Ograniczanie szkodliwego wpływu spalin na środowisko naturalne - katalizatory

We współczesnych pojazdach samochodowych duży nacisk kładzie się na uzyskiwanie coraz większych osiągów silnika. Jednocześnie wraz z zaostrzającymi się ciągle normami związanymi z ochroną środowiska naturalnego i ograniczaniem emisji szkodliwych substancji do atmosfery dąży się do tego, żeby spaliny opuszczające rurę wydechową pojazdu zawierały jak najmniej toksycznych związków. Poza podstawowymi metodami ograniczania szkodliwości spalin samochodowych - do których należą utrzymywanie prawidłowego stanu technicznego silnika i okresowa właściwa regulacja układów zasilania, zapłonu i smarowania - w coraz większym stopniu eliminuje się niekorzystny skład spalin w samym układzie wydechowym pojazdu. Jak wiadomo, spaliny silników samochodowych z zapłonem iskrowym składają się w zdecydowanej większości z neutralnych (nieszkodliwych) substancji i związków chemicznych. Należą do nich: azot, para wodna i dwutlenek węgla. Niestety, skład chemiczny spalin zawiera również i silnie toksyczne związki chemiczne, takie jak: tlenki węgla, węglowodory i tlenki azotu. Tlenki węgla i nie spalone węglowodory są efektem procesu spalania przy zbyt małej ilości powietrza dostarczonej do składu mieszanki paliwowo-powietrznej. Tlenki azotu natomiast powstają w wyniku łączenia cząstek azotu i tlenu, co ma miejsce przy nadmiarze tlenu w mieszance i występuje w najgorętszych strefach komór spalania silnika. W silnikach z zapłonem samoczynnym toksycznymi związkami chemicznymi są: tlenki węgla, węglowodory, sadza oraz związki siarki. W obu konstrukcjach silników tlenek węgla, węglowodory i tlenki azotu zawarte w spalinach od momentu opuszczenia komory reagują z tlenem pozostałym w spalinach, przekształcając się w dwutlenek węgla i parę wodną oraz czysty azot. Część tych związków w ten sposób ulega neutralizacji, lecz jest to zbyt mało ze względu na za niską temperaturę i za krótki czas przemieszczania się spalin przez układ wydechowy. W celu zwiększania intensywności zachodzenia tych przemian w układach wydechowych stosuje się katalizatory. Zachodzą w nich dwa typy reakcji:
- utlenianie – reakcja tlenków węgla i węglowodorów z tlenem, w wyniku której otrzymywany jest dwutlenek węgla i para wodna;
- redukcja – reakcja tlenków węgla z tlenkami azotu, której produktem jest azot i dwutlenek węgla. Stosowane w układach wydechowych katalizatory możemy więc podzielić na:
- utleniające (dwufunkcyjne) przyspieszające reakcje utleniania, obniżające
w spalinach zawartość tlenku węgla i węglowodorów;
- redukujące (jednofunkcyjne) przyspieszające redukcję, obniżające w spalinach zawartość tlenków azotu;
- utleniająco-redukujące (trójfunkcyjne) przyspieszające reakcję utleniania i redukcję, obniżające w spalinach zawartość tlenku węgla, węglowodorów i tlenków azotu.
Obecnie w układach wydechowych silników z zapłonem iskrowym stosowane są prawie wyłącznie katalizatory trójfunkcyjne współpracujące z tzw. sondami lambda, reagującymi na obecność tlenu w spalinach. Stosowane katalizatory do silników ZI różnią się materiałem użytym do tzw. nośnika (szkielet konstrukcyjny służący do rozmieszczenia warstw substancji katalitycznych). Nośniki współcześnie stosowanych katalizatorów mogą być:
- ceramiczne – wykonane z materiału zwanego kordierytem,
- metalowe – uzyskiwane przez zwinięcie cienkiej, odpowiednio ukształtowanej stalowej folii żaroodpornej.
Większość stosowanych katalizatorów posiada tańsze nośniki ceramiczne pracujące w temperaturze do 800oC. Na nośniku umieszczana jest warstwa pośrednia z materiału porowatego, służąca do znacznego zwiększenia powierzchni kontaktu spalin z właściwą warstwą katalizatora (warstwą aktywną). Warstwa aktywna (bardzo cienka) umieszczana jest na materiale porowatym i jest powłoką wykonaną z jednego lub kilku pierwiastków o właściwościach katalitycznych (platyna, pallad, rod). Nośnik wraz z warstwami, czyli tzw. wsad, umieszcza się w obudowie, której zadaniem jest jego ochrona mechaniczna i termiczna. Praca katalizatora trójfunkcyjnego rozpoczyna się w chwili, gdy temperatura jego wnętrza osiągnie poziom 400oC. W związku z tym problemy z pracą katalizatora mogłyby się pojawić przy eksploatacji samochodu przy nieznacznych obciążeniach silnika, a zwłaszcza w czasie mrozów w okresach zimowych. Stwarzałoby to sytuację, w której katalizator nie działałby, a toksyczne składniki spalin trafiałyby do atmosfery. Wobec powyższego, stosuje się dwa sposoby zapobiegania takim sytuacjom. Pierwszy sposób jest znacznie prostszy konstrukcyjnie i polega na umieszczeniu katalizatora w pobliżu kolektora wydechowego silnika, lecz wiąże się z ewentualnym przegrzewaniem wnętrza komory podczas wysokich temperatur zewnętrznych i intensywnej pracy silnika. W tej sytuacji konieczne jest więc stosowanie znacznie droższych katalizatorów z nośnikiem metalowym. Drugie rozwiązanie polega na zastosowaniu w układzie dwóch katalizatorów z nośnikami ceramicznymi: rozruchowego i głównego. Pierwszy, rozruchowy, umieszczany jest wówczas właśnie w pobliżu kolektora wydechowego i dzięki temu szybko osiąga optymalną temperaturę pracy i oczyszcza spaliny zanim zacznie pracować katalizator główny. W silnikach z zapłonem samoczynnym stosowane są wyłącznie katalizatory utleniające. Służą one zmniejszeniu zawartości tlenku węgla i węglowodorów. W przypadku silników z zapłonem samoczynnym znacznie ważniejszą kwestią jest ograniczenie przez układ wydechowy ilości sadzy zawartej w spalinach. Zasada działania stosowanych w przeszłości urządzeń służących ograniczaniu ilości sadzy wydalanej do atmosfery polegała na mechanicznym wychwytywaniu i zatrzymywaniu cząstek stałych przez tzw. filtry sadzy umieszczane w końcowych odcinkach układów wydechowych. Niestety, wymagały one okresowego czyszczenia lub wymiany w celu zapewnienia skuteczności wychwytywania cząstek sadzy. Obecnie coraz częściej stosuje się konstrukcje filtrów, w których proces ich oczyszczania dokonuje się samoczynnie podczas eksploatacji pojazdu na skutek wypalania zebranych cząstek stałych. Tego rodzaju filtry osadzone są najczęściej we wspólnych obudowach z katalizatorami utleniającymi.

mgr Andrzej Kowalewski