Katalysaattori

Katalysaattorin keraaminen kennosto

Katalysaattori

Katalysaattori (puhekielessä "katti") on päästöjen hallintaan tarkoitettu laite, jonka avulla polttomoottorin tuottamien pakokaasujen haitallisia osia muunnetaan vähemmän haitalliseen muotoon. Englanninkielen termi "catalytic converter" (katalyyttinen muunnin) avaa sekä katin toimintatavan että tarkoituksen selkeästi ilmaistuna.

Yleistä

Katalysaattorin isänä pidetään ranskalaista insinööriä Eugene Houdry:a, joka kehitti öljynjalostukseen katalyyttisen krakkauksen. Houdry oli muuttanut Yhdysvaltoihin vuonna 1930. Toisen maailmansodan päätyttyä Houdry perusti Oxy-Catalyst -nimisen yhtiön, joka valmisti savukaasujen katalyyttisia puhdistuslaitteita savupiipputeollisuuden päästöjen hillitsemiseksi. Tämän jälkeen hänen mielenkiintonsa ilmanlaadun parantamiseksi kohdistui lähelle maan pintaa ja siellä työskenteleviä ihmisiä. Houdryn yhtiö kehitti polttomoottoristen varastotrukkien pakoputkistoon toimivan katalyyttisen puhdistimen. Autojen kasvavan määrän ja suurkaupunkeihin muodostuneen savusumuongelman johdosta Houdryn seuraava kehityskohde oli henkilöauton katalysaattori, jolle myönnettiin Yhdysvaltain patentti 2,742,437 vuonna 1956.[1][2]

Katalysaattoreita ei kuitenkaan voitu ottaa käyttöön ennenkuin kiristyneet määräykset pakottivat poistamaan maa-ajoneuvojen moottoribensiinistä nakutuksenestoaineena käytetyn tetraetyylilyijyn. Bromia ja klooria sisältävät lyijyn kertymisen estävät lisäaineet reagoivat paitsi lyijyn, myös katalyyttina toimivan jalometallin kanssa. Tetraetyylilyijy "myrkyttää" autoissa olevan katalysaattorin, koska se poistuu moottorista hienojakoisena lyijybromidi- ja -kloridipölynä, joka tukkii katalysaattorin.

Amerikkalaisen Engelhard Corporation -yhtiön insinöörit John J. Mooney ja Carl D. Keith jatkoivat katalysaattorien kehitystyötä. Heidän tiiminsä toimesta markkinoille tuotiin ensimmäinen sarjatuotantokatalysaattori vuonna 1973 sekä myöhemmin kolmitoimikatalysaattori.[3][4]

Katalysaattorit otettiin laajasti käyttöön ensimmäisenä Yhdysvaltain henkilöautomarkkinoilla. Vuonna 1970 säädetyn Clean Air act -lain ja sen myötä Yhdysvaltain ympäristönsuojeluviraston (Environmental Protection Agency, EPA) antamien tiukentuneiden määräysten mukaisesti, ajoneuvojen tuottamien haitallisten päästöjen määrää oli pudotettava rajusti. Autoteollisuuden vastauksena suurin osa mallivuoden 1975 bensiinikäyttöisistä ajoneuvoista varustettiin katalysaattorilla. Nämä kaksitoimikatalysaattorit yhdistivät happea hiilimonoksidiin eli häkään (CO) ja palamattomiin hiilivetyihin (HC), jolloin syntyi hiilidioksidia (CO₂) ja vettä (H₂O). Vuonna 1991 kaksitoimikatalysaattorit olivat vanhentunutta teknologiaa ja ne korvattiin kolmitoimikatalysaattoreilla, jotka kykenivät vähentämään myös typen oksideja (NOx). Kaksitoimikatalysaattoreita käytetään kuitenkin edelleen laihaseosmoottoreiden kanssa.[5][6][7]

Rakenne

Puhdistin rakentuu mehiläispesän hunajakennoja muistuttavien, tavallisesti keraamista ainetta olevien pohja-ainekennojen ympärille. Nämä kennot, jotka voivat keramiikan vaihtoehtona olla myös ohuesta metallifoliosta valmistettuja, kasvattavat katalysaattorin sisällä olevaa seinämäpinta-alaa. Mahdollisimman suuri pinta-ala on tarpeen, jotta pakokaasuissa olevat saastemolekyylit ehtisivät kaikki käydä riittävän lähellä aktiivista seinämää, jossa puhdistumiseen tarvittavat reaktiot tapahtuvat. Auki levitettynä keskikokoisessa katalysaattorissa onkin sisäpinta-alaa parin jalkapallokentän verran. Kennosto on suljettu teräspellistä valmistettuun koteloon, joka on muodoltaan autoissa käytettävien äänenvaimentimien kaltainen. Kennosto on kiinnitetty paikoilleen joustavasti, jotta kotelon ja kennoston erilaiset lämpölaajenemiset eivät vähitellen riko koko rakennetta.

Tämän laajan, solukkomaisen kennoston pinnalle on sen huokoisuuden lisäämiseksi pinnoitettu alumiinioksidinen välikerros. Sen päälle on sitten seostettu varsinainen katalyyttisesti aktiivinen jalometalliseospinnoite. Yleisimmin käytetyt katalyyttimetallit ovat platina (Pt) ja rhodium (Rh). Platina toimii hapetusreaktioiden ja rhodium pelkistysreaktioiden katalyyttinä. Myös palladiumia (Pd) on käytetty varsin laajasti, etenkin alkuaikoina, kun katalysaattorit olivat vain hapettavia. Se kesti kuitenkin huonosti mm. bensiinissä olevan lyijyn "myrkyttävää" vaikutusta. Viime aikoina sitä on kuitenkin taas tutkittu, koska se on halvempaa kuin sitä paljon harvinaisemmat platina ja rhodium. Kylläkin tällä hetkellä 23.03.2022 Palladium on noin 33% kultaa kalliimpi.

Toiminta

Katalysaattori ei siis ole mikään suodatin, joka keräisi itseensä saasteita, vaan kemiallinen muunnin, jonka avulla pakokaasun haitalliset ainesosat muunnetaan vähemmän haitallisiksi. Nykyisin bensiinimoottoriautoissa käytettävät katalysaattorit ovat pääosin ns. kolmitoimisia. Nimitys on peräisin siitä, että niissä tapahtuu samanaikaisesti kaikkien kolmen pääasiallisen saastekomponentin muunnosreaktioita: Samalla kun hapetetaan hiilimonoksidia (CO) hiilidioksidiksi (CO₂) ja palamattomia hiilivetyjä (HC) vedeksi (H₂O), pelkistetään myös typen oksideja (NO_x) typpikaasuksi (N₂).

Polttoaineen ja ilman välisen seossuhteen tulee pysyä koko ajan hyvin lähellä (λ = 1), ns. stoikiometristä seosta, jossa on 14,7 kg ilmaa yhtä polttoainekiloa kohden. Tällöin moottorissa syntyvien hapetettavien ja pelkistettävien aineiden määrät ovat sellaiset, että katalysaattorin muunnosreaktiot tapahtuvat tehokkaasti. Seossuhteen pitämiseksi sallitun vaihtelualueen rajoissa tarvitaan pakokaasujen happipitoisuuden tunnistin, ns. lambda-anturi, sekä moottoriin menevän polttoaineseoksen koostumusta säätelevä sähköinen moottoriohjausjärjestelmä. Happitunnistimen antama signaali ohjaa polttoaineen ruiskutusta sähköisen säätöjärjestelmän kautta. Muunnosreaktioiden tapahtuminen edellyttää myös riittävän lämpötilan, vähintään 250 °C. Katalysaattorin kannalta paras puhdistusteho ja pisin toimintaikä saavutetaan lämpötila-alueella 400 - 800 °C.

Katalysaattorityypit

Säädettävä katalysaattori

Yhdellä tai useammalla happitunnistimella eli lambda-anturilla ohjattu järjestelmä. Nimityksestään huolimatta itse katalysaattoria ei säädetä, koska se ei ole mahdollista, vaan moottorin polttoaineseosta. Happitunnistimen tärkein tehtävä on suojella katalysaattoria, mittaamalla pakokaasun jäännöshapen määrää ja lähettämällä tämä tieto moottorin ohjausyksikölle. Ohjausyksikkö pyrkii pitämään polttoaineseoksen stoikiometrisen suhteen katalysaattorin toiminnan kannalta parhaana mahdollisena. Tämä tarkoittaa että 95-oktaanista bensiiniä käytettäessä suhde on 14,7:1 eli 14,7 kg ilmaa yhden bensiinilitran polttamiseen. 91-oktaanisella bensiinillä suhde on 14,8:1 ja puhtaalla etanolilla 9:1. Stoikiometrinen seos ei siis tarkoita varsinaisen palotapahtuman kannalta ehdottoman ainoaa ja oikeaa seossuhdetta.

Koska kolmitoiimikatalysaattori pelkistää typen oksideja, on pakokaasussa oltava tätä varten riittävästi hiilivetyä. Tästä johtuen polttoaineseoksen on oltava hivenen rikas. Tämä taas aiheuttaa sen, että kolmetoimikatalysaattoria ei voi käyttää laihaseosmoottoreiden yhteydessä.

Säätämätön katalysaattori

Katalysaattorien alkuaikojen teknologiaa, ennen happitunnistimien liittämistä osaksi järjestelmää. Säätämättömien katalysaattorien aika alkaa Yhdysvalloissa 1975 voimaan tulleista päästömääräyksistä ja kulkee käsi kädessä sen ajanjakson kanssa, kun kaasuttimet alkoivat muuttua yhä monimutkaisemmiksi ja edullisemmat yksipisteruiskut alkoivat syrjäyttää niitä. Polttoainejärjestelmien kehityskaaren takana oli, polttoainetaloudellisuuden ohella, pyrkimys pystyä ohjaamaan polttoaineseosta ja palotapahtumaa siten, että katalysaattori toimisi mahdollisimman tehokkaasti ja mahdollisimman pitkään.

Hapetuskatalysaattori

Dieselmoottori

Diesel-hapetuskatalysaattori (Diesel Oxidation Catalytic converter, DOC) vähentää hiilimonoksidin (CO) ja hiilivetyjen (HC) osuutta pakokaasuista.

Dieselmoottorissa palaminen tapahtuu ilmaylimäärän vallitessa, joten dieselpakokaasut sisältävät yleensä vain hyvin vähän epätäydellisen palamisen tuotteita kuten hiilimonoksidia eli häkää (CO). Palamattomia hiilivetyjä (HC) syntyy hieman, esimerkiksi ruiskutussuuttimen kärkeen jäävän polttoaineen höyrystyessä pakotahdin aikana palamisen jo loputtua. Koska dieselpolttoaineen sisältämät hiilivedyt ovat bensiinin vastaavia aineosia raskaampia ja pitkäketjuisempia, ne ovat myös vaikeammin palavia. Siksi dieselmoottorin pakokaasuihin muodostuu helpommin vaaralliseksi luokiteltuja hiilivety-yhdisteitä.

Dieselmoottorin pakokaasut sisältävät yleensä verrattain paljon typen oksideja (NO_x). Palaminen tapahtuu polttoainepisaroiden ulkopinnoilla, jossa paikallisesti vallitseva ilmakerroin on lähellä ykköstä, eli NO_x-tuotolle otollisimpia seossuhteita esiintyy. Lisäksi samoilla alueilla palotilaa esiintyy myös paikallisia lämpötilahuippuja, vaikka dieselmoottorissa syntyvät lämpötilat ovat keskimäärin alhaisemmat kuin ottomoottorissa. Korkea lämpötila edistää typen oksidien muodostusta.

Kemiallisten reaktioiden myötä katalysaattorilla varustettu dieselmoottori voi muodostaa huomattavasti suuremmat hiukkaspäästöt kuin ilman katalysaattoria oleva dieselmoottori silloin, kun moottori käy suurella kuormalla. Tämän johdosta DOC-katalysaattorin jälkeen pakoputkistossa saattaa olla hiukkassuodatin. Hiukkas-ja NOx-tasoja voidaan vähentää myös moottorin hallintajärjestelmän avulla niin alhaiselle tasolle, että vain diesel-hapetuskatalysaattori (DOC) on tarpeen.

2T-moottori

Kaksitahtisissa otto- ja dieselmoottoreissa voidaan käyttää samantyyppisiä hapetuskatalysaattoreita kuin ylempänä on kerrotu. Myös niiden teho ja vaikutus hiilimonoksidin ja hiilivetyjen vähentämiseen on samankaltainen kuin nelitahtisten dieselmoottorien yhteydessä.

Varaava NO_x -katalysaattori

Jatkuvan pelkistyksen sijasta käytetään varastoivaa katalysaattoria, jolla saavutetaan parempi muuntosuhde ja tullaan toimeen pienemmällä määrällä pelkistävää hiilivetyä. Laihaseoskäytössä NO hapettuu ensin NO₂:ksi ja varastoituu katalysaattorin metallioksidiin nitraattimuodostumana (NO₃). Lämpötilan pitää olla 250 – 450 °C, jotta katalysaattori toimii kunnolla. Toinen vaihe on regenerointivaihe, jossa pakokaasun muodostus täytyy saada muutettua rikkaaksi. Tällöin muodostuu runsaasti pelkistimiä, kuten hiilimonoksidia ja eri hiilivetyjä. Tällöin nitraattimuodostuma purkautuu ja pelkistyy jalometallipitoisessa katalysaattorissa N₂:ksi. Dieselmoottori saadaan toimimaan rikkaalla korottamalla pakokaasujen takaisinkierrätysastetta tai myöhäistämällä ruiskutusennakkoa. NO_x-katalysaattorin ongelmana on sen herkkyys polttoaineen rikille. Rikkiä ei saada regeneroitua vaan se alkaa tukkia katalysaattoria.

SCR-katalysaattori

Selektiivinen katalyyttinen pelkistäminen (selective catalytic reduction, SCR) on tekniikka, jossa typen oksidien (NO_x) päästöjä vähennetään katalysaattorilla. Tämä puhdistusmenetelmä käyttää lisäaineena AdBlue-tuotenimellä myytävää lisäainetta, joka koostuu ureasta ja vedestä. Pakoputken sisälle suihkutettaessa urealiuos hajoaa lämmössä ammoniakiksi ja hiilidioksidiksi. Ammoniakki reagoi pakokaasun typen oksidien kanssa katalysaattorissa, jossa nämä pelkistyvät typpikaasuksi ja vesihöyryksi. Tämä ratkaisu vaatii lisäaineen lisäämistä sille varattuun säiliöön.

Lainsäädäntö

Suomessa katalysaattoripakkoa käytännössä tarkoittavat, henkilöautojen bensiinimoottorien päästövaatimukset astuivat voimaan vuoden 1991 alussa, mutta katalysaattoriautoja tuli myyntiin jo vuonna 1990, koska niille myönnettiin ylimääräinen alennus autoverosta. Aivan viimeiset ilman katalysaattoria olleet uudet autot myytiin vuoden 1991 aikana, viimeisille eli varastoon jääneille myönnettiin erivapaus.

Dieselmoottorisia henkilöautoja (luokka M1) ja pakettiautoja ≤1305 kg (luokka N1 - I) koskeva Euro 5 -päästöluokitus astui voimaan syyskuussa 2009. Tämän päästöluokan vaatimukset edellyttävät katalysaattorin käyttöä. Euro 5 -päästöluokitukset pakettiautoille 1305–1760 kg ja >1760–3500 kg.(Luokka N1 - II-III) tulivat voimaan syyskuussa 2010.