Katalyzátor

Primárním úkolem katalyzátoru je přeměna uhlovodíků, oxidu uhelnatého a oxidů dusíku, které jsou produkovány motorem, na méně škodlivé látky – vodní páru, oxid uhličitý a dusík. Pojmenování katalyzátor pochází z řeckého katalýtis, které označuje látku vstupující do chemické reakce, tuto chemickou reakci urychlí, ale sama z ní vystoupí nezměněná. V našem případě je katalyzátorem pro chemickou reakci vrstva vzácných kovů. Použití katalyzátoru ve výfukové soustavě vyžaduje užívání bezolovnatého benzínu, protože olovo ničí katalytický účinek vzácných kovů.

Automobilový katalyzátor obsahuje vzácné kovy nanesené na reakční plochy nosiče, obvykle se používají směsi platiny (oxidační část) a rhodia (redukční část). Nosič má jemnou strukturu podobnou včelím plástvím, která i při kompaktních rozměrech katalyzátoru zaručuje velký povrch. Při teplotách 300 – 600 °C vznikají chemické reakce, které snižují obsah škodlivých složek. Nejdříve platina a rhodium štěpí oxidy dusíku na dusík (N) a kyslík (O) a pak platina a paládium spojují kyslík s oxidem uhelnatým a uhlovodíky. Výsledkem je nejedovatý oxid uhličitý (CO₂) a voda (H₂O). V současné době je katalyzátor schopen odstranit až 97 % uhlovodíků, 96 % oxidu uhelnatého a 90 % oxidů dusíku.

Video:

httpv://www.youtube.com/watch?v=GkRXhfgZelI&feature=player_embedded

Při studených startech není katalyzátor účinný, začíná fungovat až od teploty cca 300 ˚C. Pro dosažení této teploty je zapotřebí jistý čas, aby bylo možné tento čas zkrátit, je nutné zařadit do výfukové soustavy rozměrově menší předkatalyzátor, který je umístěn blíž k motoru. Tento katalyzátor je menší a je umístěn v blízkosti sběrného potrubí, takže dosahuje provozní teploty mnohem dříve.

výfukové potrubí – předkatalyzátor

Princip:
Katalyzátor (správněji: katalytický konvertor) je součást výfukového potrubí. Skládá se z takzvané lambda sondy a následně samotného katalytického zařízení. Lambda sonda reaguje na složení spalin a je důležitá především u třícestných katalyzátorů, viz níže.

Konvenční motory spalující uhlovodíková paliva mají nedokonalé spalování, proto při jejich chodu vznikají škodlivé plyny – emise. Např. oxid uhličitý (CO₂), voda (H₂O), oxid uhelnatý (CO), dráždivý oxidu dusíku (NOx), karcinogenní nespálené uhlovodíky (HC), oxidy síry (SO_x) a v případě vznětových motorů vznikají pevné částice (DPM). Na produkci těchto nežádoucích plynů má vliv kvalita hoření, tedy stav motoru, režim jeho chodu, kvalita a čistota paliva atd. Katalyzátor pomáhá výrazně snížit emisi těchto škodlivých výfukových plynů.

Katalyzátor není filrt! V katalytické komoře procházejí výfukové plyny keramickými plástvemi, které jsou pokryty vzácnými kovy. Díky těmto kovům vznikají chemické reakce, které pomáhají rozkládat škodliviny na neškodné látky. Čištění výfukových plynů v katalyzátoru se skládá ze dvou základních procesů (chemických reakcí) redukce (sloučeninám je kyslík odebírán O₂) a oxidace (sloučeninám je kyslík dodáván O₂).

Redukce
při redukci se oxidy dusíku NO_x se mění (redukují) na dusík N₂ a na oxid uhličitý CO₂.

Oxidace
při oxidaci je oxid uhelnatý CO přeměňován (oxiduje) na oxid uhličitý CO₂, zároveň uhlovodíky HC oxidují na vodu H₂O a oxid uhličitý CO₂. V podstatě se jedná o dodatečné spalování.

Rozdělení katalyzátorů
V praxi se velmi často používá rozdělení katalyzátorů na dvoucestné a třícestné. Tím je míněno, kolik základních škodlivin je schopen katalyzátor účinně likvidovat (CO, HC a NOx). Také můžeme katalyzátory dělit na keramické a kovové.

Dvoucestný oxidační katalyzátor snižuje emise oxidu uhelnatého (CO) a nespálených uhlovodíků (HC). Podmínkou pro správnou funkci je dostatečné množství kyslíku ve spalinách.

Třícestný (trojcestný) katalyzátor na rozdíl od dvoucestného redukuje také emise oxidů dusíku NO_X. Třícestný katalyzátor může správně fungovat pouze v úzké oblasti poměru paliva a vzduchu v tzv. okně.  Aby se motor mohl pohybovat v tomto okně, je nutné použít zpětnovazební smyčku pro řízení palivové směsi s tzv. lambda sondou. Tímto způsobem dnes pracují všechny modernější motory se vstřikováním paliva. Lambda sonda přes řídící počítač motoru jednoduše nastavuje poměr paliva a vzduchu tak, aby motor pracoval v optimálním režimu s tzv. stechiometrickou směsí. Proto montáž třícestného katalyzátoru do motoru s karburátorem nikdy nemůže přinést požadovaný výsledek.

Katalyzátory keramické mají keramickou vložku. Jedinou výhodou těchto katalyzátorů je o něco nižší cena. Keramické katalyzátory jsou však mnohem citlivější na poškození jak mechanické (uder cizího předmětu na vozovce) tak chemické a to zejména při špatném seřízení motoru. Keramické katalyzátory se nehodí pro vozy upravené na alternativní pohon LPG/CNG ani do dieselových motorů.

Katalyzátory kovové mají vložku kovovou. Tyto katalyzátory nejsou tak citlivé na mechanické poškození, není tak velké riziko poškození vlivem horšího chodu motoru. Kovové katalyzátory jsou vhodné pro benzínové a dieselové motory i motory poháněné alternativním pohonem LPG/CNG.

Historie:
První katalyzátor byl montován do vozů Cadillac již roku 1975. První sériový vůz vybavený částečným katalyzátorem se stal Cadillac Seville. Tento katalyzátor do určité míry snižoval obsah škodlivin ve výfukových plynech, ale první skutečný katalyzátor byl vynalezen týmem engelhardských vědců pod vedením Johna J. Mooneye a Carla D. Keitha v roce 1979. O rok později byl vylepšen a vznikl tzv. třícestný katalyzátor.

Cadillac Seville první automobil s katalyzátorem

Co jste nevěděli:
Jaká je životnost katalyzátoru?
Životnost katalyzátoru musí vyhovovat předpisům Evropské unie (EHK č. 83 bod 5.3.5.). Tento předpis stanovuje minimální životnost katalyzátoru na 160.000 km.

Jak veliká je činná plocha katalyzátoru?
Vnitřní struktura katalyzátoru je podobná včelí plástvi, což umožňuje maximalizovat jeho činnou plochu při zachování kompaktních rozměrů. V případě běžného motoru 1.8 ccm je plocha katalyzátoru přibližně srovnatelná s plochou dvou fotbalových hřišť

Jak poznat vadný katalyzátor?
Podle výrobců katalyzátorů mohou mezi příznaky vadného katalyzátoru patřit:
▪ zápach připomínající zkažené vejce zůstávající dlouho po zahřátí motoru
▪ potíže s nastartováním vozidla
▪ špatné zrychlení
▪ ztráta výkonu přibližně od 80 km/h a vyšší spotřeba benzínu
▪ klepavý zvuk pod vozidlem při akceleraci.

Co může zničit katalyzátor?
▪ fyzické poškození, například retardérem nebo v terénu
▪ nechtěným použitím olovnatého benzínu, nebo po použití přísad obsahují olovo
▪ katalyzátor může být znečištěn fosforem, který se produkuje, pokud vozidlo spotřebovává více než jeden litr oleje na 1 000 km, fosfor blokuje aktivní vrstvu katalyzátoru
▪ velice nebezpečný je kontakt katalyzátoru s nespáleným palivem. K tomu může dojít, např. když existuje problém se systémem zapalování, když je vozidlo roztlačeno nebo roztaženo se zahřátým motorem, když je směs ovlivněna špatnou údržbou systému sání (znečištěný vzduchový filtr nebo sací potrubí), nebo když dojde k poruše lambda sondy. Pokud se do katalyzátoru dostane nespálená směs, která v něm shoří, prudce vzroste teplota v katalyzátoru. Pokud teplota přesáhne 1400 °C dojde ke zničení katalyzátoru.

Katalyzátor pro dieselové motory
Vznětové motory pracují s přebytkem vzduchu (λ > 1), proto nelze provádět regulaci podílu kyslíku ve směsi palivo-vzduch. Čištění výfukových plynů dodatečným spalováním přebírá oxidační katalyzátor. K dodatečnému spalování (oxidaci) je použito zbytkového kyslíku ve výfukových plynech, tím se sníží obsah uhlovodíků (HC) a oxidu uhelnatého (CO). U vznětových motorů se tedy nepoužívá řízené čištění výfukových plynů, a oxidační katalyzátor přeměňuje jen ty složky výfukových plynů, které je možné měnit oxidací.

Množství dusíkatých složek není možné v oxidačním katalyzátoru měnit. Vzniklé oxidy dusíku se proto redukují už během spalování za pomocí systému recirkulace, což znamená, že se kontrolovaně zavádí výfukové plyny zpět do spalovacího prostoru. Ochlazené výfukové plyny se přivádí zpět do spalovací komory, a tak dochází ke snížení emisí NO_X. Probíhá-li spalování za nízkého přebytku vzduchu, zvětšuje se ve výfukových plynech podíl oxidu uhelnatého (CO), uhlovodíků (HC) a pevných částic (PM). Částice sazí (PM) je možné zachycovat specielním filtrem pevných částic (DPF).

Text: Jan Sajdl
Foto: www.productioncars.com, www.eurocats.co.uk,z pramenů Škoda Auto a.s.
Klíčová slova: emise výfukových plynů, katalyzátor, emise