Katalyzátor (auto)

Katalyzátor je technické zariadenie vo výfukovom systéme spaľovacieho motora, ktorého úlohou je upraviť zloženie výfukových plynov do neho vstupujúcich tak, aby na výstupe obsahovali menší (najlepšie nulový) podiel škodlivých zložiek - exhalátov, alebo emisií.

Katalyzátor je väčšinou konštruovaný ako keramické teleso valcového tvaru s množstvom malých kanálikov. Ich povrch, v závislosti od typu môže obsahovať katalytickú látku. Takéto riešenie zabezpečuje čo najväčšiu pracovnú plochu, pri minimálnych rozmeroch. Zvolený materiál zároveň umožňuje dosahovať a udržať vysokú pracovnú teplotu.

Prvé vozidlá vybavené katalyzátormi prišli na trh v roku 1975.

Zloženie spalín

Zloženie spalín závisí od toho, s akým prebytkom vzduchu, ako dokonale a ako rýchlo spaľovanie prebehlo.

V prípade, ak spaľovanie uhľovodíkového paliva prebieha pri stechiometrickom pomere (z makroskopického aj mikroskopického hľadiska) a dostatočne pomaly, teoreticky nevzniknú škodliviny, iba čisté produkty spaľovania oxid uhličitý a voda.
Ak spaľovanie síce prebehne pri stechiometrickom pomere, ale rýchlo, výfukové spaliny nie sú v rovnovážnom stave a obsahujú nedokonalé produkty spaľovania. Ak by však mali dostatočný čas a teplotu na pokračovanie spaľovania ich zloženie by sa priblížilo k produktom dokonalého spaľovania.
Ak spaľovanie prebieha pri nestechiometrickom pomere vzniká prevaha buď látok ktoré treba redukovať odstránením kyslíka, alebo naopak oxidovať pridaním kyslíka.

Rozdelenie

Podľa prebiehajúcich reakcií v katalyzátore sa delia na:

trojcestné,
oxidačné,
redukčné.

Trojcestný katalyzátor

Rez trojcestným katalyzátorom s kovovým jadrom

Trojcestný katalyzátor sa využíva na svoju činnosť vyššie uvedený fakt, že spaliny, ktoré sú produktom spaľovania pri stechiometrickom pomere sú len dočasne v nerovnovážnom stave. Pri svojej činnosti využíva prítomnosť látky - katalyzátora, ktorý sa počas chemickej reakcie nemení, ale významne ovplyvňuje jej rýchlosť. Na svojom katalytickom povrchu pri dostatočnej teplote umožní vzájomnú reakciu oxidantov NO_x a redukčných činidiel CH_x a CO, ktoré sú vo vhodnom pomere, aby vzájomne reagovali za vzniku N₂, H₂O a CO₂.

Trojcestný katalyzátor sa používa pre zážihové motory ktoré spĺňajú základné podmienky:

regulujú sa množstvom zmesi a teda pracujú so súčiniteľom prebytku vzduchu λ = 1
pracujú s homogénnou zmesou vytvorenou ľahkoodpariteľným palivom a teda potrebný súčiniteľ prebytku vzduchu je možné dodržať aj na mikroúrovni.

Zároveň je nevyhnutnou podmienkou vybavenie motora lambda-sondou. Pri jej nesprávnej funkčnosti, prestáva byť katalyzátor účinný a hrozí jeho úplné zničenie.

Oxidačný katalyzátor

Bližšie informácie v hlavnom článku: Filtrácia výfukových plynov

Oxidačný katalyzátor sa používa pre vznetové motory, ktoré síce pracujú s vysokým prebytkom vzduchu, ale pri ich mechanizme spaľovania dochádza mikroskopicky k spaľovaniu veľmi bohatej zmesi, pretože kvapôčky rozprášeného paliva môžu byť priveľké. Katalyzátor je určený na redukciu škodlivín CH_x a CO. Pri vysokej teplote katalyzátora dochádza k dodatočnému spaľovaniu pevných častíc vo výfukových plynoch v prebytkovom kyslíku, ktorý vždy obsahujú. Spaľovaním sa zmenšuje veľkosť častíc, prípadne mikročastice zhoria úplne ^[1].

Redukčný katalyzátor

Bližšie informácie v hlavnom článku: Redukčný katalyzátor

Redukčný katalyzátor sa používa na zníženie emisií oxidov dusíka (NOx) pri vznetových a zážihových motoroch s priamym vstrekom.

Prevádzkové podmienky

Optimálna teplota katalyzátora pre palivá s bežným obsahom síry je okolo 400 °C. Pri nízkych teplotách má katalyzátor nízku účinnosť, pri teplotách nad 400 °C sa začínajú tvoriť sulfáty, zvyšujúce emisie. Pri nízkosírových palivách je možné prejsť na vyššie teploty katalyzátorov zaručujúce ich vyššiu účinnosť.

Skrátenie doby nábehu katalyzátora na pracovnú teplotu sa môže dosiahnuť niekoľkými spôsobmi:

elektrickým ohrievaním katalyzátora,
použitím dvoch katalyzátorov (menšieho - štartovacieho a väčšieho - prevádzkového). Štartovací katalyzátor je umiestnený blízko pri motore, kde sa rýchlo zohreje od vysokej teploty výfukových plynov, a keď prevádzkový katalyzátor dosiahne potrebnú teplotu, štartovací katalyzátor sa odpojí, aby sa nezničil pri vysokých zaťaženiach.

Referencie

↑ Zelenka P., Kriegler W., Herzog P.L., Cartellieri W.P. : Ways Toward the Clean Heavy-Duty Diesel. SAE paper 900602. International Congress and Exposition, Feb.1990.(in) Diesel Particulate Emissions: Measurement Techniques, Fuel Effects and Control Technology PT-42, (ed.) Johnson J.H., SAE,Inc Warrendale,PA USA,1992.

Iné projekty

Commons ponúka multimediálne súbory na tému Katalyzátor (auto)

[1] Zelenka P., Kriegler W., Herzog P.L., Cartellieri W.P. : Ways Toward the Clean Heavy-Duty Diesel. SAE paper 900602. International Congress and Exposition, Feb.1990.(in) Diesel Particulate Emissions: Measurement Techniques, Fuel Effects and Control Technology PT-42, (ed.) Johnson J.H., SAE,Inc Warrendale,PA USA,1992.

[1]