Ο καταλυτικός μετατροπέας είναι συσκευή ελέγχου εκπομπών που μετατρέπει τοξικά αέρια και ρύπους στα καυσαέρια σε λιγότερο τοξικούς ρύπου From Wikipedia, the free encyclopedia
Ο καταλυτικός μετατροπέας ή καταλύτης αυτοκινήτων (catalytic converter) είναι συσκευή ελέγχου εκπομπών , ο οποίος 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, υποχρεώθηκαν από το 1975 ως πρώτο έτος παραγωγής να είναι εφοδιασμένα με καταλυτικούς μετατροπείς.[1][2][3][4] Αυτοί οι "διοδικοί" μετατροπείς συνδύαζαν οξυγόνο με μονοξείδιο του άνθρακα (CO) και άκαυστους υδρογονάνθρακες (HC) για να παραγάγουν 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)·[1] 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.[5] Αυτό συμβαίνει συνήθως ως απόκριση σε κυβερνητικούς κανονισμούς, είτε μέσω άμεσων περιβαλλοντικών κανονισμών, είτε μέσω κανονισμών υγείας και ασφάλειας.
Ο καταλυτικός μετατροπέας επινοήθηκε από τον Eugene Houdry, έναν Γάλλο μηχανικό και ειδικό στην καταλυτική αναμόρφωση του πετρελαίου,[6] 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.[7] 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.[8]
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.[9]
Οι καταλυτικοί μετατροπείς αναπτύχθηκαν παραπέρα από μια σειρά από μηχανικούς όπως οι John J. Mooney, Carl D. Keith, Antonio Eleazar στην Engelhard Corporation,[10] δημιουργώντας τον πρώτο καταλυτικό μετατροπέα το 1973.[11]
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.[12][13]
Η κατασκευή καταλυτικού μετατροπέα έχει ως εξής:
Σε περίπτωση αστοχίας, ο καταλυτικός μετατροπέας μπορεί να ανακυκλωθεί σε σκραπ. Τα πολύτιμα μέταλλα του καταλυτικού μετατροπέα, που περιλαμβάνουν λευκόχρυσο, παλλάδιο και ρόδιο, εξάγονται.
Οι καταλυτικοί μετατροπείς απαιτούν θερμοκρασία 800 βαθμών Φαρενάιτ, δηλαδή 426 βαθμών Κελσίου, για να μετατρέψουν αποτελεσματικά επιβλαβή καυσαέρια σε αδρανή, όπως το διοξείδιο του άνθρακα και οι υδρατμοί. Γι'αυτό, 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[17], 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.
Ο διοδικός (ή "οξείδωσης", που μερικές φορές ονομάζονται "oxi-cat") καταλυτικός μετατροπέας έχει δύο ταυτόχρονες εργασίες:
2CO + O2 → 2CO2
CxH2x+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.
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 NOx -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:
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 NOx 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 NOx και οξείδωση των HC. Το σύστημα ελέγχου πρέπει να αποτρέπει τον αναγωγικό καταλύτη των NOx 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.[18] 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 NOx δεν είναι διαθέσιμο ή όταν συγκεκριμένοι ελιγμοί όπως έντονη επιτάχυνση εμπλουτίζουν το μείγμα πέρα από την ικανότητά του μετατροπέα να δώσει οξυγόνο.
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.
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
CxH2x+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 (τα γνωστά ως αιθάλη). Αυτοί οι καταλύτες δεν είναι δραστικοί για την αναγωγή των NOx επειδή οποιοδήποτε παρόν αναγωγικό μέσο θα αντιδρούσε πρώτα με την υψηλή συγκέντρωση του O2 στα καυσαέρια του ντίζελ.
Η αναγωγή στις εκπομπές των NOx 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 NOx σε συνθήκες πτωχών καυσαερίων: επιλεκτική καταλυτική αναγωγή (selective catalytic reduction ή SCR) και η πτωχή παγίδα (lean trap) NOx ή προσροφητής NOx(NOx adsorber). Αντί για τους προσροφητές NOx που περιέχουν πολύτιμα μέταλλα, οι περισσότεροι κατασκευαστές επέλεξαν συστήματα SCR με βάση μέταλλο που χρησιμοποιούν αντιδραστήριο όπως αμμωνία για να ανάγουν τα NOx 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, και 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).[19] 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.[20] 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.
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.
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 (NOx 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 NOx) από φόρτωση με οξυγόνο, ενώ ταυτόχρονα εξασφαλίζει στον δεύτερο καταλύτη (οξείδωση HC και CO) επαρκή κορεσμό με οξυγόνο.
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.
Οι κανονισμοί εκπομπών διαφέρουν αρκετά. Οι περισσότερες μηχανές ανάφλεξης με σπινθήρα στη Βόρεια Αμερική διαθέτουν καταλυτικούς μετατροπείς από το 1975,[1][2][3][4] 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 NOx (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. Εάν το θείο περάσει στον καταλύτη, μπορεί να οξειδωθεί παραπέρα δηλαδή το SO2 μπορεί να οξειδωθεί παραπέρα σε SO3. Τα οξείδια του θείου είναι πρόδρομες ενώσεις στο θειικό οξύ, ένα βασικό συστατικό της όξινης βροχής. Ενώ είναι δυνατή η προσθήκη ουσιών όπως το βανάδιο στο ενδιάμεσο στρώμα του καταλύτη για να καταπολεμήσει τον σχηματισμό οξειδίου του θείου, τέτοια προσθήκη θα μειώσει την αποτελεσματικότητα του καταλύτη. Η πιο αποτελεσματική λύση είναι ο παραπέρα εξευγενισμός του καυσίμου στο διυλιστήριο για να παραχθεί ντίζελ εξαιρετικά χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο(ultra-low sulfur diesel). Οι κανονισμοί στην Ιαπωνία, την Ευρώπη και την Βόρειο Αμερική περιορίζουν την ποσότητα του επιτρεπόμενου θείου σε καύσιμα κινητήρων. Όμως, η άμεση οικονομική δαπάνη της παραγωγής τέτοιου καθαρού καυσίμου μπορεί να το κάνει μη πρακτικό για τις αναπτυσσόμενες χώρες. Ως αποτέλεσμα, πόλεις σε τέτοιες χώρες με υψηλά επίπεδα κυκλοφορίας οχημάτων υποφέρουν από όξινη βροχή, που βλάπτει την πέτρα και τα ξύλα των κτιρίων, δηλητηριάζει τους ανθρώπους και άλλα ζώα και βλάπτει τοπικά οικοσυστήματα, με πολύ υψηλό οικονομικό κόστος.
Οι καταλυτικοί μετατροπείς περιορίζουν την ελεύθερη ροή των καυσαερίων, που επηρεάζει αρνητικά την απόδοση του οχήματος και την οικονομία του καυσίμου, ιδιαίτερα στα πιο παλιά οχήματα.[21] Επειδή οι εξαερωτήρες των παλιών οχημάτων δεν μπορούσαν να ελέγξουν ακριβώς το μείγμα καυσίμου-αέρα, οι καταλυτικοί μετατροπείς των οχημάτων μπορούσαν να υπερθερμάνουν και να αναφλέξουν εύφλεκτα υλικά κάτω από το όχημα.[22] Το 2006 μια δοκιμή σε ένα Honda Civic του 1999 έδειξε ότι η αφαίρεση του καταλυτικού μετατροπέα απέφερε μια αύξηση 3% στην ισχύ· ένας νέος μεταλλικός πυρήνας του μετατροπέα είχε μείωση μόνο 1% στην ισχύ, συγκρινόμενος με το όχημα χωρίς καταλύτη.[23] Για κάποιους οπαδούς υψηλών επιδόσεων, αυτή η μέτρια αύξηση στην ισχύ ενθαρρύνει την αφαίρεση ή "εκσπλαχνισμό" του καταλυτικού μετατροπέα.[21][24] Σε τέτοιες περιπτώσεις, ο μετατροπέας μπορεί να αντικατασταθεί από συγκολλημένο τμήμα του κανονικού σωλήνα ή μια φλάντζα "σωλήνα δοκιμής", με σκοπό φαινομενικά να ελέγξουν εάν ο μετατροπέας είναι βουλωμένος, συγκρίνοντας πώς δουλεύει η μηχανή με και χωρίς τον μετατροπέα. Αυτό διευκολύνει την προσωρινή επανεγκατάσταση του μετατροπέα για να περάσει μια δοκιμή εκπομπής.[23] Σε πολλές νομοθεσίες, είναι παράνομη η αφαίρεση ή απενεργοποίηση καταλυτικού μετατροπέα για οποιονδήποτε λόγο πέρα από την άμεση αντικατάστασή του.
Τα οχήματα με καταλυτικούς μετατροπείς εκπέμπουν το μεγαλύτερο μέρος της συνολικής τους ρύπανσης κατά τη διάρκεια των πρώτων πέντε λεπτών της λειτουργίας της μηχανής, πριν να ζεσταθεί αρκετά ο καταλυτικός μετατροπέας για να είναι πλήρως αποτελεσματικός.[25]
Το 1995, η Alpina εισήγαγε έναν ηλεκτρικά θερμαινόμενο καταλύτη. Αποκλήθηκε "E-KAT," χρησιμοποιήθηκε στο μοντέλο E38|750i της BMW.[26] Θερμαινόμενα πηνία μέσα σε διατάξεις καταλυτικού μετατροπέα ηλεκτρίζονται ακριβώς μετά την εκκίνηση της μηχανής, φέροντας τον καταλύτη στη θερμοκρασία λειτουργίας πολύ γρήγορα ώστε να χαρακτηριστεί ως όχημα χαμηλών εκπομπών (low emission vehicle ή LEV).[27] Η BMW εισήγαγε αργότερα τον ίδιο θερμαινόμενο καταλύτη, που αναπτύχθηκε από κοινού από τις Emitec, Alpina και BMW,[26] in its 750i in 1999.[27]
Μερικά οχήματα περιέχουν έναν προκαταλύτη, έναν μικρό καταλυτικό μετατροπέα αντίθετα προς τον κύριο καταλυτικό μετατροπέα που θερμαίνει ταχύτερα το όχημα στην εκκίνηση, μειώνοντας τις εκπομπές που σχετίζονται με κρύες εκκινήσεις. Ένας προκαταλύτης χρησιμοποιείται από κατασκευαστές οχημάτων για να επιτύχουν την αξιολόγηση όχημα εξαιρετικά χαμηλών εκπομπών (Ultra Low Emissions Vehicle ή ULEV), όπως το Toyota MR2 Roadster.[28]
Οι καταλυτικοί μετατροπείς έχουν αποδειχθεί να είναι αξιόπιστοι και αποτελεσματικοί στη μείωση των επιβλαβών εκπομπών της εξάτμισης. Όμως, έχουν επίσης κάποια μειονεκτήματα στη χρήση καθώς και αρνητικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις στην παραγωγή:
Λόγω της εξωτερικής θέσης και της χρήσης πολύτιμων μετάλλων που περιλαμβάνουν λευκόχρυσο, παλλάδιο, ρόδιο και χρυσό, οι μετατροπείς είναι στόχοι των κλεφτών. Το πρόβλημα είναι ιδιαίτερα μεταξύ των τελευταίων μοντέλων φορτηγών και SUVs, επειδή λόγω της σημαντικής τους απόστασης από το έδαφος και της εύκολης αφαίρεσης των καταλυτικών μετατροπέων.Οι συγκολλημένοι μετατροπείς κινδυνεύουν επίσης από κλοπές, επειδή μπορούν εύκολα να κοπούν.[30][31][32] Οι κλέφτες για τη γρήγορη αφαίρεση των μετατροπέων χρησιμοποιούν φορητά παλινδρομικά πριόνια, που μπορεί συχνά να προκαλέσουν ζημιά και σε άλλα τμήματα του οχήματος. Ζημιές σε τμήματα, όπως η καλωδίωση ή η γραμμή του καυσίμου, μπορεί να έχουν επικίνδυνες συνέπειες. Η αύξηση στα κόστη των μετάλλων κατά τη διάρκεια των πρόσφατων ετών στις ΗΠΑ, έχει οδηγήσει σε μεγάλη αύξηση στις κλοπές μετατροπέων.[33] Ένας καταλυτικός μετατροπέας μπορεί να κοστίζει και περισσότερο από $1.000 για να αντικατασταθεί.[34]
Διάφοροι νόμοι απαιτούν τώρα ενσωματωμένα διαγνωστικά που να παρακολουθούν τη λειτουργία και τις συνθήκες του συστήματος ελέγχου εκπομπών, περιλαμβανομένου του καταλυτικού μετατροπέα. Τα ενσωματωμένα διαγνωστικά συστήματα έχουν πολλές μορφές.
Οι αισθητήρες θερμοκρασίας χρησιμοποιούνται για δύο σκοπούς. Ο πρώτος είναι ως σύστημα προειδοποίησης, συνήθως σε διοδικούς καταλυτικούς μετατροπείς όπως στα ακόμα χρησιμοποιούμενα, κάποιες φορές, περονοφόρα ανυψωτικά με υγραέριο. Η λειτουργία του αισθητήρα είναι για να προειδοποιήσει εάν η θερμοκρασία του καταλυτικού μετατροπέα είναι πάνω από το ασφαλές όριο 750 °C (1,380 °F). Πιο πρόσφατοι καταλυτικοί μετατροπείς δεν είναι τόσο ευαίσθητοι σε βλάβη λόγω θερμοκρασίας και μπορούν να αντέξουν θερμοκρασίες 900 °C (1,650 °F). Οι ανιχνευτές θερμοκρασίας χρησιμοποιούνται επίσης για να παρακολουθούν τη λειτουργία του καταλύτη: συνήθως υπάρχουν δύο αισθητήρες, ένας πριν και ένας μετά τον καταλύτη για να παρακολουθούν την αύξηση της θερμοκρασίας στον πυρήνα του καταλυτικού μετατροπέα.
Ο αισθητήρας οξυγόνου (αισθητήρας λ) είναι η βάση του κλειστού συστήματος ελέγχου μιας μηχανής με ανάφλεξη σπινθήρα πλούσιας καύσης· όμως, χρησιμοποιείται επίσης και ως διαγνωστικός. Στα οχήματα με OBD II, ένας δεύτερος αισθητήρας οξυγόνου προσαρμόζεται μετά τον καταλυτικό μετατροπέα για να παρακολουθεί τα επίπεδα του O2. Τα επίπεδα του οξυγόνου O2 παρακολουθούνται για να ελέγξει την αποτελεσματικότητα της διαδικασίας καύσης. Ο ενσωματωμένος υπολογιστής συγκρίνει τις αναγνώσεις των δύο αισθητήρων. Οι μετρήσεις λαμβάνονται με μετρήσεις της τάσης. Εάν και οι δύο αισθητήρες εμφανίζουν την ίδια ένδειξη ή το πίσω O2 "αλλάζει", ο υπολογιστής αναγνωρίζει ότι ο καταλυτικός μετατροπέας είτε δεν λειτουργεί ή ότι έχει αφαιρεθεί και θα εμφανιστεί ένα λαμπάκι δείκτη δυσλειτουργίας και θα επηρεάσει την απόδοση της μηχανής. Έχουν αναπτυχθεί "προσομοιωτές αισθητήρων οξυγόνου" για να παρακάμπτουν αυτό το πρόβλημα προσομοιώνοντας την αλλαγή κατά μήκος του καταλυτικού μετατροπέα με προγράμματα και προεγκατεστημένες συσκευές διαθέσιμες στο διαδίκτυο. Αν και αυτές δεν είναι νόμιμες για χρήση στους δρόμους, έχουν χρησιμοποιηθεί με μεικτά αποτελέσματα.[35] Παρόμοιες διατάξεις εφαρμόζουν μια αντιστάθμιση στα σήματα του αισθητήρα, επιτρέποντας στη μηχανή να λειτουργεί μια πιο οικονομική από πλευράς καυσίμου πτωχή καύση, που όμως μπορεί να βλάψει τη μηχανή ή τον καταλυτικό μετατροπέα.[36]
Οι αισθητήρες NOx είναι ιδιαίτερα ακριβοί και χρησιμοποιούνται γενικά μόνο όταν υπάρχει μηχανή ανάφλεξης με συμπίεση και επιλεκτικό μετατροπέα καταλυτικής αναγωγής (SCR), ή καταλύτης απορρόφησης NOxστο σύστημα ανατροφοδότησης. Όταν συνδέονται με σύστημα SCR , μπορεί να υπάρχουν ένας ή δύο αισθητήρες. Όταν προσαρμόζεται ένας αισθητήρας θα είναι πριν τον καταλύτη· όταν προσαρμόζονται δύο, ο δεύτερος θα είναι μετά τον καταλύτη. Χρησιμοποιούνται για τους ίδιους λόγους και με τον ίδιο τρόπο όπως οι αισθητήρες οξυγόνου· η μόνη διαφορά είναι ότι το υπόστρωμα παρακολουθείται.
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
