RP-Energie-Lexikon - catalizator de gaze de eșapament, catalizator de oxidare, catalizator cu trei căi,
Definiție: un dispozitiv pentru reducerea conținutului de poluanți ai gazelor de eșapament
Termeni mai specifici: catalizator de oxidare, catalizator cu trei căi, catalizator de stocare, catalizator SCR
Creație originală: 29.04.2012; ultima modificare: 28.04.2020
Convertoarele catalitice sunt dispozitive care reduc conținutul de poluanți ai gazelor de eșapament z. B. de la motoarele cu ardere internă sau de la cuptoarele mari ale centralei electrice, deci creșteți calitatea evacuării. Gazele de eșapament conțin mai mulți poluanți, dintre care unele sunt cauzate de arderea incompletă sau reacțiile secundare chimice nedorite:
- Gazul de eșapament conține hidrocarburi ne-arse - fie componente originale ale combustibilului, fie intermediari chimici. Acestea sunt toxice, în unele cazuri chiar cancerigene (de exemplu, benzen = benzen).
- De asemenea, monoxidul de carbon toxic (CO) poate fi produs în cantități considerabile. Monoxidul de carbon inhalat reduce transportul de oxigen în sânge.
- La temperaturi ridicate de ardere, azotul și oxigenul din aerul de ardere produc oxizi de azot precum NO2 (dioxid de azot) și NO (monoxid de azot). Acestea sunt, de asemenea, otrăvitoare și dăunează z. B. plămânii.
Toți acești poluanți ar putea fi evitați în principiu dacă procesele de ardere ar fi fost complete și oxidarea azotului nu ar avea loc. Acest lucru ar fi aproximativ cazul în care arderea, cu un aport adecvat de aer, nu ar avea loc prea repede și la temperaturi favorabile. Temperatura din flacără ar trebui să fie suficient de ridicată și să nu scadă prea repede la ieșirea din flacără. Cu toate acestea, astfel de condiții sunt de ex. B. greu de realizat cu motoarele pe benzină și motoarele diesel, în special la turații mai mari. De asemenea, cazurile de sarcină schimbătoare fac dificilă controlul proceselor de ardere.
Problema poate fi rezolvată acum, sau cel puțin mult redusă, cu ajutorul unui convertor catalitic de gaze de eșapament ca măsură suplimentară a motorului; se vorbește despre tratarea ulterioară a gazelor de eșapament spre deosebire de reducerea emisiilor brute prin măsuri interne ale motorului. Funcția catalizatorului este de a accelera anumite reacții chimice dorite chiar și la temperaturi mai scăzute (câteva sute de grade Celsius):
- Se spune că monoxidul de carbon și hidrocarburile sunt oxidate; H. acestea ar trebui să reacționeze cu oxigenul rămas în gazele de eșapament și să devină dioxid de carbon și vapori de apă netoxici.
- Pe de altă parte, oxizii de azot trebuie reduși; H. oxidarea azotului trebuie inversată.
În principiu, aceste reacții ar putea avea loc și fără un catalizator, dar ar fi mult prea lente. Mai simplu spus, accelerarea reacțiilor din convertorul catalitic funcționează în așa fel încât moleculele poluantului se atașează temporar la elementele convertorului catalitic (și formează o legătură slabă acolo) până când întâlnesc alte molecule adecvate (de exemplu molecule de oxigen) cu care pot poate reacționa. După acest proces, convertorul catalitic rămâne neschimbat și, prin urmare, poate converti alte molecule poluante.
Reacțiile chimice care au loc în convertorul catalitic sunt în mare parte exoterme: substanțe mai energetice sunt transformate în altele mai puțin energetice. Acest lucru eliberează căldură în convertorul catalitic. Dacă un convertor catalitic este prea încărcat cu substanțe bogate în energie, cum ar fi monoxidul de carbon și/sau hidrocarburi nearse (ceea ce este în special cazul motoarelor în doi timpi), acest lucru poate duce chiar la supraîncălzire, atâta timp cât este disponibil și oxigenul necesar oxidării.
Un convertor catalitic pentru vehicule conține de obicei o structură ceramică sau metalică puternic fisurată cu o suprafață interioară mare, care este, de asemenea, amestecată cu particule foarte fine de metale prețioase precum platină, paladiu și rodiu. Reacțiile dorite au loc în principal pe aceste particule nobile de metal.
Ce nu poate face un catalizator este să elimine elemente chimice nedorite, cum ar fi B. Sulful ca component al dioxidului de sulf (SO2). Se poate întâmpla chiar ca hidrogenul sulfurat (H2S), mult mai toxic și puternic mirositor, să se formeze din dioxid de sulf; apoi evacuarea mașinii miroase a ouă stricate. În alte cazuri, se produce trioxidul de sulf nedorit (SO3), ceea ce duce la formarea acidului sulfuric și apoi a sulfaților, care apar în final ca emisii de particule (praf fin). În orice caz, catalizatorii nu pot preveni emisia de dioxid de carbon (CO2); la urma urmei, aceasta este cea mai puțin dăunătoare formă în care carbonul conținut în combustibil poate părăsi sistemul.
Tipuri de convertoare catalitice
Catalizatorul ideal ar permite ca toate reacțiile chimice dorite menționate să aibă loc rapid și complet, dar în același timp nu există reacții nedorite. Cu toate acestea, acest lucru nu este posibil din punct de vedere tehnic; eficiența proceselor de curățare a gazelor de eșapament depinde de tipul de catalizator, dar și puternic de condițiile de funcționare. Adesea, un catalizator poate promova doar o anumită reacție.
Catalizator de oxidare
Un convertor catalitic de oxidare se înțelege a fi un convertor catalitic care poate oxida numai poluanții, cum ar fi monoxidul de carbon și hidrocarburile, dar nu reduce oxizii de azot. Acest lucru se aplică multor convertoare catalitice atunci când gazele de eșapament conțin un exces de oxigen. Acesta este, de obicei, cazul gazelor de eșapament de la un motor pe benzină cu combustie slabă sau de la un motor diesel; ambele funcționează cu un raport ridicat de aer de ardere. În trecut, catalizatorii de oxidare pură (catalizatori necontrolați) erau adesea folosiți ca catalizatori de adaptare pentru motoarele pe benzină.
Între timp, se dezvoltă catalizatori de oxidare pentru sobele cu lemne. Acestea pot fi atașate, de exemplu, în camera de ardere din apropierea orificiului de evacuare a coșului de fum. Deoarece uneori sunt expuși la temperaturi foarte ridicate acolo, trebuie să fie dintr-un material care este potrivit pentru temperaturi ridicate. Cu ajutorul unui astfel de convertor catalitic, emisiile de monoxid de carbon, hidrocarburi și particule pot fi reduse semnificativ.
Convertor catalitic cu trei căi controlat
Un convertor catalitic cu trei căi este utilizat în principal astăzi pentru motoarele pe benzină în patru timpi care funcționează pe benzină sau gaz natural. Acest lucru poate oxida în același timp monoxidul de carbon, oxida hidrocarburile și reduce oxizii de azot (deci „trei moduri” în sensul eliminării a trei poluanți diferiți). Acesta din urmă se întâmplă prin reacția cu monoxid de carbon, care smulge oxigenul din oxizii de azot și devine dioxid de carbon netoxic.
Conținutul de oxigen rezidual al gazelor de eșapament este determinat de raportul de aer de ardere, cunoscut și sub denumirea de lambda (valoarea λ). Pentru convertorul catalitic cu trei căi este necesară o valoare lambda foarte apropiată de 1. Acest lucru este posibil tehnic numai cu ajutorul unui control automat care necesită un semnal de eroare de la așa-numita sondă lambda.
Din păcate, așa-numita îmbogățire completă este folosită în multe vehicule atunci când acceleratorul este puternic. Aceasta înseamnă că regulamentul menționat anterior este oprit în mod deliberat pentru a funcționa motorul cu un amestec „bogat”. Acest lucru permite obținerea unei puteri ușor mai mari a motorului și, în același timp, împiedică supraîncălzirea convertorului catalitic. Cu toate acestea, acest lucru, pe de o parte, mărește foarte mult emisia de poluanți și, pe de altă parte, consumul de combustibil este crescut datorită eficienței reduse a motorului.
Pentru mai multe detalii, consultați articolul despre catalizatorii cu trei căi.
Convertor catalitic de stocare a NOx
La motoarele cu arsură slabă și motoarele diesel, denitrificarea nu funcționează într-un convertor catalitic convențional, deoarece monoxidul de carbon sau hidrocarburile necombinate necesare pentru aceasta nu sunt prezente în gazele de eșapament în cantități suficiente. O soluție pentru acest caz este convertorul catalitic de stocare a NOx. Acesta conține substanțe pe care moleculele de oxid nitric (NO2) se acumulează inițial. Când capacitatea convertorului catalitic este epuizată, convertorul catalitic trebuie regenerat. Pentru a face acest lucru, motorul este scurt comutat la un amestec bogat (ca și în cazul îmbogățirii încărcării complete) și temperatura gazelor de eșapament este crescută. Schimbarea compoziției gazelor de eșapament (cu puțin oxigen și puțin monoxid de carbon) permite eliminarea oxizilor de azot din convertorul catalitic: reacționează cu monoxidul de carbon, la care degajă oxigenul.
O problemă cu această tehnologie este că este dificil să mențineți temperatura de funcționare a convertorului catalitic în intervalul optim în timpul funcționării vehiculului. În circumstanțele nefavorabile care apar frecvent (de exemplu, în traficul urban), eficiența curățării gazelor de eșapament poate scădea semnificativ - în special la motoarele diesel, care au temperaturi ale gazelor de eșapament care variază foarte mult în funcție de sarcină. De asemenea, este adesea dificil să se atingă temperaturile ridicate necesare pentru regenerare, mai ales dacă regenerarea se efectuează în timp ce conduceți lent.
Mai multe detalii găsiți în articolul despre catalizatorii de stocare.
Convertor catalitic SCR
Cea mai eficientă metodă de astăzi pentru denitrifierea gazelor de eșapament diesel se bazează pe un convertor catalitic SCR. Reducerea catalitică selectivă (SCR) care are loc acolo necesită de obicei adăugarea măsurată de amoniac gazos (NH3) sau o soluție de uree (de exemplu AdBlue), care se descompune în amoniac și vapori de apă (și este mai ușor de transportat în vehicule decât amoniac) . Amoniacul este un gaz otrăvitor, dar este în mare parte transformat în convertorul catalitic, deci ar trebui să fie greu prezent în gazele de evacuare curățate - cu excepția cazului în care există o supradoză de amoniac sau uree.
Există, de asemenea, așa-numitele convertizoare catalitice SCR pasive care utilizează hidrocarburi nearse prezente în gazele de eșapament ca agenți reducători, adică nu necesită lichid consumabil suplimentar. Prin urmare, acestea pot fi utilizate numai pentru gazele de eșapament cu o compoziție corespunzătoare și, în unele cazuri, sunt supuse și unor restricții suplimentare, de exemplu datorită unei toleranțe mai mici la sulf. Cu această tehnologie, motorul poate u. U. nu mai optimizează pentru o eficiență optimă.
Mai multe detalii găsiți în articolul despre catalizatorii SCR.
Utilizarea a doi convertoare catalitice
În unele vehicule pentru tratarea ulterioară a gazelor de eșapament efectuate cu o combinație de doi convertoare catalitice. De exemplu, pentru un motor pe benzină, un convertor precatalitic relativ mic instalat aproape de motor poate fi combinat cu un convertor catalitic principal mai mare instalat pe partea inferioară a vehiculului. Convertorul precatalitic atinge temperatura de oprire mai repede după o pornire la rece, dar nu curăță încă complet gazele de eșapament; catalizatorul principal preia apoi detoxifierea ulterioară.
În unele cazuri, două tipuri diferite de catalizatori sunt, de asemenea, combinate între ele. De exemplu, unele motoare diesel folosesc mai întâi un convertor catalitic de oxidare și apoi un convertor catalitic SCR (pentru reducerea catalitică selectivă).
Otravuri catalizatoare
Anumite substanțe pot „otrăvi” un catalizator, adică îl pot face ineficient. De exemplu, cantități mici de plumb tetraetil („plumb”) obișnuiau să fie adăugate la benzină pentru a crește rezistența la lovire și acest lucru a făcut imposibilă utilizarea convertoarelor catalitice, deoarece acestea ar fi fost otrăvite într-un timp scurt. Ca și alte metale (cum ar fi cadmiul și mercurul), plumbul formează compuși chimici cu componentele catalitice care nu mai sunt catalitice active. Unul dintre motivele pentru care a fost necesară introducerea benzinei fără plumb (fără plumb).
Sulful poate acționa și ca otravă catalizatoare dacă combustibilul nu este complet fără sulf. Acest lucru este deosebit de problematic atunci când se utilizează convertizoare catalitice de stocare pentru motoarele diesel dacă combustibilul diesel nu este disponibil în mod fiabil într-o calitate ridicată, cu conținut scăzut de sulf.
Cu toate acestea, sensibilitatea unui catalizator depinde de tipul acestuia; uneori poate fi redus prin încorporarea anumitor substanțe suplimentare. În unele cazuri există și opțiunea de regenerare, care nu este neapărat posibilă în timpul funcționării normale a vehiculului.
În motoarele cu injecție pilot pentru biogaz, otrăvurile cu catalizator sunt adesea o problemă sau deseori împiedică utilizarea unui catalizator.
Diferite dezavantaje și limitări ale eficienței catalizatorilor
Convertorii catalitici moderni pot reduce semnificativ conținutul de poluanți ai gazelor de eșapament, dar au și o serie de dezavantaje și nu sunt întotdeauna perfect eficienți:
Eficiența convertoarelor catalitice în mașini poate varia considerabil de la caz la caz. Rezultate excelente pot fi obținute atunci când se utilizează o tehnică solidă, cu excepția distanțelor foarte scurte. Cu ajutorul unei tehnologii bune, un convertor catalitic poate rămâne foarte eficient chiar și atunci când accelerați sau conduceți la viteze mari (fără, desigur, să rezolvați problema creșterii emisiilor de CO2). Din păcate, multe vehicule de astăzi sunt proiectate în așa fel încât calitatea eșapamentului este afectată masiv la accelerație maximă, de exemplu pentru că se folosește îmbogățirea cu sarcină completă (cu motoare pe benzină) sau pentru că sistemul de curățare a gazelor de eșapament a unui motor diesel nu poate controla în mod eficient emisiile de oxid de azot. Abateri masive între practică și procedurile oficiale de măsurare sunt posibile dacă condițiile nerealiste de testare sunt exploatate de producători în mod legal sau ilegal [2, 3].
Monitorizarea eficienței convertoarelor catalitice de evacuare a vehiculului
Eficacitatea unui convertor catalitic, de exemplu într-un vehicul, poate fi pusă în pericol în diferite moduri - nu doar prin posibile deteriorări ale convertorului catalitic, de ex. B. în caz de supraîncălzire în timpul funcționării, dar și din cauza perturbărilor în reglarea raportului de aer de ardere. În astfel de circumstanțe, emisiile poluante ale vehiculului pot crește masiv.
Problemele corespunzătoare pot fi descoperite prin măsurători ale gazelor de eșapament pe un banc de testare, de ex. B. în contextul testului de emisii, care se desfășoară de obicei la fiecare doi ani în Germania și face parte din inspecția principală din 2010. (De atunci nu mai este necesar un autocolant separat pentru testul de emisii.)
De la standardul de emisii Euro 3, vehiculele trebuie, de asemenea, să fie echipate cu un sistem de diagnosticare la bord (EOBD), care monitorizează funcționalitatea componentelor esențiale ale sistemului de tratare a gazelor de eșapament și, dacă este necesar, activează un bec de avertizare. Dacă acest lucru se aprinde, șoferul trebuie să aibă sistemul verificat la un atelier cât mai curând posibil și să se repare eventualele daune.
Întrebări și comentarii de la cititori
De ce, potrivit dvs., sistemul de curățare a gazelor de eșapament nu mai poate controla bine emisiile de NOx atunci când un motor diesel funcționează la sarcină maximă?
În principiu, ar putea; trebuie doar să fie conceput pentru asta. Din păcate, acest lucru nu este întotdeauna cazul, în principal deoarece metodele de măsurare aplicabile pentru consumul de combustibil și valorile gazelor de eșapament nici măcar nu înregistrează starea de funcționare a încărcăturii complete, astfel încât funcționarea corectă nu este necesară pentru a trece testul.
Aici puteți sugera întrebări și comentarii pentru publicare și răspuns. Autorul RP-Energie-Lexikon va decide acceptarea conform anumitor criterii. În esență, ideea este că problema prezintă un interes larg.
Dacă primiți ajutor aici, s-ar putea să doriți să vă întoarceți favoarea cu o donație cu care susțineți dezvoltarea în continuare a dicționarului energetic.
Protecția datelor: Vă rugăm să nu introduceți aici date personale. Nu le-am publica oricum și le-am șterge în curând. Consultați și politica noastră de confidențialitate.
Dacă doriți feedback personal sau sfaturi din partea autorului, vă rugăm să îi scrieți prin e-mail.
Prin trimiterea vă dați consimțământul de a publica intrările dvs. aici în conformitate cu regulile noastre.
literatură
| [1] | V. Franco și colab., „Emisiile de eșapament din lumea reală de la mașinile diesel moderne”, Consiliul Internațional pentru Transporturi Curate, http://www.theicct.org/sites/default/files/publications/ICCT_PEMS-study_diesel-cars_20141010.pdf |
| [2] | Articol de blog: Vehicule diesel de la Volkswagen: Respectarea limitelor de emisii cu trucuri ilegale |
| [3] | Articol de blog: Emisiile de oxid de azot de la vehiculele diesel moderne - semnificativ mai mari decât se aștepta |
| [4] | Articol de blog: Influența stilului de conducere asupra emisiilor poluante ale unei mașini |
Dacă vă place acest site web, vă rugăm să informați prietenii și colegii - e. B. prin intermediul rețelelor sociale făcând clic aici:
Aceste butoane de partajare sunt configurate într-o manieră prietenoasă pentru protecția datelor!
Cod pentru linkuri de pe alte site-uri web
Dacă doriți să plasați un link către acest articol în altă parte (de exemplu, pe site-ul dvs., pe rețelele sociale, pe forumurile de discuții sau pe Wikipedia), puteți găsi codul aici. Astfel de legături pot fi B. să fie foarte util pentru explicații de cuvinte.
Link HTML către acest articol:
Cu o imagine de previzualizare (vezi caseta direct deasupra):
Dacă credeți că este potrivit să puneți un link pe Wikipedia, de ex. B. sub „== Weblinks ==”: