Katalysaattori

Katalysaattorin keraaminen kennosto

Katalysaattori

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.

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 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.