Zwykła rzecz: katalizator - kwiecień 1999
Zwykła rzecz: katalizator, kwiecień 1999, Auto Moto Market, nr 3(141) 1999
Jeszcze kilkanaście lat temu, o katalizatorach mówiło się u nas raczej w kategoriach sensacji. Wydawały się one czymś nadzwyczajnym i w naszych warunkach wręcz nieosiągalnym. Co więcej, malkontenci uważali nawet ,że jest to jakiś niepotrzebny i mało przydatny wymysł techniczny. Po prostu, twierdzili, że wydumali go sobie producenci samochodów aby podwyższyć cenę wyjściową swych wyrobów. W tym samym czasie za oceanem, w Stanach Zjednoczonych, te urządzenia były już obowiązkowym wyposażeniem każdego nowego samochodu. Dziś katalizatory są i u nas czymś oczywistym i powszednim, ale mało który z kierowców potrafi rzeczowo wyjaśnić jego działanie. I trudno się temu dziwić, bo nie jest to proste urządzenie...
Żeby lepiej sobie zdać sprawę z funkcji i sposobu działania klasycznego katalizatora, warto przypomnieć co nieco o spalinach powstających w trakcie pracy silnika samochodowego. Ogólnie składniki spalin dzieli się zwykle na trzy grupy. Do pierwszej z nich zaliczamy te, które nie są toksyczne (dwutlenek węgla, para wodna i azot). Do drugiej grupy zaliczono składniki toksyczne, a więc: tlenek węgla, węglowodory , tlenki azotu i związki ołowiu. Oczywiście, te ostatnie występują tylko wtedy gdy, silnik jest zasilany benzyną z jego zawartością. Wreszcie trzecią grupę stanowi po prostu tlen, nie wykorzystany w procesie spalania paliwa w silniku. Jest on, oczywiście, nieszkodliwy z punktu widzenia środowiska naturalnego. Powszechnie wiadomo, że katalizatory zastosowano właśnie po to, aby zredukować ilość szkodliwych substancji w spalinach wydostających się z rur wydechowych.
Można to osiągnąć dwiema drogami. Po pierwsze, przez utlenianie. Wtedy tlenek węgla i węglowodory, reagując z tlenem, przekształcają się w dwutlenek węgla i wodę. Po drugie, poprzez redukcję W tym procesie tlenek węgla reagując z tlenkiem azotu przekształca się w azot i dwutlenek węgla. Stąd wiedzie już prosta droga do podziału katalizatorów. Generalnie dzielą się one na utleniające (dwufunkcyjne), redukujące (jednofunkcyjne) lub takie w których obie te reakcje zachodzą równocześnie (trójfunkcyjne). Te ostatnie czasami nazywano trójdrożnymi, ale nie jest to nazwa właściwa.
(WP) Inny podział wynika z obecności w układzie katalizatora sondy lambda. W technice samochodowej spotyka się oba typy katalizatorów. Są więc takie, które pracują w układzie z sondą lambda oraz takie gdzie zastosowanie tejże sondy nie jest konieczne.
Już z tego krótkiego opisu łatwo można wywnioskować, że katalizator z pozoru przypominający zwykły tłumik, nie jest przecież urządzeniem równie prostym. Ma to swoje odbicie w dalszym podziale uwzględniającym ich skomplikowaną budowę. Przede wszystkim dzieli się je w zależności od materiału nośnika czyli inaczej mówiąc specjalnego szkieletu do umieszczania kolejnych warstw. Jako materiał nośnika wykorzystuje się materiały ceramiczne bądź metale. Materiały ceramiczne znajdują szersze zastosowanie dzięki niższej cenie. Ich podstawową wadą jest to, że pracują one w określonym zakresie temperatur (do 850 stopni C.) Z kolei nośniki metalowe umożliwiają pracę w temperaturach nawet 1000 stopni C., tyle tylko, że są one od poprzednich znacznie droższe.
Niezależnie od rodzaju nośnika, każdy z nich jest pokrywany dwiema warstwami. Pierwsza, pośrednia ma za zadanie odpowiednie zwiększenie powierzchni, z którą zetkną się spaliny. Druga aktywna jest nanoszona na warstwę pośrednią i ma bezpośredni kontakt ze spalinami. Właśnie warstwa aktywna jest wytwarzana z pomocą pierwiastków w rodzaju platyny, palladu, rodu i rutenu. Są to metale szlachetne, a te do tanich nie należą. Zresztą i sama budowa katalizatora też jest dość skomplikowana i nie pozwala na zbytnie obniżenie kosztów produkcji.
Spaliny przepływają przez tysiące bardzo drobnych kanalików. Jak precyzyjne jest to urządzenie niech świadczy fakt, że wykonuje się 62 otworki na powierzchni 1 cm kwadratowego. Grubość ścianki pomiędzy tymi otworkami wynosi natomiast zaledwie 0,15 mm! I to wszystko musi wytrzymać niezwykle trudne warunki eksploatacyjne. Na tym jeszcze nie koniec, bo stwierdzono, że katalizatory zaczynają naprawdę dobrze działać dopiero w wysokich temperaturach. (nawet przy 900 stopniach C.). Szkopuł w tym, że najbardziej bogate mieszanki występują w trakcie rozruchu i nagrzewania silnika, a wtedy trudno uzyskać wyższe temperatury w układach wydechowych. Dlatego w trosce o skuteczność działania katalizatorów w całym zakresie pracy silnika, producenci samochodów poszukują różnych rozwiązań obniżających próg zadziałania katalizatora.
Okazało się przy tym, że najlepiej usuwają szkodliwe substancje katalizatory trójfunkcyjne regulowane z pomocą sondy lambda. Niestety, są to bardzo drogie urządzenia. Sygnały z sondy lambda muszą bowiem trafić do urządzenia przetwarzającego je na drodze elektronicznej. W wielkim uproszczeniu wygląda to tak: sonda lambda wysyła sygnały w zależności od zawartości tlenu w spalinach, mikroprocesor steruje zaś gaźnikiem lub urządzeniem wtryskowym silnika, dozując odpowiednią mieszankę paliwową. Stąd wniosek, że wszystkie te układy muszą być ze sobą połączone na drodze mechaniczno-elektronicznej. To jeszcze bardziej podraża i komplikuje sprawę zastosowań katalizatorów.
Na domiar złego, katalizatory absolutnie nie znoszą obecności ołowiu w paliwie. Wystarczy "przez pomyłkę" zużyć tylko jedną zawartość zbiornika benzyny z ołowiem aby zniszczyć to drogie urządzenie bezpowrotnie. Zresztą nie trzeba się nawet aż tak mylić. Wystarczy, że stacja paliw nie będzie przestrzegać czystości benzyny i katalizator też wkrótce nie będzie się nadawał do użytku. Te i podobne fakty wykorzystują przeciwnicy stosowania katalizatorów do podważania ich przydatności w ochronie środowiska. Bo cóż z tego - mówią, że samochód jest wyposażony w tak drogie urządzenie, skoro ono w ogóle nie działa lub działa nieskutecznie? Często, już sami kierowcy postępują nierozważnie. Na ogół każdy z nich wie, że na stacji benzynowej powinien korzystać z dystrybutorów z benzyną bezołowiową, ale przecież czasami ci sami kierowcy dolewają benzyny z kanisterków napełnianych uprzednio... benzyną etylizowaną, korzystają z rozmaitych lejków zanieczyszczonych etyliną...itp. To tylko niektóre przypadki obniżania
skuteczności działania katalizatorów, a jest ich znacznie więcej. Badania amerykańskie, swego czasu udowodniły, że przeciętny katalizator przestaje skutecznie działać już po przebiegu 80.000 km.
Trzeba wszakże dodać, że katalizatory są ulepszane nieomal z dnia na dzień. Doskonalone są też systemy spalania i produkcji benzyn bezołowiowych. Walka o czyste środowisko jest więc procesem nieustannym i... nieuchronnym.