UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRASOV FACULATATEA DE INGINERIE MECANICA AUTOVEHICULUL ŞI MEDIUL
- REFERAT-
Disciplina: CONTROLUL ŞI EVALUAREA POLUĂRII GENERATE DE AUTOVEHICUL Tema: CATALIZATORUL CU TREI CĂI
Îndrumător: Sef.lucr.dr.ing. STELIAN ŢÂRULESCU
Student: MÎRZEA VASILE Grupa MR562
-1-
-2-
Cuprins: I.
INTRODUCERE ......................................................................................................5
II. MODUL DE FUNCŢIONARE A CATALIZATORULUI CU TREI CĂI .......................6 III. COMPUNEREA CATALIZATORULUI CU TREI CĂI...............................................8 IV. POZIŢIONAREA, EFICIENŢA DE CONVERSIE ŞI SISTEMUL DE CONTROL AL CATALIZATORULUI .............................................................................................13 1. Poziţionarea catalizatorului .............................................................................13 2. Eficienţa de conversie.....................................................................................14 3. Sistemul de control al catalizatorului...............................................................15 V. BIBLIOGRAFIE .....................................................................................................16
-3-
-4-
I.
INTRODUCERE Una dintre principalele probleme puse de utilizarea autovehiculelor echipate cu
motoare cu ardere internă este poluarea produsă în urma arderii combustibilului. În scopul reducerii poluării generate de astfel de autovehicule sau stabilit standarde prin care în prezent sunt reglementaţi şapte poluanţi atmosferici: dioxidul de sulf SO2, particulele în suspensie PM10, plumbul Pb, dioxidul de azot NO2, ozonul O3, oxidul de carbon CO, benzenul C6H6, şi se poartă tratative pentru reglementarea următorilor poluanţi: hidrocarburi aromatice policiclice HPA, cadmiu Cd, arsenic As, nichel Ni, mercur Hg. La nivelul Europei din
anul 1992 începe reducerea sistematică a poluării prin
introducerea normelor EURO. Normele EURO 1 prevedeau tratarea post-combustie prin utilizarea catalizatorilor de oxidare pentru CO şi NOx pentru ciclul de conducere Europa (urban). Au fost introduse la 1 ianuarie 1992 pentru omologarea de tip şi la 1 ianuarie 1993 pentru livrări pe piaţă. Normele EURO 2 au fost introduse la 1 ianuarie 1996 pentru omologarea tip şi la 1 ianuarie 1997 pentru livrarea pe piaţă. Ele prevedeau tratarea post-combustie cu catalizator pentru trei componente, apariţia sondei lambda pentru reglarea amestecului şi introducerea injecţiei de benzină. Măsurarea emisiilor se făcea conform noului ciclu de încercare Europa NCCE (urban + interurban). Emisiile erau reduse cu 8-10 ori faţă de NON EURO. Normele EURO 3 prevedeau o reducere cu 30-40% a valorilor limită pentru noxe şi 50% pentru particule. Se utilizează ciclul de încercare Europa NCCE fără cele 40 de secunde pentru încălzirea motorului. Se introduc sistemele OBD (sisteme de diagnosticare la bord) şi se utilizează carburanţi superiori. Aceste norme au fost introduse la 1 ianuarie 2000 pentru omologări tip şi la 1 ianuarie 2001 pentru livrarea pe piaţă. Normele EURO 4 au fost introduse la 1 ianuarie 2005 pentru omologări tip, 1 ianuarie2006 pentru livrarea pe piaţă. Ele prevăd o nouă reducere cu 55-77% a noxelor şi 75% a particulelor, utilizarea carburanţilor superiori. Normele EURO 5 presupun noi reduceri ale emisiilor poluante, în special asupra emisiilor de particule, introducerea filtrelor pentru particulele ultra-fine. Realizarea „vehiculelor prietenoase cu mediul”. Introducerea normelor s-a făcut la data de 1 septembrie 2009 pentru omologări tip şi 1 ianuarie 2010 pentru livrare. În anul 2014 se prevede introducerea unui nou tip de norme, EURO 6, care vor avea prevederi şi mai drastice în privinţa poluării. -5-
După cum se observă începând cu norma Euro 2 este obligatorie prezenţa catalizatorului pentru 3 componente (catalizatorul cu trei căi) pentru tratarea postcombustie a gazelor arse. II.
MODUL DE FUNCŢIONARE A CATALIZATORULUI CU TREI CĂI Rolul catalizatorului este de a modifica conţinutul de substanţe chimice din gazele de
evacuare, prin transformarea elementele poluante (HC, CO şi NOx), nocive mediului înconjurător, în substanţe sigure, neutre. Transformările chimice din catalizator se realizează cu ajutorul unor metale nobile cu ar fi platina (Pt), paladiu (Pd) sau rodiu (Rh). Reacţiile chimice care au loc într-un catalizator: Hidrocarburi (HC) + Oxigen (02) => Dioxid de carbon (CO2) + Vapori de apă (H2O) Monoxid de carbon (CO) + Oxigen (O2) => Dioxid de carbon (CO2) Oxid de azot (NO) + Hidrogen (H2) => Azot (N2) + Vapori de apă (H2O) Procentul de transformare a emisiilor poluante în emisii neutre se numeşte eficienţa conversiei. Eficienţa transformărilor din catalizator este optimă la temperaturi înalte. Punctul la care eficienţa catalizatorului depăşeşte valoarea de 50% se numeşte punctul de „aprindere al catalizatorului”. Pentru majoritatea catalizatoarelor punctul de aprindere se situează în jurul temperaturii de 250...300 °C. Din acest motiv este important ca temperatura catalizatorului sa atingă valoarea optimă de funcţionare (400...800 °C) cât mai repede după pornirea motorului. Poziţionarea catalizatorului cât mai aproape de motor, pe galeria de evacuare, va facilita încălzirea mai rapidă a acestuia. Pentru a atinge temperatura optimă de funcţionare unele catalizatoare sunt prevăzute cu rezistenţe de încălzire amplasate înaintea monolitului metalic. Astfel, în momentul pornirii, rezistenţa electrică este alimentată cu curent electric şi produce căldură. Gazele arse preiau căldura emanată de rezistenţa de încălzire şi intră în catalizator accelerând procesul de încălzire. Catalizatorul pe trei căi (en: TWC) acţionează asupra tuturor elementelor poluante ale unui motor pe benzină (Fig. II-1). Acesta combină două reacţii de oxidare, pentru conversia HC şi CO, plus o reacţie de reducere, pentru conversia NOx. Reacţiile de oxidare şi reducere au loc doar în prezenţa oxigenului şi sunt accelerate de metalele nobile (Pt, Pd, sau Rh). Transformarea substanţelor poluante în substanţe neutre se realizează în trei etape: 1. Absorţia: Deoarece moleculele difuzează pe suprafaţa catalizatorului, unele dintre molecule sunt reţinute pe suprafaţa metalică. -6-
2. Reacţia:
Se
formează
legături
temporare
între
molecule
şi
suprafaţa
catalizatorului. Acest lucru slăbeşte legăturile din molecule. Acum moleculele pot reacţiona. 3. Desorbţie: După reacţie, produsele sunt desorbite din catalizator şi difuzează.
Figura II-1: Transformarea elementelor poluante într-un catalizator cu trei căi [3]
1. Absorţia
2. Reacţia
3. Desorbţia
Figura II-2: Etapele transformării elementelor poluante în substanţe neutre [3]
-7-
Eficienţa maximă a catalizatorului este obţinută atunci când motorul funcţionează cu amestec stoichiometric (λ = 1.0). Din acest motiv toate motoarele pe benzină cu catalizator necesită un sistem de control în buclă închisă cu sondă lambda pentru amestecul aercombustibil.
Figura II-3:Nivelul emisiilor poluante ale unui motor pe benzină în funcţie de tipul amestecului aer-combustibil( a.fără catalizator pe trei căl, b. cu catalizator pe trei căi) [2]
III.
COMPUNEREA CATALIZATORULUI CU TREI CĂI Sistemul de reducere a emisiilor poluante cu catalizator (fig. III-1) este compus dintr-o
o sondă lambda (1), un monolit din material ceramic (2), un ecran metalic flexibil de protecţie (3), şi un start termoizolant (4). Monolitul ceramic (fig. III-2) conţine o multitudine de canale longitudinale prin care curg gazele de evacuare. Acesta este rezistent la temperaturi foarte înalte fiind produs din silicat de magneziu şi aluminiu. Monolitul este înfăşurat într-un strat de protecţie care se -8-
dilată la creşterea temperaturii şi ajută la fixarea acestuia în carcasa metalică. De asemenea, stratul de protecţie are şi rol de etanşare, împiedicând gazele de evacuare să curgă pe lângă catalizator. Există şi catalizatoare cu monolit metalic, fabricat din mai multe straturi metalice subţiri (foi) de aproximativ 0.03...0.05 mm grosime. Acestea sunt înfăşurate într-un mod special şi fixate prin sudare. Datorită grosimii reduse a foilor metalice, comparativ cu monolitul ceramic, monolitul metalic poate conţine mai multe canale de curgere pentru gazelor de evacuare. Astfel se reduce şi rezistenţa la curgere a gazelor, ceea ce reprezintă un avantaj din punct de vedere al performanţelor motorului. Acest tip de catalizatoare se utilizează cu precădere la motoarele de performanţă.
Figura III-1: Compunerea catalizatorului) [2]
Figura III-2: Secţiune transversală prin monolit [4]
-9-
1. înveliş metalic exterior 2. conector electric 3. disc de încălzire (rezistenţă electrică) 4. pini de fixare 5. carcasă metalică 6. pini de reţinere 7. înveliş metalic interior 8. catalizator (monolit metalic)
Figura III-3: Compunerea catalizatorului cu element de încălzire [5]
Monolitul ceramic este acoperit cu un strat din oxid de aluminiu (Al2O3) cu suprafaţa neregulată. Rolul acestui strat este de a mări suprafaţa de contact cu gazele de evacuare de aproximativ 7000 de ori. Acest strat conţine şi metalele nobile, platina şi/sau paladiu şi rodiu. Platina şi paladiul accelerează procesul de oxidare al hidrocarburilor şi a monoxidului de carbon în timp ce rodiul accelerează procesul de reducere al monoxidului de azot. Masa de metale nobile dintr-un catalizator se situează în jurul valorii de 1...5 g şi variază în funcţie de cilindreea motorului şi a normelor de emisii poluante care trebuiesc îndeplinite. Caracteristicile principale ale monoliţilor ceramici sunt următoarele: -
număr de canale pe cm2 - 46…62;
-
grosime de perete - 0,1, 0,15 sau 0,3mm;
-
porozitate - ≅ 30%;
-
aria suprafeţei active a canalelor raportată la unitatea de volum - 2,19 sau 2,79m2/dm3;
-
densitatea materialului ceramic - 1,68kg/m3;
-
temperatura maximă de exploatare - 1100°C;
-
mărimea macroporilor - 7000…10000Å;
-
mărimea microporilor - 70…90Å.
- 10 -
Suportul monolitic metalic este realizat din oţel inoxidabil cu conţinut de crom şi aluminiu, obţinându-se grosimi ale pereţilor canalelor de 40…50μm. Ca efect al conţinutului relativ ridicat de aluminiu (aproximativ 4%) la suprafaţa monolitului se formează un strat protector de alumină rezultată prin oxidare la temperatură ridicată. Prin introducerea în compoziţia aliajului a 0,2÷0,3% zirconiu, rezistenţa monolitului la solicitări caracteristice oxidării la temperaturi ridicate creşte; se împiedică, de asemenea, fenomenul desprinderii de particule din structura monolitică metalică de bază. Adaosul de calciu are efecte pozitive asupra adeziunii stratului de oxid la suprafeţele canalelor de trecere. În proporţie de aproximativ 0,3%, introducerea ytriului în compunerea aliajului are ca efect ridicarea durabilităţii materialului supus solicitărilor date de gazele fierbinţi. Deoarece ytriul este un material scump, se utilizează în proporţie de maxim 0,05%, restul fiind înlocuit de un amestec conţinând pământuri rare şi ceriu. După recoacere la 1200°C, folia de tablă este ondulată într-un laminor special pentru a i se asigura o configuraţie de suprafaţă sinusoidală sau trapezoidală. Asamblarea foliilor pentru obţinerea structurii principale se poate realiza fie prin sudură cu flux de electroni, fie prin brazare la o temperatură de maxim 1200°C, direct în carcasa suportului. Brazarea este recomandată deoarece previne deformarea structurii sub acţiunea şocurilor termice. Folia este răsucită în formă de spirală sau sub formă de "3", această ultimă aranjare oferind o mai bună anduranţă mecanică. Aria secţiunii transversale echivalente oferită pentru curgerea gazelor arse creşte de la 57%, în cazul monolitului ceramic, la 72%, în cazul monolitului metalic. Se reduce astfel, la utilizarea monolitului metalic, contrapresiunea din sistemul de evacuare al motorului, ceea ce determină o îmbunătăţire a performanţelor motorului. Spargerea curentului principal de gaze arse, la intrarea în sistemul catalitic cu suport metalic, creşte intensitatea turbulenţei curgerii, ceea ce conduce la un contact mai bun între gazele evacuate şi suprafaţa cu metal catalitic. Efectul final este o creştere a eficienţei catalizatorului sau o posibilă diminuare a volumului şi greutăţii suportului. Acesta are avantajul că dimensiunea peretelui despărţitor este mai mică decât în cazul celui ceramic şi atunci pe aceeaşi suprafaţă a secţiunii transversale se pot amplasa mai multe canale, deci dimensiunea va fi mai mică, gabarit redus. Caracteristicile principale ale monolitului metalic sunt: -
compoziţia materialului - 15÷20%Cr, 4÷5%Al, 0÷2%Si, 0,1÷0,3%Y, restul până la 100%Fe;
-
număr de canale pe cm2 - 62 sau 93;
-
grosime de perete - 0,05mm;
-
aria suprafeţei canalelor - 3,2m2/dm3; - 11 -
-
densitatea materialului - 1,25kg/dm3;
-
temperatura maximă de exploatare - 1100°C.
Alte caracteristici favorizante ale structurii metalice constau in: căderea de presiune din sistemul catalitic mai mică cu 15÷20% faţă de suportul ceramic cu îmbrăcăminte activă depusă; conductivitate termică ridicată ce împiedică supraîncălzirea locală şi eventuala topire zonală a structurii;
inerţie termică redusă, ceea ce asigură un timp minim de
atingere a temperaturii optime de funcţionare. Ca şi în cazul suportului din material ceramic, suprafaţa canalelor se acoperă cu un strat de Y alumină, înainte de impregnarea cu elementul catalitic.
Figura III-4: Catalizatorul pe trei căi [2]
1. monolit ceramic 2. strat din oxid de aluminiu 3. metale nobile
Catalizatorul poate fi deteriorat sau chiar distrus dacă funcţionează la temperaturi excesive. Temperaturile foarte înalte pe galeria de evacuare sunt cauzate de amestecul aer-combustibil nears care se aprinde în catalizator. Arderea amestecului aer-combustibil în catalizator poate ridica temperatura acestuia până la valori de 1400 °C. Expunerea catalizatorului la temperaturi ridicate are influenţă şi asupra eficienţei acestuia. Dacă temperatura în catalizator depăşeşte valoarea de aproximativ 1000 °C acesta se deteriorează ireversibil şi în timp, după expuneri multiple, nu mai realizează conversia emisiilor poluante. Sursa principala a deteriorării catalizatorului, datorită temperaturilor, înalte o reprezintă aşa numitele „rateuri la aprindere” (engine misfire). Rateurile la aprindere se produc din urmatoarele cauze: 1. bujii deterioarate: scânteia nu mai este produsă sau este produsă dar cu intensitate scazută 2. amestecul aer-combustibil este pre bogat (lipsă acuta de oxigen) sau prea sărac (lipsă acută de combustibil) 3. cilindrul pierde compresie - 12 -
Un motor care funcţionează cu rateuri la aprindere se va simţi la turaţia de ralanti cu şocuri si vibraţii puternice, iar la turaţii mari cu putere scăzută. Datorită efectului distructiv pe care-l au rateurilor la aprindere asupra catalizatorului, standardul OBD impune diagnosticarea acestui fenomen. În cazul în care motorul funcţionează cu rateuri la aprindere martorul MIL din bordul automobilului se va aprinde şi posibil ca motorul să intre în regim de avarie (performanţe limitate) pentru a limita efectul distructiv asupra catalizatorului. Catalizatorul se mai poate deteriora si datorită contaminării cu substanţe chimice. Cele mai comune substanţe care pot contamina catalizatorul sunt : -
plumbul (Pb) : chiar şi în cantităţi mici poate cauza deteriorări semnificative ale catalizatorului
-
fosforul (P) : prezent în combustibil sau în aditivi reduce eficienţa catalizatorului
-
sulful (S) : prezent în combustibil reduce eficienţa catalizatorului
-
zincul (Zn) : prezent în aditivii uleiului reduce eficienţa catalizatorului
-
siliconul (Si) : prezent în combustibil sau în gazele de evacuare (datorită soluţiilor de etanşare pe bază de silicon) reduce eficienţa catalizatorului
IV.
POZIŢIONAREA, EFICIENŢA DE CONVERSIE ŞI SISTEMUL DE CONTROL AL CATALIZATORULUI 1. Poziţionarea catalizatorului Convertorul catalitic se poziţionează pe conducta de evacuare ţinând seama că
suportul trebuie să se încălzească cât mai repede după pornire deoarece la temperatura mediului ambiant el nu acţionează asupra emisiilor poluante. Pentru a funcţiona el trebuie să atingă o temperatură de 200-300°C, deci el trebuie poziţionat cât mai aproape de motor dar la o distanţă sigură deoarece temperatura poate ajunge până la 900°C.
Figura IV-1: Poziţionarea catalizatorului şi elementele de control
- 13 -
1.
galeria de evacuare
2.
sonda lambda nr. 1
3.
catalizato
4.
sonda lambda nr. 2
2. Eficienţa de conversie Timpul necesar convertorului catalitic pentru a atinge eficienţa de conversie depinde de [1] : a) Proprietăţile catalizatorului În cazul catalizatoarelor de oxidare Pd are o temperatură mai scăzută de intrare în funcţiune decât Pt. La convertoarele cu trei căi, combinaţia Pt/Rh reduce temperatura de acţionare faţă de combinaţiile Pt/Pd, Pd/Rh sau Pt/Pd/Rh. Temperatura de intrare în funcţionare descreşte şi la creşterea dispersiei platinei pe suprafaţa canalelor monolitului. Acelaşi efect se obţine şi prin creşterea concentraţiei de metale preţioase. b)
Suprafaţa catalizatorului
Depozitele de metale şi metaloizi ca Pb, P, S, Zn, au efect ireversibil. Astfel depozitele de impurităţi împreună cu efectele termice, sinterizare, determină intrarea în funcţiune a materialului activ la o temperatură mai ridicată ceea ce duce la creşterea emisiilor poluante. c)
Aditivii din materialul suportului
Prin adăugarea de aditivi la materialul suportului se inhibă sinterizarea metalelor preţioase, se încetineşte îmbătrânirea acestora şi se coboară temperatura la care catalizatorul intră în funcţiune. Se utilizează ca aditivi: CeO2, Fe2O3, oxizii pământurilor rare. d)
Poziţia catalizatorului în instalaţia de evacuare a gazelor arse
Pentru ca temperatura gazelor de evacuare ce intră în catalizator să nu fie mai mare de 900°C, dar să nu fie nici prea mică pentru a se realiza oxidarea la pornirea la rece s-a adoptat o soluţie de compromis ce presupune separarea convertorului catalitic în două componente: un miniconvertor cu capacitate termică redusă care este amplasat cât mai aproape de colectorul de evacuare unde este încălzit rapid şi atunci se iniţiază oxidarea CO şi HC, convertor cu monolit metalic, şi un convertor catalitic principal amplasat la o distanţă sigură de funcţionare. Sau o altă soluţie combină un microconvertor ca monolit amplasat în colectorul de evacuare cu un monolit ceramic amplasat pe traiectul de evacuare pentru a se evita supraîncălzirea acestuia la sarcini mari. Pentru a aduce convertorul la temperatura de funcţionare se prevăd sisteme electrice de încălzire a acestuia înainte de pornirea motorului. e)
Compoziţia gazelor de evacuare
La pornirea motorului conţinutul de CO, HC, O2, NO este variabil, el depinzând de gradul de îmbogăţire a amestecului, temperatură şi presiunea mediului ambiant. Un - 14 -
conţinut ridicat de O2, o concentraţie scăzută de CO şi prezenţa HC în gazele de evacuare determină scăderea temperaturii de oxidare a catalizatorului. f)
Raportul aer-combustibil
Temperatura de intrare în funcţiune a catalizatorului creşte cu gradul de îmbogăţire al amestecului la pornire în cazul catalizatoarelor de oxidare Pt/Pd, fără utilizarea aerului adiţional sau amestecurilor sărace. Acest efect nu este important în cazul catalizatoarelor cu Rh deoarece acesta este mai puţin sensibil la conţinutul de CO. Astfel la un convertor de oxidare cu Pt, creşterea conţinutului de CO de la 0,5% la 7% determină creşterea temperaturii de conversie de la 160°C la 300°C, pentru o conversie de 50% a emisiilor. Menţinerea catalizatorului în limitele de funcţionare eficientă se face printr-un reglaj optim al dozajului cu ajutorul sondei lambda. 3. Sistemul de control al catalizatorului Controlul funcţionării catalizatorului este asigurat de cele două sonde λ (fig. IV-1): -
sonda λ nr. 1 situată în amonte de catalizator asigură funcţionarea motorului
cu amestecuri stoichiometrice; -
sonda λ nr. 2 situată în aval de catalizator asigură controlul eficienţei
catalizatorului a) Controlul amestecului Convertorul catalitic cu trei căi poate reduce simultan trei compuşi din gazele de evacuare: CO, HC, NOx. Acesta are randamentul maxim atunci când motorul funcţionează cu amestecuri stoichiometrice. Dacă în motor sunt arse amestecuri sărace are loc o scădere a eficienţei reducerii NO, iar dacă amestecul proaspăt este bogat atunci apare o reducere a eficienţei reacţiilor de oxidare a HC şi CO. Domeniul de variaţie a calităţii amestecului aer-combustibil, pentru care catalizatorul funcţionează eficient este extrem de restrâns, ceea ce impune utilizarea unui sistem electronic de control şi reglare a calităţii amestecului, pentru menţinerea acestuia în domeniul de eficienţă al sistemului catalitic. Senzorul care culege informaţia relativ la cantitatea de oxigen remanentă în gazele de evacuare este sonda λ. Mărimea timpului de răspuns al sistemului poate determina oscilaţii ale dozajului la funcţionarea motorului în regimuri tranzitorii. În aceste cazuri, frecvenţa semnalului de răspuns variază cu 0,5...5Hz, în jurul valorii fixate, ceea ce determina o variaţie a coeficientului de exces de aer în intervalul [0,93...1,07]. Semnalul generat de sonda este transmis unităţii electronice de comandă care după procesarea datelor determină ce acţiuni sunt necesare pentru obţinerea unui amestec stoichiometric. - 15 -
b) Controlul eficienţei catalizatorului Eficienţa catalizatorului este măsurată cu ajutorul sondei lambda nr. 2 situată în avalul catalizatorului. Ea dă informaţii către ECU despre starea catalizatorului. Atunci când acesta devine ineficient se va aprinde martorul MIL din bordul automobilului.
V.
BIBLIOGRAFIE 1. Cofaru, C, Controlul şi evaluarea poluării generate de autovehicul 2. http://www.e-automobile.ro/categorie-motor/18-benzina/64-catalizator-benzina.html 3. http://www.chemhume.co.uk/ASCHEM/Unit%203/15%20Equilibria/Equilibria.htm 4. https://www.dieselnet.com/tech/cat_substrate.php 5. http://www.emitec.com/en/technology/catalyst-substrates/
- 16 -