Trevejs katalysator

Den trevejskatalysator ( TWC af engelsk trevejs katalysator ) er et køretøj katalysator med lambda styring til røggasbehandling for køretøjer med en benzinmotor , hvori carbonmonoxid (CO), nitrogenoxider (NO _x ) og uforbrændt carbonhydrider (HC) til kuldioxid (CO ₂ ), nitrogen (N ₂ ) og vand (H ₂ O). Navnet skyldes den samtidige omdannelse af de tre luftforurenende stoffer .

For at sikre en høj grad af omdannelse af de forurenende stoffer, den forbrændingsluft luftforhold (luft-brændstof-forholdet eller "luft-forholdet" lambda ) skal holdes i et snævert interval omkring den såkaldte lambda vindue ved hjælp af en kontrol kredsløb med en lambdasonde . Den regulerede trevejskatalysator omdanner over 90 procent af de forurenende stoffer til uskadelige komponenter og reducerer således en forbrændingsmotors emissioner af forurenende stoffer betydeligt . ${\ displaystyle \ lambda}$${\ displaystyle \ lambda = 1}$

historie

Eugene Houdry udviklede den første oxidationskatalysator og fik patent på den i 1956. Katalysatoren blev dog ikke brugt, da oktanforbedrende bly tetraethyl hurtigt gjorde det ineffektivt. Indførelsen af ​​trevejskatalysatoren er tæt knyttet til kravene i lovgivningen om emissioner. Ud over den tekniske udfordring at udvikle en katalysator, der samtidig fjerner alle skadelige komponenter fra udstødningsgassen, var infrastrukturelle foranstaltninger såsom eliminering af tetraethylbly fra benzin nødvendige, da det fungerer som en katalysator- gift. Derudover var en reduktion i indholdet af svovlforbindelser i brændstoffet ønskelig.

For at imødekomme de strengere emissionsbestemmelser fra US American Environmental Protection Agency blev køretøjer oprindeligt udstyret med tovejs oxidationskatalysatorer, der omdannede kulilte og uforbrændte kulbrinter til kuldioxid og vand, men fjernede ikke nitrogenoxider fra udstødningsgassen. . Den første landsdækkende introduktion fandt sted i 1975 på det amerikanske marked. Gennembruddet kom med John J. Mooney og Carl D. Keith i 1981 med udviklingen af ​​trevejskatalysatoren.

effekt

Forureningsstofferne carbonmonoxid, uforbrændte kulbrinter og nitrogenoxider fjernes fra udstødningsgassen i overensstemmelse med følgende ligninger:

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

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

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

Hvis der er en afvigelse fra det støkiometriske forhold mellem luft-brændstof ( ) og en "magert" blanding (overskydende luft ), nedbrydes ikke alle nitrogenoxider, da de krævede reduktionsmidler oxideres på forhånd. Hvis blandingen er “rig” (mangel på luft ), nedbrydes ikke alle kulbrinter og kulilte. En kortvarig afvigelse kan absorberes af iltreservoiret. ${\ displaystyle \ lambda = 1}$${\ displaystyle \ lambda> 1}$${\ displaystyle \ lambda <1}$

På grund af efterbehandlingen af ​​udstødningsgassen er det nødvendigt at give afkald på kørsel med en slank blanding for at forbedre brændstofforbruget i visse områder med motordrift.

I ældre modeller blev sulfat adsorberet på katalysatoren også reduceret til hydrogensulfid i det rige område og forårsaget en ubehagelig lugt af rådne æg.

En anden sidereaktion kan danne ammoniak i katalysatoren . Køretøjer med katalysatorer udsender mellem 20 og 50 mg ammoniak pr. Kørt kilometer. Kvælstofindikatorer såsom gul lav ( Xanthoria perietina ) er fundet på travle veje . I Tyskland skyldes omkring 2% af ammoniakemissionerne trafik.

${\ displaystyle \ mathrm {2 \ NO \ + \ 5 \ H_ {2} \ \ longrightarrow \ 2 \ NH_ {3} \ + \ 2 \ H_ {2} O}}$

Cerium (IV) oxid anvendes som en iltlagerkomponent og tilfører ilt i det rige område i overensstemmelse med følgende ligning:

${\ displaystyle \ mathrm {4 \ CeO_ {2} \ + \ 2 \ CO \ {\ xrightarrow {Pt, Pd}} \ 2 \ Ce_ {2} O_ {3} \ + \ 2 \ CO_ {2}}}$

I overskud af ilt dannes startkomponenten igen:

${\ displaystyle \ mathrm {2 \ Ce_ {2} O_ {3} \ + \ O_ {2} \ longrightarrow 4 \ CeO_ {2}}}$

Fire-vejs katalysator

I nogle applikationer kombineres trevejskatalysatoren med et benzinpartikelfilter . Kombinationen kaldes en firevejskatalysator.

Fremstilling

Katalysatoren består af et keramisk kordierit-bikagekropp eller en metalbærer, hvorpå en såkaldt vascoat påføres. Vaskulakken består af en blanding af forskellige metaloxider. Metaloxiderne y- aluminiumoxid og zirconiumdioxid repræsenterer bærestofferne for de katalytisk aktive ædle metaller såsom platin , palladium og rhodium , ceria tjener som en iltlagerkomponent. Cordierite bikagekroppen svejses ind i et metalpladehus til installation i køretøjet, som er foret med en mineralfibermåtte for at forsegle og mekanisk holde monolitten. Metalstøtter kan svejses direkte i udstødningssystemet.

Underlag

Metalsubstratkatalysator

En keramisk monolit med en bikagestruktur bruges normalt som substrat. Det keramiske substrat af cordierite, der blev brugt i de fleste katalysatorer, blev opfundet af Rodney Bagley, Irwin Lachman og Ronald Lewis hos Corning Glass. Til denne opfindelse blev de optaget i US National Inventors Hall of Fame i 2002.

Afhængig af kanalstørrelsen har de keramiske monolitter et geometrisk overfladeareal på omkring en til fem kvadratmeter pr. Liter katalysatorvolumen.

Vaskfrakke

For at fremstille katalysatoren produceres først en sur metaloxidsuspension . Dette kan påføres cordieritbæreren ved forskellige metoder. I det enkleste tilfælde er bikagekroppen nedsænket i suspensionen. Den overskydende suspension blæses ud, den overtrukne bikage tørres derefter og kalcineres . De fine kanaler i bikagekroppen indeholder derefter et tyndt lag af en metaloxidblanding. I det næste trin imprægneres dette lag med saltopløsninger af ædle metaller. De ædle metaller er fastgjort på bæreren ved yderligere tørring og kalcinering. Alternativt kan ædle metaller imprægneres på metaloxiderne, før cordieritbæreren overtrækkes. Endelig pakkes katalysatoren i en mineralfibermåtte og svejses ind i en metalplade.

tekniske funktioner

Ud over dets kemiske sammensætning er vigtige tekniske egenskaber ved en trevejskatalysator dens lys-opførsel, tryktab , termisk chokadfærd og vaskcoatadhæsion.

Problem med fuld belastning berigelse

I benzinmotorer til personbiler er det almindelig praksis at maksimere ydeevnen i fuldlastområdet ved at berige brændstof-luftblandingen. Man taler om fuld belastning, når maksimal effekt kaldes op ("fuld gas"). For at gøre dette skal brændstof-luft-blandingen gøres lidt beriget i forhold til delbelastning, da flammehastigheden er højere i let rige blandinger (hurtigere såkaldt gennembrænding af blandingen). Hvor meget blandingen beriges afhænger af programmeringen af ​​den respektive motorstyringsenhed; Værdier op til λ  = 0,8 er almindelige (pr. 2018). Derudover forbedres den interne afkøling af forbrændingskamrene ved fuld belastning: Da fordampningen af ​​brændstof kræver energi, køles forbrændingskamrene yderligere af det ekstra brændstof.

Den ufuldstændige forbrænding får udstødningsgastemperaturen til at falde, hvilket betyder, at motorens driftspunkter kan nås, hvor udstødningsmanifolden, turboladeren eller katalysatoren ville blive ødelagt uden berigelse.

Ved at afvige fra mister trevejskatalysatoren en del af dens effektivitet, da kulbrinter og kulilte ikke længere kan omdannes fuldstændigt. En offentlig diskussion om dette problem er uønsket. Fuld belastning er en teknik, der blev brugt i karburatormotorer for årtier siden. ${\ displaystyle \ lambda = 1}$

I den foregående NEDC- cyklus blev der ikke kaldt op til høje accelerationer, som dem, der er almindelige, når man kører på autobanen, så der ikke, i modsætning til i praksis, under fuldstændig belastning under disse testbetingelser fandt sted og følgelig ikke var inkluderet i målingen. I WLTP- cyklussen, der har været i kraft siden 2017, og testene i henhold til RDE- reglerne, er accelerationerne betydeligt højere. I RDE-testen skal der dog ikke overholdes nogen grænseværdi for kulilte; i øjeblikket (2019) er kun nitrogenoxider og partikler begrænset der.

litteratur

• Bosch, teknisk instruktion: udstødningsteknologi til benzinmotorer . Robert Bosch GmbH KH / VDT, Stuttgart, Bosch nr.: 1 987 722 020.
• Bosch, teknisk orientering: Motronic . Kombineret tændings- og indsprøjtningssystem til benzinmotorer, 2. udgave, Robert Bosch GmbH KH / VDT, Stuttgart, september 1985, Bosch nr.: 1 987 722 011.
• H. Bode: Materialeaspekter i bilkatalysatorer . Verlag Wiley-VCH (2002), ISBN 3527304916 .
• RM Heck: Katalytisk luftforureningskontrol: Kommerciel teknologi . 544 sider, udgivet af John Wiley & Sons (2009), ISBN 0470275030 .

Weblinks

• Katalysatoren til udstødningsgassen - Otto og Diesel Kat på kfztech.de, adgang til den 25. november 2014

Individuelle beviser

1. ^ Bosch: Teknisk orientering Motronic . S. 41.
2. J JJ Mooney, CD Falk: Trevejskonverteringskatalysatorer: Effekt af tilbagekoblingskontrol med lukket sløjfe og andre parametre på katalysatoreffektivitet . I: SAE Technical Papers , doi : 10.4271 / 800462 .
3. ↑ LUBW: Ammoniak i miljøet. Måleprogrammer og måleresultater 2003–2007. ( Memento af den oprindelige fra den 14. juli, 2014 af Internet Archive ) Info: Den arkivet link automatisk blev indsat og endnu ikke kontrolleret. Kontroller original- og arkivlinket i henhold til instruktionerne, og fjern derefter denne meddelelse. (PDF; 1,9 MB), december 2008. @ 1@ 2Skabelon: Webachiv / IABot / www.lubw.baden-wuerttemberg.de
4. ↑ Christof Vieweg: fint støv: benzinmotorer har også brug for et filter . I: Tiden . 25. februar 2017, ISSN  0044-2070 ( zeit.de [adgang til 26. februar 2020]). 
5. ^ Robert Bosch GmbH (red.): Otto-motorstyring: systemer og komponenter . 2. udgave, Vieweg, Braunschweig / Wiesbaden 2003, ISBN 9783322939296 , s.19 .
6. ^ Robert Bosch GmbH (red.): Otto-motorstyring: systemer og komponenter . 2. udgave, Vieweg, Braunschweig / Wiesbaden 2003, ISBN 9783322939296 , s. 102.
7. ↑ Klaus Schreiner: Grundlæggende kendskab til forbrændingsmotoren: Spørgsmål - beregne - forstå - eksisterer . Springer, Wiesbaden 2014, ISBN 9783658061876 , s. 112.
8. ↑ Dieter Klemp, Djuro Mihelčić, Bernhard Mittermaier: Måling og evaluering af trafikemissioner . Bind 21 af publikationer fra Forschungszentrum Jülich: Energie et Umwelt-serien , Forschungszentrum Jülich, 2012, ISBN 9783893365463 , s. 143 ff.
9. ↑ Emissionsstandarder: Europa: Biler og lette lastbiler. Hentet 15. april 2019 .