Convertorul catalitic cu trei ci Denumirea acestui sistem catalitic provine din abilitatea acestuia de a elimina (sau diminua) simultan trei compui poluani din gazele de evacuare: CO, HC, NOx. Eficiena maxim n neutralizarea celor trei noxe se obine la funcionarea motorului cu amestecuri stoichiometrice. Dac valoarea coeficientului excesului de aer al amestecului proaspt este diferit de unitate atunci se diminueaz eficiena sistemului catalitic cu trei ci. Eficiena catalizatorului cu trei ci ca funcie de calitate amestecului

n cazul n care n motor sunt arse amestecuri srace, se micoreaz eficiena reducerii NO. Dac amestecul proaspt este bogat, atunci este sesizat reducerea eficienei reaciilor de oxidare a HC i CO; cantitile remanente din respectivii compui pot fi eliminate prin adiia vaporilor de ap, dup mecanismele chimice: Domeniul de variaie a calitii amestecului aer - combustibil, pentru care catalizatorul funcioneaz eficient aa numita "fereastr " - este extrem de restrns, ceea ce impune utilizarea unui sistem electronic de control i reglare a calitii amestecului, pentru meninerea acestuia n domeniul de eficien al sistemului catalitic. Senzorul care culege informaia relativ la cantitatea de oxigen remanent n gazele de evacuare este sonda . Mrimea timpului de rspuns al sistemului poate determina oscilaii ale dozajului la funcionarea motorului n regimuri tranzitorii. n aceste cazuri, frecvena semnalului de rspuns variaz cu 0,5...5 Hz, n jurul valorii fixate, ceea ce determin o variaie a coeficientului de exces de aer n intervalul [0,93...1,07]. Semnalul generat de sonda , la deviaia dozajului de la calitatea stoichiometric, este transmis unitii de control electronic, care, dup procesarea informaiilor, transmite semnalul de comand a reglrii calitii amestecului pentru obinerea unui 1.

n cazul absenei sondei , convertorul cu trei ci poate procesa gazele de evacuare numai dac se injecteaz aer secundar. n prima zon a sistemului se reduc oxizii de azot. Aerul adiional este injectat ntr-o zon secundar, n care oxigenul este prezent ntr-o concentraie corespunztoare amestecului stoichiometric, astfel nct este posibil oxidarea hidrocarburilor nearse i a amoniacului. n cea de-a treia zon a sistemului exist, de asemenea, oxigen remanent, ceea ce face posibil desvrirea reaciilor de oxidare a hidrocarburilor. Aceast modalitate de utilizare a sistemului catalitic cu trei ci a fost practic abandonat n favoarea sistemului cu monitorizare a excesului de oxigen din gazele de evacuare i controlul calitii amestecului pentru funcionarea motorului cu 1. Aditivii adugai n combustibil pot mbunti rezultatele obinute n tratarea gazelor arse prin sistemul catalitic cu trei ci. Funcionarea sistemului catalizator cu trei ci sond lambda

Suportul catalizatorului Suportul sistemului catalitic utilizat la tratarea gazelor de evacuare emise de motoarele autovehiculelor trebuie s rspund unor cerine specifice dintre care cele mai importante sunt: S permit depunerea stratului catalitic prin minimizarea contactului dintre acesta i suport, fr ca elementul catalitic s sinterizeze cu materialul suportului, pentru a nu se diminua eficiena reaciilor catalitice. Reaciile catalitice au loc la nivelul atomilor din stratul de suprafa al depunerii de element catalitic; S induc un nivel de contrapresiune ct mai redus pe traseul gazelor evacuate prin sistem, pentru a nu diminua semnificativ performanele energetice ale motorului; S asigure o ct mai mare suprafa de contact ntre gazele arse i stratul de compus catalitic, n scopul maximizrii eficienei sistemului; S rspund ct mai bine solicitrilor mecanice i termice.

Structura suportului catalitic poate fi sub form granulat sau monolitic. Ultimele construcii folosesc n exclusivitate structuri monolitice. O asemenea structur este constituit dintr-o pies unic realizat fie din material ceramic fie din metal.

Suportul monolitic ceramic

Pentru realizarea suportului monolitului ceramic se folosete aproape n exclusivitate cordieritul ( ), cu toate c au fost ncercate i alte materiale cum ar fi: alumina, titanatul de aluminiu, carbura de siliciu i altele. Materialele de baz sunt mcinate sub form de pulbere (cu diametrul particulelor 50 m) dup care acestea sunt ncorporate ntr-un agent liant (metilceluloza sau carboximetilceluloza) cu un lubrifiant (etilenglicol) i un agent fondant (hidroxizi ai pmnturilor alcaline) pentru a favoriza sinterizarea. Amestecul obinut este sinterizat n forma final. Structura obinut este introdus apoi n cuptorul de sinterizare; n faza de presinterizare sunt eliminai compuii volatili, agenii liani i lubrifiani. Secvenele la temperaturi ridicate (ntre 800 i 1300 la 1450C) determin nivelul de porozitate al materialului ceramic pe care se va aplica stratul de material catalitic.Cordieritul are un coeficient de dilatare termic redus ceea ce ofer monolitului o bun rezisten la ocuri termice. Punctul su de topire se plaseaz n jurul valorii de 1450C, ceea ce i permite structurii monolitice s-i pstreze elasticitatea pn la temperaturi de 1300C, rezistnd astfel rezonabil la solicitrile mecanice specifice tuturor regimurilor de funcionare ale motorului.

Monoliii se extrudeaz ca volume cilindrice cu seciunea circular, eliptic sau turf. Canalele de trecere a fluxului de gaze evacuate (seciune triunghiular sau ptrat) sunt aranjate sub form de fagure. Volumul monolitului ia valori cuprinse n intervalul [0,20,3] dm3 pentru fiecare kW de putere efectiv a motorului. Seciunea n form de turf se utilizeaz la motoare cu puteri de pn la 100kW, pentru motoare cu puteri mai mari se folosesc doi monolii identici montai n paralel. Valoarea diametrului suportului se constituie n factorul principal ce determin nivelul cderii de presiune pentru un volum dat al monolitului, comparativ cu lungimea canalelor i numrul de canale pe unitatea de suprafa. Micorarea grosimii pereilor despritori reduce ineria termic a suportului i diminueaz nivelul presiunii gazelor de evacuare din amontele sistemului catalitic.Caracteristicile principale ale monoliilor ceramici sunt urmtoarele: numr de canale pe cm2 - 4662; grosime de perete 0,1, 0,15 sau 0,3 mm; porozitate 30%; aria suprafeei active a canalelor raportat la unitatea de volum 2,19 sau 2,79 m2 / dm3; densitatea materialului ceramic 1,68 kg / m3; temperatura maxim de exploatare 1100C; mrimea macroporilor 7000...10000 ; mrimea microporilor 70...90 .

Suportul monolitic metalic

Monolitul metalic este realizat din oel inoxidabil cu coninut de crom i aluminiu, obinndu-se grosimi ale pereilor canalelor de 40...50 m. Se utilizeaz un oel aliat, cu structur perlitic, inoxidabil, cu o bun rezisten la coroziunea indus de gazele cu temperaturi ridicate evacuate din motor. Ca efect al coninutului relativ ridicat de aluminiu (aproximativ 4%) la suprafaa monolitului se formeaz un strat protector de alumin rezultat prin oxidare la temperatur ridicat.Se apreciaz c, prin introducerea n compoziia aliajului a 0,2 - 0,3 % zirconiu, rezistena monolitului la solicitri caracteristice oxidrii la temperaturi ridicate crete; se mpiedic, de asemenea, fenomenul desprinderii de particule din structura monolitic metalic de baz. Adaosul de calciu are efecte pozitive asupra adeziunii stratului de oxid la suprafeele canalelor de trecere. n proporie de aproximativ 0,3 %, introducerea ytriului n compunerea aliajului, are ca efect ridicarea durabilitii materialului supus solicitrilor date de gazele fierbini. Deoarece ytriul este un material scump, se utilizeaz n proporie de maxim 0,05 %, restul fiind nlocuit de un amestec coninnd pmnturi rare i ceriu. Dup recoacere la 1200C, folia de tabl, avnd compoziia descris mai sus, este ondulat ntr-un laminor special pentru a i se asigura o configuraie de suprafa sinusoidal sau trapezoidal. Asamblarea foliilor pentru obinerea structurii principale se poate realiza fie prin sudur cu flux de electroni, fie prin brazare la o temperatur de maxim 1200C, direct n carcasa suportului. Brazarea este recomandat deoarece previne deformarea structurii sub aciunea ocurilor termice. Folia este rsucit n form de spiral sau sub form de "3", aceast ultim aranjare oferind o mai bun anduran mecanic.

Aria seciunii transversale echivalente oferit pentru curgerea gazelor arse crete de la 57%, n cazul monolitului ceramic, la 72%, n cazul monolitului metalic. Se reduce astfel, la utilizarea monolitului metalic, contrapresiunea din sistemul de evacuare al motorului, ceea ce determin o mbuntire a performanelor motorului. Rezultatele experimentale indic un ctig de 4 kW, la o putere iniial a motorului de 160 kW, n cazul folosirii n sistemul catalitic a monolitului metalic.Spargerea curentului principal de gaze arse, la intrarea n sistemul catalitic cu suport metalic, crete intensitatea turbulenei curgerii, ceea ce conduce la un contact mai bun ntre gazele evacuate i suprafaa cu metal catalitic. Efectul final este o cretere a eficienei catalizatorului sau o posibil diminuare a volumului i greutii suportului.Principalele caracteristici ale monolitului metalic sunt: compoziia materialului - 15 20% Cr, 4 5% Al, 0 2% Si, 0,1 0,3% Y, restul pn la 100%Fe; numr de canale pe cm2 - 62 sau 93; grosime de perete - 0,05 mm; aria suprafeei canalelor - 3.2 m2 / dm3; densitatea materialului - 1,25 kg / dm3; temperatura maxim de exploatare - 1100C.

Suportul metalic este mai scump dect suportul ceramic; opiunea pentru prima soluie este favorizat de flexibilitatea mai ridicat n alegerea numrului de canale i de volumul mai redus al monolitului metalic (cu aproximativ 56% fa de monolitul ceramic convenional i cu 25% fa de structurile ceramice obinute cu noile tehnologii). Alte caracteristici favorizante ale structurii metalice constau n: cderea de presiune din sistemul catalitic mai mic cu 15 20% fa de suportul ceramic cu mbrcminte activ depus; conductivitate termic ridicat ce mpiedic supranclzirea local i eventuala topire zonal a structurii; inerie termic redus, ceea ce asigur un timp minim de atingere a temperaturii optime de funcionare (imediat dup pornirea motorului). ca i n cazul suportului din material ceramic, suprafaa canalelor se acoper cu un strat de Y-aluminiu, nainte de impregnarea cu elementul catalitic.

Materialul activ

La sistemele catalitice cu trei ci sunt utilizate ca ageni catalitici numai metalele preioase (cu toate c s-au desfurat cercetri pentru folosirea unor oxizii ai metalelor uzuale ca materiale catalitice).Metalele preioase au o intens reactivitate chimic att la temperaturi reduse ct i la temperaturi ridicate; ele rezist foarte bine tendinelor de sinterizare prin care se reduce aria suprafeei specifice de activitate.Oxizii metalici, cum ar fi: CoO4, CuO, Cr2O3, ZnO, SiMnO2, singuri sau n combinaie prin ali oxizi, pot realiza o activitate catalitic, ns, pentru a realiza aceeai rat de conversie (ca n cazul utilizrii metalelor preioase) trebuie s se utilizeze o cantitate de dou pn la trei ori mai mare. Utilizarea oxizilor metalici este limitat n principal de lipsa de stabilitate la temperaturi ridicate i de marea sensibilitate a acestora la aciunea chimic a sulfului.La sistemul catalitic cu trei ci, catalizatorul de oxidare conine ca elemente active platina i paladiul, singure sau n combinaie. La oxidarea dioxidului de carbon, hidrocarburilor olefine sau pentanului, activitatea paladiului este mai intens dect cea a platinei. La oxidarea hidrocarburilor aromatice activitatea celor dou metale preioase este asemntoare, n schimb, oxidarea hidrocarburilor parafinice este mai eficient realizat de platin.

Prezena plumbului sau a fosforului blocheaz ireversibil suprafaa activ a catalizatorului, platina dezactivndu-se mult mai uor dect paladiul.Rata de conversie a NOX i CO este mult mai sczut n cazul paladiului, la regimuri de funcionare caracterizate de amestecuri bogate. Tendina actual, n tehnologia sistemelor catalitice, este de a nlocui perechea platin-rodiu cu pereche paladiu-rodiu deoarece au eficiene comparabile ns costul paladiului este mai mic dect cel al platinei.n cazul sistemului catalitic cu trei ci, este necesar utilizarea rodiului, pe lng perechea de metale preioase platin-paladiu, pentru a mbunti reaciile de reducere. Din cauza prezenei monoxidului de carbon, activitatea platinei i paladiului este insuficient n reaciile de reducere a NOX la N2. Rodiul are o mai mare capacitate de a stoca oxigenul, n plus rodiul este imun la efectul de inhibiie determinat de CO producnd i mai puin amoniac la funcionarea motorului cu amestecuri bogate. Rodiul este foarte sensibil la contaminarea cu plumb i fosfor. La temperaturi ridicate, rodiul formeaz RhO3 care se poate combina sub forma unei soluii solide cu alumina din suport. Acest oxid are tendina de a acoperi cristalele de platin, catalizatorul fiind astfel scos din funciune.Ruteniul este considerat drept cel mai bun catalizator de reducere a NOX la N2, ns el nu este utilizat deoarece formeaz un oxid volatil n mediul oxidant; acest oxid nu a putut fi nc stabilizat ntr-un amestec de oxizi.

Tehnologia de obinere a convertorului cataliticStratul intermediar Depunerea stratului intermediar Aria suprafeei canalelor oferite att de suportul ceramic ct i de suportul metalic este insuficient pentru aplicarea stratului activ de metale preioase. Pentru a se mri suprafaa de depunere a catalizatorului, pereii canalelor sunt mbrcai cu un material intermediar care de cele mai multe ori este alumina. Masa stratului intermediar depus reprezint 520% din masa suportului iar aria suprafeei canalelor este amplificat cu un factor de aproximativ 100.

Principalul factor l constituie proprietile de adeziune ale stratului intermediar la materialul suportului, deoarece se elimin riscul spargerii i detarii n timp a stratului activ. Este necesar ca mrimea coeficientului de dilatare al materialului suportului i al stratului intermediar s nu difere prea mult.Stratul intermediar se aplic n trei etape: pregtirea lichidului precursor pentru acoperire; imersia suportului n acest lichid; uscarea i sinterizarea combinaiei precursoare pe suport. Lichidul precursor este un amestec de Al2(OH)5Cl, hidrosoli de alumin i posibili oxizi de siliciu sau zirconiu sau acest lichid precursor este o suspensie apoas de Y alumin. Adeziunea suspensiei la suport poate fi mbuntit prin adugarea unor aditivi cum ar fi: silicat de sodiu, proteine, rini sintetice, acestea putnd fi adugate n soluie sau s fie aplicate pe suprafaa canalelor nainte de aplicarea soluiei precursoare. Adugarea la suspensia precursoare de nitrat de aluminiu mbuntete adeziunea particulelor suportului prin descompunere cnd temperatura crete la aproximativ 500C. Adaosul de CeO2 (4,5 % din greutatea stratului precursor) i de BaO (

n anumite reete se incorporeaz n suport pn la 7% Ce i 7% La din greutatea suportului.Stratul intermediar se depune prin imersia suportului n soluia precursoare sau prin injecia soluiei precursoare n canalele suportului. Surplusul de soluie precursoare este eliminat prin canalele monolitului cu ajutorul aerului comprimat sau prin centrifugare. Stratul precursor este uscat cu un curent de aer avnd temperatura de 100150C care parcurge canalele monolitului.La monolitul metalic este necesar ca suprafeele canalelor s fie bine degresate pentru ca stratul intermediar s adere la suprafaa metalic. Anumite tehnologii prevd pentru mbuntirea stratului intermediar oxidarea suprafeelor metalice ale monolitului.

Stratul activ

Catalizatorul platin-paladiu se depune n raport de 15:1 pn la 3:1.Tehnologiile de depunere se adopt n funcie de suprafeele suportului pentru a se asigura eficien maxim.Dup ce stratul intermediar a fost depus pe suprafeele canalelor monolitului stratul activ se depune prin cufundare sau injecie utiliznd o soluie de metale preioase (de exemplu: H2PtCl6, PdCl2, Rh(NO3)3 i RhCl3) sau soluii pe baz de aceton coninnd (n-butil4N)2Rh(CO)2Br8 sau H2PtCl6-6H2O.

n timpul uscrii este necesar ca particulele active s fie fixate pe suprafa pentru a preveni migrarea acestora spre captul canalului. Aciditatea mediului de impregnare influeneaz adncimea de ptrundere a catalizatorului n suport. Adncimea de ptrundere trebuie s fie redus pentru a se obine o suprafa de splare cu gaze arse a cristalelor de metal preios ct mai mare, ns aceast penetrare trebuie s fie suficient pentru a preveni desprinderea cristalelor prin abraziune i prin contactul cu plumbul i fosforul.Pentru a reduce srurile la stadiul metalic, platin/paladiu este necesar ca prin canale s treac n curentul de H2/H2O la 75C. Alte tehnici prevd ca prin canale s treac un curent de H2S pentru a fixa metalele preioase pe suprafaa canalelor ntr-o form coloidal de precipitat de sulfii care apoi sunt descompui termic.Aditivi cum ar fi nichelul sunt adugai sub form de nitrai n soluii apoase i dup aceast operaie urmeaz operaia de calcinare pentru a ajunge la starea metalic.Exist i tehnologii care prevd depunerea stratului intermediar i activ simultan sub form de hidrosol amestecat cu precursori catalitici ns o parte din cristalele active sunt acoperite de stratul intermediar i eficiena de conversie poate fi mai redus.

Filtrul cu reinere mecanic Principiul filtrului cu reinere mecanic const n trecerea gazelor de evacuare prin interstiiile materialului filtrant unde particulele de dimensiuni mai mari pot fi reinute la intrarea n interstiii iar particulele de dimensiuni reduse pot fi reinute pe suprafaa interstiiilor sau n spaiile oferite n interiorul materialului filtrant prin inerie, la schimbarea sensului de curgere al microdebitelor de gaze arse. Dintre cele mai utilizate materiale pentru construcia filtrelor cu reinere mecanic sunt filtrele ceramice i filtrele metalice.

Filtrul ceramic

Filtrele din material ceramic pot fi construite sub form de monolit, spum i fibre ceramice.Filtrul monolit ceramic se aseamn din punct de vedere constructiv cu monolitul convertorului catalitic cu trei ci. Monolitul ceramic are seciunea transversal circular sau oval i aspect de fagure datorit canalelor longitudinale de seciune ptrat care l strbat. Materialul utilizat este cordieritul.

Filtrarea prin monolit ceramic Canalele longitudinale sunt obturate alternativ cu capace din material ceramic pentru ca gazele arse s fie obligate s treac prin pereii despritori poroi. Grosimea pereilor despritori ai canalelor este mai mare dect la monolitul convertorului catalitic.Mrimea porilor pereilor despritori influeneaz eficiena de reinere care se poate situa ntre 40% i 90%.n timpul funcionrii, particulele se depun pe suprafaa canalelor i n interiorul porilor, determinnd creterea contrapresiunii n amonte de filtru ceea ce determin la scderea performanelor energetice i de consum ale motorului. n aceste condiii, filtrul, periodic trebuie supus procesului de regenerare.

Filtrul din spum ceramic este realizat sub form de monolit din SiC sau cordierit. Acest filtru are pori cu mrimea diametrului cuprins ntre 250 i 500 m care au form de canale n adncime, unele din ele fiind obturate la capt. Gradul de reinere este sczut (60-70%). Pentru a reduce cderea de presiune n filtru i a uniformiza distribuia masei de funingine colectate, canalele nfundate sunt direcionate n lungul monolitului din spum ceramic. Aceast structur asigur o distribuie mai bun a flcrii pe timpul regenerrii. Acest filtru este confecionat din spum poliuretanic impregnat cu o past ceramic.Spuma microporoas poate fi realizat i din cordierit ca matrice i ntrit cu un amestec ceramic denumit mullit (3Al2O3 - 2SiO2). Filtrul este prevzut la ieirea gazelor cu o membran de cordierit/mullit pentru a se preveni emisia de particule la ncrcarea filtrului naintea regenerrii. Eficiena acestui tip de filtru este de 70-75%.Filtrele ceramice din fibre ceramice neesute utilizeaz fibre acoperite cu rini. Structura ofer un numr mare de pori fini (diametrul 10 m), distribuii pe o suprafa i adncime mari. Cartuul filtrant se obine prin nfurarea firelor realizate din fibre ceramice pe o conduct din material ceramic sau oel prevzut cu orificii pentru trecerea gazelor arse. Grosimea nfurrii de fire ceramice este de 10-12 mm. Gazele arse traverseaz nfurarea din fibre ceramice, particulele fiind reinute n porii oferii de aceasta deoarece conducta pe care se gsete nfurarea este nfundat la captul de ieire.

Acest filtru rezist mai bine la ocurile termice comparativ cu monolitul ceramic. Curentul de gaze arse strbate nfurarea de fire ceramice dinspre exterior spre interior. Eficiena filtrului este mai mare de 80%.

La construcia elementului filtrant esut se utilizeaz fibre ceramice care folosesc ca materiale carbonul, carbonul activ, sticla, oxizii de aluminiu, carbura de siliciu i materiale ceramice.

Elementul filtrant se realizeaz prin esere sau tricotare din care rezult o structur volumic cu pori deschii dup care mpletitura este pliat spiralat sau rulat.

Filtrul ceramic din fibre ceramice prezint o serie de avantaje care l recomand a fi utilizat la autovehicule: rezisten la temperaturi ridicate, eficien ridicat de reinere a particulelor de dimensiuni mici, reinere uniform a particulelor, rezisten la ocuri termice, mecanice i vibraii, efect de reducere a zgomotului i uurina regenerrii.

O soluie care rspunde cerinelor impuse filtrelor de particule o constituie confecionarea sub form de cartu filtrant din hrtie ceramic.

Filtrul metalic poros

Filtrele metalice, pentru a rezista aciunii corozive a gazelor arse, se construiesc din aliaje Ni-Cr. Filtrul este alctuit din mai muli cilindri concentrici, din aliaj Ni-Cr poros.Prin alegerea de diferite mrimi ale porilor pereilor cilindrilor care alctuiesc filtrul (pori mari la cilindrii de intrare a gazelor arse) se pot atinge performanele de filtrare ale filtrelor ceramice.Filtrele metalice prezint avantajul unei rezistene sporite la ocuri termice i mecanice, asigurndu-se o durabilitate suficient de exploatare.O alt soluie o constituie filtrul de particule realizat din fibre metalice din oel inoxidabil acoperite cu y-alumin. Eficiena acestui tip de filtru este cuprins ntre 68% i 80%.

Filtrul de particule electrostatic

Filtrarea electrostatic este aplicat cu succes n industrie pentru reinerea prafului. Tehnologia de filtrare electrostatic poate fi aplicat i la filtrarea gazelor de evacuare, pentru reinerea i coagularea particulelor emise de motor.

Pentru a se evita generarea de noi poluani datorit aciunii unui cmp electric adiional (efect Corona) care se aplic n amontele filtrului pentru a ncrca electric particulele, este necesar s se utilizeze numai ncrcarea electric natural a particulelor. S-a demonstrat c mai mult de 80% din masa de particule emise sunt ncrcate electric. Particulele emise de motor sunt uscate i n acest caz este posibil ca rata de reinere a acestora s se situeze ntre 70% i 90%. Tensiunea electric care se aplic este de 4000V.

Sistemele de reinere electrostatic trebuie s elimine scurtcircuitul datorat depunerilor de carbon.