Modul de funcţionare al catalizatorul pe trei căi (TWC)

 

    Convertoarele catalitice, pe scurt catalizatoarele, au fost introduse în industria automobilelor pe la mijlocul anilor 1970. De atunci și până astăzi tehnologia de fabricație și performanțele acestora s-au îmbunătățit continuu. În cazul motoarelor pe benzină, catalizatorul reprezintă sistemul principal de reducere a emisiilor poluante.

Motor pe benzină V12 cu două catalizatoare

Foto: Motor pe benzină V12 cu două catalizatoare
Sursa: BMW

    Rolul catalizatorului este de a modifica conținutul de substanțe chimice din gazele de evacuare, prin transformarea elementele poluante (HC, CO și NOx), nocive mediului înconjurător, în substanțe sigure, neutre. Transformările chimice din catalizator se realizează cu ajutorul unor metale nobile cu ar fi platina (Pt), paladiu (Pd) sau rodiu (Rh).

    Reacțiile 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 numește eficiența conversiei. Eficiența transformărilor din catalizator este optimă la temperaturi înalte. Punctul la care eficiența catalizatorului depășește valoarea de 50% se numește 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 funcționare (400...800 °C) cât mai repede după pornirea motorului. Poziționarea catalizatorului cât mai aproape de motor, pe galeria de evacuare, va facilita încălzirea mai rapidă a acestuia.

    Pentru a atinge temperatura optimă de funcționare unele catalizatoare sunt prevazute cu rezistențe de încălzire amplasate înaintea monolitului metalic. Astfel, în momentul pornirii, rezistența electrică este alimentată cu curent electric și produce căldură. Gazele arse preiau căldura emanată de rezistența de încălzire și intră în catalizator accelerand procesul de încălzire.

Catalizator cu sistem de încălzire Emicat

Foto: Catalizator cu sistem de încălzire Emicat
Sursa: Emitec

  1. înveliș metalic exterior
  2. conector electric
  3. disc de încălzire (rezistență electrică)
  4. pini de fixare
  5. carcasă metalică
  6. pini de reținere
  7. înveliș metalic interior
  8. catalizator (monolit metalic)
Eficiența catalizatorului la temperatura optimă de funcționare (procentul de conversie)
Hidrocarburi (HC) Monoxid de carbon (CO) Oxid de azot (NO)
50...90% 90...99% 90...99%

    Catalizatorul pe trei căi (en: TWC) acționează asupra tuturor elementelor poluante ale unui motor pe benzină. Acesta combină două reacții de oxidare, pentru conversia HC și CO, plus o reacție de reducere, pentru conversia NOx. Reacțiile de oxidare și reducere au loc doar în prezența oxigenului și sunt accelerate de metalele nobile (Pt, Pd, sau Rh).

    Eficiența maximă a catalizatorului este obținută atunci când motorul funcționează 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 aer-combustibil.

Nivelul emisiilor poluante ale unui motor pe benzină în funcție de tipul amestecului aer-combustibil

Foto: Nivelul emisiilor poluante ale unui motor pe benzină în funcție de tipul amestecului aer-combustibil
1. fără catalizator pe trei căi
2. cu catalizator  pe trei căi

    Sistemul de reducere a emisiilor poluante cu catalizatorul este compus dintr-o o sondă lambda (1), un monolit din material ceramic (2), un ecran metalic flexibil de protecție (3), și un start termoizolant (4).

Catalizator pe trei căi cu sondă lambda

Foto: Catalizator pe trei căi cu sondă lambda
Sursa: Bosch

  1. sondă lambda
  2. monolit ceramic
  3. ecran metalic flexibil de protecție
  4. start termoizolant

    Monolitul ceramic conține o multitudine de canale longitudinale prin care curg gazele de evacuare. Acesta este rezistent la temperaturi foarte înalte fiind produs din silicat de magneziu și aluminiu. Monolitul este înfășurat într-un strat de protecție care se dilată la creșterea temperaturii și ajută la fixarea acestuia în carcasa metalică. De asemenea, stratul de protecție are și rol de etanșare, împiedicând gazele de evacuare să curgă pe lângă catalizator.

    Există și catalizatoare cu monolit metalic, fabricat din mai multe straturi metalice subțiri (foi) de aproximativ 0.03...0.05 mm grosime. Acestea sunt înfășurate într-un mod special și fixate prin sudare. Datorită grosimii reduse a foilor metalice, comparativ cu monolitul ceramic, monolitul metalic poate conține mai multe canale de curgere pentru gazelor de evacuare. Astfel se reduce și rezistența la curgere a gazelor, ceea ce reprezintă un avantaj din punct de vedere al performanțelor motorului. Acest tip de catalizatoare se utilizează cu precădere la motoarele de performanță.

Catalizator cu monolit ceramic (jos stânga), filtru de particule (sus), catalizator cu monolit metalic (jos dreapta)

Foto: Catalizator cu monolit ceramic (jos stânga), filtru de particule (sus), catalizator cu monolit metalic (jos dreapta)
Sursa: Jhonson Matthey

    Monolitul ceramic este acoperit cu un strat din oxid de aluminiu (Al2O3) cu suprafața neregulată. Rolul acestui strat este de a mări suprafața de contact  cu gazele de evacuare de aproximativ 7000 de ori. Acest strat conține și metalele nobile, platina și/sau paladiu și rodiu. Platina și paladiul accelerează procesul de oxidare al hidrocarburilor și 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 și variază în funcție de cilindreea motorului și a normelor de emisii poluante care trebuiesc îndeplinite.

Catalizatorul pe trei căi

Foto: Catalizatorul pe trei căi
Sursa: BASF

  1. monolit ceramic
  2. strat din oxid de aluminiu
  3. metale nobile

    Catalizatorul poate fi deteriorat sau chiar distrus dacă funcționează 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 influență și asupra eficienței acestuia. Dacă temperatura în catalizator depășește valoarea de aproximativ 1000 °C acesta se deteriorează ireversibil și în timp, după expuneri multiple, nu mai realizează conversia emisiilor poluante.

    Sursa principala a deteriorării catalizatorului, datorită temperaturilor, înalte o reprezintă așa numitele „rateuri la aprindere” (engine misfire). Rateurile la aprindere se produc din urmatoarele cauze:

  • bujii deterioarate: scânteia nu mai este produsă sau este produsă dar cu intensitate scazută
  • amestecul aer-combustibil este pre bogat (lipsă acuta de oxigen) sau prea sărac (lipsă acută de combustibil)
  • cilindrul pierde compresie

    Un motor care funcționează cu rateuri la aprindere se va simți la turația de ralanti cu șocuri si vibrații puternice, iar la turații 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 funcționează cu rateuri la aprindere martorul MIL din bordul automobilului se va aprinde și posibil ca motorul să intre în regim de avarie (performanțe limitate) pentru a limita efectul distructiv asupra catalizatorului.

    Eficiența catalizatorului este monitorizată cu ajutorul a două sonde lambda, o sondă înainte de catalizator și una după catalizator. În funcție de nivelul de oxigen măsurat de cele două sonde lambda calculatorul de injecție poate determina dacă catalizatorul se află în parametrii nominali sau este defect.

Catalizator cu două sonde lambda - motorul Northstar V8 SC

Foto: Catalizator cu două sonde lambda – motorul Northstar V8 SC
Sursa: GM

    Catalizatorul se mai poate deteriora si datorită contaminării cu substanțe chimice. Cele mai comune substanțe care pot contamina catalizatorul sunt :

  • plumbul (Pb) : chiar și în cantități mici poate cauza deteriorări semnificative ale catalizatorului
  • fosforul (P) : prezent în combustibil sau în aditivi reduce eficiența catalizatorului
  • sulful (S) : prezent în combustibil reduce eficiența catalizatorului
  • zincul (Zn) : prezent în aditivii uleiului reduce eficiența catalizatorului
  • siliconul (Si) : prezent în combustibil sau în gazele de evacuare (datorită soluțiilor de etanșare pe bază de silicon) reduce eficiența catalizatorului

Animație catalizator pe trei căi (TWC)

Sursa: Jhonson Matthey

Codurile OBD aferente defectelor catalizatorului

Cod Descriere Locație
P0300 Rateu la aprindere aleator/multiplu detectat -
P0301 Cilindrul 1 – rateu la aprindere detectat -
P0302 Cilindrul 2 – rateu la aprindere detectat -
P0303 Cilindrul 3 – rateu la aprindere detectat -
P0304 Cilindrul 4 – rateu la aprindere detectat -
P0305 Cilindrul 5 – rateu la aprindere detectat -
P0306 Cilindrul 6 – rateu la aprindere detectat -
P0307 Cilindrul 7 – rateu la aprindere detectat -
P0308 Cilindrul 8 – rateu la aprindere detectat -
P0309 Cilindrul 9 – rateu la aprindere detectat -
P0310 Cilindrul 10 – rateu la aprindere detectat -
P0311 Cilindrul 11 – rateu la aprindere detectat -
P0312 Cilindrul 12 – rateu la aprindere detectat -
P0313 Rateu la aprindere detectat cu nivel scăzut al combustibilului -
P0314 Rateu la aprindere detectat pe un cilindru (numărul cilindrului nespecificat) -
P0315 Variația sistemului de citire a poziției arborelui cotit nu a fost învățată -
P0316 Rateu la aprindere detectat la pornirea motorului (primele 1000 de rotații) -
P0363 Rateu la aprindere detectat – dezactivarea alimentării cu combustibil -
P0420 Eficiența catalizatorului sub limite Bancul 1
P0421 Eficiența încălzirii catalizatorului sub limite Bancul 1
P0422 Eficiența catalizatorului primar sub limite Bancul 1
P0423 Eficiența catalizatorului cu rezistență de încălzire sub limite Bancul 1
P0424 Temperatura catalizatorului cu rezistență de încălzire sub limite Bancul 1
P0429 Circuitul de control al rezistenței de încălzire a catalizatorului Bancul 1
P0430 Eficiența catalizatorului sub limite Bancul 2
P0431 Eficiența încălzirii catalizatorului sub limite Bancul 2
P0432 Eficiența catalizatorului primar sub limite Bancul 2
P0433 Eficiența catalizatorului cu rezistență de încălzire sub limite Bancul 2
P0434 Temperatura catalizatorului cu rezistență de încălzire sub limite Bancul 2
P0439 Circuitul de control al rezistenței de încălzire a catalizatorului Bancul 2

Pentru a comenta articolul trebuie să vă înregistrați!

Comentarii

AlexandruStoica
Duminică, 28 Iunie 2015
In ce program e facuta animatia?

Raportează comentariul
AlexandruStoica
Duminică, 28 Iunie 2015 Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5
alexbt777
Miercuri, 10 Iulie 2013 Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5
crass
Joi, 17 Ianuarie 2013 Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5

Login

Logo motorul anului