Témata
Reklama

Elektricky vyhřívané katalyzátory snižují emise po startu

Automobilové emise odcházejí do ovzduší nejvíce v prvních minutách po startu vozidla. Běžné katalyzátory se totiž teprve \\\\\\"probouzejí\\\\\\". Elektricky vyhřívané katalyzátory přinášejí výrazné zlepšení.

Přes 80 % celkových automobilových škodlivin, především uhlovodíků, vzniká v prvních minutách po startu. Ani vozy s katalyzátory na tom nejsou lépe, dokud se katalyzátor nezahřeje na optimální pracovní teplotu. Zlepšení ve splnění přísných emisních limitů přináší elektricky vyhřívané katalyzátory.
Reklama
Reklama
Reklama

Emisní limity

V roce 2005 začne platit v Evropě předpis emisních limitů Euro Level 4, který je na úrovni limitů ULEV (Ultra Low Emission Vehicle s max. HC 0,08 g.míle-1, CO 1,7 g.míle-1 a NOx 0,2 g.míle-1), platných v Kalifornii. Pro výrobce je dnes výzvou poloviční limit SULEV (Super ULEV) a EZEV (Equal Zero Emission Vehicle), vstupující v platnost v Kalifornii (a možná i v celých USA) rokem 2003, a americký limit ZEV (Zero Emission Vehicle), který měl podle původních představ vstoupit v platnost v roce 1998. Ten je však tak nízký, že ho stávající motorinterní či motorexterní opatření neřeší a čeká spíše na alternativní koncepce motoru nebo paliva. Než se ty dostanou do praxe, zůstaneme pravděpodobně u katalyzátorů. V současnosti je zřejmé, že možnosti keramických nosičů katalyzátorů se blíží svému vyčerpání.

Kovové katalyzátory

Alternativou jsou katalyzátory s kovovým nosičem v tzv. hustém provedení (od počtu 62 buněk na cm2, maximum je dnes až 186 buněk na cm2).
Kovové katalyzátory první generace byly vyvinuty v USA v šedesátých letech. V roce 1978 vznikla ve vývoji německé firmy Emitec druhá generace s názvem Metalit, která využívala spirálně vinutou kovovou fólii pájenou novou technologií. Průlom do použití kovových katalyzátorů však umožnila teprve třetí generace s vinutím tvaru S v roce 1986, prvně použitá ve vozech Porsche 911 a BMW Alpina. K dalšímu vylepšení došlo zavedením vinutí fólie ve tvaru SM. V roce 2001 užívá kovové katalyzátory již 32 světových značek osobních a užitkových vozidel (podle referenčního listu Emitec od roku 1999 i vozy Škoda), 17 výrobců motocyklů a mopedů.
Uveďme několik významných předností, které tyto katalyzátory nabízejí:
• vysoká statická a dynamická pevnost při tahovém a ohybovém namáhání;
• vysoká odolnost vůči tepelné únavě;
• vysoká tepelná vodivost a odvod tepla;
• menší rozměry;
• nižší tlaková ztráta bránící ztrátě výkonu a zvýšení spotřeby paliva.

Tenká kovová fólie

Jádrem konstrukce je tenká kovová fólie tloušťky 0,3 až 0,5 mm. Díky tomu lze katalyzátoru předřadit malý startovací elektricky vyhřívaný katalyzátor (EVK) a podrobit ho vysokému tepelně-mechanickému namáhání, které by keramické monolity neunesly. I kovové fólie ale musí být kvalitnější - běžná ocel tloušťky 0,3 mm by také nebyla optimálním řešením.
Úspěch vývoje EVK umožnila nová fólie ze žáruvzdorné oceli Aluchrom 7AlYHf od firmy Krupp VDM, obsahující 20 % chromu, 7 % hliníku plus přísady yttria a hafnia. Vyrábí se v tloušťce 0,25 mm, s měrným elektrickým odporem 1,6 ?mm2.m-1 a je vhodná pro nanesení povlaku (wash-coatu) z palladia, platiny a rhodia. Na těch se pak uskutečňuje při teplotě nad 250 °C přeměna uhlovodíků, CO a NOx na oxid uhličitý, vodu a dusík s účinností 95 - 99 %. Předřazené katalyzátory se řeší buď jako čistě palladiové nebo jako platina-palladium-rhodiové. Nová fólie, která v SRN obdržela cenu Stahl-Innovationspreis 2000 za nejlepší inovaci oceli roku, umožňuje také výrobu katalyzátorů kónické konstrukce ConiCat s výhodnějším prouděním spalin a s o 15 % vyšší účinností. Nejnovější fólie s označením Super Foil mají tloušťku pouhých 0,03 mm, výrobně je dokonce možné jít až na 0,02 mm. Jsou vhodné i k výrobě podélně válcované vlnité fólie, jejíž vlnitý povrch (v příčném směru proti směru proudění spalin) má větší kontakt katalyzátoru se spalinami a zvyšuje jeho účinnost podle předběžných zkoušek až o 15 %.

Současný stav na trhu

Podíl kovových nosičů ve světě stále roste a odhaduje se na více než 20 % s tím, že v Evropě se předpokládalo již koncem roku 2000 jejich dominantní postavení. Největším výrobcem katalyzátorů s kovovým nosičem je firma Emitec se 60% podílem na světovém trhu (na druhém místě je finská Kemira Metalkat, dále Camet, Roth aj.). V roce 2001 Emitec předpokládá výrobu 52 mil. kusů kovových katalyzátorů Metalit, z toho 16 mil. kusů pro americký trh, vyráběných v závodě ve Fountain Inn v Jižní Karolině. Do roku 1996 se vyráběly kovové katalyzátory Metalit pouze v závodě v Lohmaru v SRN, později i v Japonsku v licenci v závodě Sumitomo Seimei v Ósace. Nový závod Emitec, s moderním vývojovým, zkušebním a konstrukčním centrem, zahájil provoz počátkem roku 2001 v německém Eisenachu.

Katalyzátor Emicat

Elektrické vyhřívání katalyzátoru Emicat je předřazeno jeho hlavnímu tělu. Má průměr 100 mm a délku 10 mm, s hmotností pouhých 30 g. Je odděleno keramickými izolátory a spojeno se zdrojem proudu. Nastavení elektrického odporu je v mezích 0,05 - 0,35 ? při výkonu 0,5 - 2 kW. Při 1,5 kW se katalyzátor při startu ohřeje během 10 s na teplotu 400 °C. Po dosažení ustáleného režimu pracovní teploty nad 300 °C se ohřev vypíná.
Provozní teplota spalin v katalyzátoru je ovlivněna jeho umístěním, konstrukcí sběrného výfukového potrubí a předního dílu, způsobem, jakým je řízeno spouštění, přívodem sekundárního vzduchu a hmotou katalyzátoru. Základní podmínkou konverze je seřízení motoru; v opačném případě se plní limity NOx, ale nedaří se plnit limity HC a CO.
Hlavním technickým problémem bylo vyřešení elektrické izolace vůči plášti z austenitické oceli. Bylo nutno dosáhnout dostatečné tuhosti a odolnosti vůči vibracím, příznivého vzduchového obtoku pro chlazení a integrálního spojení elektricky vyhřívané části s nevyhřívanou.
Katalyzátor je připojen ke zdroji proudu (12V akumulátor) přes elektronický spínač. Dále je ovládacím a diagnostickým kabelem (pro on-board diagnózu) propojen s elektronickým řídicím blokem motoru, který zabezpečuje vyhřívání katalyzátoru a ovládá nasávání sekundárního vzduchu.
Vyvinutý katalyzátor prošel vedle simulačních testů únavovými zkouškami při vibracích za studena i za tepla, analýzou proudění a teplotních polí, zkouškami tepelných cyklů a provozními testy v cyklech FTP a ECE. Již po 16 s ohřevu podle testů v cyklech FTP (ECE) je dosaženo emisních hodnot HC 0,031 g.míle-1 (0,045 g.km-1), CO 0,46 g.míle-1 (0,66 g.km-1) a NOx 0,036 g.míle-1 (0,043 g.km-1). Tím je splněn nejen limit ULEV, ale také přísnější SULEV a Euro Level 4. K dosažení těchto hodnot přispívá i předřazení absorbéru pro uhlovodíky, který do dosažení teploty 150 °C zadržuje nespálené uhlovodíky na wash-coatu ze zeolitu. Po ohřátí je uvolní do EVK, kde konvertují na CO2 a vodu.

Inovace katalyzátorů pro vznětové motory

U moderních TDI motorů již samo umístění katalyzátoru přispělo k tomu, že limity EU 3 pro HC a CO byly splněny už dříve a obsah emisí se snížil až o 30 %, resp. 40 %. Katalyzátor je totiž zařazen před turbokompresor, kde pracuje s vyšší teplotou spalin (Pre-Turbo Catalyst - PTC). Dalšího zlepšení lze dosáhnout hybridní konstrukcí s rozdílnou tepelnou kapacitou přední a zadní části katalyzátoru, užitím perforované fólie jako filtru pro zachycování částic a zařazením absorbéru emisí NOx, jejichž podíl není PTC ovlivněn.

Světová sériová premiéra

Pro první sériové nasazení elektricky vyhřívaného katalyzátoru Emicat vybrala firma BMW v roce 1999 vůz BMW Alpina B 12 v realizaci společného projektu firem Emitec, BMW, Kostal, Bosch a Siemens. Tento EVK má výkon 2 kW, průměr 90 mm, délku 11 mm, objem 0,07 dm3, hustotu buněk 62 buněk/cm2 a wash-coat 5,3 g.dm-3 ve složení Pt : Pd : Rh 1 : 28 : 1. Pro jeho provoz postačuje standardní baterie 110 Ah/12 V a standardní alternátor 150 A. Cena EVK zatím nebyla zveřejněna. Těmito katalyzátory začaly být posléze vybavovány vozy vyšších tříd a vozy určené na export do USA.

Vývoj řešil i recyklaci

Protože vstup v platnost nové evropské směrnice o recyklaci vozů, které budou vyrobeny po 1. 7. 2003 je již za dveřmi, byla řešena i otázka recyklace kovových katalyzátorů. Na rozdíl od jiných částí vozů je recyklace těchto katalyzátorů kvůli tomu, že obsahují platinu, palladium a rhodium, ekonomicky zajímavá. Po demontáži z vozu se katalyzátory drtí, separuje se wash-coat s drahými kovy. Kovový granulát se třídí magneticky na magnetickou feritickou drť fólie a na nemagnetickou austenitickou drť pláště, které se odděleně materiálově recyklují přetavením. Existují pak technologie (např. od firmy Degussa), které umožňují upravit granulát obsahující drahé kovy pro nové wash-coaty nebo vzájemně oddělit Pt, Pd a Rh.
Reklama
Vydání #12
Kód článku: 21248
Datum: 11. 12. 2002
Rubrika: Inovace / Ekologie
Autor:
Firmy
Související články
Energetická náročnost obráběcích strojů, část 3: Inteligentní technologie

Globální oteplování se stalo velmi diskutovaným tématem. I když bylo provedeno mnoho vědeckých studií a  napsáno neméně vědeckých článků, dosud se odborná komunita nesjednotila v celkovém názoru na globální změny klimatu. Smyslem předkládané trilogie článků není rozklíčovat současný stav a doporučit řešení, ale z pohledu konstrukce a provozu výrobních zařízení představit řešení firem, které primárně nehledí na byznys, ale na budoucnost naší planety.

Energetická náročnost obráběcích strojů, část 2: Vliv výrobních strojů

Globální oteplování se stalo velmi diskutovaným tématem. I když bylo provedeno mnoho vědeckých studií a napsáno neméně vědeckých článků, dosud se odborná komunita nesjednotila v celkovém názoru na globální změny klimatu. Navíc zde hrají roli politika a byznysové zájmy, a tak je velmi obtížné se ve všech, často protichůdných, informacích vyznat.

Energetická náročnost obráběcích strojů, část 1: Obecný úvod do problematiky

Globální oteplování se stalo velmi diskutovaným tématem. I když bylo provedeno mnoho vědeckých studií a napsáno neméně vědeckých článků, dosud se odborná komunita nesjednotila v celkovém názoru na globální změny klimatu. Navíc zde hraje roli politika a byznysové zájmy a tak je velmi obtížné se ve všech, často protichůdných, informacích vyznat.

Související články
Ocelové město a CO2

Co Jules Verne nemohl tušit… Nebo mohl? Zlého profesora nechává umřít na zadušení kysličníkem uhličitým…

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Úspory naruby - Pravda a lži o vytápění, 1. část

S neustálým zdražováním energií se mnoho obyvatel ptá, čím ekologicky a současně i ekonomicky, tedy levně a s účinností pokud možno přes 100 %, vytápět svůj rodinný dům?

Úspory naruby - Obraťme toky řek

Při útlumu uhelných a jaderných elektráren a s nárůstem podílu obnovitelných zdrojů energie, především slunce a větru, nastal problém s přenosem a akumulací jejich elektrického výkonu mimo špičku zatížení elektrizační sítě. Tento problém však mohou i v Česku do značné míry a levně vyřešit stávající vodní díla (přehrady, jezy a hráze včetně turbín a kanálů a regulací) s využitím stávající přenosové soustavy.

Úspory naruby - Lži o úsporách v domácnostech

Poté, co již máme jasno, jak je to s úsporou v případě úsporných světelných zdrojů. Víme čím, jak a kde svítit, přinášíme další díl seriálu Úspory naruby. Tentokrát se podíváme na zoubek spotřebičům v domácnosti.

Úspory naruby - Zákaz výroby a dovozu halogenových žárovek

Pod tímto nadpisem redakce připravila sérii zásadních článků o odvrácených stranách tzv. úspor, jejichž skutečné výsledky jsou často přinejmenším sporné.

Jak efektivně využívat vodu? 85 % českých firem s ní plýtvá

Statisíce až miliony korun ročně – takovou ztrátu může firmám způsobit nedostatečná péče o vodu v průmyslových odvětvích napříč spektrem. Podle společnosti Aquarex Waterprofit, která se specializuje na řešení pro úpravu a management vody, přitom čirou tekutinu koncepčně neřeší valná většina českých společností – 85 % procent z nich s ní plýtvá. Velké ztráty v tomto směru hlásí chemický, energetický či potravinářský průmysl, ale i strojírenství.

Možná řešení průmyslových a výrobních hal

Vizuální komunikace firmy v souladu s moderní architekturou – to je současný trend v oboru průmyslové haly a komerční objekty. Vítězí jednoduché, energeticky úsporné a bezpečné stavební systémy.

Biologický čistič součástek v sobě skrývá mnoho výhod

Pro ekologické čištění součástek jsou nabízeny mycí stoly, které čistí na biologické bázi. V jakých případech jsou tyto stoly na mytí součástek vhodné? Co dokážou? A co nedokážou?

Technologie kontejnerové úpravny vody CCW čistí vodu efektivně

Jednou z nejefektivnějších technologií na čištění povrchových a podzemních vod je CCW od společnosti HUTIRA BRNO.

Jak přispívají opakovaně použitelné čisticí utěrky k ochraně životního prostředí

Dne 5. června 1972, v den zahájení první světové konference o ochraně životního prostředí ve Stockholmu, inicioval program ochrany životního prostředí Spojených národů (United Nations Environment Programme, UNEP) oficiální světový den životního prostředí. Od té doby se každo-ročně 5. červen slaví jako mezinárodní den životního prostředí. Opakovaně použitelný systém čisticích utěrek MEWA k tomu každý den v dílnách a výrobních halách přispívá: Čistí stroje a zařízení a podporuje ochranu zdrojů.

Jak ušetřit za energie: Využijte odpadní teplo

Řada průmyslových provozů využívá různé technologie, při nichž vzniká velké množství odpadního tepla. Tato draze získaná energie často uniká bez užitku, například ve formě odvodu horkých spalin komínem. Na druhé straně teplo potřebujeme na ohřívání vody nebo na vytápění. K tomu, abychom unikající teplo zadrželi a využili je tam, kde je ho potřeba, slouží technologie zpětného získávání neboli rekuperace tepelné energie.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit