Kolmisuuntainen katalysaattori

Kolmitiekatalysaattori ( TWC on Englanti kolme tapaa katalysaattori ) on ajoneuvon katalyytti , jossa on lambda-ohjaus varten pakokaasun käsittely varustetuissa ajoneuvoissa bensiinimoottorin , jossa hiilimonoksidi (CO), typen oksidien (NO _x ) ja palamattoman hiilivedyistä (HC) hiilidioksidiksi (CO ₂ ), typeksi (N ₂ ) ja vedeksi (H ₂ O). Nimi johtuu kolmen ilman epäpuhtauden samanaikaisesta muuntamisesta .

Jotta voidaan varmistaa korkea konversio epäpuhtauksien, palaminen ilman suhde (ilma-polttoaine-suhde tai "ilman suhde" lambda ) on pidettävä melko lähellä ns lambda-ikkunan avulla on ohjattu piiri , jossa on lambda-anturi . Säännelty kolmitie-katalysaattori muuntaa yli 90 prosenttia epäpuhtauksista vaarattomiksi komponenteiksi ja vähentää siten merkittävästi polttomoottorin epäpuhtauspäästöjä . ${\ displaystyle \ lambda}$ ${\ displaystyle \ lambda = 1}$

historia

Eugene Houdry kehitti ensimmäisen hapetuskatalyytin ja sai sen patentin vuonna 1956. Katalyyttiä ei kuitenkaan käytetty, koska oktaanilukua parantava lyijytetraetyyli teki siitä nopeasti tehoton. Kolmitie-katalysaattorin käyttöönotto liittyy läheisesti päästölainsäädännön vaatimuksiin. Katalysaattorin kehittämisen teknisen haasteen lisäksi, joka poistaa kaikki haitalliset komponentit pakokaasusta, tarvitaan infrastruktuuritoimenpiteitä, kuten tetraetyylijohdon poistaminen bensiinistä , koska se toimii katalysaattorimyrkkynä . Lisäksi oli toivottavaa vähentää rikkiyhdisteiden määrää polttoaineessa.

Yhdysvaltain Yhdysvaltain ympäristönsuojeluviraston tiukempien päästömääräysten täyttämiseksi ajoneuvot varustettiin alun perin kaksisuuntaisilla hapetuskatalysaattoreilla, jotka muuttivat hiilimonoksidia ja palamattomia hiilivetyjä hiilidioksidiksi ja vedeksi, mutta eivät poistaneet typen oksideja pakokaasusta . Ensimmäinen valtakunnallinen käyttöönotto tapahtui vuonna 1975 Yhdysvaltain markkinoilla. Läpimurto tapahtui John J. Mooneyn ja Carl D. Keithin kanssa vuonna 1981, kun kehitettiin kolmisuuntainen katalyytti.

vaikutus

Hiilimonoksidin, palamattomien hiilivetyjen ja typpioksidien epäpuhtaudet poistetaan pakokaasusta seuraavien yhtälöiden mukaisesti:

{\ displaystyle \ mathrm {2 \ CO \ + \ O_ {2} \ longrightarrow \ 2 \ CO_ {2}}}

{\ displaystyle \ mathrm {C_ {m} H_ {n} \ + \ (m + n / 4) \ O_ {2} \ longrightarrow \ m \ CO_ {2} \ + \ n / 2 \ H_ {2} O }}

{\ displaystyle \ mathrm {2 \ NO \ + \ 2 \ CO \ longrightarrow \ N_ {2} \ + \ 2 \ CO_ {2}}}

Jos stoikiometrisestä ilman ja polttoaineen suhteesta ( ) on suuntaus "vähärasvaiseen" seokseen (ylimääräinen ilma ), kaikkia typpioksideja ei hajota, koska tarvittavat pelkistimet hapetetaan etukäteen. Jos seos on ”rikas” (ilman puute ), kaikki hiilivedyt ja hiilimonoksidi eivät hajoa. Happisäiliö voi absorboida lyhytaikaisen poikkeaman. ${\ displaystyle \ lambda = 1}$ ${\ displaystyle \ lambda> 1}$ ${\ displaystyle \ lambda <1}$

Pakokaasujen jälkikäsittelyn vuoksi on välttämätöntä luopua ajamisesta vähärasvaisella seoksella polttoaineenkulutuksen parantamiseksi tietyillä moottorin toiminta-alueilla.

Vanhemmissa malleissa, sulfaatti adsorboitunut katalyytti myös vähennetty ja rikkivety on rikas alue ja aiheutti epämiellyttävä haju mätä munia.

Toinen sivureaktio voi muodostaa ammoniakin katalyytissä . Katalysaattoreilla varustetut ajoneuvot päästävät 20-50 mg ammoniakkia ajettua kilometriä kohden. Typen indikaattoreita, kuten keltaista jäkälää ( Xanthoria perietina ), on löydetty vilkkailta teiltä . Saksassa noin 2% ammoniakkipäästöistä johtuu liikenteestä.

{\ displaystyle \ mathrm {2 \ NO \ + \ 5 \ H_ {2} \ \ longrightarrow \ 2 \ NH_ {3} \ + \ 2 \ H_ {2} O}}

Cerium (IV) oksidia käytetään hapen varastointikomponenttina ja se tarjoaa runsaasti happea seuraavan yhtälön mukaisesti:

{\ displaystyle \ mathrm {4 \ CeO_ {2} \ + \ 2 \ CO \ {\ xrightarrow {Pt, Pd}} \ 2 \ Ce_ {2} O_ {3} \ + \ 2 \ CO_ {2}}}

Hapen ylimäärässä lähtöaine muodostuu jälleen:

{\ displaystyle \ mathrm {2 \ Ce_ {2} O_ {3} \ + \ O_ {2} \ longrightarrow 4 \ CeO_ {2}}}

Nelisuuntainen katalysaattori

Joissakin sovelluksissa kolmitie-katalysaattori yhdistetään bensiinihiukkassuodattimen kanssa . Yhdistelmää kutsutaan nelisuuntaiseksi katalysaattoriksi.

Valmistus

Katalyytti koostuu keraamisesta kordieriittikennorungosta tai metallikantajasta, johon levitetään ns. Pesutakki. Pesutakki koostuu erilaisten metallioksidien seoksesta. Metallioksidit y- alumiinioksidi ja zirkoniumdioksidi edustavat katalyyttisesti aktiivisten jalometallien , kuten platinan , palladiumin ja rodiumin , kantaja-aineita , ceria toimii hapen varastointikomponenttina . Kordieriittinen kennorunko hitsataan ajoneuvoon asennettavaksi metallilevykoteloon, joka on vuorattu mineraalikuitumatolla monoliitin tiivistämiseksi ja mekaaniseksi pitämiseksi. Metallituet voidaan hitsata suoraan pakojärjestelmään.

Alusta

Metallisubstraattikatalyytti

Alustana käytetään yleensä keraamista monoliittia, jolla on hunajakennorakenne. Rodney Bagley, Irwin Lachman ja Ronald Lewis keksivät useimmissa katalyytteissä käytetyn kordieriittikeraamisen alustan Corning Glassissa. Tätä keksintöä varten heidät otettiin mukaan Yhdysvaltain kansallisten keksijöiden kuuluisuuden halliin vuonna 2002.

Kanavan koosta riippuen keraamisten monoliittien geometrinen pinta-ala on noin 1 - 5 neliömetriä litraa kohti katalyytin tilavuutta.

Pesutakki

Katalyytin tuottamiseksi ensin valmistetaan happama metallioksidisuspensio . Tätä voidaan soveltaa kordieriittikantajaan eri menetelmillä. Yksinkertaisimmassa tapauksessa kennorunko upotetaan suspensioon. Ylimääräinen suspensio puhalletaan pois, päällystetty hunajakenno kuivataan ja kalsinoidaan . Kennorungon hienot kanavat sisältävät sitten ohuen kerroksen metallioksidiseosta. Seuraavassa vaiheessa tämä kerros kyllästetään jalometallisuolaliuoksilla. Jalometallit kiinnitetään kantajaan edelleen kuivaamalla ja kalsinoimalla. Vaihtoehtoisesti jalometallit voidaan kyllästää metallioksideille ennen kuin kordieriittikantaja pinnoitetaan. Lopuksi katalyytti pakataan mineraalikuitumattoon ja hitsataan metallilevyyn.

tekniset ominaisuudet

Kemiallisen koostumuksen lisäksi kolmitie-katalysaattorin tärkeitä teknisiä ominaisuuksia ovat sen valonsäteilykäyttäytyminen, painehäviö , lämpöshokkikäyttäytyminen ja pesutakin tarttuvuus.

Täyden kuormituksen rikastuksen ongelma

Henkilöautojen bensiinimoottoreissa on yleistä käytäntöä maksimoida suorituskyky koko kuorma-alueella rikastamalla polttoaine-ilma-seosta. Yksi puhuu täydestä kuormituksesta, kun maksimiteho kutsutaan ("täysi kaasu"). Tätä varten polttoaine-ilma-seos on tehtävä hieman rikastetuksi osakuormitukseen verrattuna, koska liekin nopeus on suurempi hieman rikkaissa seoksissa (nopeampi ns. Seoksen palaminen ). Seoksen rikastuminen riippuu moottorin ohjausyksikön ohjelmoinnista; Arvot λ = 0,8 asti ovat yleisiä (vuodesta 2018). Lisäksi polttokammioiden sisäistä jäähdytystä parannetaan täydellä kuormituksella: Koska polttoaineen haihtuminen vaatii energiaa, polttokammioita jäähdytetään lisäksi lisäpolttoaineella.

Keskeneräinen palaminen aiheuttaa pakokaasun lämpötilan laskun, mikä tarkoittaa, että moottorin toimintapisteet voidaan saavuttaa, joissa pakosarja, turboahdin tai katalysaattori tuhoutuisi ilman rikastusta.

Poikkeamalla kolmitie-katalysaattori menettää osan tehokkuudestaan, koska hiilivetyjä ja hiilimonoksidia ei voida enää täysin muuttaa. Julkinen keskustelu tästä ongelmasta ei ole toivottavaa. Täyden kuormituksen rikastus on tekniikka, jota käytettiin kaasuttimen moottoreissa vuosikymmeniä sitten. ${\ displaystyle \ lambda = 1}$

Aikaisemmassa NEDC- syklissä ei nostettu suuria kiihtyvyyksiä, kuten ne, jotka ovat yleisiä ajaessasi moottoritielle, joten näissä testiolosuhteissa, toisin kuin käytännössä, ei tapahtunut täydellistä kuormituksen rikastamista eikä sitä sen vuoksi sisällytetty mittauksessa. Vuodesta 2017 voimassa olleessa WLTP- syklissä ja RDE- määräysten mukaisissa testeissä kiihdytykset ovat huomattavasti suurempia. RDE-testissä ei kuitenkaan tarvitse noudattaa hiilimonoksidin raja-arvoja; tällä hetkellä (2019) vain typpioksidit ja hiukkaset ovat siellä rajoitettuja.

kirjallisuus

Bosch, tekniset ohjeet: bensiinimoottoreiden pakotekniikka . Robert Bosch GmbH KH / VDT, Stuttgart, Bosch-nro: 1 987 722020.
Bosch, tekninen tiedotus: Motronic . Yhdistetty sytytys- ja ruiskutusjärjestelmä bensiinimoottoreille, 2. painos, Robert Bosch GmbH KH / VDT, Stuttgart, syyskuu 1985, Bosch-nro: 1 987 722 011.
H. Bode: Materiaaliaspektit autojen katalysaattoreissa . Verlag Wiley-VCH (2002), ISBN 3527304916 .
RM Heck: Katalyyttinen ilmansaasteiden hallinta: Kaupallinen tekniikka . 544 sivua, julkaisija John Wiley & Sons (2009), ISBN 0470275030 .

nettilinkit

Commons : kolmitie katalysaattori - kuvien, videoiden ja äänitiedostojen kokoelma

Pakokaasujen katalysaattori - Otto ja Diesel Kat osoitteessa kfztech.de, luettu 25. marraskuuta 2014

Yksittäiset todisteet

^ Bosch: Tekninen tiedotus Motronic . S. 41.
↑ JJ Mooney, CD Falk: Kolmisuuntaiset konversiokatalyytit: Suljetun silmukan takaisinkytkennän ja muiden parametrien vaikutus katalysaattorin tehokkuuteen . Julkaisussa: SAE Technical Papers , doi : 10.4271 / 800462 .
↑ LUBW: Ammoniakki ympäristössä. Mittausohjelmat ja mittaustulokset 2003–2007. ( Memento of alkuperäisen heinäkuussa 14, 2014 Internet Archive ) Info: arkisto yhteys oli lisätään automaattisesti, ja vielä tarkastettu. Tarkista alkuperäinen ja arkistolinkki ohjeiden mukaisesti ja poista tämä ilmoitus. (PDF; 1,9 Mt), joulukuu 2008. @ 1@ 2
↑ Christof Vieweg: Hieno pöly: myös bensiinimoottorit tarvitsevat suodattimen . Julkaisussa: Aika . 25. helmikuuta 2017, ISSN 0044-2070 ( zeit.de [käytetty 26. helmikuuta 2020]).
^ Robert Bosch GmbH (toim.): Otto-moottorin hallinta: järjestelmät ja komponentit . 2. painos, Vieweg, Braunschweig / Wiesbaden 2003, ISBN 9783322939296 , s.19 .
^ Robert Bosch GmbH (toim.): Otto-moottorin hallinta: järjestelmät ja komponentit . 2. painos, Vieweg, Braunschweig / Wiesbaden 2003, ISBN 9783322939296 , s.102 .
↑ Klaus Schreiner: Perustiedot polttomoottorista: Kysymyksiä - laske - ymmärrä - on olemassa . Springer, Wiesbaden 2014, ISBN 9783658061876 , s.112 .
↑ Dieter Klemp, Djuro Mihelčić, Bernhard Mittermaier: Liikenteen päästöjen mittaus ja arviointi . Forschungszentrum Jülichin julkaisujen 21. osa : Energie et Umwelt -sarja , Forschungszentrum Jülich, 2012, ISBN 9783893365463 , s. 143 ja sitä seuraavat.
↑ Päästöstandardit: Eurooppa: autot ja kevyet kuorma-autot. Haettu 15. huhtikuuta 2019 .

[1] Bosch: Tekninen tiedotus Motronic . S. 41.

[2] JJ Mooney, CD Falk: Kolmisuuntaiset konversiokatalyytit: Suljetun silmukan takaisinkytkennän ja muiden parametrien vaikutus katalysaattorin tehokkuuteen . Julkaisussa: SAE Technical Papers , doi : 10.4271 / 800462 .

[3] LUBW: Ammoniakki ympäristössä. Mittausohjelmat ja mittaustulokset 2003–2007. ( Memento of alkuperäisen heinäkuussa 14, 2014 Internet Archive ) Info: arkisto yhteys oli lisätään automaattisesti, ja vielä tarkastettu. Tarkista alkuperäinen ja arkistolinkki ohjeiden mukaisesti ja poista tämä ilmoitus. (PDF; 1,9 Mt), joulukuu 2008. @ 1@ 2

[4] Christof Vieweg: Hieno pöly: myös bensiinimoottorit tarvitsevat suodattimen . Julkaisussa: Aika . 25. helmikuuta 2017, ISSN 0044-2070 ( zeit.de [käytetty 26. helmikuuta 2020]).

[5] Robert Bosch GmbH (toim.): Otto-moottorin hallinta: järjestelmät ja komponentit . 2. painos, Vieweg, Braunschweig / Wiesbaden 2003, ISBN 9783322939296 , s.19 .

[6] Robert Bosch GmbH (toim.): Otto-moottorin hallinta: järjestelmät ja komponentit . 2. painos, Vieweg, Braunschweig / Wiesbaden 2003, ISBN 9783322939296 , s.102 .

[7] Klaus Schreiner: Perustiedot polttomoottorista: Kysymyksiä - laske - ymmärrä - on olemassa . Springer, Wiesbaden 2014, ISBN 9783658061876 , s.112 .

[8] Dieter Klemp, Djuro Mihelčić, Bernhard Mittermaier: Liikenteen päästöjen mittaus ja arviointi . Forschungszentrum Jülichin julkaisujen 21. osa : Energie et Umwelt -sarja , Forschungszentrum Jülich, 2012, ISBN 9783893365463 , s. 143 ja sitä seuraavat.

[9] Päästöstandardit: Eurooppa: autot ja kevyet kuorma-autot. Haettu 15. huhtikuuta 2019 .

Languages