Convertitore catalitico del veicolo

Il catalizzatore del veicolo , anche brevemente catalizzatore (colloquialmente Kat ), viene utilizzato per il trattamento dei gas di scarico nei veicoli con motore a combustione interna . Il convertitore catalitico può ridurre drasticamente le emissioni inquinanti nei gas di scarico . Di solito l'intero sistema di post-trattamento dei gas di scarico viene definito convertitore catalitico del veicolo.

Convertitore catalitico per veicoli con corpo a nido d'ape in ceramica

storia

L'ingegnere francese Eugene Houdry è stato l'inventore del primo convertitore catalitico per automobili . Intorno al 1950, quando furono pubblicati i risultati dei primi studi sullo smog a Los Angeles, era preoccupato per l'influenza dei gas di scarico delle auto sull'inquinamento atmosferico e fondò una società speciale, la Oxy-Catalyst Company , per sviluppare convertitori catalitici per motori a benzina - un'idea che era molto in anticipo sui tempi. Ha sviluppato il primo convertitore catalitico per automobile e ne ha ricevuto un brevetto nel 1956 ( US2742437 ). Tuttavia, questi primi convertitori catalitici per auto non furono utilizzati perché erano stati avvelenati dal piombo nell'agente antidetonante tetraetile piombo .

Successivamente, John J. Mooney e Carl D. Keith svilupparono il catalizzatore a tre vie presso la Engelhard Corporation , che lo lanciò nel 1973. Poiché un motore a benzina ha emissioni significativamente più elevate di un motore diesel e motori a benzina sono stati prevalentemente utilizzati nello stato pionieristico della California, i convertitori catalitici per veicoli sono stati introdotti per la prima volta nei motori a benzina.

In Germania, le prime auto con marmitta catalitica non furono immatricolate fino al 1985; negli anni successivi, le nuove auto furono sempre più dotate di marmitta catalitica, prima che dal 1993 venisse stabilito un requisito di convertitore catalitico a livello europeo per tutte le nuove auto con motori a benzina.

Compito e modalità di funzionamento

Il compito del convertitore catalitico del veicolo è la conversione chimica degli inquinanti della combustione idrocarburi (C _m H _n ), monossido di carbonio (CO) e ossidi di azoto (NO _x ) in sostanze non tossiche anidride carbonica (CO ₂ ), acqua ( H ₂ O) e azoto (N ₂ ) per ossidazione o riduzione . A seconda del punto di funzionamento del del motore e in condizioni operative ottimali del convertitore catalitico, i tassi di conversione di quasi il 100% può essere raggiunto. Nel post-trattamento dei gas di scarico, oltre agli inquinanti gassosi, è necessario ridurre anche la fuliggine o le particelle, vedere filtri antiparticolato diesel e filtri antiparticolato Otto .

Poiché l'attività catalitica ottimale è disponibile solo in un determinato intervallo di temperatura, sia il design del sistema di scarico che la strategia operativa possono influenzare in modo significativo l'efficacia. In particolare, ottenere la conversione rapidamente dopo che il veicolo è stato avviato ha un impatto significativo sulle emissioni complessive.

costruzione

Rodio , un possibile componente dei catalizzatori.

Il convertitore catalitico del veicolo di solito è costituito da diversi componenti. Un corpo a nido d'ape stabile alla temperatura in ceramica, solitamente cordierite o fogli di metallo (ad esempio metalite ), che ha un gran numero di canali a parete sottile, funge da supporto . Il cosiddetto washcoat si trova sul supporto . È costituito da ossido di alluminio poroso (Al ₂ O ₃ ) e viene utilizzato per ingrandire la superficie. A causa dell'elevata rugosità , è possibile ottenere una superficie ampia fino a diverse centinaia di metri quadrati per grammo. Le sostanze cataliticamente attive sono immagazzinate nel "washcoat" . Questi sono diversi a seconda del tipo di catalizzatore. Nei moderni convertitori catalitici a tre vie, questi sono z. B. i metalli preziosi platino , rodio o palladio o una combinazione di questi. Il supporto in ceramica viene immagazzinato in un alloggiamento metallico, detto “inscatolamento”, tramite appositi tappetini di stoccaggio, i cosiddetti materassini rigonfiabili, realizzati ad esempio con lana ad alta temperatura , più raramente in combinazione con rete metallica.

Tappetini speciali o un alloggiamento metallico aggiuntivo non sono necessari con i convertitori catalitici in metallo. Il "canning" è installato in modo permanente nel sistema di scarico del veicolo e in alcuni casi ha opzioni di collegamento aggiuntive per, ad esempio, sonde lambda o termocoppie . Esistono anche convertitori catalitici in metallo con sonde lambda integrate.

Tagliare il convertitore catalitico del veicolo aperto con un supporto metallico

specie

Convertitore catalitico a tre vie controllato

In un convertitore catalitico a tre vie regolato (chiamato anche G-Kat), l'ossidazione di CO e C _m H _n e la riduzione di NO _x avvengono in parallelo: C _m H _n con O ₂ diventano CO ₂ e H ₂ O ossidato, CO ossidato con O ₂ a CO ₂ e NO _x ridotto con CO a N ₂ , o CO ossidato a CO ₂ .

${\ displaystyle \ mathrm {2 \ CO \ + \ O_ {2} \ longrightarrow \ 2 \ CO_ {2}}}$

${\ displaystyle \ mathrm {2 \ C_ {2} H_ {6} \ + \ 7 \ O_ {2} \ longrightarrow \ 4 \ CO_ {2} \ +6 \ H_ {2} O}}$

${\ displaystyle \ mathrm {2 \ NO + \ 2 \ CO \ longrightarrow \ N_ {2} \ +2 \ CO_ {2}}}$

Il prerequisito per questo è un rapporto stechiometrico costante del carburante (λ = 1) di 14,7 chilogrammi di aria per chilogrammo di benzina premium (95 ottani) e 14,8 chilogrammi di aria per chilogrammo di benzina normale (91 ottani). Per il carburante a base di etanolo, il rapporto stechiometrico è 9: 1. Anche una leggera deviazione nella fascia magra (λ> 1; eccesso di aria) provoca un improvviso aumento delle emissioni di ossido di azoto dopo il convertitore catalitico, poiché è disponibile troppo poco CO per la riduzione. La miscela viene quindi regolata tra il rapporto stechiometrico e leggermente ricco. Il convertitore catalitico a tre vie può essere utilizzato solo nei veicoli con motore a benzina e controllo lambda basato su una sonda lambda . Per poter tamponare deviazioni piccole e a breve termine da λ = 1, vengono utilizzati componenti per l'immagazzinamento dell'ossigeno come l'ossido di cerio (IV) .

Nei motori diesel e benzina a combustione magra , l'eccesso di ossigeno nei gas di scarico impedisce la riduzione di NO _x e richiede convertitori catalitici speciali (vedi convertitore catalitico NOx e #SCR (Selective Catalytic Reduction) ).

Catalizzatore non regolamentato

Agli albori della tecnologia dei convertitori catalitici, venivano utilizzati anche convertitori catalitici non controllati, in particolare nei veicoli economici con motori a benzina. Qui, la composizione della miscela aria-carburante non era regolata da una sonda lambda, ma solo il flusso dei gas di scarico era diretto attraverso il blocco del convertitore catalitico. Di conseguenza, la ripartizione dell'ossido di azoto nell'intervallo di carico parziale del motore frequentemente utilizzato, in cui una miscela povera (eccesso di aria) fornisce prestazioni di guida sufficienti e una composizione della miscela corrispondente era preferita nella progettazione del veicolo per motivi di risparmio di carburante, è stata di conseguenza preferita peggio. In particolare nei motori con carburatori che erano presenti prevalentemente fino alla fine degli anni '80 , la progettazione della miscela aria-carburante non era possibile con la stessa precisione dei motori con iniezione nel collettore , che si è quindi affermata nei veicoli costruzione da allora.

Per i motocicli (dal 2018) sono anche oggi catalizzatori ancora parzialmente non regolamentati; Nel caso delle piccole motociclette, in particolare , lo sforzo tecnico ed economico per un convertitore catalitico regolamentato spesso non è utile. Le normative sulle emissioni consentono emissioni significativamente più elevate.

Catalizzatore di ossidazione

Motore diesel

I catalizzatori di ossidazione diesel (DOC dall'inglese convertitore catalitico di ossidazione diesel ) rimuovono il monossido di carbonio (CO) e gli idrocarburi dai gas di scarico dei motori diesel mediante ossidazione con l'ossigeno residuo:

${\ displaystyle \ mathrm {2CO + \ O_ {2} \ longrightarrow 2CO_ {2}}}$

${\ displaystyle \ mathrm {C_ {n} H_ {m} + (n + m / 4) \ O_ {2} \ longrightarrow n \ CO_ {2} + m / 2 \ H_ {2} O}}$

I motori diesel non bruciano una miscela aria-carburante preparata. Il carburante viene aggiunto all'aria compressa all'interno del motore. La combustione stessa è solo localmente stechiometrica o anche con mancanza di ossigeno. Poiché il carburante non è distribuito uniformemente, l'intera combustione porta ad un elevato eccesso di aria e quindi a λ  > 1. Vi sono quindi concentrazioni di ossigeno elevate nei gas di scarico. Pertanto, la riduzione di NO _x non _è possibile come con il convertitore catalitico a tre vie. Tuttavia, le emissioni di C _n H _m e CO possono essere ridotte utilizzando un catalizzatore di ossidazione. Le reazioni di ossidazione avvengono allo stesso modo del convertitore catalitico a tre vie. A causa delle temperature dei gas di scarico significativamente più basse rispetto ai motori a benzina, i convertitori catalitici di ossidazione diesel sono spesso installati vicino al collettore di scarico , il washcoat contiene solo platino o palladio o una combinazione.

La riduzione al minimo degli NO _x dei motori diesel può avvenire inizialmente attraverso misure interne del motore, ovvero l'influenza mirata della combustione, ad esempio attraverso il ricircolo parziale dei gas di scarico . Tuttavia, ciò è possibile solo entro limiti ristretti, poiché altrimenti le emissioni di fuliggine aumenteranno e la potenza del motore diminuirà. Oggi, il maggiore utilizzo di convertitori catalitici ad accumulo di NO _x o convertitori catalitici SCR sta riducendo le emissioni di NO _x dei veicoli diesel.

Un lavoro più recente riguarda l'uso della perovskite nei convertitori catalitici dei veicoli per motori diesel che funzionano con ossigeno in eccesso al fine di migliorarne l'efficienza. L'ossigeno contenuto nei gas di scarico impedisce l'utilizzo dei convertitori catalitici convenzionali. Il drogaggio di catalizzatori contenenti perovskite con palladio aumenta la resistenza all'avvelenamento da zolfo.

Motore a benzina a due tempi

Inoltre, i motori a benzina a due tempi , come vengono ad esempio installati oggi nelle motociclette di piccola cilindrata, possono essere dotati di un catalizzatore di ossidazione. Un catalizzatore ossidante può ridurre le emissioni di CO e le emissioni di C _m H _n , che sono notevoli nei motori a benzina a due tempi . Esistono convertitori catalitici a ossidazione retrofit per i veicoli a motore più vecchi con motori a benzina a due tempi, come la Trabant . Tuttavia, questi erano usati raramente perché non erano tecnicamente abbastanza maturi e avevano un prezzo antieconomico. In generale, tuttavia, le emissioni inquinanti dei motori a due tempi non possono essere ridotte tanto rispetto ai motori a benzina e diesel a quattro tempi a causa delle perdite di lavaggio (alta percentuale di gas fresco nei gas di scarico) e della combustione dell'olio (quando lavaggio dell'alloggiamento). Tuttavia, il principio di funzionamento del motore a due tempi con una temperatura di combustione piuttosto bassa significa anche che vengono prodotti fin dall'inizio una quantità significativamente inferiore di ossidi di azoto rispetto al motore a quattro tempi.

Convertitore catalitico ad accumulo NO _x

I moderni motori a benzina a combustione magra funzionano con un eccesso di ossigeno per aumentare l'efficienza del motore. I catalizzatori convenzionali non possono quindi essere utilizzati. L'ossidazione di CO e C _m H _n è ancora possibile nell'eccesso di ossigeno (λ> 1) analogo al convertitore catalitico a tre vie convenzionale, ma si producono più ossidi di azoto (NO _x ). La loro riduzione catalitica è possibile solo in una miscela di gas di scarico da stechiometrica a ricca. Questi nuovi motori richiedono quindi un tipo di convertitore catalitico ulteriormente sviluppato con elementi chimici aggiuntivi che consentano lo stoccaggio intermedio degli ossidi di azoto. Per rispettare gli attuali standard sulle emissioni, le auto diesel sono inoltre dotate di convertitori catalitici di accumulo NO _x .

A supporti adatti vengono applicati un catalizzatore di metallo nobile come il platino e un componente di immagazzinamento di NO _x , che di solito è un composto di un metallo alcalino terroso come carbonato di bario o ossido di bario . Nell'atmosfera povera, cioè ricca di ossigeno, gli ossidi di azoto vengono legati sotto forma di nitrati come il nitrato di bario sotto l'azione del catalizzatore di metallo nobile e vengono così rimossi dal flusso dei gas di scarico. Come risultato del regolare "arricchimento" a breve termine, queste reazioni avvengono nella direzione opposta, per cui le molecole di NO _x vengono rilasciate nuovamente nel flusso dei gas di scarico e attraverso i componenti riducenti presenti nell'atmosfera ricca come C _m H _n - idrocarburi bruciati in modo incompleto - e / o CO possono essere nuovamente ridotti - idealmente a N o N ₂ . Il catalizzatore ad accumulo può immagazzinare NO _{x solo} in un intervallo di temperatura compreso tra 250 e 500 ° C. Questa finestra di temperatura si ottiene utilizzando tubi di scarico a tre tubi o bypass di scarico.

Se la capacità di assorbimento del convertitore catalitico è esaurita, l'elettronica del motore imposta brevemente una miscela di gas di scarico ricca e riducente (per circa due secondi). In questo ciclo breve e ricco, gli ossidi di azoto temporaneamente immagazzinati nel convertitore catalitico vengono ridotti ad azoto, preparando così il convertitore catalitico per il successivo ciclo di stoccaggio. Questa procedura dovrebbe consentire di ridurre al minimo le emissioni inquinanti dei motori economici a combustione magra e di rispettare i valori limite applicabili delle norme Euro . La capacità di assorbimento (da 60 a 90 secondi circa) è monitorata da un sensore NO _x .

SCR (riduzione catalitica selettiva)

Un altro metodo per ridurre gli ossidi di azoto è la riduzione catalitica selettiva . La soluzione acquosa standardizzata di urea AUS 32 viene iniettata continuamente nel flusso dei gas di scarico , ad esempio per mezzo di una pompa dosatrice . Lì l'urea reagisce con gli ossidi di azoto nel gas di scarico al convertitore catalitico SCR in una reazione redox per formare azoto elementare (N ₂ ) e acqua. Il processo SCR è ora utilizzato in numerosi veicoli passeggeri e commerciali con motori diesel, principalmente per rispettare i valori limite dei gas di scarico secondo Euro 4, Euro 5 ed Euro 6.

Rispetto degli attuali limiti sulle emissioni di gas di scarico

Convertitore catalitico vicino al motore di Emitec (tipo Metalit) per i modelli sportivi compatti della Renault Twingo Sport da 1,6 litri con una potenza di 98 kW.

Abbreviando drasticamente la fase di marcia a freddo , le emissioni dei veicoli potrebbero essere notevolmente ridotte. La fase di avviamento a freddo può essere abbreviata con le seguenti misure:

• Installazione del catalizzatore il più vicino possibile al motore, ad esempio direttamente dietro il collettore di scarico . Questa misura richiede materiali molto resistenti al calore e un ottimo flusso al convertitore catalitico
• Iniezione d'aria davanti al catalizzatore mediante soffiante d'aria secondaria per riscaldare più rapidamente il catalizzatore attraverso una reazione esotermica (postcombustione dei restanti componenti del carburante)

• Tubi di scarico a doppia parete in modo che i gas di scarico caldi non possano raffreddarsi così rapidamente
• convertitore catalitico riscaldato elettricamente,
• Accensione ritardata.

Nella maggior parte dei veicoli di produzione, la disposizione del convertitore catalitico accoppiato si è affermata in quanto questo è il metodo più economico ed efficiente in termini di consumo di carburante.

I cosiddetti gatti di aggiornamento sono stati offerti come soluzione di retrofit (principalmente per i veicoli più vecchi con classificazione Euro 1 standard) negli anni '90. Oltre all'effetto di una migliore compatibilità ambientale sia nella fase di funzionamento a freddo che in quella a caldo (in contrasto con il controllore a freddo), questo era solitamente anche associato a una classificazione in una migliore classe di inquinanti , che in alcuni casi potrebbero comportare risparmi significativi nella tassa sui veicoli .

Ulteriori sviluppi

Al fine di rispettare i limiti dei gas di scarico futuri, ancora più severi, sono attualmente necessarie varie fasi di sviluppo per i convertitori catalitici:

• rivestimenti migliorati, in modo che, a seconda dell'applicazione, gli ossidi di azoto (NO _x ) possano essere temporaneamente immagazzinati durante la fase di avviamento a freddo e quindi convertiti in gas di scarico non critici quando il convertitore catalitico è caldo.
• Producendo monoliti del convertitore catalitico a pareti estremamente sottili, è importante ottenere un avvio più rapido del convertitore catalitico e allo stesso tempo ridurre la contropressione dei gas di scarico. Ciò è anche associato a un minor consumo di carburante.
• migliore reazione delle molecole dei gas di scarico con i metalli preziosi modificando il profilo di flusso . Un cosiddetto flusso turbolento può essere ottenuto mediante scanalature trasversali o aperture nel monolite del convertitore catalitico, mentre i canali piccoli e lunghi dei monoliti del convertitore catalitico convenzionali raggiungono un profilo di flusso laminare. Esistono già scanalature trasversali o aperture nei convertitori catalitici metallici, che vengono utilizzati anche nella produzione su larga scala.

Legislazione sulle emissioni

In alcune parti degli Stati Uniti, i convertitori catalitici sono stati obbligatori dal 1974 (a quel tempo non regolamentati). In Europa , la Svizzera ha prescritto per la prima volta i convertitori catalitici per tutte le nuove auto dal 1986 in poi; altri paesi come l'Austria e la Svezia hanno presto seguito l'esempio. Alla fine del 1984 la Germania decise di rendere obbligatoria l'installazione di marmitte catalitiche sui nuovi veicoli a partire dal 1989. L'uso dei convertitori catalitici è stato notevolmente accelerato grazie a incentivi fiscali e dal 1993 sono stati consentiti solo i nuovi veicoli con convertitori catalitici a tre vie. L'introduzione della tecnologia del convertitore catalitico è stata ritardata dal fatto che fino alla metà degli anni '80 è stato venduto solo carburante con piombo, il che, come veleno da contatto, rende il convertitore catalitico inutilizzabile perché i produttori di veicoli e carburante, nonché gli utenti di automobili, erano inizialmente critici nei confronti del introduzione di carburanti senza piombo.

Dal 1996 in California e successivamente anche nell'UE, i convertitori catalitici dei veicoli devono essere monitorati da un sistema diagnostico. In caso di malfunzionamento del convertitore catalitico, il conducente è pregato di recarsi in un'officina con la spia di controllo del motore .

critica

Una piccola percentuale di metalli preziosi dai convertitori catalitici viene rilasciata nell'ambiente e può essere rilevata sul ciglio della strada. Il carico su strade molto trafficate è di pochi µg / kg nella massa di erba secca. Uno studio del 2003 è giunto alla conclusione che non ci si dovevano aspettare perdite di resa e crescita ridotta dei raccolti e che le concentrazioni determinate "non erano ancora rilevanti per la salute umana".

Guarda anche

• Depurazione dei gas di scarico
• Convertitore catalitico a tre vie
• Riduzione catalitica selettiva
• Sistema di aria secondaria
• Controllo lambda
• Sonda lambda
• Controller per funzionamento a freddo
• Filtro antiparticolato diesel
• Filtro antiparticolato Otto
• smog
• Inquinamento dell'aria
• pioggia acida

letteratura

• Christopher Neumaier: L'introduzione dell'auto “ecologica” negli anni '80 nel teso rapporto tra affari, politica e consumi . In: European History Topic Portal , 2012 (sull'introduzione del catalizzatore in Europa).

link internet

• Tipi di catalizzatori e diagrammi , kfztech.de
• Le fibre dei convertitori catalitici / filtri antiparticolato diesel vengono rilasciate nell'ambiente che potrebbero rappresentare un rischio per il pubblico in generale? dkfg.de (PDF; 5 MB)
• I catalizzatori producono anche polvere fine , handelsblatt.com, a partire dal 2 novembre 2015
• GSF: catalizzatori nei veicoli a motore: amico o nemico per l'ambiente e la salute? stopp-duebodo.de, accesso 2 novembre 2015 (file PDF)

Prove individuali

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