-
Convertorul catalitic cu trei ci Denumirea acestui sistem
catalitic provine din abilitatea acestuia de a elimina (sau
diminua) simultan trei compui poluani din gazele de evacuare: CO,
HC, NOx. Eficiena maxim n neutralizarea celor trei noxe se obine la
funcionarea motorului cu amestecuri stoichiometrice. Dac valoarea
coeficientului excesului de aer al amestecului proaspt este diferit
de unitate atunci se diminueaz eficiena sistemului catalitic cu
trei ci. Eficiena catalizatorului cu trei ci ca funcie de calitate
amestecului
-
n cazul n care n motor sunt arse amestecuri srace, se micoreaz
eficiena reducerii NO. Dac amestecul proaspt este bogat, atunci
este sesizat reducerea eficienei reaciilor de oxidare a HC i CO;
cantitile remanente din respectivii compui pot fi eliminate prin
adiia vaporilor de ap, dup mecanismele chimice: Domeniul de variaie
a calitii amestecului aer - combustibil, pentru care catalizatorul
funcioneaz eficient aa numita "fereastr " - este extrem de restrns,
ceea ce impune utilizarea unui sistem electronic de control i
reglare a calitii amestecului, pentru meninerea acestuia n domeniul
de eficien al sistemului catalitic. Senzorul care culege informaia
relativ la cantitatea de oxigen remanent n gazele de evacuare este
sonda . Mrimea timpului de rspuns al sistemului poate determina
oscilaii ale dozajului la funcionarea motorului n regimuri
tranzitorii. n aceste cazuri, frecvena semnalului de rspuns variaz
cu 0,5...5 Hz, n jurul valorii fixate, ceea ce determin o variaie a
coeficientului de exces de aer n intervalul [0,93...1,07]. Semnalul
generat de sonda , la deviaia dozajului de la calitatea
stoichiometric, este transmis unitii de control electronic, care,
dup procesarea informaiilor, transmite semnalul de comand a reglrii
calitii amestecului pentru obinerea unui 1.
-
n cazul absenei sondei , convertorul cu trei ci poate procesa
gazele de evacuare numai dac se injecteaz aer secundar. n prima zon
a sistemului se reduc oxizii de azot. Aerul adiional este injectat
ntr-o zon secundar, n care oxigenul este prezent ntr-o concentraie
corespunztoare amestecului stoichiometric, astfel nct este posibil
oxidarea hidrocarburilor nearse i a amoniacului. n cea de-a treia
zon a sistemului exist, de asemenea, oxigen remanent, ceea ce face
posibil desvrirea reaciilor de oxidare a hidrocarburilor. Aceast
modalitate de utilizare a sistemului catalitic cu trei ci a fost
practic abandonat n favoarea sistemului cu monitorizare a excesului
de oxigen din gazele de evacuare i controlul calitii amestecului
pentru funcionarea motorului cu 1. Aditivii adugai n combustibil
pot mbunti rezultatele obinute n tratarea gazelor arse prin
sistemul catalitic cu trei ci. Funcionarea sistemului catalizator
cu trei ci sond lambda
-
Suportul catalizatorului Suportul sistemului catalitic utilizat
la tratarea gazelor de evacuare emise de motoarele autovehiculelor
trebuie s rspund unor cerine specifice dintre care cele mai
importante sunt: S permit depunerea stratului catalitic prin
minimizarea contactului dintre acesta i suport, fr ca elementul
catalitic s sinterizeze cu materialul suportului, pentru a nu se
diminua eficiena reaciilor catalitice. Reaciile catalitice au loc
la nivelul atomilor din stratul de suprafa al depunerii de element
catalitic; S induc un nivel de contrapresiune ct mai redus pe
traseul gazelor evacuate prin sistem, pentru a nu diminua
semnificativ performanele energetice ale motorului; S asigure o ct
mai mare suprafa de contact ntre gazele arse i stratul de compus
catalitic, n scopul maximizrii eficienei sistemului; S rspund ct
mai bine solicitrilor mecanice i termice.
Structura suportului catalitic poate fi sub form granulat sau
monolitic. Ultimele construcii folosesc n exclusivitate structuri
monolitice. O asemenea structur este constituit dintr-o pies unic
realizat fie din material ceramic fie din metal.
-
Suportul monolitic ceramic
Pentru realizarea suportului monolitului ceramic se folosete
aproape n exclusivitate cordieritul ( ), cu toate c au fost
ncercate i alte materiale cum ar fi: alumina, titanatul de
aluminiu, carbura de siliciu i altele. Materialele de baz sunt
mcinate sub form de pulbere (cu diametrul particulelor 50 m) dup
care acestea sunt ncorporate ntr-un agent liant (metilceluloza sau
carboximetilceluloza) cu un lubrifiant (etilenglicol) i un agent
fondant (hidroxizi ai pmnturilor alcaline) pentru a favoriza
sinterizarea. Amestecul obinut este sinterizat n forma final.
Structura obinut este introdus apoi n cuptorul de sinterizare; n
faza de presinterizare sunt eliminai compuii volatili, agenii liani
i lubrifiani. Secvenele la temperaturi ridicate (ntre 800 i 1300 la
1450C) determin nivelul de porozitate al materialului ceramic pe
care se va aplica stratul de material catalitic.Cordieritul are un
coeficient de dilatare termic redus ceea ce ofer monolitului o bun
rezisten la ocuri termice. Punctul su de topire se plaseaz n jurul
valorii de 1450C, ceea ce i permite structurii monolitice s-i
pstreze elasticitatea pn la temperaturi de 1300C, rezistnd astfel
rezonabil la solicitrile mecanice specifice tuturor regimurilor de
funcionare ale motorului.
-
Monoliii se extrudeaz ca volume cilindrice cu seciunea circular,
eliptic sau turf. Canalele de trecere a fluxului de gaze evacuate
(seciune triunghiular sau ptrat) sunt aranjate sub form de fagure.
Volumul monolitului ia valori cuprinse n intervalul [0,20,3] dm3
pentru fiecare kW de putere efectiv a motorului. Seciunea n form de
turf se utilizeaz la motoare cu puteri de pn la 100kW, pentru
motoare cu puteri mai mari se folosesc doi monolii identici montai
n paralel. Valoarea diametrului suportului se constituie n factorul
principal ce determin nivelul cderii de presiune pentru un volum
dat al monolitului, comparativ cu lungimea canalelor i numrul de
canale pe unitatea de suprafa. Micorarea grosimii pereilor
despritori reduce ineria termic a suportului i diminueaz nivelul
presiunii gazelor de evacuare din amontele sistemului
catalitic.Caracteristicile principale ale monoliilor ceramici sunt
urmtoarele: numr de canale pe cm2 - 4662; grosime de perete 0,1,
0,15 sau 0,3 mm; porozitate 30%; aria suprafeei active a canalelor
raportat la unitatea de volum 2,19 sau 2,79 m2 / dm3; densitatea
materialului ceramic 1,68 kg / m3; temperatura maxim de exploatare
1100C; mrimea macroporilor 7000...10000 ; mrimea microporilor
70...90 .
-
Suportul monolitic metalic
Monolitul metalic este realizat din oel inoxidabil cu coninut de
crom i aluminiu, obinndu-se grosimi ale pereilor canalelor de
40...50 m. Se utilizeaz un oel aliat, cu structur perlitic,
inoxidabil, cu o bun rezisten la coroziunea indus de gazele cu
temperaturi ridicate evacuate din motor. Ca efect al coninutului
relativ ridicat de aluminiu (aproximativ 4%) la suprafaa
monolitului se formeaz un strat protector de alumin rezultat prin
oxidare la temperatur ridicat.Se apreciaz c, prin introducerea n
compoziia aliajului a 0,2 - 0,3 % zirconiu, rezistena monolitului
la solicitri caracteristice oxidrii la temperaturi ridicate crete;
se mpiedic, de asemenea, fenomenul desprinderii de particule din
structura monolitic metalic de baz. Adaosul de calciu are efecte
pozitive asupra adeziunii stratului de oxid la suprafeele canalelor
de trecere. n proporie de aproximativ 0,3 %, introducerea ytriului
n compunerea aliajului, are ca efect ridicarea durabilitii
materialului supus solicitrilor date de gazele fierbini. Deoarece
ytriul este un material scump, se utilizeaz n proporie de maxim
0,05 %, restul fiind nlocuit de un amestec coninnd pmnturi rare i
ceriu. Dup recoacere la 1200C, folia de tabl, avnd compoziia
descris mai sus, este ondulat ntr-un laminor special pentru a i se
asigura o configuraie de suprafa sinusoidal sau trapezoidal.
Asamblarea foliilor pentru obinerea structurii principale se poate
realiza fie prin sudur cu flux de electroni, fie prin brazare la o
temperatur de maxim 1200C, direct n carcasa suportului. Brazarea
este recomandat deoarece previne deformarea structurii sub aciunea
ocurilor termice. Folia este rsucit n form de spiral sau sub form
de "3", aceast ultim aranjare oferind o mai bun anduran
mecanic.
-
Aria seciunii transversale echivalente oferit pentru curgerea
gazelor arse crete de la 57%, n cazul monolitului ceramic, la 72%,
n cazul monolitului metalic. Se reduce astfel, la utilizarea
monolitului metalic, contrapresiunea din sistemul de evacuare al
motorului, ceea ce determin o mbuntire a performanelor motorului.
Rezultatele experimentale indic un ctig de 4 kW, la o putere iniial
a motorului de 160 kW, n cazul folosirii n sistemul catalitic a
monolitului metalic.Spargerea curentului principal de gaze arse, la
intrarea n sistemul catalitic cu suport metalic, crete intensitatea
turbulenei curgerii, ceea ce conduce la un contact mai bun ntre
gazele evacuate i suprafaa cu metal catalitic. Efectul final este o
cretere a eficienei catalizatorului sau o posibil diminuare a
volumului i greutii suportului.Principalele caracteristici ale
monolitului metalic sunt: compoziia materialului - 15 20% Cr, 4 5%
Al, 0 2% Si, 0,1 0,3% Y, restul pn la 100%Fe; numr de canale pe cm2
- 62 sau 93; grosime de perete - 0,05 mm; aria suprafeei canalelor
- 3.2 m2 / dm3; densitatea materialului - 1,25 kg / dm3;
temperatura maxim de exploatare - 1100C.
-
Suportul metalic este mai scump dect suportul ceramic; opiunea
pentru prima soluie este favorizat de flexibilitatea mai ridicat n
alegerea numrului de canale i de volumul mai redus al monolitului
metalic (cu aproximativ 56% fa de monolitul ceramic convenional i
cu 25% fa de structurile ceramice obinute cu noile tehnologii).
Alte caracteristici favorizante ale structurii metalice constau n:
cderea de presiune din sistemul catalitic mai mic cu 15 20% fa de
suportul ceramic cu mbrcminte activ depus; conductivitate termic
ridicat ce mpiedic supranclzirea local i eventuala topire zonal a
structurii; inerie termic redus, ceea ce asigur un timp minim de
atingere a temperaturii optime de funcionare (imediat dup pornirea
motorului). ca i n cazul suportului din material ceramic, suprafaa
canalelor se acoper cu un strat de Y-aluminiu, nainte de
impregnarea cu elementul catalitic.
-
Materialul activ
La sistemele catalitice cu trei ci sunt utilizate ca ageni
catalitici numai metalele preioase (cu toate c s-au desfurat
cercetri pentru folosirea unor oxizii ai metalelor uzuale ca
materiale catalitice).Metalele preioase au o intens reactivitate
chimic att la temperaturi reduse ct i la temperaturi ridicate; ele
rezist foarte bine tendinelor de sinterizare prin care se reduce
aria suprafeei specifice de activitate.Oxizii metalici, cum ar fi:
CoO4, CuO, Cr2O3, ZnO, SiMnO2, singuri sau n combinaie prin ali
oxizi, pot realiza o activitate catalitic, ns, pentru a realiza
aceeai rat de conversie (ca n cazul utilizrii metalelor preioase)
trebuie s se utilizeze o cantitate de dou pn la trei ori mai mare.
Utilizarea oxizilor metalici este limitat n principal de lipsa de
stabilitate la temperaturi ridicate i de marea sensibilitate a
acestora la aciunea chimic a sulfului.La sistemul catalitic cu trei
ci, catalizatorul de oxidare conine ca elemente active platina i
paladiul, singure sau n combinaie. La oxidarea dioxidului de
carbon, hidrocarburilor olefine sau pentanului, activitatea
paladiului este mai intens dect cea a platinei. La oxidarea
hidrocarburilor aromatice activitatea celor dou metale preioase
este asemntoare, n schimb, oxidarea hidrocarburilor parafinice este
mai eficient realizat de platin.
-
Prezena plumbului sau a fosforului blocheaz ireversibil suprafaa
activ a catalizatorului, platina dezactivndu-se mult mai uor dect
paladiul.Rata de conversie a NOX i CO este mult mai sczut n cazul
paladiului, la regimuri de funcionare caracterizate de amestecuri
bogate. Tendina actual, n tehnologia sistemelor catalitice, este de
a nlocui perechea platin-rodiu cu pereche paladiu-rodiu deoarece au
eficiene comparabile ns costul paladiului este mai mic dect cel al
platinei.n cazul sistemului catalitic cu trei ci, este necesar
utilizarea rodiului, pe lng perechea de metale preioase
platin-paladiu, pentru a mbunti reaciile de reducere. Din cauza
prezenei monoxidului de carbon, activitatea platinei i paladiului
este insuficient n reaciile de reducere a NOX la N2. Rodiul are o
mai mare capacitate de a stoca oxigenul, n plus rodiul este imun la
efectul de inhibiie determinat de CO producnd i mai puin amoniac la
funcionarea motorului cu amestecuri bogate. Rodiul este foarte
sensibil la contaminarea cu plumb i fosfor. La temperaturi
ridicate, rodiul formeaz RhO3 care se poate combina sub forma unei
soluii solide cu alumina din suport. Acest oxid are tendina de a
acoperi cristalele de platin, catalizatorul fiind astfel scos din
funciune.Ruteniul este considerat drept cel mai bun catalizator de
reducere a NOX la N2, ns el nu este utilizat deoarece formeaz un
oxid volatil n mediul oxidant; acest oxid nu a putut fi nc
stabilizat ntr-un amestec de oxizi.
-
Tehnologia de obinere a convertorului cataliticStratul
intermediar Depunerea stratului intermediar Aria suprafeei
canalelor oferite att de suportul ceramic ct i de suportul metalic
este insuficient pentru aplicarea stratului activ de metale
preioase. Pentru a se mri suprafaa de depunere a catalizatorului,
pereii canalelor sunt mbrcai cu un material intermediar care de
cele mai multe ori este alumina. Masa stratului intermediar depus
reprezint 520% din masa suportului iar aria suprafeei canalelor
este amplificat cu un factor de aproximativ 100.
- Principalul factor l constituie proprietile de adeziune ale
stratului intermediar la materialul suportului, deoarece se elimin
riscul spargerii i detarii n timp a stratului activ. Este necesar
ca mrimea coeficientului de dilatare al materialului suportului i
al stratului intermediar s nu difere prea mult.Stratul intermediar
se aplic n trei etape: pregtirea lichidului precursor pentru
acoperire; imersia suportului n acest lichid; uscarea i
sinterizarea combinaiei precursoare pe suport. Lichidul precursor
este un amestec de Al2(OH)5Cl, hidrosoli de alumin i posibili oxizi
de siliciu sau zirconiu sau acest lichid precursor este o suspensie
apoas de Y alumin. Adeziunea suspensiei la suport poate fi mbuntit
prin adugarea unor aditivi cum ar fi: silicat de sodiu, proteine,
rini sintetice, acestea putnd fi adugate n soluie sau s fie
aplicate pe suprafaa canalelor nainte de aplicarea soluiei
precursoare. Adugarea la suspensia precursoare de nitrat de
aluminiu mbuntete adeziunea particulelor suportului prin
descompunere cnd temperatura crete la aproximativ 500C. Adaosul de
CeO2 (4,5 % din greutatea stratului precursor) i de BaO (
-
n anumite reete se incorporeaz n suport pn la 7% Ce i 7% La din
greutatea suportului.Stratul intermediar se depune prin imersia
suportului n soluia precursoare sau prin injecia soluiei
precursoare n canalele suportului. Surplusul de soluie precursoare
este eliminat prin canalele monolitului cu ajutorul aerului
comprimat sau prin centrifugare. Stratul precursor este uscat cu un
curent de aer avnd temperatura de 100150C care parcurge canalele
monolitului.La monolitul metalic este necesar ca suprafeele
canalelor s fie bine degresate pentru ca stratul intermediar s
adere la suprafaa metalic. Anumite tehnologii prevd pentru
mbuntirea stratului intermediar oxidarea suprafeelor metalice ale
monolitului.
Stratul activ
Catalizatorul platin-paladiu se depune n raport de 15:1 pn la
3:1.Tehnologiile de depunere se adopt n funcie de suprafeele
suportului pentru a se asigura eficien maxim.Dup ce stratul
intermediar a fost depus pe suprafeele canalelor monolitului
stratul activ se depune prin cufundare sau injecie utiliznd o
soluie de metale preioase (de exemplu: H2PtCl6, PdCl2, Rh(NO3)3 i
RhCl3) sau soluii pe baz de aceton coninnd (n-butil4N)2Rh(CO)2Br8
sau H2PtCl6-6H2O.
-
n timpul uscrii este necesar ca particulele active s fie fixate
pe suprafa pentru a preveni migrarea acestora spre captul
canalului. Aciditatea mediului de impregnare influeneaz adncimea de
ptrundere a catalizatorului n suport. Adncimea de ptrundere trebuie
s fie redus pentru a se obine o suprafa de splare cu gaze arse a
cristalelor de metal preios ct mai mare, ns aceast penetrare
trebuie s fie suficient pentru a preveni desprinderea cristalelor
prin abraziune i prin contactul cu plumbul i fosforul.Pentru a
reduce srurile la stadiul metalic, platin/paladiu este necesar ca
prin canale s treac n curentul de H2/H2O la 75C. Alte tehnici prevd
ca prin canale s treac un curent de H2S pentru a fixa metalele
preioase pe suprafaa canalelor ntr-o form coloidal de precipitat de
sulfii care apoi sunt descompui termic.Aditivi cum ar fi nichelul
sunt adugai sub form de nitrai n soluii apoase i dup aceast operaie
urmeaz operaia de calcinare pentru a ajunge la starea metalic.Exist
i tehnologii care prevd depunerea stratului intermediar i activ
simultan sub form de hidrosol amestecat cu precursori catalitici ns
o parte din cristalele active sunt acoperite de stratul intermediar
i eficiena de conversie poate fi mai redus.
-
Filtrul cu reinere mecanic Principiul filtrului cu reinere
mecanic const n trecerea gazelor de evacuare prin interstiiile
materialului filtrant unde particulele de dimensiuni mai mari pot
fi reinute la intrarea n interstiii iar particulele de dimensiuni
reduse pot fi reinute pe suprafaa interstiiilor sau n spaiile
oferite n interiorul materialului filtrant prin inerie, la
schimbarea sensului de curgere al microdebitelor de gaze arse.
Dintre cele mai utilizate materiale pentru construcia filtrelor cu
reinere mecanic sunt filtrele ceramice i filtrele metalice.
Filtrul ceramic
Filtrele din material ceramic pot fi construite sub form de
monolit, spum i fibre ceramice.Filtrul monolit ceramic se aseamn
din punct de vedere constructiv cu monolitul convertorului
catalitic cu trei ci. Monolitul ceramic are seciunea transversal
circular sau oval i aspect de fagure datorit canalelor
longitudinale de seciune ptrat care l strbat. Materialul utilizat
este cordieritul.
-
Filtrarea prin monolit ceramic Canalele longitudinale sunt
obturate alternativ cu capace din material ceramic pentru ca gazele
arse s fie obligate s treac prin pereii despritori poroi. Grosimea
pereilor despritori ai canalelor este mai mare dect la monolitul
convertorului catalitic.Mrimea porilor pereilor despritori
influeneaz eficiena de reinere care se poate situa ntre 40% i 90%.n
timpul funcionrii, particulele se depun pe suprafaa canalelor i n
interiorul porilor, determinnd creterea contrapresiunii n amonte de
filtru ceea ce determin la scderea performanelor energetice i de
consum ale motorului. n aceste condiii, filtrul, periodic trebuie
supus procesului de regenerare.
-
Filtrul din spum ceramic este realizat sub form de monolit din
SiC sau cordierit. Acest filtru are pori cu mrimea diametrului
cuprins ntre 250 i 500 m care au form de canale n adncime, unele
din ele fiind obturate la capt. Gradul de reinere este sczut
(60-70%). Pentru a reduce cderea de presiune n filtru i a
uniformiza distribuia masei de funingine colectate, canalele
nfundate sunt direcionate n lungul monolitului din spum ceramic.
Aceast structur asigur o distribuie mai bun a flcrii pe timpul
regenerrii. Acest filtru este confecionat din spum poliuretanic
impregnat cu o past ceramic.Spuma microporoas poate fi realizat i
din cordierit ca matrice i ntrit cu un amestec ceramic denumit
mullit (3Al2O3 - 2SiO2). Filtrul este prevzut la ieirea gazelor cu
o membran de cordierit/mullit pentru a se preveni emisia de
particule la ncrcarea filtrului naintea regenerrii. Eficiena
acestui tip de filtru este de 70-75%.Filtrele ceramice din fibre
ceramice neesute utilizeaz fibre acoperite cu rini. Structura ofer
un numr mare de pori fini (diametrul 10 m), distribuii pe o suprafa
i adncime mari. Cartuul filtrant se obine prin nfurarea firelor
realizate din fibre ceramice pe o conduct din material ceramic sau
oel prevzut cu orificii pentru trecerea gazelor arse. Grosimea
nfurrii de fire ceramice este de 10-12 mm. Gazele arse traverseaz
nfurarea din fibre ceramice, particulele fiind reinute n porii
oferii de aceasta deoarece conducta pe care se gsete nfurarea este
nfundat la captul de ieire.
-
Acest filtru rezist mai bine la ocurile termice comparativ cu
monolitul ceramic. Curentul de gaze arse strbate nfurarea de fire
ceramice dinspre exterior spre interior. Eficiena filtrului este
mai mare de 80%.
La construcia elementului filtrant esut se utilizeaz fibre
ceramice care folosesc ca materiale carbonul, carbonul activ,
sticla, oxizii de aluminiu, carbura de siliciu i materiale
ceramice.
Elementul filtrant se realizeaz prin esere sau tricotare din
care rezult o structur volumic cu pori deschii dup care mpletitura
este pliat spiralat sau rulat.
Filtrul ceramic din fibre ceramice prezint o serie de avantaje
care l recomand a fi utilizat la autovehicule: rezisten la
temperaturi ridicate, eficien ridicat de reinere a particulelor de
dimensiuni mici, reinere uniform a particulelor, rezisten la ocuri
termice, mecanice i vibraii, efect de reducere a zgomotului i
uurina regenerrii.
O soluie care rspunde cerinelor impuse filtrelor de particule o
constituie confecionarea sub form de cartu filtrant din hrtie
ceramic.
-
Filtrul metalic poros
Filtrele metalice, pentru a rezista aciunii corozive a gazelor
arse, se construiesc din aliaje Ni-Cr. Filtrul este alctuit din mai
muli cilindri concentrici, din aliaj Ni-Cr poros.Prin alegerea de
diferite mrimi ale porilor pereilor cilindrilor care alctuiesc
filtrul (pori mari la cilindrii de intrare a gazelor arse) se pot
atinge performanele de filtrare ale filtrelor ceramice.Filtrele
metalice prezint avantajul unei rezistene sporite la ocuri termice
i mecanice, asigurndu-se o durabilitate suficient de exploatare.O
alt soluie o constituie filtrul de particule realizat din fibre
metalice din oel inoxidabil acoperite cu y-alumin. Eficiena acestui
tip de filtru este cuprins ntre 68% i 80%.
-
Filtrul de particule electrostatic
Filtrarea electrostatic este aplicat cu succes n industrie
pentru reinerea prafului. Tehnologia de filtrare electrostatic
poate fi aplicat i la filtrarea gazelor de evacuare, pentru
reinerea i coagularea particulelor emise de motor.
Pentru a se evita generarea de noi poluani datorit aciunii unui
cmp electric adiional (efect Corona) care se aplic n amontele
filtrului pentru a ncrca electric particulele, este necesar s se
utilizeze numai ncrcarea electric natural a particulelor. S-a
demonstrat c mai mult de 80% din masa de particule emise sunt
ncrcate electric. Particulele emise de motor sunt uscate i n acest
caz este posibil ca rata de reinere a acestora s se situeze ntre
70% i 90%. Tensiunea electric care se aplic este de 4000V.
Sistemele de reinere electrostatic trebuie s elimine
scurtcircuitul datorat depunerilor de carbon.