Χρήστης:Dmtrs32/πρόχειρο

Τριοδικός καταλυτικός μετατροπέας σε όχημα βενζίνης 1996 Dodge Ram

Προσομοίωση της ροής σε καταλυτικό μετατροπέα

Ο καταλυτικός μετατροπέας ή καταλύτης αυτοκινήτων (catalytic converter) είναι συσκευή ελέγχου εκπομπών που μετατρέπει τοξικά αέρια και ρύπους στα καυσαέρια σε λιγότερο τοξικούς ρύπους καταλύοντας μια οξειδοαναγωγική χημική αντίδραση. Οι καταλυτικοί μετατροπείς χρησιμοποιούνται με μηχανές εσωτερικής καύσης που τροφοδοτούνται είτε από βενζίνη ή καύσιμο ντίζελ—συμπεριλαμβάνοντας τις μηχανές πτωχής καύσης (lean-burn engines) καθώς και θερμαντήρες κηροζίνης και θερμάστρες.

Η πρώτη γενικευμένη εισαγωγή καταλυτικών μετατροπέων έγινε στις ΗΠΑ. Για να γίνουν συμβατά με τους πιο αυστηρούς κανονισμούς της Υπηρεσίας Περιβαλλοντικής Προστασίας των ΗΠΑ η εκπομπή καυσαερίων των περισσότερων οχημάτων που τροφοδοτούνται με βενζίνη έπρεπε από το 1975 ως πρώτο έτος παραγωγής να είναι εφοδιασμένα με καταλυτικούς μετατροπείς. Αυτοί οι "διοδικοί" μετατροπείς συνδύαζαν οξυγόνο με μονοξείδιο του άνθρακα (CO) και άκαυστους υδρογονάνθρακες (HC) για να παράξουν διοξείδιο του άνθρακα (CO₂) και νερό (H₂O). Το 1981, οι διοδικοί καταλυτικοί μετατροπείς καταργήθηκαν από τους "τριοδικούς" μετατροπείς που μειώνουν επίσης τα οξείδια του αζώτου (NOx)· όμως, οι διοδικοί μετατροπείς χρησιμοποιούνται ακόμα για μηχανές πτωχής καύσης. Αυτό συμβαίνει επειδή οι τριοδικοί μετατροπείς απαιτούν, είτε πλούσια, είτε στοιχειομετρική καύση για να μειώσουν επιτυχώς τα NOx.

Αν και οι καταλυτικοί μετατροπείς εφαρμόζονται συνήθως σε συστήματα εξάτμισης (exhaust systems) σε αυτοκίνητα, χρησιμοποιούνται επίσης σε ηλεκτρικές γεννήτριες, περονοφόρους ανυψωτές, εξοπλισμό ορυχείων, φορτηγά, λεωφορεία, μηχανές τρένου (locomotives) και μοτοσικλέτες. Χρησιμοποιούνται, επίσης, σε κάποιες ξύλινες θερμάστρες για να ελέγξουν τις εκπομπές. Αυτό συμβαίνει συνήθως ως απόκριση σε κυβερνητικούς κανονισμούς, είτε μέσω άμεσων περιβαλλοντικών κανονισμών, είτε μέσω κανονισμών υγείας και ασφάλειας.

Ιστορικό

Ο καταλυτικός μετατροπέας επινοήθηκε από τον Eugene Houdry, έναν Γάλλο μηχανικό και ειδικό στην καταλυτική αναμόρφωση του πετρελαίου, που μετακόμισε στις ΗΠΑ το 1930. Όταν δημοσιεύτηκαν τα αποτελέσματα των πρώτων μελετών της αιθαλομίχλης στο Λος Άντζελες, ο Houdry προβληματίστηκε για τον ρόλο των καυσαερίων των καπνοδόχων και των αυτοκινήτων στη μόλυνση του αέρα και ίδρυσε μια εταιρία την Oxy-Catalyst. Ο Houdry ανέπτυξε πρώτα καταλυτικούς μετατροπείς για τις καπνοδόχους και αργότερα καταλυτικούς μετατροπείς για τους περονοφόρους ανυψωτές αποθηκών που χρησιμοποιούν χαμηλής ποιότητας αμόλυβδη βενζίνη. Στα μέσα της δεκαετίας του 1950, άρχισε την έρευνα για να αναπτύξει καταλυτικούς μετατροπείς για μηχανές βενζίνης που χρησιμοποιούνται σε αυτοκίνητα. Του αποδόθηκε μια ευρεσιτεχνία από τις ΗΠΑ 2,742,437 για την εργασία του.

Πλατιά υιοθέτηση των καταλυτικών μετατροπέων δεν συνέβη μέχρι την εφαρμογή πιο αυστηρών κανονισμών ελέγχου των εκπομπών που οδήγησε στην αφαίρεση του αντικροτικού μέσου (anti-knock agent) τετραιθυλιούχου μολύβδου από τους περισσότερους τύπους βενζίνης. Ο μόλυβδος είναι ένα "δηλητήριο καταλύτη" και στην πραγματικότητα απενεργοποιεί τον καταλυτικό μετατροπέα σχηματίζοντας μια επίστρωση στην επιφάνεια του καταλύτη.

Οι καταλυτικοί μετατροπείς αναπτύχθηκαν παραπέρα από μια σειρά από μηχανικούς όπως οι John J. Mooney, Carl D. Keith, Antonio Eleazar στην Engelhard Corporation, δημιουργώντας τον πρώτο καταλυτικό μετατροπέα το 1973.

Ο William C. Pfefferle ανέπτυξε έναν καταλυτικό καυστήρα για αεριοστρόβιλους στις αρχές τις δεκαετίας του 1970, επιτρέποντας καύση χωρίς σημαντικό σχηματισμό οξειδίων του αζώτου και μονοξειδίου του άνθρακα.

Κατασκευή

Εσωτερικό τμήμα μετατροπέα μεταλλικού πυρήνα

Μετατροπέας κεραμικού πυρήνα

Η κατασκευή καταλυτικού μετατροπέα έχει ως εξής:

1. Η βάση καταλύτη (catalyst support) ή υπόστρωμα. Για καταλυτικούς μετατροπείς αυτοκινήτων, ο πυρήνας είναι συνήθως κεραμικός μονόλιθος με κυψελοειδή δομή. Τα μεταλλικά φύλλα μονολίθου κατασκευάζονται από κράμα Kanthal (FeCrAl) και χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπου απαιτείται ιδιαίτερα υψηλή θερμική αντίσταση. Και τα δυο υλικά είναι σχεδιασμένα ώστε να παρέχουν μεγάλο εμβαδόν επιφάνειας. Το κεραμικό υπόστρωμα κορδιερίτη (cordierite) που χρησιμοποιείται στους περισσότερους καταλυτικούς μετατροπείς εφευρέθηκε από τους Rodney Bagley, Irwin Lachman και Ronald Lewis στο Corning Glass, για το οποίο έγιναν δεκτοί στο National Inventors Hall of Fame το 2002.
2. Το ενδιάμεσο στρώμα (washcoat). Το ενδιάμεσο στρώμα είναι φορέας για τα καταλυτικά υλικά και χρησιμοποιείται για να διασπείρει τα υλικά σε μεγάλο εμβαδόν επιφάνειας. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί οξείδιο του αργιλίου, διοξείδιο του τιτανίου, διοξείδιο του πυριτίου, ή μείγμα από διοξείδιο του πυριτίου και οξείδιο του αργιλίου. Τα καταλυτικά υλικά μπαίνουν στο ενδιάμεσο στρώμα πριν να εφαρμοστούν στον πυρήνα. Τα υλικά του ενδιάμεσου στρώματος επιλέγονται ώστε να σχηματίσουν μια τραχιά, ακανόνιστη επιφάνεια, που αυξάνει πολύ το εμβαδόν της επιφάνειας συγκρινόμενη με την ομαλή επιφάνεια του γυμνού υποστρώματος. Αυτό με τη σειρά του μεγιστοποιεί την ενεργή καταλυτική επιφάνεια που διατίθεται για να αντιδράσει με τα εξαγόμενα προϊόντα της μηχανής. Το στρώμα πρέπει να διατηρήσει το εμβαδόν της επιφανείας του και να αποτρέψει την επίτηξη (sintering) των καταλυτικών μεταλλικών σωματιδίων ακόμα και σε υψηλές θερμοκρασίες (1000 °C).
3. Οξείδιο του δημητρίου (IV) (σερία ή Ceria) ή (σερία - ζιρκονία (οξείδιο του ζιρκονίου)). Αυτά τα οξείδια προστίθενται κυρίως ως υποστηρικτές της αποθήκευσης οξυγόνου.
4. Ο ίδιος ο καταλύτης αποτελείται συνήθως από μείγμα πολύτιμων μετάλλων. Ο λευκόχρυσος είναι ο πιο ενεργός καταλύτης και χρησιμοποιείται πλατιά, αλλά δεν είναι κατάλληλος για όλες τις εφαρμογές λόγω ανεπιθύμητων πρόσθετων αντιδράσεων και υψηλού κόστους. Το παλλάδιο και το ρόδιο είναι δύο άλλα πολύτιμα μέταλλα που χρησιμοποιούνται. Το ρόδιο χρησιμοποιείται ως καταλύτης αναγωγής, το παλλάδιο χρησιμοποιείται ως καταλύτης οξείδωσης και ο λευκόχρυσος χρησιμοποιείται και για αναγωγή και για οξείδωση. Χρησιμοποιούνται επίσης τα: δημήτριο, σίδηρος, μαγγάνιο και νικέλιο, αν και καθένα έχει τους περιορισμούς του. Το νικέλιο δεν είναι νόμιμο στην Ευρωπαϊκή Ένωση επειδή αντιδρά με το μονοξείδιο του άνθρακα στο τοξικό τετρακαρβονυλονικέλιο (nickel tetracarbonyl). Ο χαλκός μπορεί να χρησιμοποιηθεί παντού πλην της Ιαπωνίας.

Σε περίπτωση αστοχίας, ο καταλυτικός μετατροπέας μπορεί να ανακυκλωθεί σε σκραπ. Τα πολύτιμα μέταλλα του καταλυτικού μετατροπέα που περιλαμβάνουν [[λευκόχρυσος|λευκόχρυσο], παλλάδιο και ρόδιο εξάγονται.

Τοποθέτηση καταλυτικών μετατροπέων

Οι καταλυτικοί μετατροπείς απαιτούν θερμοκρασία 800 βαθμών Φαρενάιτ (426 C) για να μετατρέψουν αποτελεσματικά επιβλαβή καυσαέρια σε αδρανή, όπως το διοξείδιο του άνθρακα και οι υδρατμοί. Γιαυτό, αρχικά οι καταλυτικοί μετατροπείς ετοποθετούντο κοντά στη μηχανή για να εξασφαλίσουν γρήγορη θέρμανση. Όμως, τέτοια τοποθέτηση προκάλεσε πολλά προβλήματα, όπως το κλείδωμα ατμών (vapor lock).

Εναλλακτικά, οι καταλυτικοί μετατροπείς μετακινήθηκαν στο τρίτο της απόστασης πίσω από τη μηχανή και στη συνέχεια τοποθετήθηκαν κάτω από το όχημα.

Τη δεκαετία του 1990 αναπτύχθηκαν ενσωματωμένοι καταλυτικοί μετατροπείς, που, όπως δηλώνει το όνομα, ενσωματώθηκαν στο σύστημα πολλαπλή εξαγωγής. Η υψηλή τους αποτελεσματικότητα, η ασφάλεια και η ικανότητα εξοικονόμησης χώρου τους κατέστησαν σύντομα δημοφιλείς. Σήμερα, σχεδόν κάθε νέο όχημα που πωλείται στις ΗΠΑ είναι εφοδιασμένο με ενσωματωμένο καταλυτικό μετατροπέα.

Τύποι

Διοδικός

Ο διοδικός (ή "οξείδωσης", που μερικές φορές ονομάζονται "oxi-cat") καταλυτικός μετατροπέας έχει δύο ταυτόχρονες εργασίες:

1. Οξείδωση του μονοξειδίου του άνθρακα σε διοξείδιο του άνθρακα:

2CO + O₂ → 2CO₂

1. Οξείδωση των άκαυστων υδρογονανθράκων (άκαυστο και μερικώς καμένο καύσιμο) σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό :

C_xH_2x+2 + [(3x+1)/2] O₂ → xCO₂ + (x+1) H₂O (αντίδραση καύσης) Αυτός ο τύπος καταλυτικού μετατροπέα χρησιμοποιείται πλατιά σε ντιζελοκινητήρες για να μειώσει τις εκπομπές υδρογονανθράκων και μονοξειδίου του άνθρακα. Χρησιμοποιήθηκαν επίσης σε κινητήρες βενζίνης σε αυτοκίνητα στις ΗΠΑ και τον Καναδά μέχρι το 1981. Λόγω της ανικανότητάς τους να ελέγξουν τα οξείδια του αζώτου (NOx), καταργήθηκαν από τριοδικούς μετατροπείς.

Τριοδικός

Οι τριοδικοί καταλυτικοί μετατροπείς (TWC) έχουν το πρόσθετο πλεονέκτημα ελέγχου της εκπομπής του μονοξειδίου του αζώτου και του διοξειδίου του αζώτου (που μαζί γράφονται ως NO_x -και δεν πρέπει να συγχέονται με το υποξείδιο του αζώτου)- και είναι πρόδρομες ενώσεις για την όξινη βροχή και την αιθαλομίχλη.

Από το 1981, οι "τριοδικοί" (οξείδωση-αναγωγή) καταλυτικοί μετατροπείς χρησιμοποιούνται σε συστήματα ελέγχου εκπομπών οχημάτων στις ΗΠΑ και τον Καναδά· πολλές άλλες χώρες υιοθέτησαν επίσης αυστηρούς κανονισμούς εκπομπών οχημάτων που στην πραγματικότητα απαιτούν τριοδικούς μετατροπείς σε βενζινοκίνητα οχήματα. Οι καταλύτες αναγωγής και οξείδωσης περιέχονται συνήθως σε κοινό περίβλημα· όμως, σε κάποιες περιπτώσεις, μπορεί να έχουν ξεχωριστά περιβλήματα. Ένας τριοδικός καταλυτικός μετατροπές κάνει ταυτόχρονα τρεις αντιδράσεις:

1. Αναγωγή των οξειδίων του αζώτου σε άζωτο και οξυγόνο: 2NO_x → xO₂ + N₂
2. Οξείδωση του μονοξειδίου του άνθρακα σε διοξείδιο του άνθρακα: 2CO + O₂ → 2CO₂
3. Οξείδωση των άκαυστων υδρογονανθράκων (HC) σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό: C_xH_2x+2 + [(3x+1)/2]O₂ → xCO₂ + (x+1)H₂O.

Αυτές οι τρεις αντιδράσεις συμβαίνουν πιο αποτελεσματικά όταν ο καταλυτικός μετατροπέας δέχεται τα εξερχόμενα προϊόντα από μια μηχανή που κινείται ελαφρώς πάνω από το στοιχειομετρικό σημείο. Για την καύση της βενζίνης, η αναλογία είναι μεταξύ 14,6 και 14,8 μέρη αέρα ανά ένα μέρος καυσίμου, κατά βάρος. Ο λόγος για καύσιμα υγραερίου (ή υγροποιημένο αέριο πετρελαίου (Autogas ή liquefied petroleum gas ή LPG)), φυσικού αερίου και αιθανόλης είναι ελαφρώς διαφορετική για το καθένα και απαιτεί τροποποιημένες ρυθμίσεις του συστήματος καυσίμου κατά τη χρήση αυτών των καυσίμων. Γενικά, οι μηχανές με προσαρμοσμένους τριοδικούς καταλυτικούς μετατροπείς εφοδιάζονται με υπολογιστική επανατροφοδότηση κλειστού κυκλώματος του συστήματος έγχυσης καυσίμου χρησιμοποιώντας έναν ή περισσότερους αισθητήρες οξυγόνου, αν και στην αρχή της ανάπτυξης των τριοδικών μετατροπέων, χρησιμοποιήθηκαν επίσης εξαερωτήρες εφοδιασμένοι με έλεγχο μείγματος επανατροφοδότησης.

ΟΙ τριοδικοί μετατροπείς είναι αποτελεσματικοί όταν η μηχανή λειτουργεί σε στενή ζώνη λόγων αέρα-καυσίμου κοντά στο στοιχειομετρικό σημείο, όπως αυτό που η σύσταση των καυσαερίων κυμαίνεται μεταξύ πλούσιου (περίσσεια καυσίμου) και φτωχού (περίσσεια οξυγόνου) μείγματος. Η αποτελεσματικότητα της μετατροπής πέφτει πολύ γρήγορα όταν η μηχανή δουλεύει εκτός αυτής της ζώνης. Στη φτωχή λειτουργία κινητήρα, τα καυσαέρια περιέχουν περίσσεια οξυγόνου και η αναγωγή του NO_x δεν ευνοείται. Σε πλούσια λειτουργία κινητήρα, η περίσσεια του καυσίμου καταναλώνει όλο το διαθέσιμο οξυγόνο πριν τον καταλύτη, αφήνοντας μόνο το αποθηκευμένο οξυγόνο στον καταλύτη διαθέσιμο για τη λειτουργία της οξείδωσης.

Τα συστήματα ελέγχου μηχανής κλειστού κυκλώματος είναι απαραίτητα για την αποτελεσματική λειτουργία των τριοδικών καταλυτικών μετατροπέων, επειδή απαιτείται συνεχής εξισορρόπηση για αποτελεσματική αναγωγή του NO_x και οξείδωση των HC. Το σύστημα ελέγχου πρέπει να αποτρέπει τον αναγωγικό καταλύτη των NO_x από την πλήρη οξείδωση, όμως παράλληλα πρέπει να ανανεώνει το αποθηκευμένο οξυγόνο έτσι ώστε να διατηρείται η λειτουργία του ως οξειδωτικού καταλύτη.

Οι τριοδικοί καταλυτικοί μετατροπείς μπορούν να αποθηκεύσουν οξυγόνο από τη ροή των καυσαερίων, συνήθως όταν ο λόγος αέρα-καυσίμου (air–fuel ratio) γίνεται φτωχός. Όταν δεν υπάρχει διαθέσιμο επαρκές οξυγόνο από τη ροή εξόδου, απελευθερώνεται και καταναλώνεται το αποθηκευμένο οξυγόνο. Η έλλειψη επαρκούς οξυγόνου συμβαίνει είτε όταν το παραγόμενο οξυγόνο από την αναγωγή των NO_x δεν είναι διαθέσιμο ή όταν συγκεκριμένοι ελιγμοί όπως έντονη επιτάχυνση εμπλουτίζουν το μείγμα πέρα από την ικανότητά του μετατροπέα να δώσει οξυγόνο.

Ανεπιθύμητες αντιδράσεις

Ανεπιθύμητες αντιδράσεις μπορούν να συμβούν στον τριοδικό καταλύτη, όπως ο σχηματισμός δύσοσμου υδροθείου και αμμωνία. Ο σχηματισμός καθενός προϊόντος μπορεί να περιοριστεί με τροποποιήσεις στο ενδιάμεσο στρώμα και τα χρησιμοποιούμενα πολύτιμα μέταλλα. Είναι δύσκολη η πλήρης εξάλειψη αυτών των παραπροϊόντων. Καύσιμα χωρίς θείο ή με χαμηλό θείο εξαλείφουν ή μειώνουν το υδρόθειο.

Παραδείγματος χάρη, όταν επιθυμείται έλεγχος των εκπομπών υδροθείου, προστίθεται νικέλιο ή μαγγάνιο στο ενδιάμεσο στρώμα. Και οι δυο ουσίες δρουν εμποδίζοντας την προσρόφηση του θείου στο ενδιάμεσο στρώμα. Το υδρόθειο σχηματίζεται όταν το ενδιάμεσο στρώμα έχει απορροφήσει θείο κατά τη διάρκεια της χαμηλής θερμοκρασίας του λειτουργικού κύκλου, που στη συνέχεια απελευθερώνεται κατά την υψηλή θερμοκρασία του κύκλου και το θείο συνδυάζεται με HC.

Μηχανές ντίζελ

Για ανάφλεξη με συμπίεση (compression-ignition) (δηλαδή, κινητήρες ντίζελ), ο πιο συνηθισμένος καταλυτικός μετατροπέας είναι ο οξειδωτικός καταλύτης (diesel oxidation catalyst ή DOC). Οι DOCs περιέχουν παλλάδιο, λευκόχρυσο και οξείδιο του αργιλίου, που όλοι τους χρησιμεύουν ως καταλύτες για να οξειδώσουν τους υδρογονάνθρακες και το μονοξείδιο του άνθρακα με οξυγόνο για να σχηματίσουν διοξείδιο του άνθρακα και νερό.

2CO + O₂ → 2CO₂

C_xH_2x+2 + [(3x+1)/2] O₂ → x CO₂ + (x+1) H₂O

Αυτοί οι μετατροπείς λειτουργούν συχνά με αποτελεσματικότητα 90%, εξαλείφοντας ουσιαστικά την οσμή του ντίζελ και βοηθώντας στη μείωση των ορατών σωματιδίων (αιθάλη). Αυτοί οι καταλύτες δεν είναι δραστικοί για την αναγωγή των NO_x επειδή οποιοδήποτε παρόν αναγωγικό μέσο θα αντιδρούσε πρώτα με την υψηλή συγκέντρωση του O₂ στα καυσαέρια του ντίζελ.

Η αναγωγή στις εκπομπές των NO_x από μηχανές ανάφλεξης με συμπίεση είχε προηγουμένως αντιμετωπιστεί με την προσθήκη καυσαερίων στον εισερχόμενο αέρα, γνωστό ως ανακυκλοφορία καυσαερίων (EGR). Το 2010, οι περισσότεροι κατασκευαστές ντίζελ ελαφριάς χρήσης στις ΗΠΑ προσέθεσαν καταλυτικά συστήματα στα οχήματά τους για να καλύψουν τις νέες ομοσπονδιακές απαιτήσεις εκπομπών καυσαερίων. Υπάρχουν δύο τεχνικές που έχουν αναπτυχθεί για την καταλυτική αναγωγή των εκπομπών NO_x σε συνθήκες πτωχών καυσαερίων: επιλεκτική καταλυτική αναγωγή (selective catalytic reduction ή SCR) και η πτωχή παγίδα (lean trap) NO_x ή προσροφητής NO_x(NOx adsorber). Αντί για τους προσροφητές NO_x που περιέχουν πολύτιμα μέταλλα, οι περισσότεροι κατασκευαστές επέλεξαν συστήματα SCR με βάση μέταλλο που χρησιμοποιούν αντιδραστήριο όπως αμμωνία για να ανάγουν τα NO_x σε άζωτο. Η αμμωνία παρέχεται στο καταλυτικό σύστημα με την έγχυση ουρίας στα καυσαέρια, που στη συνέχεια υφίσταται θερμική αποσύνθεση και υδρόλυση σε αμμωνία. Ένα προϊόν εμπορικού σήματος διαλύματος ουρίας, που αναφέρεται επίσης ως υγρό καυσαερίων ντίζελ (Diesel Exhaust Fluid ή DEF), είναι το AdBlue.

Τα καυσαέρια ντίζελ (Diesel exhaust) περιέχουν σχετικά υψηλά επίπεδα αιωρούμενων σωματιδίων (αιθάλης), που αποτελούνται κυρίως από στοιχειακό άνθρακα. Οι καταλυτικοί μετατροπείς δεν μπορούν να καθαρίσουν τον στοιχειακό άνθρακα, αν και αφαιρούν μέχρι το 90 % του διαλυτού οργανικού κλάσματος, έτσι τα σωματίδια καθαρίζονται με παγίδα αιθάλης ή φίλτρο σωματιδίων ντίζελ (diesel particulate filter ή DPF). Ιστορικά, ένα DPF αποτελείται από υπόστρωμα κορδιερίτη (cordierite) ή ανθρακοπυρίτιο (silicon carbide) με γεωμετρία που εξαναγκάζει τη ροή των καυσαερίων να περάσει μέσα από τα τοιχώματα του υποστρώματος, αφήνοντας πίσω τα παγιδευμένα σωματίδια της αιθάλης. Σύγχρονα DPFs μπορούν να κατασκευαστούν από μια ποικιλία σπάνιων μετάλλων που παρέχουν ανώτερη απόδοση (με μεγαλύτερη δαπάνη). Καθώς η ποσότητα της παγιδευμένης αιθάλης στο DPF αυξάνει, αυξάνει και η αντίθλιψη (πίεση προς τα πίσω ή back pressure) στο σύστημα εξάτμισης. Απαιτούνται περιοδικές αναγεννήσεις (διακυμάνσεις υψηλής θερμοκρασίας) για να ξεκινήσει η καύση της παγιδευμένης αιθάλης και συνεπώς η μείωση της αντίθλιψης εξάτμισης. Η ποσότητα της φορτωμένης αιθάλης στον DPF πριν την αναγέννηση μπορεί επίσης να περιοριστεί για να αποτρέψει ακραίες εξώθερμες συνθήκες που μπορεί να βλάψουν την παγίδα κατά τη διάρκεια της αναγέννησης. Στις ΗΠΑ, όλα τα ελαφρά, μεσαία και βαριά ντιζελοκίνητα οχήματα που κατασκευάστηκαν μετά την 1 Ιανουαρίου 2007, πρέπει να καλύπτουν τα όρια εκπομπών σωματιδίων, που σημαίνει ότι πρέπει να είναι εφοδιασμένα με διοδικό καταλυτικό μετατροπέα και φίλτρο σωματιδίων. Ας σημειωθεί ότι αυτό εφαρμόζεται μόνο στη μηχανή ντίζελ που χρησιμοποιείται στο όχημα. Εφόσον η μηχανή κατασκευάστηκε πριν την 1η Ιανουαρίου 2007, δεν απαιτείται το όχημα να έχει σύστημα DPF. Αυτό οδήγησε σε άλμα των αποθεμάτων των κατασκευαστών μηχανών στο τέλος του 2006, έτσι ώστε να μπορούν να συνεχίσουν την πώληση οχημάτων χωρίς DPF το 2007. Κατά τη διάρκεια του κύκλου αναγέννησης, τα περισσότερα συστήματα απαιτούν την κατανάλωση περισσότερου καυσίμου από τη μηχανή σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα για να δημιουργήσουν τις απαραίτητες υψηλές θερμοκρασίες για την ολοκλήρωση του κύκλου. Αυτό επηρεάζει δυσμενώς τη συνολική οικονομία του καυσίμου των οχημάτων που είναι εφοδιασμένα με συστήματα DPF, ιδιαίτερα σε οχήματα που οδηγούνται συνήθως σε συνθήκες πόλης όπου συχνές επιταχύνσεις απαιτούν μεγαλύτερες ποσότητες καύσης του καυσίμου και συνεπώς συλλογή περισσότερης αιθάλης στα σύστημα καυσαερίων.

Μηχανές ανάφλεξης με σπινθήρα πτωχής καύσης

Για μηχανές ανάφλεξης με σπινθήρα πτωχού μείγματος (lean-burn spark-ignition engines), χρησιμοποιείται ένας καταλύτης οξείδωσης κατά τον ίδιο τρόπο όπως στις μηχανές ντίζελ. Οι εκπομπές από μηχανές ανάφλεξης με σπινθήρα πτωχού μείγματος είναι πολύ παρόμοιες με τις εκπομπές από μηχανές ντίζελ ανάφλεξης με συμπίεση.

Εγκατάσταση

Πολλά οχήματα έχουν καταλυτικό μετατροπέα στενής σύζευξης (close-coupled catalytic converter) τοποθετημένο κοντά στη πολυσχιδή εξαγωγή (χταπόδι) της μηχανής. Ο μετατροπέας θερμαίνεται γρήγορα, λόγω της έκθεσής του σε πολύ θερμά καυσαέρια, ενεργοποιώντας τη μείωση ανεπιθύμητων εκπομπών κατά τη διάρκεια της περιόδου προθέρμανσης. Αυτό πετυχαίνεται καίγοντας την περίσσεια των υδρογονανθράκων που προκύπτουν από το απαιτούμενο πολύ πλούσιο μείγμα για κρύα εκκίνηση.

Όταν εισήχθηκαν οι καταλυτικοί μετατροπείς, τα περισσότερα οχήματα χρησιμοποιούσαν εξαερωτήρες που παρείχαν μια σχετικά πλούσια αναλογία αέρα-καυσίμου (air–fuel ratio). Τα επίπεδα οξυγόνου (O₂) στη ροή των καυσαερίων ήταν συνεπώς γενικά ανεπαρκή για μια αποτελεσματική καταλυτική αντίδραση. Οι περισσότεροι σχεδιασμοί του χρόνου συνεπώς περιελάμβαναν δευτερογενή έγχυση αέρα (secondary air injection), που ενέχεαν αέρα στη ροή των καυσαερίων. Αυτό αύξανε το διαθέσιμο οξυγόνο, επιτρέποντας στον καταλύτη να λειτουργεί όπως προβλεπόταν.

Κάποιοι συστήματα τριοδικών καταλυτικών μετατροπέων έχουν συστήματα έγχυσης αέρα με τον εγχεόμενο αέρα μεταξύ του πρώτου (NO_x αναγωγή) και του δεύτερου σταδίου (οξείδωση HC και CO) του μετατροπέα. Στους διοδικούς μετατροπείς, αυτός ο εγχεόμενος αέρας παρέχει οξυγόνο για τις αντιδράσεις οξείδωσης. Γιαυτό υπάρχει επίσης μερικές φορές, ένα σημείο έγχυσης αέρα στο ανοδικό ρεύμα μπροστά από τον καταλυτικό μετατροπέα για να παράσχει πρόσθετο οξυγόνο μόνο κατά τη διάρκεια προθέρμανσης της μηχανής. Αυτό προκαλεί την ανάφλεξη του άκαυστου καυσίμου στην περιοχή της εξάτμισης, αποτρέποντας το άκαυστο καύσιμο να φτάσει στον καταλυτικό μετατροπέα. Αυτή η τεχνική μειώνει τον απαιτούμενο χρόνο λειτουργίας της μηχανής ώστε ο καταλυτικός μετατροπέας να φτάσει στη θερμοκρασία λειτουργίας του.

Τα περισσότερα πιο καινούργια οχήματα έχουν συστήματα ηλεκτρονικής έγχυσης καυσίμου και δεν απαιτούν συστήματα έγχυσης αέρα στις εξατμίσεις τους. Αντίθετα, παρέχουν ένα επακριβώς ελεγχόμενο μείγμα αέρα-καυσίμου που γρήγορα και συνεχώς κυμαίνεται μεταξύ πτωχής και πλούσιας καύσης. Οι αισθητήρες οξυγόνου χρησιμοποιούνται για να παρακολουθούν το περιεχόμενο του οξυγόνου πριν και μετά τον καταλυτικό μετατροπέα και αυτή η πληροφορία χρησιμοποιείται από την μονάδα ηλεκτρονικού ελέγχου (Electronic Control Unit) για να ρυθμίσει την έγχυση καυσίμου έτσι ώστε να αποτρέψει τον πρώτο καταλύτη (αναγωγή NO_x) από φόρτωση με οξυγόνο, ενώ ταυτόχρονα εξασφαλίζει στον δεύτερο καταλύτη (οξείδωση HC και CO) επαρκή κορεσμό με οξυγόνο.

Βλάβες

Δηλητηρίαση του καταλύτη (Catalyst poisoning) συμβαίνει όταν ο καταλυτικός μετατροπέας εκτίθεται σε καυσαέρια που περιέχουν ουσίες που καλύπτουν τις επιφάνειες εργασίας, έτσι ώστε να μην μπορεί ο καταλυτικός μετατροπέας να έρθει σε επαφή και να αντιδράσει με τα καυσαέρια. Ο πιο σημαντικός επιμολυντής είναι ο τετρααιθυλιούχος μόλυβδος (tetraethyllead), έτσι τα οχήματα που είναι εφοδιασμένα με καταλυτικούς μετατροπείς μπορούν να λειτουργούν μόνο με αμόλυβδο καύσιμο. Άλλα κοινά δηλητήρια του καταλύτη περιλαμβάνουν θείο, μαγγάνιο (που προέρχεται κυρίως από το πρόσθετο της βενζίνης τρικαρβονυλομεθυλοκυκλοπενταδιενυλικό μαγγάνιο (Methylcyclopentadienyl manganese tricarbonyl ή MMT) και πυρίτιο, που μπορούν να εισέλθουν στη ροή των καυσαερίων εάν η μηχανή έχει διαρροή που επιτρέπει να εισέλθει αντιψυκτικό στον θάλαμο καύσης. Ο φώσφορος είναι ένας άλλος επιμολυντής του καταλύτη. Αν και ο φώσφορος δεν χρησιμοποιείται πια στη βενζίνη, αυτός (και ο ψευδάργυρος, ένας άλλος χαμηλού επιπέδου επιμολυντής του καταλύτη) εχρησιμοποιείτο μέχρι πρόσφατα πλατιά στα αντιτριβικά πρόσθετα (antiwear additives) των λαδιών μηχανής όπως στον διθειοφωσφορικό ψευδάργυρο ([zinc dithiophosphate ή ZDDP). Από τις αρχές του 2004, υιοθετήθηκε ένα όριο συγκέντρωσης φωσφόρου στα λάδια μηχανής από τις προδιαγραφές του Αμερικανικού Ινστιτούτου Πετρελαίου (American Petroleum Institute ή API) και των λαδιών κινητήρων (Motor oil-ILSAC).

Ανάλογα με τον επιμολυντή, η δηλητηρίαση του καταλύτη μπορεί κάποιες φορές να αντιστραφεί τρέχοντας τη μηχανή κάτω από ένα πολύ έντονο φορτίο για μια εκτεταμένη περίοδο. Η αυξημένη θερμοκρασία των καυσαερίων μπορεί μερικές φορές να εξατμίσει ή να εξαχνώσει τον επιμολυντή, αφαιρώντας τον από την επιφάνεια του καταλύτη. Όμως, η αφαίρεση των αποθέσεων μολύβδου κατ' αυτόν τον τρόπο δεν είναι συνήθως δυνατή λόγω του υψηλού σημείου βρασμού του μολύβδου.

Κάθε συνθήκη που προκαλεί ανώμαλα υψηλά επίπεδα άκαυστων υδρογονανθράκων —πλήρως ή μερικώς— φτάνοντας στον μετατροπέα θα τείνει να ανυψώσει σημαντικά τη θερμοκρασία του, φέροντας τον κίνδυνο της τήξης του υποστρώματος και την επακόλουθη καταλυτική απενεργοποίηση. Συνήθως, το σύστημα ανάφλεξης π.χ. πηνία ανάφλεξης και/ή πρωτεύοντα συστατικά ανάφλεξης (π.χ. καπάκι διανομέα, καλώδια, πηνίο ανάφλεξης και σπινθηριστές) και/ή χαλασμένα συστατικά του συστήματος του καυσίμου (εγχυτήρες καυσίμου, ρυθμιστής πίεσης καυσίμου και σχετικοί αισθητήρες) μπορούν να βλάψουν έναν καταλυτικό μετατροπέα - αυτό περιλαμβάνει επίσης τη χρήση λαδιού παχύτερου ιξώδους που δεν συνιστάται από τον κατασκευαστή (ιδιαίτερα με περιεχόμενο διθειοφωσφορικού ψευδαργύρου), διαρροές λαδιού και/ή ψυκτικού. Τα οχήματα που είναι εφοδιασμένα με διαγνωστικά συστήματα OBD-II είναι σχεδιασμένα να προειδοποιούν τον οδηγό σε περίπτωση αστοχίας μέσω ενός αναμμένου φωτός "ελέγξτε τη μηχανή (check engine)" στον πίνακα οργάνων, ή με αναλαμπές εάν οι τρέχουσες συνθήκες αστοχίας είναι αρκετά σοβαρές ώστε δυνητικά να βλάψουν τον καταλυτικό μετατροπέα.

Κανονισμοί

Οι κανονισμοί εκπομπών διαφέρουν αρκετά. Οι περισσότερες μηχανές ανάφλεξης με σπινθήρα στη Βόρεια Αμερική διαθέτουν καταλυτικούς μετατροπείς από το 1975, και η χρησιμοποιούμενη τεχνολογία σε εφαρμογές εκτός αυτοκινήτων βασίζονται γενικά στην τεχνολογία αυτοκινήτων.

Οι κανονισμοί για μηχανές ντίζελ διαφέρουν επίσης σημαντικά, με κάποιους να εστιάζουν στις εκπομπές NO_x (μονοξείδιο και διοξείδιο του αζώτου) και άλλους να εστιάζουν στις εκπομπές σωματιδίων (αιθάλης). Αυτή η ανομοιότητα δημιουργεί προβλήματα στους κατασκευαστές μηχανών, επειδή μπορεί να μην είναι οικονομικό να σχεδιαστούν μηχανές που καλύπτουν δύο ομάδες κανονισμών.

Οι κανονισμοί για την ποιότητα του καυσίμου διαφέρουν επίσης σημαντικά. Στην Βόρεια Αμερική, την Ευρώπη, την Ιαπωνία και το Χονγκ Κονγκ, η βενζίνη και το ντίζελ είναι ρυθμισμένα σε υψηλό βαθμό, ενώ το συμπιεσμένο φυσικό αέριο (compressed natural gas) και το υγραέριο (LPG ή Autogas) υπόκεινται σε αναθεώρηση. Στο μεγαλύτερο μέρος της Ασίας και της Αφρικής, οι κανονισμοί είναι συχνά χαλαροί: σε κάποια μέρη το περιεχόμενο σε θείο του καυσίμου μπορεί να φτάσει τα 20.000 μέρη ανά εκατομμύριο (2%). Οποιοδήποτε θείο στο καύσιμο μπορεί να οξειδωθεί σε SO₂ (διοξείδιο του θείου) ή ακόμα και σε SO₃ (τριοξείδιο του θείου) στον θάλαμο καύσης. If sulfur passes over a catalyst, it may be further oxidized in the catalyst, i.e., SO₂ may be further oxidized to SO₃. Sulfur oxides are precursors to sulfuric acid, a major component of acid rain. While it is possible to add substances such as vanadium to the catalyst washcoat to combat sulfur-oxide formation, such addition will reduce the effectiveness of the catalyst. The most effective solution is to further refine fuel at the refinery to produce ultra-low sulfur diesel. Regulations in Japan, Europe and North America tightly restrict the amount of sulfur permitted in motor fuels. However, the direct financial expense of producing such clean fuel may make it impractical for use in developing countries. As a result, cities in these countries with high levels of vehicular traffic suffer from acid rain, which damages stone and woodwork of buildings, poisons humans and other animals, and damages local ecosystems, at a very high financial cost.

Negative aspects

Catalytic converters restrict the free flow of exhaust, which negatively affects vehicle performance and fuel economy, especially in older cars. Because early cars' carburetors were incapable of precise fuel-air mixture control, the cars' catalytic converters could overheat and ignite flammable materials under the car. A 2006 test on a 1999 Honda Civic showed that removing the stock catalytic converter netted a 3% increase in horsepower; a new metallic core converter only cost the car 1% horsepower, compared to no converter. To some performance enthusiasts, this modest increase in power for very little cost encourages the removal or "gutting" of the catalytic converter. In such cases, the converter may be replaced by a welded-in section of ordinary pipe or a flanged "test pipe", ostensibly meant to check if the converter is clogged, by comparing how the engine runs with and without the converter. This facilitates temporary reinstallation of the converter in order to pass an emission test. In many jurisdictions, it is illegal to remove or disable a catalytic converter for any reason other than its direct and immediate replacement. In the United States, for example, it is a violation of Section 203(a)(3)(A) of the 1990 Clean Air Act for a vehicle repair shop to remove a converter from a vehicle, or cause a converter to be removed from a vehicle, except in order to replace it with another converter, and Section 203(a)(3)(B) makes it illegal for any person to sell or to install any part that would bypass, defeat or render inoperative any emission control system, device or design element. Vehicles without functioning catalytic converters generally fail emission inspections. The automotive aftermarket supplies high-flow converters for vehicles with upgraded engines, or whose owners prefer an exhaust system with larger-than-stock capacity.

Warm-up period

Vehicles fitted with catalytic converters emit most of their total pollution during the first five minutes of engine operation; for example, before the catalytic converter has warmed up sufficiently to be fully effective.

In 1995, Alpina introduced an electrically heated catalyst. Called "E-KAT," it was used in Alpina's B12 5,7 E-KAT based on the BMW 750i. Heating coils inside the catalytic converter assemblies are electrified just after the engine is started, bringing the catalyst up to operating temperature very quickly to qualify the vehicle for low emission vehicle (LEV) designation. BMW later introduced the same heated catalyst, developed jointly by Emitec, Alpina and BMW, in its 750i in 1999.

Some vehicles contain a pre-cat, a small catalytic converter upstream of the main catalytic converter which heats up faster on vehicle start up, reducing the emissions associated with cold starts. A pre-cat is most commonly used by an auto manufacturer when trying to attain the Ultra Low Emissions Vehicle (ULEV) rating, such as on the Toyota MR2 Roadster.

Environmental impact

Catalytic converters have proven to be reliable and effective in reducing noxious tailpipe emissions. However, they also have some shortcomings in use, and also adverse environmental impacts in production:

• An engine equipped with a three-way catalyst must run at the stoichiometric point, which means more fuel is consumed than in a lean-burn engine. This means approximately 10% more CO₂ emissions from the vehicle.
• Catalytic converter production requires palladium or platinum; part of the world supply of these precious metals is produced near Norilsk, Russia, where the industry (among others) has caused Norilsk to be added to Time magazine's list of most-polluted places.

Theft

Because of the external location and the use of valuable precious metals including platinum, palladium, rhodium and gold, converters are a target for thieves. The problem is especially common among late-model trucks and SUVs, because of their high ground clearance and easily removed bolt-on catalytic converters. Welded-on converters are also at risk of theft, as they can be easily cut off. The techniques by thieves to quickly remove a converter, such as the use of a portable reciprocating saw, can often damage other components of the car. Damage to components, such as wiring or a fuel line, can have dangerous consequences. Rises in metal costs in the U.S. during recent years have led to a large increase in converter theft. A catalytic converter can cost more than $1,000 to replace.

Diagnostics

Various jurisdictions now require on-board diagnostics to monitor the function and condition of the emissions-control system, including the catalytic converter. On-board diagnostic systems take several forms.

Temperature sensors are used for two purposes. The first is as a warning system, typically on two-way catalytic converters such as are still sometimes used on LPG forklifts. The function of the sensor is to warn of catalytic converter temperature above the safe limit of 750 °C (1,380 °F). More-recent catalytic-converter designs are not as susceptible to temperature damage and can withstand sustained temperatures of 900 °C (1,650 °F). Temperature sensors are also used to monitor catalyst functioning: usually two sensors will be fitted, with one before the catalyst and one after to monitor the temperature rise over the catalytic-converter core.

The oxygen sensor is the basis of the closed-loop control system on a spark-ignited rich-burn engine; however, it is also used for diagnostics. In vehicles with OBD II, a second oxygen sensor is fitted after the catalytic converter to monitor the O₂ levels. The O₂ levels are monitored to see the efficiency of the burn process. The on-board computer makes comparisons between the readings of the two sensors. The readings are taken by voltage measurements. If both sensors show the same output or the rear O₂ is "switching", the computer recognizes that the catalytic converter either is not functioning or has been removed, and will operate a malfunction indicator lamp and affect engine performance. Simple "oxygen sensor simulators" have been developed to circumvent this problem by simulating the change across the catalytic converter with plans and pre-assembled devices available on the Internet. Although these are not legal for on-road use, they have been used with mixed results. Similar devices apply an offset to the sensor signals, allowing the engine to run a more fuel-economical lean burn that may, however, damage the engine or the catalytic converter.

NO_x sensors are extremely expensive and are in general used only when a compression-ignition engine is fitted with a selective catalytic-reduction (SCR) converter, or a NO_x absorber catalyst in a feedback system. When fitted to an SCR system, there may be one or two sensors. When one sensor is fitted it will be pre-catalyst; when two are fitted, the second one will be post-catalyst. They are used for the same reasons and in the same manner as an oxygen sensor; the only difference is the substance being monitored.

See also

• Catalytic heater
• Cerium(III) oxide
• NOx adsorber
• Roadway air dispersion modeling

Further reading

• Keith, C. D., et al. U.S. Patent 3.441.381

"Apparatus for purifying exhaust gases of an internal combustion engine". 29 April 1969

• Lachman, I. M. et al. U.S. Patent 3.885.977

"Anisotropic Cordierite Monolith" (Ceramic substrate). 5 November 1973

• Charles H. Bailey. U.S. Patent 4.094.645

"Combination muffler and catalytic converter having low backpressure". 13 June 1978

• Charles H. Bailey. U.S. Patent 4.250.146

'"Caseless monolithic catalytic converter". 10 February 1981

• Srinivasan Gopalakrishnan. GB 2397782 : "Process And Synthesizer For Molecular Engineering of Materials". 13 March 2002

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• Πρότυπο:HowStuffWorks
• Automotive applications of high temperature insulation wool
• Catalytic Converter Photos