Λύσεις — Καταλυτικοί Μετατροπείς (σελ. 167-174) – ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Καταλυτικοί Μετατροπείς

Λύσεις στις εργασίες των Ασκήσεων 25-26: είδη καταλυτών και βασικές διαφορές τους, σύγκριση ορίων ρύπων καταλυτικού και συμβατικού αυτοκινήτου.

Είδη καταλυτών και βασικές διαφορές τους

Ερώτηση: Να αναγνωρίσετε τα είδη των καταλυτών και να περιγράψετε τις βασικές μεταξύ τους διαφορές.

Απάντηση:

• Ταξινομούμε τους καταλύτες με βάση τη λειτουργία: οξειδωτικοί (διοδικοί, CO και HC) και τριοδικοί (επιπλέον αναγωγή των NOx).
• Ταξινομούμε με βάση την κατασκευή: κεραμικοί (τοιχώματα 0,15-0,20 mm) και μεταλλικοί (τοιχώματα 0,05-0,07 mm, μικρότερος όγκος).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Οι καταλύτες διακρίνονται σε δύο κατηγορίες, ανάλογα με το κριτήριο ταξινόμησης. Ανάλογα με τη λειτουργία τους, υπάρχουν οι οξειδωτικοί ή διοδικοί καταλύτες, που εκτελούν μόνο οξειδωτικές αντιδράσεις μετατρέποντας το μονοξείδιο του άνθρακα (CO) σε διοξείδιο (CO2) και τους υδρογονάνθρακες (HC) σε CO2 και νερό, και οι οξειδωτικοί-αναγωγικοί ή τριοδικοί καταλύτες, που εκτελούν επιπλέον και αναγωγικές αντιδράσεις, μετατρέποντας τα οξείδια του αζώτου (NOx) σε άζωτο (N2)· η βασική τους διαφορά είναι λοιπόν ότι ο τριοδικός επεξεργάζεται και ένα τρίτο ρύπο (τα NOx) που ο απλός οξειδωτικός αφήνει ανεπεξέργαστο, ενώ εξωτερικά οι δύο τύποι είναι πανομοιότυποι και διακρίνονται μόνο εργαστηριακά. Ανάλογα με την κατασκευή τους, υπάρχουν οι κεραμικοί καταλύτες, με εσωτερικό σκελετό (μονόλιθο) από κεραμικό υλικό που σχηματίζει εκατοντάδες κανάλια τετραγωνικής διατομής με πάχος τοιχώματος 0,15-0,20 mm, και οι μεταλλικοί καταλύτες, με σκελετό από κυματοειδές μεταλλικό έλασμα τυλιγμένο κυκλικά, με πολύ λεπτότερα τοιχώματα (0,05-0,07 mm) κατασκευασμένα από χάλυβα ανθεκτικό στη θερμότητα/διάβρωση· λόγω του λεπτότερου πάχους τοιχωμάτων, οι μεταλλικοί καταλύτες είναι περίπου κατά το ήμισυ μικρότεροι σε όγκο από τους αντίστοιχους κεραμικούς. Και στους δύο τύπους, στο εσωτερικό των καναλιών υπάρχουν επιστρώσεις πλατίνας και ροδίου, που καταλύουν τις αντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής αντίστοιχα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ανάλογα με λειτουργία: οξειδωτικός (CO,HC) vs τριοδικός (+NOx). Ανάλογα με κατασκευή: κεραμικός (μονόλιθος κεραμικός, παχύτερα τοιχώματα) vs μεταλλικός (μεταλλικό έλασμα, λεπτότερα τοιχώματα, μικρότερος όγκος)

Σύγκριση ρύπων καταλυτικού και συμβατικού αυτοκινήτου

Ερώτηση: Να συγκρίνετε τις τιμές μέτρησης των ρύπων σε ένα καταλυτικό και σε ένα συμβατικό αυτοκίνητο.

Απάντηση:

• Διαβάζουμε από τον πίνακα ορίων του βιβλίου τις τιμές CO και HC για ρελαντί και για 2.500 ± 300 στροφές/λεπτό, για κάθε είδος τεχνολογίας.
• Συγκρίνουμε τον ρυθμιζόμενο τριοδικό καταλύτη με τα συμβατικά οχήματα (πριν και μετά την 1/10/86) και σημειώνουμε ότι μόνο στον καταλύτη ορίζεται και ο λόγος λ (0,97-1,03).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Σύμφωνα με τον πίνακα ορίων εκπομπής ρύπων, οι τιμές είναι πολύ χαμηλότερες στα καταλυτικά αυτοκίνητα σε σχέση με τα συμβατικά (χωρίς καταλύτη). Στο ρελαντί, ένα αυτοκίνητο με ρυθμιζόμενο τριοδικό καταλύτη πρέπει να έχει μονοξείδιο του άνθρακα (CO) κάτω από 0,5% και υδρογονάνθρακες (HC) κάτω από 120 ppm, ενώ ένα συμβατικό όχημα χωρίς καταλύτη, με πρώτη άδεια πριν από την 1/10/86, επιτρέπεται να έχει έως 4,5% CO και 800 ppm HC και ένα συμβατικό όχημα με πρώτη άδεια από την 1/10/86 και έπειτα έως 3,5% CO και 500 ppm HC — δηλαδή πολλαπλάσιες τιμές ρύπων. Στις 2.500 ± 300 στροφές/λεπτό, ο ρυθμιζόμενος τριοδικός καταλύτης πρέπει να έχει CO κάτω από 0,3% και HC κάτω από 100 ppm, ενώ τα συμβατικά οχήματα επιτρέπεται να έχουν έως 4% CO και 700 ppm HC (πριν από την 1/10/86) ή έως 3% CO και 400 ppm HC (από την 1/10/86 και έπειτα). Ενδιάμεσα βρίσκεται ο αρρύθμιστος τριοδικός καταλύτης (CO<1,2% και HC<220 ppm στο ρελαντί, CO<1% και HC<200 ppm στις 2.500 στροφές/λεπτό). Επιπλέον, ο τριοδικός καταλύτης πρέπει να διατηρεί την περίσσεια αέρα (λόγο λ) πολύ κοντά στη στοιχειομετρική τιμή, μεταξύ 0,97 και 1,03, κάτι που δεν απαιτείται στα συμβατικά οχήματα χωρίς σύστημα ελέγχου λ. Συνολικά, η σύγκριση δείχνει ότι ο καταλύτης, σε συνδυασμό με το ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου του μίγματος, μειώνει δραστικά τους εκπεμπόμενους ρύπους CO και HC σε σχέση με ένα συμβατικό όχημα χωρίς καταλύτη.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Το καταλυτικό όχημα έχει πολύ χαμηλότερα όρια ρύπων (π.χ. CO<0,5%, HC<120 ppm στο ρελαντί) σε σχέση με το συμβατικό (χωρίς καταλύτη, έως CO<4,5%, HC<800 ppm) — σχεδόν δεκαπλάσια διαφορά
• Σημείωση: ο πίνακας του βιβλίου γράφει τη μονάδα των υδρογονανθράκων ως «%»· οι τιμές (π.χ. 120, 800) αντιστοιχούν σε ppm.