Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Elektricky vyhřívané katalyzátory snižují emise po startu
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.
Nomenklatura: Ekologie

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.

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.

Další články

Ekologie

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: