Mijloace de reducere pasivă a emisiilor poluante la M.A.I. prin

utilizarea convertoarelor catalitice

Cursul 9

Convertorul catalitic - procesele de conversie catalitică

Funcţionarea sistemelor de conversie catalitică se bazează pe acţiunea catalitică a unor metale preţioase (platină, rodiu, paladiu) care sunt capabile să diminueze energia chimică necesară reacţiilor de reducere şi oxidare, mărind implicit viteza de desfăşurare a acestor reacţii. Accelerarea catalitică a reacţiilor de oxidare şi/sau reducere are loc la temperatură relativ scăzută a gazelor arse, evacuate la diversele regimuri de funcţionare ale motoarelor cu ardere internă.

Mecanismele reacţiilor chimice care au loc în sistemele catalitice se pot rezuma la următoarele scheme:

a) Mecanismul de oxidare a hidrocarburilor

În prezenţa oxigenului şi catalizatorului se poate dezvolta următoarea reacţie:

OH2

mnCOO)

4

mn(HC 222mn

b) Mecanismul de oxidare a monoxidului de carbon: 22 COO2

1CO

Se consideră că oxidarea monoxidului de carbon are loc în patru etape:

absgaz COCO ;O2O absgaz2

gaz2absabs COCOO gaz2gazabs2 COCOO

Datorită polarităţii puternice, molecula de monoxid de carbon este absorbită în stratul de metal nobil al catalizatorului. La o temperatură cuprinsă între 100 şi 200ºC apare o absorbţie a monoxidului de carbon care lasă locul oxigenului, molecula de oxigen disociază şi, la nivelul stratului catalitic, au loc reacţii de oxidare ale monoxidului de carbon, urmate de absorbţia dioxidului de carbon.

Monoxidul de carbon reacţionează după o reacţie de tipul

finalizându-se astfel procesul de oxidare.

gaz2gazabs2 COCOO

c) Mecanismul reducerii oxidului de azot

Din punct de vedere termodinamic, molecula de oxid de azot este instabilă, exceptând prezenţa acesteia în medii cu temperaturi foarte ridicate. Reacţia de reducere teoretică este de tipul:

22 O2

1N

2

1NO

Viteza de desfăşurare a acestei reacţii exotermice se poate amplifica pe cale termică sau în prezenţa metalelor catalitice. Descoperirea catalizatorului care poate asigura reducerea NO, în prezenţa oxigenului, rămâne o sarcină primordială a cercetătorilor din domeniu. Deficienţa principală a materialelor încercate până acum (metale preţioase, oxizi, etc.) constă în disocierea moleculelor de NO absorbite de catalizator şi fixarea acestor produşi de disociere pe suprafaţa catalizatorului. Desorbţia oxigenului format limitează continuarea reacţiilor de reducere. Pentru restaurarea acţiunii catalitice este necesară ridicarea nivelului temperaturii gazelor de evacuare sau prezenţa unui agent chimic reducător. Agenţii reducători pot fi compuşi chimici care însoţesc NO în gazele de evacuare (CO, H2, şi hidrocarburi nearse). Hidrogenul molecular poate rezulta din reacţia CO cu vaporii de apă, în prezenţa catalizatorului:

222 HCOOHCO

Reacţiile de reducere a NO se pot dezvolta după următoarele scheme:

NO CO N CO 1

2 2 2

NO H N H O 2 2 2

1

2

NO HC N H O CO ( )1

2 2 2 2

2 5 3 2 52 3 2NO CO H O NH CO

2 2 2NO CO N O CO

OH2NH2H5NO2 232

2 2 2 2NO H N O H O

Oxidarea agenţilor reducători CO, HC şi H2 are loc prin utilizarea oxigenului rezultat din disocierea NO sau a oxigenului molecular existent în gazele de evacuare. În cazul în care tensiunea parţială a oxigenului molecular depăşeşte substanţial presiunea parţială a NO, rata de disociere a NO se diminuează considerabil. Aceasta este cauza pentru care, cu tehnologiile actuale, nu este posibilă reducerea NO din gazele de evacuare ale motoarelor care funcţionează cu exces de aer.

Oxidarea agenţilor reducători în catalizator

La motoarele care funcţionează cu amestecuri bogate, agenţii reducători se găsesc în cantităţi ridicate, iar azotul atomic rezultat din disocierea NO poate reacţiona cu aceşti compuşi. De nedorit, în urma reacţiilor de reducere poate rezulta amoniac, prin una din următoarele reacţii:

OHNHH2

5NO 232 232 CO5NH2OH3CO5NO2

Convertorul catalitic dual

În cazul în care agenţii reducători sunt prezenţi în exces, pentru limitarea emisiei de amoniac, este necesară utilizarea a două reactoare legate în serie.

Sistem cu reactoare legate în serie

Primul reactor are rolul de a reduce NO (rezultând în acelaşi timp cantităţi variabile de amoniac). Amestecul de gaze ce părăseşte primul reactor intră în următorul reactor, în care se realizează procesele de oxidare. Pentru dezvoltarea acestui tip de reacţii, se introduce aer adiţional în gazele ce pătrund în reactorul de oxidare. Amoniacul format în timpul reacţiilor de reducere ar trebui să fie oxidat (în ultimul reactor) după reacţiile:

NH O N H O3 2 2 2

3

4

1

2

3

2 sau NH O NO H O3 2 2

5

4

3

2

Convertorul catalitic cu trei căi

Denumirea acestui sistem catalitic provine din abilitatea acestuia de a elimina (sau diminua) simultan trei compuşi poluanţi din gazele de evacuare: CO, HC, NOx. Eficienţa maximă în neutralizarea celor trei noxe se obţine la funcţionarea motorului cu amestecuri stoichiometrice. Dacă valoarea coeficientului excesului de aer al amestecului proaspăt este diferită de unitate atunci se diminuează eficienţa sistemului catalitic cu trei căi.

Eficienţa catalizatorului cu trei căi ca funcţie de calitate

amestecului

În cazul în care în motor sunt arse amestecuri sărace, se micşorează eficienţa reducerii NO. Dacă amestecul proaspăt este bogat, atunci este sesizată reducerea eficienţei reacţiilor de oxidare a HC şi CO; cantităţile remanente din respectivii compuşi pot fi eliminate prin adiţia vaporilor de apă, după mecanismele chimice: CO H O H CO 2 2 2 ( )HC H O CO CO H 2 2 2

Domeniul de variaţie a calităţii amestecului aer - combustibil, pentru care catalizatorul funcţionează eficient – aşa numita "fereastră " - este extrem de restrâns, ceea ce impune utilizarea unui sistem electronic de control şi reglare a calităţii amestecului, pentru menţinerea acestuia în domeniul de eficienţă al sistemului catalitic. Senzorul care culege informaţia relativ la cantitatea de oxigen remanentă în gazele de evacuare este sonda . Mărimea timpului de răspuns al sistemului poate determina oscilaţii ale dozajului la funcţionarea motorului în regimuri tranzitorii. În aceste cazuri, frecvenţa semnalului de răspuns variază cu 0,5...5 Hz, în jurul valorii fixate, ceea ce determină o variaţie a coeficientului de exces de aer în intervalul [0,93...1,07].

Semnalul generat de sonda , la deviaţia dozajului de la calitatea stoichiometrică, este transmis unităţii de control electronic, care, după procesarea informaţiilor, transmite semnalul de comandă a reglării calităţii amestecului pentru obţinerea unui 1.

În cazul absenţei sondei , convertorul cu trei căi poate procesa gazele de evacuare numai dacă se injectează aer secundar. În prima zonă a sistemului se reduc oxizii de azot. Aerul adiţional este injectat într-o zonă secundară, în care oxigenul este prezent într-o concentraţie corespunzătoare amestecului stoichiometric, astfel încât este posibilă oxidarea hidrocarburilor nearse şi a amoniacului. În cea de-a treia zonă a sistemului există, de asemenea, oxigen remanent, ceea ce face posibilă desăvârşirea reacţiilor de oxidare a hidrocarburilor. Această modalitate de utilizare a sistemului catalitic cu trei căi a fost practic abandonată în favoarea sistemului cu monitorizare a excesului de oxigen din gazele de evacuare şi controlul calităţii amestecului pentru funcţionarea motorului cu 1.

Aditivii adăugaţi în combustibil pot îmbunătăţi rezultatele obţinute în tratarea gazelor arse prin sistemul catalitic cu trei căi.

1. material ceramic2. protecţie externă3. corp metalic4. rezistenţă electricăa. electrod în contact cu aerul exteriorb. electrod în contact cu gaze de eşapament

Funcţionarea sistemului catalizator cu trei căi – sondă lambda

Suportul catalizatorului

Suportul sistemului catalitic utilizat la tratarea gazelor de evacuare emise de motoarele autovehiculelor trebuie să răspundă unor cerinţe specifice dintre care cele mai importante sunt:• Să permită depunerea stratului catalitic prin minimizarea contactului dintre acesta şi suport, fără ca elementul catalitic să sinterizeze cu materialul suportului, pentru a nu se diminua eficienţa reacţiilor catalitice. Reacţiile catalitice au loc la nivelul atomilor din stratul de suprafaţă al depunerii de element catalitic;• Să inducă un nivel de contrapresiune cât mai redus pe traseul gazelor evacuate prin sistem, pentru a nu diminua semnificativ performanţele energetice ale motorului;• Să asigure o cât mai mare suprafaţă de contact între gazele arse şi stratul de compus catalitic, în scopul maximizării eficienţei sistemului;• Să răspundă cât mai bine solicitărilor mecanice şi termice.

Structura suportului catalitic poate fi sub formă granulată sau monolitică. Ultimele construcţii folosesc în exclusivitate structuri monolitice. O asemenea structură este constituită dintr-o piesă unică realizată fie din material ceramic fie din metal.

Suportul monolitic ceramic

Pentru realizarea suportului monolitului ceramic se foloseşte aproape în exclusivitate cordieritul ( ), cu toate că au fost încercate şi alte materiale cum ar fi: alumina, titanatul de aluminiu, carbura de siliciu şi altele.

Materialele de bază sunt măcinate sub formă de pulbere (cu diametrul particulelor 50 m) după care acestea sunt încorporate într-un agent liant (metilceluloza sau carboximetilceluloza) cu un lubrifiant (etilenglicol) şi un agent fondant (hidroxizi ai pământurilor alcaline) pentru a favoriza sinterizarea. Amestecul obţinut este sinterizat în forma finală. Structura obţinută este introdusă apoi în cuptorul de sinterizare; în faza de presinterizare sunt eliminaţi compuşii volatili, agenţii lianţi şi lubrifianţi. Secvenţele la temperaturi ridicate (între 800 şi 1300 la 1450ºC) determină nivelul de porozitate al materialului ceramic pe care se va aplica stratul de material catalitic.

Cordieritul are un coeficient de dilatare termică redus ceea ce oferă monolitului o bună rezistenţă la şocuri termice. Punctul său de topire se plasează în jurul valorii de 1450ºC, ceea ce îi permite structurii monolitice să-şi păstreze elasticitatea până la temperaturi de 1300ºC, rezistând astfel rezonabil la solicitările mecanice specifice tuturor regimurilor de funcţionare ale motorului.

232o SiO5OAl2OM2

Monoliţii se extrudează ca volume cilindrice cu secţiunea circulară, eliptică sau “turf”. Canalele de trecere a fluxului de gaze evacuate (secţiune triunghiulară sau pătrată) sunt aranjate sub formă de fagure. Volumul monolitului ia valori cuprinse în intervalul [0,2…0,3] dm3 pentru fiecare kW de putere efectivă a motorului. Secţiunea în formă de “turf” se utilizează la motoare cu puteri de până la 100kW, pentru motoare cu puteri mai mari se folosesc doi monoliţi identici montaţi în paralel. Valoarea diametrului suportului se constituie în factorul principal ce determină nivelul căderii de presiune pentru un volum dat al monolitului, comparativ cu lungimea canalelor şi numărul de canale pe unitatea de suprafaţă. Micşorarea grosimii pereţilor despărţitori reduce inerţia termică a suportului şi diminuează nivelul presiunii gazelor de evacuare din amontele sistemului catalitic.

Caracteristicile principale ale monoliţilor ceramici sunt următoarele:• număr de canale pe cm2 - 46…62;• grosime de perete – 0,1, 0,15 sau 0,3 mm;• porozitate 30%;• aria suprafeţei active a canalelor raportată la unitatea de volum – 2,19 sau 2,79 m2 / dm3;• densitatea materialului ceramic – 1,68 kg / m3;• temperatura maximă de exploatare – 1100ºC;• mărimea macroporilor – 7000...10000 Å;• mărimea microporilor – 70...90 Å.

Suportul monolitic metalic

Monolitul metalic este realizat din oţel inoxidabil cu conţinut de crom şi aluminiu, obţinându-se grosimi ale pereţilor canalelor de 40...50 m. Se utilizează un oţel aliat, cu structură perlitică, inoxidabil, cu o bună rezistenţă la coroziunea indusă de gazele cu temperaturi ridicate evacuate din motor. Ca efect al conţinutului relativ ridicat de aluminiu (aproximativ 4%) la suprafaţa monolitului se formează un strat protector de alumină rezultată prin oxidare la temperatură ridicată.

Se apreciază că, prin introducerea în compoziţia aliajului a 0,2 - 0,3 % zirconiu, rezistenţa monolitului la solicitări caracteristice oxidării la temperaturi ridicate creşte; se împiedică, de asemenea, fenomenul desprinderii de particule din structura monolitică metalică de bază. Adaosul de calciu are efecte pozitive asupra adeziunii stratului de oxid la suprafeţele canalelor de trecere. În proporţie de aproximativ 0,3 %, introducerea ytriului în compunerea aliajului, are ca efect ridicarea durabilităţii materialului supus solicitărilor date de gazele fierbinţi. Deoarece ytriul este un material scump, se utilizează în proporţie de maxim 0,05 %, restul fiind înlocuit de un amestec conţinând pământuri rare şi ceriu. După recoacere la 1200ºC, folia de tablă, având compoziţia descrisă mai sus, este ondulată într-un laminor special pentru a i se asigura o configuraţie de suprafaţă sinusoidală sau trapezoidală. Asamblarea foliilor pentru obţinerea structurii principale se poate realiza fie prin sudură cu flux de electroni, fie prin brazare la o temperatură de maxim 1200ºC, direct în carcasa suportului. Brazarea este recomandată deoarece previne deformarea structurii sub acţiunea şocurilor termice. Folia este răsucită în formă de spirală sau sub formă de "3", această ultimă aranjare oferind o mai bună anduranţă mecanică.

Aria secţiunii transversale echivalente oferită pentru curgerea gazelor arse creşte de la 57%, în cazul monolitului ceramic, la 72%, în cazul monolitului metalic. Se reduce astfel, la utilizarea monolitului metalic, contrapresiunea din sistemul de evacuare al motorului, ceea ce determină o îmbunătăţire a performanţelor motorului. Rezultatele experimentale indică un câştig de 4 kW, la o putere iniţială a motorului de 160 kW, în cazul folosirii în sistemul catalitic a monolitului metalic.

Spargerea curentului principal de gaze arse, la intrarea în sistemul catalitic cu suport metalic, creşte intensitatea turbulenţei curgerii, ceea ce conduce la un contact mai bun între gazele evacuate şi suprafaţa cu metal catalitic. Efectul final este o creştere a eficienţei catalizatorului sau o posibilă diminuare a volumului şi greutăţii suportului.

Principalele caracteristici ale monolitului metalic sunt:• compoziţia materialului - 15 20% Cr, 4 5% Al, 0 2% Si, 0,1 0,3% Y, • restul până la 100%Fe;• număr de canale pe cm2 - 62 sau 93;• grosime de perete - 0,05 mm;• aria suprafeţei canalelor - 3.2 m2 / dm3;• densitatea materialului - 1,25 kg / dm3;• temperatura maximă de exploatare - 1100ºC.

Suportul metalic este mai scump decât suportul ceramic; opţiunea pentru prima soluţie este favorizată de flexibilitatea mai ridicată în alegerea numărului de canale şi de volumul mai redus al monolitului metalic (cu aproximativ 56% faţă de monolitul ceramic convenţional şi cu 25% faţă de structurile ceramice obţinute cu noile tehnologii). Alte caracteristici favorizante ale structurii metalice constau în:• căderea de presiune din sistemul catalitic mai mică cu 15 20% faţă de suportul ceramic cu îmbrăcăminte activă depusă;• conductivitate termică ridicată ce împiedică supraîncălzirea locală şi eventuala topire zonală a structurii;• inerţie termică redusă, ceea ce asigură un timp minim de atingere a temperaturii optime de funcţionare (imediat după pornirea motorului).• ca şi în cazul suportului din material ceramic, suprafaţa canalelor se acoperă cu un strat de Y-aluminiu, înainte de impregnarea cu elementul catalitic.

Materialul activ

La sistemele catalitice cu trei căi sunt utilizate ca agenţi catalitici numai metalele preţioase (cu toate că s-au desfăşurat cercetări pentru folosirea unor oxizii ai metalelor uzuale ca materiale catalitice).

Metalele preţioase au o intensă reactivitate chimică atât la temperaturi reduse cât şi la temperaturi ridicate; ele rezistă foarte bine tendinţelor de sinterizare prin care se reduce aria suprafeţei specifice de activitate.

Oxizii metalici, cum ar fi: CoO4, CuO, Cr2O3, ZnO, SiMnO2, singuri sau în combinaţie prin alţi oxizi, pot realiza o activitate catalitică, însă, pentru a realiza aceeaşi rată de conversie (ca în cazul utilizării metalelor preţioase) trebuie să se utilizeze o cantitate de două până la trei ori mai mare. Utilizarea oxizilor metalici este limitată în principal de lipsa de stabilitate la temperaturi ridicate şi de marea sensibilitate a acestora la acţiunea chimică a sulfului.

La sistemul catalitic cu trei căi, catalizatorul de oxidare conţine ca elemente active platina şi paladiul, singure sau în combinaţie. La oxidarea dioxidului de carbon, hidrocarburilor olefine sau pentanului, activitatea paladiului este mai intensă decât cea a platinei. La oxidarea hidrocarburilor aromatice activitatea celor două metale preţioase este asemănătoare, în schimb, oxidarea hidrocarburilor parafinice este mai eficient realizată de platină.

Prezenţa plumbului sau a fosforului blochează ireversibil suprafaţa activă a catalizatorului, platina dezactivându-se mult mai uşor decât paladiul.

Rata de conversie a NOX şi CO este mult mai scăzută în cazul paladiului, la regimuri de funcţionare caracterizate de amestecuri bogate. Tendinţa actuală, în tehnologia sistemelor catalitice, este de a înlocui perechea platină-rodiu cu pereche paladiu-rodiu deoarece au eficienţe comparabile însă costul paladiului este mai mic decât cel al platinei.

În cazul sistemului catalitic cu trei căi, este necesară utilizarea rodiului, pe lângă perechea de metale preţioase platină-paladiu, pentru a îmbunătăţi reacţiile de reducere. Din cauza prezenţei monoxidului de carbon, activitatea platinei şi paladiului este insuficientă în reacţiile de reducere a NOX la N2. Rodiul are o mai mare capacitate de a stoca oxigenul, în plus rodiul este imun la efectul de inhibiţie determinat de CO producând şi mai puţin amoniac la funcţionarea motorului cu amestecuri bogate. Rodiul este foarte sensibil la contaminarea cu plumb şi fosfor. La temperaturi ridicate, rodiul formează RhO3 care se poate combina sub forma unei soluţii solide cu alumina din suport. Acest oxid are tendinţa de a acoperi cristalele de platină, catalizatorul fiind astfel scos din funcţiune.

Ruteniul este considerat drept cel mai bun catalizator de reducere a NOX la N2, însă el nu este utilizat deoarece formează un oxid volatil în mediul oxidant; acest oxid nu a putut fi încă stabilizat într-un amestec de oxizi.

1. monolit ceramic2. strat din oxid de aluminiu3. metale nobile

Aditivi catalizatori

În suportul intermediar, precum şi în stratul activ de metale preţioase, se pot adăuga o mare varietate de aditivi cum ar fi: Ni, Ce, La, Ba, Zr, Fe, şi Si. Aceşti aditivi realizează accentuarea efectului catalitic, stabilizarea chimică a suportului şi inhibarea procesului de sinterizare a metalelor preţioase.

Prezenţa nichelului intensifică activitatea platinei şi paladiului la reducerea NO. Oţelul şi ceriul au efecte asemănătoare cu cele ale nichelului, ele previn sinterizarea aluminei din stratul intermediar şi diminuează intensitatea reacţiilor dintre rodiu şi alumină. Lantariul, adăugat paladiului, îmbunătăţeşte procesul de reducere a NO într-un mediu reducător. Siliciul are bune proprietăţi de inhibare a reacţiilor de sinterizare ale aluminei şi oxidului de ceriu. Lantariul previne desprinderea cristalelor de platină.

Încorporarea rodiului în suport de ZrO2 pe matrice acoperită cu Y-Al2O3 previne difuzia rodiului în alumină.

Tehnologia de obţinere a convertorului catalitic

Stratul intermediar

Depunerea stratului intermediar

Aria suprafeţei canalelor oferite atât de suportul ceramic cât şi de suportul metalic este insuficientă pentru aplicarea stratului activ de metale preţioase. Pentru a se mări suprafaţa de depunere a catalizatorului, pereţii canalelor sunt îmbrăcaţi cu un material intermediar care de cele mai multe ori este alumina. Masa stratului intermediar depus reprezintă 5…20% din masa suportului iar aria suprafeţei canalelor este amplificată cu un factor de aproximativ 100.

Principalul factor îl constituie proprietăţile de adeziune ale stratului intermediar la materialul suportului, deoarece se elimină riscul spargerii şi detaşării în timp a stratului activ. Este necesar ca mărimea coeficientului de dilatare al materialului suportului şi al stratului intermediar să nu difere prea mult.

Stratul intermediar se aplică în trei etape: pregătirea lichidului precursor pentru acoperire; imersia suportului în acest lichid; uscarea şi sinterizarea combinaţiei precursoare pe suport. Lichidul precursor este un amestec de Al2(OH)5Cl, hidrosoli de alumină şi posibili oxizi de siliciu sau zirconiu sau acest lichid precursor este o suspensie apoasă de Y alumină. Adeziunea suspensiei la suport poate fi îmbunătăţită prin adăugarea unor aditivi cum ar fi: silicat de sodiu, proteine, răşini sintetice, acestea putând fi adăugate în soluţie sau să fie aplicate pe suprafaţa canalelor înainte de aplicarea soluţiei precursoare. Adăugarea la suspensia precursoare de nitrat de aluminiu îmbunătăţeşte adeziunea particulelor suportului prin descompunere când temperatura creşte la aproximativ 500°C. Adaosul de CeO2 (4,5 % din greutatea stratului precursor) şi de BaO (<1% din greutatea suportului) reduce procesul de sinterizare al aluminei şi dispersia metalului preţios depus. Aceste adaosuri determină diminuarea la jumătate a cantităţii de metal preţios depus.

Dublarea cantităţii specifice a materialului precursor produce o creştere uşoară a căderii de presiune în convertor dar rata de conversie a CO şi NOx creşte şi se îmbunătăţesc calităţile de anduranţă datorită prezenţei de CeO2 datorită scăderii oxigenului.

În anumite reţete se incorporează în suport până la 7% Ce şi 7% La din greutatea suportului.

Stratul intermediar se depune prin imersia suportului în soluţia precursoare sau prin injecţia soluţiei precursoare în canalele suportului. Surplusul de soluţie precursoare este eliminat prin canalele monolitului cu ajutorul aerului comprimat sau prin centrifugare. Stratul precursor este uscat cu un curent de aer având temperatura de 100…150°C care parcurge canalele monolitului.

La monolitul metalic este necesar ca suprafeţele canalelor să fie bine degresate pentru ca stratul intermediar să adere la suprafaţa metalică. Anumite tehnologii prevăd pentru îmbunătăţirea stratului intermediar oxidarea suprafeţelor metalice ale monolitului.

Stratul activ

Catalizatorul platină-paladiu se depune în raport de 15:1 până la 3:1.Tehnologiile de depunere se adoptă în funcţie de suprafeţele suportului

pentru a se asigura eficienţă maximă.După ce stratul intermediar a fost depus pe suprafeţele canalelor

monolitului stratul activ se depune prin cufundare sau injecţie utilizând o soluţie de metale preţioase (de exemplu: H2PtCl6, PdCl2, Rh(NO3)3 şi RhCl3) sau soluţii pe bază de acetonă conţinând (n-butil4N)2Rh(CO)2Br8 sau H2PtCl6-6H2O.

În timpul uscării este necesar ca particulele active să fie fixate pe suprafaţă pentru a preveni migrarea acestora spre capătul canalului. Aciditatea mediului de impregnare influenţează adâncimea de pătrundere a catalizatorului în suport. Adâncimea de pătrundere trebuie să fie redusă pentru a se obţine o suprafaţă de spălare cu gaze arse a cristalelor de metal preţios cât mai mare, însă această penetrare trebuie să fie suficientă pentru a preveni desprinderea cristalelor prin abraziune şi prin contactul cu plumbul şi fosforul.

Pentru a reduce sărurile la stadiul metalic, platină/paladiu este necesar ca prin canale să treacă în curentul de H2/H2O la 75°C. Alte tehnici prevăd ca prin canale să treacă un curent de H2S pentru a fixa metalele preţioase pe suprafaţa canalelor într-o formă coloidală de precipitat de sulfiţi care apoi sunt descompuşi termic.

Aditivi cum ar fi nichelul sunt adăugaţi sub formă de nitraţi în soluţii apoase şi după această operaţie urmează operaţia de calcinare pentru a ajunge la starea metalică.

Există şi tehnologii care prevăd depunerea stratului intermediar şi activ simultan sub formă de hidrosol amestecat cu precursori catalitici însă o parte din cristalele active sunt acoperite de stratul intermediar şi eficienţa de conversie poate fi mai redusă.

Montarea suportului în carcasă

Suportul impregnat cu cristale de metale preţioase este montat într-o carcasă metalică destinată protejării. Carcasa se confecţionează din oţel inoxidabil refractar austenitic sau feritic. Carcasa se obţine din două semicarcase realizate prin presare.

Convertorul catalitic se poziţionează pe conducta de evacuare ţinând seama că suportul trebuie să se încălzească cât mai repede după pornire rezultând o amplasare cât mai apropiată de motor, însă ţinând seama de nivelul de temperatură atins (800-900 °C) el trebuie depărtat de motor la o distanţă de siguranţă.

Pentru a se încălzi rapid carcasa convertorului poate fi dublă, între cele două carcase fiind plasat material izolant.Suportul metalic este fixat direct de carcasă. Carcasa, la ambele tipuri de suport, trebuie să direcţioneze uniform gazele către monolit pentru a se obţine o rată de conversie optimă.

Montarea monolitului 1. sondă lambda2. monolit ceramic3. ecran metalic flexibil de protecţie4. start termoizolant

1. înveliş metalic exterior

2. conector electric3. disc de încălzire

(rezistenţă electrică)4. pini de fixare5. carcasă metalică6. pini de reţinere7. înveliş metalic

interior8. catalizator (monolit

metalic)

1. Catalizator cu monolit ceramic (jos stânga),

2. filtru de particule (sus),

3. catalizator cu monolit metalic (jos dreapta)

Componenţa sistemului de control cu senzori de oxigen

Senzor de oxigen

Eficienţa catalizatorului este monitorizată cu ajutorul a două sonde lambda: o sondă înainte de catalizator şi una după catalizator. În funcţie de nivelul de oxigen măsurat de cele două sonde lambda calculatorul central poate determina dacă catalizatorul se află în parametrii nominali sau este defect.

Temperatura de intrare în activitate a materialului catalitic

La temperatura mediului ambiant convertorul catalitic nu acţionează asupra poluanţilor emişi de către motor. Catalizatorul trebuie să atingă temperatura minimă de funcţionare, cuprinsă între 200 şi 300 °C. Până la atingerea temperaturii de funcţionare, emisiile sunt deversate în atmosferă fără a fi supuse procesului de conversie completă.

Timpul necesar convertorului catalitic pentru a atinge eficienţa de conversie depinde de:• proprietăţile catalizatorului: formula şi starea lui (stadiul de oxidare, prezenţa diferiţilor compuşi pe suprafaţa sa);• compoziţia gazelor de evacuare;• căldura conţinută de gazele de evacuare care depinde de: raportul aer-combustibil, avansul la aprindere, căldura transferată la pereţi pe timpul evacuării, distanţa de la colectorul de evacuare la convertor şi caracteristicile convertorului (geometrie, capacitate termică, izolare termică, conductivitate termică);

Influenţa catalizatorului

La catalizatoarele de oxidare paladiul are o temperatură mai scăzută de intrare în funcţiune decât platina. În convertoarele cu trei căi, combinaţia Pt/Rh reduce temperatura de acţionare faţă de combinaţiile Pt/Pd, Pd/Rh sau Pt/Pd/Rh. Temperatura de intrare în funcţionare descreşte şi la creşterea dispersiei platinei pe suprafaţa canalelor monolitului. Acelaşi efect se obţine şi prin creşterea concentraţiei de metale preţioase.

Acţiunea aditivilor materialului suportului

Aditivii materialului suportului inhibă sinterizarea metalelor preţioase, încetinesc îmbătrânirea acestora şi coboară temperatura de intrare în funcţiune a catalizatorului. Această temperatură se diminuează aproape liniar cu conţinutul CeO2, în special dacă particulele de oxid sunt mai mici. Alţi aditivi sunt utilizaţi pentru a mări capacitatea de stocare a oxigenului (Fe2O3) sau pentru a stabiliza metalele active (oxizii pământurilor rare) şi a coborî temperatura de funcţionare.

Influenţa compoziţiei gazelor arse

La pornirea motorului, prin convertorul catalitic curg gazele arse care au un conţinut variabil de CO, O2, NO şi HC care depinde de gradul de îmbogăţire al amestecului aer-combustibil, temperatură şi presiunea mediului ambiant. Un conţinut ridicat de oxigen şi o concentraţie scăzută de CO în gazele arse (gazele de evacuare ale MAC) coboară temperatura de oxidare a catalizatorului.

Compoziţia hidrocarburilor nearse variază în funcţie de procesele care au loc în cilindrii motorului şi în funcţie de compoziţia combustibilului utilizat. Prezenţa hidrocarburilor olefinice în gazele de evacuare reduce temperatura de intrare în funcţiune a materialului activ.

Reacţia catalizatorilor la aceşti factori nu este sistematică şi ea depinde de formula de material activ şi de starea de îmbătrânire a acestuia.

Influenţa raportului aer-combustibil

La un catalizator de oxidare Pt/Pd, fără utilizarea de aer adiţional sau a amestecurilor sărace, temperatura de intrare în funcţiune a acestuia creşte cu gradul de îmbogăţire al amestecului la pornire.

Acest efect este mai puţin important la convertoarele catalitice care conţin rodiu (Rh), deoarece rodiul este mai puţin sensibil la conţinutul de CO decât Pt şi Pd. La un convertor de oxidare cu Pt, la creşterea conţinutului de CO de la 0,5% la 7% temperatura pentru a obţine 50% conversie creşte de la 160 °C la 300 °C.

Pe lângă CO, şi hidrocarburile nearse pot exercita un efect variabil de inhibiţie care depinde de compoziţia lor.

Controlul rapid al dozajului prin senzorul de oxigen face posibilă menţinerea catalizatorului în limitele de funcţionare eficientă.

Influenţa suprafeţei catalizatorului

Depozitele de metale şi metaloizi (Pb, P, S, Zn) au un efect ireversibil. Cumularea efectelor termice (sinterizare) cu depozitele de impurităţi conduc la o mărire progresivă a temperaturii de intrare în funcţiune a materialului activ.

Influenţa tipului suportului şi poziţia în instalaţia de evacuare

Pentru a atinge temperatura de intrare în funcţiune a catalizatorului într-un timp cât mai scurt după pornirea motorului rece, convertorul catalitic trebuie să fie amplasat cât mai aproape de colectorul de evacuare, trebuind să aibă o capacitate termică scăzută. De cele mai multe ori însă, aceste condiţii sunt contraindicate datorită riscului supraîncălzirii convertorului la funcţionarea motorului la sarcină plină. La sistemele catalitice pe bază de Pt/Rh, temperatura gazelor arse nu trebuie să depăşească 950 °C, datorită avantajelor plasarea lângă colectorul de evacuare fiind aleasă în acest caz de constructorii de autovehicule.

O soluţie de compromis o constituie separarea convertorului catalitic în două componente: un miniconvertor cu capacitate termică redusă care este amplasat cât mai aproape de colectorul de evacuare unde este încălzit rapid şi atunci se iniţiază oxidarea CO şi HC iar în aval se amplasează convertorul catalitic principal.

Convertoarele cu monoliţi metalici, datorită rezistenţei mari la supraîncălzire pot fi amplasate cât mai aproape de motor.

O altă soluţie combină un microconvertor ca monolit amplasat în colectorul de evacuare cu un monolit ceramic amplasat pe traiectul de evacuare pentru a se evita supraîncălzirea acestuia la funcţionarea motorului la sarcini mari.

Amplasarea convertorului catalitic

Pentru a aduce convertorul la temperatura de funcţionare se prevăd sisteme electrice de încălzire a acestuia înainte de pornirea motorului.

Între monolitul ceramic al convertorului catalitic şi carcasa acestuia, pentru protecţia contra vibraţiilor, se amplasează un strat de fibre minerale care poate juca şi rolul de izolaţie termică pentru intrarea rapidă în funcţiune a materialului activ. În alte cazuri se poate izola termic conducta de legătură dintre colectorul de evacuare şi convertorul catalitic.