Trójfunkcyjny konwerter katalityczny w układzie wylotowym silnika

Trójfunkcyjny konwerter katalityczny ma w układzie wylotowym silnika następujące zadania: 

- usunięcie ze spalin możliwie największej ilości tlenku węgla (CO) i węglowodorów (HC) - można powiedzieć, że w konwerterze katalitycznym następuje dokończenie procesu spalania rozpoczętego w silniku; 

- usunięcie ze spalin możliwie największej ilości tlenków azotu (NO_x). . 

Tlenek Węgla (CO) i węglowodory (HC) są usuwane ze spalin w procesach utleniania. Przebiegają one w konwerterze katalitycznym tym intensywniej, im więcej tlenu (O₂) jest w spalinach.

Dlatego im uboższa jest spalana mieszanka, a więc o wyższej wartości współczynnika lambda, tym niższa jest zawartość w spalinach za konwerterem katalitycznym (rys. 1):

- tlenku węgla 

- węglowodorów [HC(zkk)] , mimo że ich zawartość w spalinach przed konwerterem katalitycznym

[HC(pkk)] wzrasta, gdy są spalane ubogie mieszanki (np. dla λ > 1,1). 

Inaczej jest z tlenkami azotu (NO_x). Są one usuwane ze spalin w reakcji redukcji, czyli rozpadu tlenków azotu (NO_x) na azot (N₂) i tlen (O₂). Jest to reakcja odwrotna do utleniania. Jeśli silnik spala mieszankę bogatą (λ < 1), to zawartość tlenków azotu w spalinach przed konwerterem katalitycznym [NO_x(pkk), rys. 2] jest mniejsza od możliwej maksymalnej zawartości tlenków azotu w spalinach przed konwerterem katalitycznym. Tlen (02) znajdujący się w spalinach pochodzących ze spalenia mieszanki bogatej (λ < 1), to tlen, który mimo że był potrzebny w procesie spalania w komorach spalania silnika, nie został wykorzystany, bo nie było to możliwe ze względów technicznych. 

Niska zawartość tlenu (O₂) powoduje, że w trójfunkcyjnym konwerterze katalitycznym są korzystne warunki dla reakcji redukcji tlenków azotu (NO_x). Zachodzą one w nim łatwo, dlatego zawartość tlenków azotu w spalinach za konwerterem katalitycznym [NO_x(zkk), rys. 2], pochodzących ze spalenia mieszanki bogatej, jest niska. 

Jeśli silnik spala mieszankę ubogą (λ > 1), to zawartość tlenków azotu w spalinach przed konwerterem katalitycznym [NO_x(pkk), rys. 2] osiąga swoje maksimum przy spalaniu lekko zubożonych mieszanek - λ od 1,05 do 1,1, a przy dalszym zubożeniu mieszanki – λ > 1,1, maleje. Tlen (O₂) znajdujący się w spalinach pochodzących ze spalenia mieszanki ubogiej (λ > 1) to w większości tlen niewykorzystany w procesie spalania komorach spalania silnika, bo było go za dużo w stosunku do paliwa. Jego obecność stwarza niekorzystne warunki dla reakcji redukcji tlenków azotu (NO_x) w trójfunkcyjnym konwerterze katalitycznym. lm spalana mieszanka jest uboższa, tym zawartość tlenu w spalinach jest coraz większa, więc reakcje redukcji tlenków azotu w konwerterze katalitycznym zachodzą coraz „mniej chętnie". Wystarczy nawet niewielkie zubożenie mieszanki w stosunku do mieszanki stechiometrycznej (λ = 1), aby zawartość tlenków azotu w spalinach za konwerterem katalitycznym [NO_x(zkk), rys. 2] istotnie wzrosła i osiągnęła swoje maksimum. Dalsze zubażanie mieszanki powoduje, że emisja tlenków azotu za konwerterem katalitycznym maleje [NO_x(zkk)], ale dlatego że emisja tlenków azotu bezpośrednio z silnika, czyli przed konwerterem katalitycznym [NO_x(pkk)], maleje. 

Aby zawartości: tlenku węgla (CO), węglowodorów (HC) i tlenków azotu (NO_x) w spalinach za trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym były ok. 90% - lub więcej, niższe od zawartości w spalinach przed nim, silnik musi być zasilany mieszanką o składzie bliskim stechiometrycznemu, czyli z zakresu tzw. okna lambda (rys. 3). Spełnienie tego warunku, to zadanie układu regulacji składu mieszanki, z jednym lub więcej czujnikami tlenu w układzie wylotowym silnika. 

Na rys. 2 i 3 trójfunkcyjny konwerter katalityczny praktycznie nie usuwa ze spalin tlenków azotu (NO_x), jeśli przepływają przez niego spaliny pochodzące ze spalenia mieszanki ubogiej. Jego specjalna 

konstrukcja hamuje to zjawisko, ale jest to skuteczne tylko jeśli zubożenie jest niewielkie i chwilowe, czyli takie, jakie występuje przy pracy sprawnego układu regulacji składu mieszanki.

Współczynniki konwersji składników spalin przez konwerter katalityczny 

Współczynnik konwersji dla określonego składnika spalin, podaje w procentach, jaka część zawartości określonego składnika w spalinach jest usuwana ze spalin przez konwerter katalityczny, w stosunku do zawartości tego składnika w spalinach przed konwerterem katalitycznym. 

Obliczany ze wzoru: 

K_x =(X_PKK-Z_KK)/X_PKK x 100%

K_x - współczynnik konwersji dla określonego składnika spalin [%] 

X_PKK- zawartość określonego składnika w spalinach przed konwerterem katalitycznym (%obj.) 

Z_KK- zawartość określonego składnika w spalinach za konwerterem katalitycznym (%obj.) 

Jeśli konwerter katalityczny posiada rurkę do poboru spalin przed nim (rys. 4), to w warunkach serwisu samochodowego, z poniższego wzoru, można obliczyć współczynnik konwersji dla tlenku węgla (CO):

K_co=(CO_PKK-CO_ZKK)/CO_PKKx 100%

w którym: 

K_co- współczynnik konwersji dla tlenku węgla [%]

CO_PKK- zawartość tlenku węgla w spalinach przed konwerterem katalitycznym [%obj.]

CO_ZKK- zawartość tlenku węgla w spalinach za konwerterem katalitycznym (%obj.) 

Na podstawie jego wartości, można ocenić stopień zużycia konwertera katalitycznego. W warunkach serwisu samochodowego, nie ma sensu obliczanie współczynników konwersji dla węglowodorów (HC) i tlenków azotu (NO_x), bowiem pomiar ich rzeczywistej zawartości w spalinach jest obarczona znacznym błędem. 

Nagrzewanie konwertera katalitycznego i jego temperatury 

Aby konwerter katalityczny pracował, musi mieć określoną temperaturę. Po uruchomieniu silnika, jest on początkowo nagrzewany tylko przez przepływające spaliny. 

Każdy ze składników szkodliwych zaczyna być usuwany ze spalin dopiero po osiągnięciu przez konwerter katalityczny określonej temperatury. Przykładowe wykresy zmiany współczynnika konwersji dla tlenku węgla (K_co) ) przedstawia rys. 5. 

Nowy konwerter katalityczny zaczyna usuwać ze spalin tlenek węgla (CO) gdy osiągnie temperaturę ok. 220°C (linia 1, rys. 5). Jednak zgodnie z umową, za temperaturę początku usuwania ze spalin każdego składnika szkodliwego, przyjmuje się temperaturę, przy której konwerter katalityczny usuwa ze spalin 50% danego składnika, czyli współczynnik konwersji dla tego składnika spalin osiąga wartość 50%. Dla przykładowego, nowego konwertera katalitycznego z rys. 5, temperatura ta wynosi ok. 260°C punkt A na wykresie. 

Jednak dla częściowo zużytego konwertera katalitycznego (linia 2, rys. 5), temperatura ta jest wyższa i wynosi ok. 330°C - punkt B na rys. 5. Wynika z tego wniosek praktyczny - im większy jest przebieg samochodu (od 80000krn dla konwerterów katalitycznych w pojazdach z końca lat osiemdziesiątych i początku dziewięćdziesiątych; znacznie wyższy dla konwerterów katalitycznych w samochodach współczesnych), tym sumienniej trzeba dbać, aby podczas analizy spalin konwerter katalityczny miał wymaganą temperaturę pracy. Jeśli będzie ona za niska, to zmierzone zawartości składników spalin, będą sugerować większe jego zużycie niż jest ono w rzeczywistości. 

Gdy konwerter katalityczny rozpoczął pracę, czyli gdy przebiegają w nim reakcje katalityczne to ciepło w nich powstające ogrzewa go do temperatury wyższej od temperatury napływających spalin. Optymalnym zakresem temperatur pracy dla konwertera katalitycznego, jest zakres od 400°C do 800°C. Temperatura pracy konwertera katalitycznego z wkładem ceramicznym nie powinna przekraczać 800°C, a z wkładem metalowym 950°C. Przekroczenie tych temperatur rozpoczyna proces topienia nośnika i innych jego uszkodzeń. 

O to, by temperatura konwertera katalitycznego nie przekroczyła wartości bezpiecznej, dba program sterownika silnika. Jeśli w silniku i jego układzie sterowania nie ma uszkodzeń, to przekroczenie nie nastąpi. „Zabójcze" dla konwertera katalitycznego są wszystkie nieprawidłowości przebiegu procesu spalania w komorach spalania silnika, powodujące że nie cała mieszanka paliwowo-powietrzna ulega w nich spaleniu (przyczyną są nie tylko uszkodzenia układu zapłonowego!). Potocznie mówi się o „wypadaniu zapłonów". Niespalona w silniku mieszanka paliwowo-powietrzna, utlenia (dopala) się w konwerterze katalitycznym, silnie zwiększając jego temperaturę. Może ona przekroczyć znaczenie temperaturę bezpieczną dla ceramicznego lub nawet metalowego wkładu katalitycznego. 

Wszystkie silniki z systemem diagnostycznym standardu OBDII/EOBD mają specjalny program tzw. monitor wypadania zapłonów, który wykrywa wypadanie zapłonów. Zapobiega to uszkodzeniom, które są ich następstwem. 

Zdjęcia i tekst pochodzą z artykułów „Trójfunkcyjny konwerter katalityczny w układzie wylotowym silnika” w dodatku technicznym do Wiadomości IC Analiza składu spalin silników ZI cz. 2 nr 30/Marzec 2009