): UL = f (λ)

− nelinearna - prekida~ka karakteristika za λ ≈ 1

ON - OFF regulacija (u 2 ta~ke)

Slika 1.17.:

Stati~ka karakteristika lambda sonde

UL = f(λ)

25