Az alkatrész, ami nélkül már nem lenne belső égésű motor a közutakon

Bármennyire szeretnénk, a belső égésű motorokban zajló energiatermelő folyamatok nem ideális körülmények között történnek. A kipufogócső végén kerülnek ki olyan égéstermékek a környezetbe, melyek nem feltétlen tesznek jót a környezetünk számára. Ez a felismerés viszonylag hamar megtörtént, ám igazán csak akkor kezdett el a köztudatba kerülni, amikor már kellően sok autó közlekedett ahhoz, hogy a saját bőrünkön is tapasztaljuk a káros hatásokat.

A törvényi szabályozás már rég nem engedi a kezeletlen kipufogógázt a környezetbe engedni közúton, és hogy a gyártók eleget tegyenek ennek a feltételnek, segítségül hívták azt az eszközt, mely ma is megtalálható az összes belső égésű motoros személygépkocsiban: a katalizátort.

A kipufogógáz tartalma

Az Otto- és dízelmotorok égéstermékei meglepő módon változatosak. Az első kategóriába tartoznak a nem mérgező gázok. Ilyen a levegő oxigénje és nitrogénje, ami nem vett részt az égési folyamatban, valamint a szén-dioxid és a víz, azaz a két égéstermék.

Noha itt a nem mérgező gázok közé soroltuk a szén-dioxidot, feltűnő lehet, hogy manapság mindenki a járművek szén-dioxid kibocsátásáról beszél. Ennek oka, hogy a gáz, bár valóban nem mérgező, jelentékeny befolyása van az üvegházhatásra, mely a légkörünkben lévő fokozatos felmelegedéséért lehet felelős.

A fent felsorolt gázokkal nincs dolga a katalizátornak. Sokkal inkább van a mérgező és/vagy rákkeltő elemekkel. Ezek egy része azért kerül ki a motorból, mert az égés egy része tökéletlenül zajlik le: ide tartozik a szén-monoxid, az szénhidrogének, melyek nem vettek részt az égésben, az aldehidek, a korom vagy a benzpirén.

Mivel a motor az égéshez nem tiszta oxigént kap, hanem légköri levegőt, melynek több mint 70%-a nitrogén, ennek jelentős része el is ég a motorban. Itt viszont akár tökéletesen, akár tökéletlenül ég el (nitrogén-oxidok, NO_x), mindenféleképp mérgező anyag a végeredmény.

Kipufogógázok utókezelése

Az utóbbi csoportba tartozó károsanyagok mennyiségének csökkentésére, vagy megszüntetésére utókezelési eljárásokat és azok berendezéseit használják fel. Ezeket hívjuk gyűjtőnéven katalizátoroknak. A szennyezés mérséklése érdekében a kémiai oxidációs és redukciós folyamatok indulási energia küszönszintjét jelentősen lecsökkentik, felgyorsítva ezzel a reakciók sebességét.

Az aktiválási energia csökkentése mellett a hőmérséklet növelése a katalizátorok másik fegyvere. A reagensek kemoszorpciója fellazítja a kémiai kötéseket, és ennek köszönhetően csökken az aktiválási energia, vagyis megindulnak a kémiai reakciók. Ezen folyamatok termékei a katalizátor anyagát körbefoglaló gázfilmen átdiffundálnak az átáramló kipufogógázba, és újabb katalitikus gázokat szabadítanak fel. Ezáltal elérhető, hogy az el nem égett szénhidrogénből víz és szén-dioxid legyen, a szén-monoxidból és vízből pedig szén-dioxid és hidrogén.

A fütsgáz nitrogén-oxidjainak átalakítását leíró kémiai reakcióban a szén-monoxid, a szénhidrogének, és a hidrogén vesz részt. Ezen folyamatok végén molekuláris nitrogén, szén-dioxid és víz keletkezik.

Az egyéb káros melléktermékek, mint a kén-dioxid vagy az ammónia, kénhidrogénné, valamint előbb nitrogén-oxiddá, majd nitrogénné és oxigénné alakulnak.

Működés

Szerkezeti kialakítást tekintve többféle katalizátor is létezik:

• Oxidációs katalizátor: Ennek az eszköznek légfeleslegre van szüksége, hogy az utókezelési folyamatok végbe menjenek (tehát λ>1), ezzel az oxigéntöbblettel képes a szénhidrogének és a szén-monoxid oxidációját megvalósítani. Ma már külön nem alkalmazzák.
• Kétutas katalizátor: Az oxidációs katalizátort ebben az esetben megelőzi egy redukciós katalizátor, mely a nitrogén-oxidok redukálásáért felel. Nagyjából λ=0,9-1,1 értéknél működik, ami az oxidációs katalizátor számára nem kifejezetten ideális, ám a redukciós változat a folyamatai révén extra oxigént termel, így a két katalizátor közötti lambda érték már jóval magasabb lesz.
• Többfunkciós katalizátor: Ez az a változat, mely szabályzási kört alkot a keverékképzéssel, a lambdaszondával, és egyetlen katalizátor oldja meg a szennyező komponensek mérséklését (ún. háromutas katalizátor).

Mind a lambdaszondának, mind pedig a katalizátoroknak általános jellemzője, hogy viszonylag magas üzemi hőmérsékleten működnek hatékonyan (400-800 °C).

Szerkezeti anyagok

Ma jellemzően kerámia hordozóanyagú katalizátorokat használnak, de korábban fém alapanyagúakkal is találkozhattunk. A ház szinte minden esetben rozsdamentes acéllemez.

A kerámia hordozó rendkívül jól tartja a hőt, és nagyon magas tartományokban is üzemképes, akár 1100 °C felett is. A kerámia hordozó valójában kaolin talkum szilícium-oxid, alumínium-oxid és metil-cellulóz extrudált keveréke. Tapintásra egy porózus anyag, melynek cellaszáma általában 30-65 darab négyzetcentiméterenként.

Ez a szerkezet kiterítve egy síkba 3-5 négyzetméter lenne, melyet a sokszorosára növelnek γ-alumínium-oxid felhordásával. Ezáltal a katalizátor aktív felülete 20-30 ezer négyzetméterre nő.

Az utóbbi időben nagy port kavart, hogy akár az utcán parkoló személygépkocsikról is levágják a katalizátorokat, ugyanis a benne lévő anyagok egy része kifejezetten drága lett a világpiacon. Ezek jelentik a katalizátor lelkét, melyek nélkül nem mennének végbe a fenti folyamatok.

• Platina: A szén-monoxid és a szénhidrogének további oxidációját segíti elő 150 °C feletti hőmérséklet tartományban. Mivel viszonylag alacsony hőfokon kezd működni, jó szolgálatot tesz a motorok hidegindításánál.
• Ródium: Oxigénnel vegyülve a nitrogén-oxidok redukcióját támogatja. A ródium átveszi a nitrogén égéstermékeitől az oxigént, melyet később abban a folyamatban ad le, amiben a szén-monoxid megjelenésével újra tiszta ródium, víz és szén-dioxid keletkezik.
• Palládium: Általános értelemben segíti az oxidációs folyamatokat. Elsősorban – hasonlóan a platinához – a szénhidrogének továbbégetésében játszik fontos szerepet.

A fent felsoroltakon túl katalitikus célra használnak még ruténiumot és nikkelt is, ám jelen pillanatban az előbb említett három számít igazán nagy értéknek a szerkezetben.

A katalizátorok jövője

Itt természetesen nem állt meg a technológia, ma már ennél újabb és fejlettebb megoldásokat is alkalmazunk – az egyik ilyet a hamarosan érkező újabb cikkünkben ismertetjük.