Ero sivun ”Katalysaattori” versioiden välillä
| Rivi 19: | Rivi 19: | ||
== Toiminta == | == 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 ns. kolmitoimisia. Nimitys on peräisin siitä, että niissä tapahtuu samanaikaisesti kaikkien kolmen pääasiallisen saastekomponentin muunnosreaktioita: Samalla kun hapetetaan hiilimonoksidia (CO) hiilidioksidiksi (CO<sub>2</sub>) ja palamattomia hiilivetyjä (HC) vedeksi (H<sub>2</sub>O), pelkistetään myös typen oksideja (NO<sub>x</sub>) typpikaasuksi (N<sub>2</sub>). | + | 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 (CO<sub>2</sub>) ja palamattomia hiilivetyjä (HC) vedeksi (H<sub>2</sub>O), pelkistetään myös typen oksideja (NO<sub>x</sub>) typpikaasuksi (N<sub>2</sub>). |
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. | 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-anturi]]lla 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 ilmaaa yhden bensiinilitran polttamiseen. 91-oktaanisella bensiinillä suhde on 14,8:1 ja puhtaalla etanolilla 9:1. | ||
| + | |||
| + | Koska kolmitoiimikatalysaattori pelkistää typen oksideja, on pakokaasussa oltava tätä varten riittävästi häkää eli hiilimonoksidia. Tästä johtuen polttoaineseoksen on oltava hivenen rikas (stoikiometrinen seos ei siis tarkoita varsinaisen palotapahtuman kannalta ehdottoman ainoaa ja oikeaa seossuhdetta). 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 [[Polttoaineen suihkutus|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. | ||
| + | |||
| + | 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. | ||
[[Luokka:Moottorit]] | [[Luokka:Moottorit]] | ||
[[Luokka:Laki]] | [[Luokka:Laki]] | ||
Versio 31. heinäkuuta 2016 kello 21.16
.jpg)
Katalysaattori (puhekielessä "katti") on päästöjen hallintaan tarkoitettu laite, joka avulla polttomoottorin tuottamien pakokaasujen haitallisia osia muunnetaan vähemmän haitalliseen muotoon. Englanninkielen termi "catalytic converter" (katalyyttinen muunnin) avaa sekä katin toimintatavan että tarkoituksen selkeästi ilmaistuna.
Sisällysluettelo
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.
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 (NOx) 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 ilmaaa yhden bensiinilitran polttamiseen. 91-oktaanisella bensiinillä suhde on 14,8:1 ja puhtaalla etanolilla 9:1.
Koska kolmitoiimikatalysaattori pelkistää typen oksideja, on pakokaasussa oltava tätä varten riittävästi häkää eli hiilimonoksidia. Tästä johtuen polttoaineseoksen on oltava hivenen rikas (stoikiometrinen seos ei siis tarkoita varsinaisen palotapahtuman kannalta ehdottoman ainoaa ja oikeaa seossuhdetta). 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.
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.
