1

Politechnika Świętokrzyska

Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn

Laboratorium Silników Cieplnych

1

Dr inż. Piotr Łagowski

Procesy zachodzące w katalizatorze to dopalanie gazów

spalinowych

polegające

na

chemicznym

przekształceniu

szkodliwych substancji w związki nieszkodliwe, najczęściej

obniżając temperaturę przebiegu reakcji.

Budowa katalizatora
 nośnik ceramiczny (krzemian aluminiowo magnezowy) lub

nośnik metalowy,

 warstwa pośrednia,
 powłoka aktywna katalitycznie.

Nośnik zbudowany jest w formie tysięcy kanalików o bardzo

małym przekroju, przez które przepływają spaliny. Kanaliki

nośnika ceramicznego (metalowego), są pokryte porowatą

warstwą pośrednią co zwiększa powierzchnię czynną dopalacza

7000 razy. Na tę warstwę pośrednią nanoszona jest powłoka

aktywna, której rodzaj zależy od powstających w procesie

spalania szkodliwych substancji (zależnie od λ = 1, λ > 1).

2

Katalizator trójdrożny ma powłokę aktywną wykonaną z platyny (Pt), Rodu
(Rt) i palladu (Pd). Określenie „katalizatortrójdrożny" oznacza, że zachodzą
w nim trzy niezależne od siebie reakcje katalityczne.
W zależności od temperatury katalizator ze skutecznością 98%, zamienia
NO

x

, CO i HC, w przedziale λ = 0,995-1,005 (okno Lambda),

na CO

2

, H

2

O i N

2

.

3

Budowa i działanie katalizatora

Rys.1. Podział katalizatorów

4

Rys. 2. Rodzaje nośników

5

Zalety i wady nośnika ceramicznego w

porównaniu do nośnika metalowego

Zalety.

Nośnik

ceramiczny

ma

stałą

temperaturę. Ponadto łatwiej odtworzyć w
nim

powłokę z metalu szlachetnego, niż w

nośniku metalowym.

Wady.

Wrażliwy na wstrząsy i uderzenia,

dlatego osadzany jest w ognioodpornej
siatce ochronnej i

zamknięty w metalowej

obudowie.

Dodatkowo

w

wypadku

standardowych

katalizatorów o gęstości

komórek: 400 cpsi (cells per squer inch)
czas

rozgrzewania

jest

dłuższy,

a

przeciwciśnienie w układzie wydechowym
większe (przez pewien czas po rozruchu
silnika konwersja

gazów spalinowych jak i

moc silnika

są pomniejszone). Ultra gęste

nośniki ceramiczne z gęstością komórek od
600 cpsi do 1200 cpsi

są pozbawione tych

wad.

Ceramiczny wkład katalizatora

Metaliczny wkład katalizatora

6

Tylko w wypadku λ = 1 zachodzi współdziałanie, w trakcie którego

ilośd tlenu powstała w wyniku redukcji NO

x

do azotu jest prawie

wystarczająca, aby mogła nastąpid reakcja utleniania CO i HC do
CO, i H

2

O. Mieszanka bogata (λ

< 0,995) cechuje się

powstawaniem spalin z większą ilością CO i HC. Mieszanka uboga (λ
> 1,005) prowadzi do nadmiaru tlenków węgla w spalinach. W
silnikach pracujących na mieszankach ubogich (λ > 1) zaleca się
montaż katalizatorów gromadzących NO

x

.

7

Warunki pracy

50-cio

procentową konwersję (zdolność zachodzenia reakcji

katalitycznych) katalizator

osiąga dopiero wtedy, gdy jego

złoże ma temperaturę powyżej 300°C, zwaną temperaturą
startową (ang: light off).
Szybsze

osiągnięcie tej temperatury jest możliwe w wyniku

dodatkowych

zabiegów konstrukcyjno-regulacyjnych:

 grzania katalizatora,
 izolacji kolektora wydechowego,
 silnego

opóźnienia zapłonu (do 15 °0WK)



dopływu dodatkowego powietrza do kolektora
wydechowego.

Powyżej 800 °C zachodzi proces termicznego starzenia
powłoki aktywnej katalizatora. Jeżeli katalizator osiągnie
temperaturę powyżej 1000 °C, to dochodzi do jego termicznej
destrukcji.

8

Adsorber NO

x

, katalizator redukujący

Stosowany jest w silnikach o zapłonie iskrowym z wtryskiem bezpośrednim,
które w pewnych warunkach pracy pracują w trybie uwarstwionym i λ > 1,
kiedy niemożliwa jest redukcja NO

x

za pomocą katalizatora trójdrożnego co

spowodowane jest nadmiarem powietrza w spalinach. Katalizator redukujący
NO

x

jest stosowany jako katalizator dodatkowy oprócz wbudowanego w układ

wydechowy katalizatora trójdrożnego.

9

Budowa
Na

nośniku ceramicznym jest naniesiona warstwa pośrednia. Jako materiał

adsorbujący NO

x

stosuje

się tlenek baru (BaO) lub tlenek potasu (KO).

Adsorpcja NO

x

. Podczas pracy w trybie mieszanek ubogich

materiał

adsorbujący jest w stanie przyłączać tlenki azotu (adsorbować). Jeżeli
zdolność adsorpcji materiału gromadzącego została wyczerpana, to zaistniałą
sytuację jest w stanie określić czujnik NO

x

.

Redukcja NO

x

. Chwilowe wzbogacenie mieszanki (1 do 5 sekund) powoduje

uwolnienie

zaadsorbowanych

tlenków azotu i redukcję, za pomocą

niespalonych

komponentów: CO i HC, do azotu w obecności rodu jako

katalizatora reakcji.

W temperaturze od 250

°C do 500 °C następuje redukcja

80 - 90% NO

x

.

W temperaturze powyżej 500°C dochodzi do starzenia

się wysokotemperaturowego katalizatora, dlatego gazy
spalinowe przed dostaniem się do katalizatora NO

x

muszą

zostad

ochłodzone,

przechodząc

przez

połączenie

obejściowe (by-pass).

Również siarka zawarta w paliwie bardzo negatywnie

działa na katalizator NO

x

. Zajmuje ona trwałe miejsce w

warstwie adsorbującej NO

x

, powodując jej zaczopowanie

(zatrucie siarką). Z tego powodu zawartośd siarki w paliwie
jest ograniczona do wartości mniejszej niż 0,050 mg/kg
(< 0,050 ppm).

10

11

Budowa układu SCR z dozowaniem mocznika

Układ SCR (Selektywnej Redukcji Katalitycznej) składa się ze zbiornika na środek AdBlue,

układu wtryskowego oraz katalizatora SCR. Zasada działania polega na uzdatnianiu spalin w
układzie wydechowym silnika. Uzdatnianie spalin odbywa się przez wtrysk do katalizatora SCR
specjalnego roztworu

składającego się z mocznika i wody destylowanej zwanego AdBlue.

Pod

wpływem wysokiej temperatury występującej w układzie wydechowym mocznik zmienia się w

amoniak i dwutlenek

węgla. Po czym w katalizatorze następuje reakcja amoniaku z tlenkami

azotu w wyniku czego

zostają one zmienione w lotny azot i parę wodną. Na powierzchni

katalizatora z niebezpiecznego roztworu mocznika powstaje

równie trujący amoniak dlatego

obliczenie

ilości wtryśniętego roztworu mocznika przeprowadzane jest szczególnie dokładnie, aby

uniemożliwić przedostawanie się amoniaku do środowiska.

12

Metody diagnozowania reaktorów katalitycznych

Metody te można podzielić na trzy podstawowe

grupy:



metodę diagnozowania opartą o pomiary stężeń tlenu
przed i za katalizatorem



metodę diagnozowania opartą o pomiary temperatur
(skuteczność działania katalizatora ocenia się poprzez
pomiar temperatury spalin przed i za katalizatorem.
Metoda ta zapewnia

wiarygodną i poprawną ocenę

skuteczności działania reaktora w przypadku połączenia
jej z diagnozowaniem za

pomocą pomiarów stężeń tlenu,



metodę diagnozowania opartą o bezpośrednie pomiary
stężeń CO, HC i No

x

.

Współczynnik konwersji

13

Wartość

współczynnika

konwersji

dla

określonego

składnika spalin podaje w %, jaka część zawartości tego
składnika jest usuwana ze spalin przez katalizator, w
stosunku do

zawartości tego składnika w spalinach przed

przejściem przez katalizator. Na jego podstawie można
ocenić stopień zużycia katalizatora.