Catalizatorul de NOx (LNT) - mod de funcţionare

    Pentru un motor diesel Euro 6 controlul emisiilor de oxizi de azot (NOx) este o provocare semnificativă cu care se confruntă producători de automobile. Nivelul emisiilor de oxizi de azot s-a redus de la 0.18 g/km (Euro 5) la 0.08 g/km (Euro 6).

    După cum am discutat în articolele anterioare oxizii de azot se produc în condiţii de oxigen în exces şi temperaturi ridicate de ardere. Deoarece motorul diesel funcţionează cu amestec stratificat, sărac, este predispus la emisii de oxizi de azot.

    Pe motorul pe benzină lucrurile stau un pic diferit. Dacă injecţia este indirectă, în poarta supapei, amestecul este omogen, stoichiometric, nu există oxigen în exces şi emisiile de oxizi de azot sunt la un nivel mai mic (comparativ cu motorul diesel). Dacă injecţia este directă, cu amestec stratificat, atunci nivelul de oxizi de azot creşte foarte mult, peste nivelul care poate fi tratat de catalizatorul pe trei căi. Din acest motiv majoritatea producătorilor de automobile, dezvoltă motoare pe benzină cu injecţie directă care funcţionează cu amestec omogen.Chiar dacă din punct de vedere al consumului de combustibil, motoarele pe benzină cu injecţie directă, cu amestec stratificat, sunt mai eficiente, acestea au emisii mai ridicate de oxizi de azot şi necesită utilizarea de sisteme adiţionale pentru reducerea NOx (EGR, catalizator NOx, etc.)

Normele Euro pentru emisii poluante diesel

Foto: Normele Euro pentru emisii poluante diesel

    În principiu, sistemul de post tratare a gazelor de evacuare la un motor diesel Euro 5 (în funcţie de cilindree) conţine:
- un catalizator de oxidare (DOC) pentru tratarea monoxidului de carbon (CO) şi a hidrocarburilor (HC)
- un filtru de particule (DPF) pentru reţinerea particulelor

    Tratarea emisiilor de oxizi de azot (NOx) se face în mare parte (90%) preventiv, cu ajutorul sistemului de recirculare a gazelor de evacuare (EGR) şi într-o mică măsură (10%) cu ajutorul catalizatorului de oxidare (DOC).

    La motoarele Euro 6 problema se complică, pentru aducerea nivelului de oxizi de azot la nivelul impus de legislaţie este necesară utilizarea unui sistem adiţional. O soluţie este utilizarea unui sistem de injecţie de uree (SCR) pe sistemul de evacuare. Acest sistem are eficienţă destul de ridicată pentru tratarea oxizilor de azot (în jur de 90-95%) dar costul este de asemenea ridicat datorită componentelor şi a sistemului de control relativ complex. Pentru motoarele de cilindree medie şi mare (peste 2.0 litri) sistemul SCR este soluţia general utilizată.

    Pentru motoarele de cilindree mai mică (sub 2.0 litri), la care costul de fabricaţie trebuie să fie controlat deoarece are impact semnificativ asupra preţului final al automobilului, utilizarea sistemelor SCR nu este o opţiune. O soluţie alternativă este utilizarea unui catalizator de NOx (LNT).

Componentele sistemului de post-tratare a gazelor de evacuare la un motor diesel Euro 6
Foto: Componentele sistemului de post-tratare a gazelor de evacuare la un motor diesel Euro 6

1 - catalizator NOx
2 - filtru de particule
3 - calculator de injecţie
T1, T2, T3 - senzori de temperatură
O1, O2 - senzori de oxigen
DP - senzor de presiune diferenţial

    La un motor Euro 6, catalizatorul de NOx, pe lângă reducerea oxizilor de azot, îndeplineşte şi funcţiile unui catalizator de oxidare (DOC).

Catalizator de NOxFoto: Catalizator de NOx

    Structura unui catalizator de NOx este asemănatoare cu cea a unui catalizator pe trei căi (TWC). Catalizatorul de NOx conţine un monolit ceramic poros (cordierită) peste care este depus un strat de alumină (Al2O3), care este impregnat cu oxid de bariu (BaO) şi metale preţioase, de obicei platină (Pt) și rodiu (Rh).

    Tratarea oxizilor de azot se face în două etape/faze:

1. Stocare chimică: în care se realizează reţinerea/adsorbţia oxizilor de azot
2. Regenerare: în care se realizează reducerea/purjarea oxizilor de azot

Procesul de reducere a emisiilor de oxizi de azot (NOx) la un motor diesel Euro 6
Foto: Procesul de reducere a emisiilor de oxizi de azot (NOx) la un motor diesel Euro 6

    Faza de stocare chimică are loc în timpul funcţionării normale a motorului (amestec sărac, λ > 1). Temperatura gazelor de evacuare în timpul stocării oxizilor de azot variază între 150 ... 450 °C, în funcţie de punctul de funcţionare al motorului (turaţie şi sarcină).

    Din punct de vedere chimic, în faza de stocare a oxizilor de azot, se realizează următoarele reacţii:

Reacţiile chimice de stocare a oxizilor de azot (NOx)
Foto: Reacţiile chimice de stocare a oxizilor de azot (NOx)

    Oxidul de azot este oxidat şi formează bioxidul de azot (NO2). Carbonatul de bariu (BaCO3) reacţionează cu bioxidul de azot şi formează nitrat de bariu (Ba(NO3)2) care este stocat în catalizator. Eficienţa stocării depinde de temperatura gazelor de evacuare. Nitratul de bariu devine instabil la temperaturi peste 500 °C, când se descompune şi eliberează oxizii de azot.

    Determinarea cantităţii stocate de oxid de azot se face prin două metode:
- măsurarea cu ajutorul unui senzor a nivelului de NOx după catalizator
- modelarea matematică a reacţiilor chimice în calculatorul de injecţie şi estimarea cantităţii de NOx din catalizator

    În momentul în care catalizatorul a atins capacitatea maximă de stocare a oxizilor de azot (NOx) se trece la faza de regenerare/purjare. În acest mod motorul funcţionează cu amestec bogat (λ < 1), temperatura gazelor de evacuare fiind între 200 ... 500 °C. Amestecul bogat este necesar pentru prezenţa hidrocarburilor (HC) şi a monoxidului de carbon (CO) în catalizator, elemente ce contribuie la reacţiile chimice de reducere a dioxidului de azot (NO2).

    Îmbogăţirea amestecului se realizează de obicei cu ajutorul injecţiei divizate, prin utilizarea unei post-injecţii foarte târzii.

Reacţiile chimice de reducere a oxizilor de azot (NOx)
Foto: Reacţiile chimice de reducere a oxizilor de azot (NOx)

    Reacțiile chimice din timpul regenerării/purjării se realizează în mai multe etape. În prima etapă, datorită creşterii temperaturii, nitratul de bariu este descompus în oxid de bariu (BaO) şi bioxid de azot (NO2). În prezenţa platinii (Pt) şi a rodiului (Rh), bioxidul de azot (NO2) reacţionează cu monixidul de carbon (CO) şi hidrocarburile (HC) şi formează azot (N2) şi bioxid de carbon (CO2). Oxidul de bariu (BaO) reacţionează cu bioxidul de carbon (CO2) şi este transformat înapoi în carbonat de bariu (BaCO3).

    Durata fazei de regenerare este relativ scurtă (de ordinul secundelor) şi are impact negativ asupra consumului de combustibil datorită funcţionării motorului cu amestec bogat. Încheirea fazei de regenerare se decide pe baza unui model matematic aflat în calculatorul de injecţie, care descrie reacţiile chimice din catalizator şi pe baza căruia se estimează nivelul de bioxid de azot regenerat. De asemenea se utilizează şi informaţia de la senzorul de oxigen universal, montat după catalizator, pe baza căreia se identifică sfârşitul fazei de regenerare.

    În timpul funcţionării motorului faza de stocare alternează cu faza de regenerare.

    Eficienţa, rata de conversie a catalizatorului de NOx este în jur de 70 ... 90 %, la sarcini parţiale.

    O problemă majoră a catalizatorului de NOx este scăderea rate de conversie şi a duratei de viaţă datorită contaminării cu sulf. Combustibilul (motorina) şi uleiul motor conţin sulf care în timpul procesului de ardere se oxidează şi formează bioxid de sulf (SO2). În prezenţa platinii (Pt) bioxidul de sulf (SO2) se oxidează şi rezultă trioxidul de sulf (SO3). Oxidul de bariu (BaO) reacţionează cu trioxidul de sulf (SO3) şi formează sulfatul de bariu (Ba(SO4)) care este reţinut în catalizator.

Reacţia chimică de stocare a oxizilor de sulf (SOx)
Foto: Reacţia chimică de stocare a oxizilor de sulf (SOx)

    Fenomenul de adsorbţie a oxizilor de sulf (SOx) este dăunător catalizatorului de NOx. Stocarea oxizilor de sulf (SOx) se produce în acelaşi timp cu stocarea oxizilor de azot (NOx), în condiţii de oxigen în exces (λ > 1). Din acest motiv calculatorul de injecţie realizează ciclic faze de purjare a oxizilor de sulf (deSOx), alternativ cu fazele de purjare a oxizilor de azot (deNOx).

    Purjarea oxizilor de sulf (SOx) se realizează la intervale de 500 ... 2500 km, în funcţie de cantitatea de SOx stocată (estimată) în catalizator. Procesul de purjare constă în ridicarea temperaturii gazelor de evacuare la aproximativ 650 °C, timp de 4 ... 5 minute, perioadă în care motorul funcţionează alternant cu amestec bogat/sărac. În aceste condiţii, sulfatul de bariu (Ba(SO4)) este transformat în carbonat de bariu (BaCO3). Procesul trebuie foarte bine controlat deoarece o deficienţă de oxigen (O2) poate cauza apariţia sulfatului de hidrogen (H2S), componentă toxică.

    Eficienţa catalizatorului de NOx este afectată de numărul de cicluri de purjare a oxizilor de sulf. După aproximativ 25 - 30 de cicluri deSOx rata de reducere a oxizilor de azot poate scădea cu până la 25%. Cert este că tehnologia se îmbunătăţeşte continuu, momentan catalizatoarele de NOx sunt capabile să-şi conserve eficacitatea, astfel încât emisiile poluante să se încadreze în limitele impuse de reglementările în vigoare.

    Utilizarea catalizatoarelor de NOx pe motoarele diesel cu clindree mică este soluţia general adoptată de producătorii de automobile. Rata de conversie realtiv mare (70 - 90 %) combinată cu preţul relativ mic (comparativ cu un sistem de injecţie cu uree SCR) au condus la adoptarea acestei tehnologii pentru motoarele diesel Euro 6.

Video - funcționare catalizator NOx și filtru de particule

Pentru a comenta articolul trebuie să vă înregistrați!

Comentarii

kent09
Sâmbătă, 06 August 2016 Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5

Login

Logo motorul anului