Convertorul Catalitic

stare de agregare, respectiv gazoasa, nu se afla in echilibru electrochimic este cauza pentru care in gazele de evacuare ale motoarelor cu ardere interna se afla poluanti in cantitati apreciabile.

Un echilibru electrochimic real este singurul care practic ar elimina toate substantele poluante, incarcate electric puternic electropozitiv, fapt care le face sa reactioneze cu substante din mediul inconjuratorcare au legaturile valente slabe: verdeata, derma umana etc. Insa acest echilibru nu poate fi atins decat la temperaturi inalte, datorita vitezei prea mici a reactiilor chimice.

Convertorul consta dintr o unitate catalitica fragila, din ceramica, plasata intr o carcasa metalica (fig. 4.1). Carcasa convertorului e confectionata uzual din otel inoxidabil fier/crom seriile 409 din categoria tobelor de esapament, care e rezistent la coroziunea oxidanta interna si externa [78], [94].

Figura 1.

In interspatiul dintre carcasa de otel si exteriorul unitatii catalitice exista un strat maleabil care strange unitatea catalitica cu o forta suficienta pentru a preveni miscarea unitatii acesteia inauntrul canistrei si care compenseaza diferentele de dilatare termica dintre catalizator si carcasa metalica. Se folosesc mai multe tipuri de straturi maleabile si toate au proprietati elastice ce asigura forta necesara de strangere la orice temperatura de evacuare.

Plasa metalica ondulata si impletita a fost primul strat maleabil folosit cu succes. Se foloseste un material bazat pe vermiculita, care se dilata la aplicarea caldurii (pe la 300?C), sub forma unei plase metalice infasurata de mai multe ori in jurul unitatii catalitice. Sistemul de montare cu strat maleabil s a dovedit a fi durabil pe toata perioada de viata a automobilului. Unitatea catalitica e proiectata pentru a asigura o suprafata suficienta, astfel incat toate gazele de evacuare sa intre in contact cu suprafetele catalizatorului pe masura ce trec dinspre motor spre teava de esapament.

Pentru a functiona imediat dupa pornirea motorului, unitatea catalitica trebuie sa se incalzeasca rapid pana la temperatura de lucru. De aceea trebuie sa posede proprietati bune de schimbare a caldurii pentru a extrage caldura necesara din gazul de evacuare. O data ce temperatura minima de operare a catalizatorului e atinsa, unitatea catalitica e astfel proiectata incat sa maxi?mizeze transferul noxelor din gazul de evacuare spre suprafata unitatii catalitice. Transferul de caldura si transferul de masa sunt conduse de diferenta de temperatura si respectiv de diferenta de concentratie. La temperaturi de lucru de peste 300 sau 350?C reactiile catalitice sunt atat de rapide incat numai suprafetele exterioare ale catalizatorului sunt folosite pentru functia catalitica.

Catalizatorii de evacuare ai automobilului au fost proiectati pentru a maximiza suprafata disponibila de catalizare la curgerea gazului de evacuare fara a antrena o cadere excesiva de presiune. Au fost studiate extensiv doua tipuri: tipul monolitic de fagure si tipul peleta (granular).

Utilizarea convertorului peletat, perfectionat si folosit de General Motors cu incepere din 1975, a intrat in declin din 1980. Avantajul convertorului peletat, care consta dintr un strat compact de bilute sferice de cca 3 mm in diametru, este acela ca bilele sunt mai ieftin de manufacturat decat fagurele monolitic. Dezavantajele erau: cantarea de doua pana la de trei ori mai mult si ocupa tot de atatea ori un volum mai mare, ii trebuia mai mult timp de incalzire si era mai predispus la faramitare si pierderea catalizatorului in timpul lucrului.

Fagurele monolitic poate fi montat cu orice orientare, in timp ce convertorul peletat trebuie montat pe flux descendent. In plus, caderea de presiune a fagurelui monolitic e de o jumatate pana la un sfert din cea a unui convertor peletat similar in functiune. Convertorii peletati sunt folositi de General Motors pentru camioanele de mare putere alimentate cu benzina, deoa?rece peletii au caracteristici fizice mai bune la temperatura inalta, conver?torul fiind reproiectat pentru a minimiza caderea de presiune pentru aceasta aplicatie. Totusi, se asteapta ca ele sa fie inlocuite de convertoarele monolitice.

In Japonia, taxiurile foloseau convertoare peletate si combustibil GPL (propan) inca din anii '60. Catalizatorul din aceste convertoare se schimba o data pe an. Se considera ca e mai usor sa schimbe peletii decat sa se schimbe un catalizator monolitic fagure. Desi aceasta practica a schimbarii cataliza?torului ramane, convertorul monolitic fagure se mentine activ si complet func-tional pe toata durata de viata a automobilului, mai ales cand se lucreaza cu un combustibil curat precum GPL.

2. Unitatea catalitica. Reactii chimice

Unitatea catalitica consta intr un strat acoperitor activat, imprastiat uniform pe un substrat monolitic. Catalizatorul, utilizat la inceput, cu predominanta in Statele Unite si Canada, este cunoscut sub denumirea de catalizator cu conversie tridirectionala, pentru ca el distruge toate cele trei tipuri de poluanti: HC, CO si NOx. Intre 1975 si inceputul anilor '80 era folosit un catalizator de oxidare. Utilizarea lui a intrat in declin o data cu dezvoltarea catalizatorului tridirectional.

Figura 2.

Eficienta acestui tip de catalizator este indicata in figura .2. La temperaturi mai mari de 300?C, acesta reduce efectiv HC, CO si NOx atunci cand amestecul carburant e aproape de punctul stoichiometric. In acest mo?ment, se realizeaza o valoare optima de conversie pentru toate trei componentele.

Componentele asupra carora se actioneaza in principal sunt urmatoarele :

- HC (hidrocarburi nearse);

- CO (oxid de carbon);

- NOX (oxizi de azot).

Principalele reactii chimice ale catalizatorului tridirectional sunt:

(?) Reactii de oxidare:

.1.

.2.

.3.

.4.

.5.

.6.

.7.

(schimb de vapori de apa)

.8.

(refacerea vaporilor de apa)

(?) Reactii de reducere:

.9.

.10.

.11.

.12.

(la 200?C - sub temperatura gazului de evacuare)

.13.

(?) Reactii asupra sulfului din combustibil:

.14.

.15.

.16.

.17.

Abelson, P.W., Costs of noise nuisance from aircraft, SAE Technical Papers, 1981.

2. Allenby, B.R., Industrial Ecology: Policy framework and implementation, Prentice Hall, Englewood Cliffs, N.J., 1999,

3. Arama, C., s.a., Poluarea aerului de catre motoarele cu ardere interna, Bucuresti, Ed.Tehnica, 1975.

4. Atkins, P.W., The second law. Scientific American Books, WHF&Co, N.Y., 1984.

5. Ayres, R.U., s.a., Waste potential entropy, the ultimate ecotoxic?, Econom.Appl. nr. 48, 1995.

6. Ayres, R.U., Eco thermodynamics, economics and the second law, Ecol. Econom. Nr. 26, 1998.

7. Bataga, A.N., s.a., Zgomotul produs la evacuarea gazelor motoarelor de autovehicule si posibilitati de atenuare, Cluj Napoca, Simpozion ,,Autovehiculul si siguranta circulatiei", 1974.

8. Bataga, A.N., s.a., Testarea gradului de fum si influenta acestuia asupra functionarii economice a motorului diesel, Cluj Napoca, Comunicari stiintifice, 1977.

9. Bataga, A.N., Rus, I., Conducerea automobilului, Cluj Napoca, Ed. Sincron, 1991.

10. Bataga, A.N., s.a., Motoare cu ardere interna, Cluj Napoca, Curs lito UTCN, 1995.

11. Bataga, A.N., s.a., Motoare cu ardere interna, Bucuresti, Ed.Didactica si Pedagogica, 1995.

12. Bataga, A.N., s.a., Rodarea, uzarea, testarea si reglarea motoarelor termice, Bucuresti, Ed.Tehnica, 1995.

13. Bataga, A.N., Posibilitati de optimizare a corelatiei poluare fonica putere-consum de combustibil la motoarele diesel de autovehicule. Sesiunea stiintifica I.P.C.N., 1978, p.149 153.

14. Bataga, A.N., s.a., Contributii privind realizarea unui atenuator de zgomot pentru motocarul agricol M.A 445. Simpozionul de Termotehnica si masini termice, vol. 2, I.P.Timisoara, 1988.

15. Bataga, A.N., s.a., Influenta unor atenuatoare combinate asupra reducerii nivelului de zgomot la evacuarea gazelor pentru diferite motoare termice, ESFA, vol.1, 1987.

16. Bataga, A.N., Dan, F., Consideratii privind reducerea poluarii chimice la autovehiculele prevazute cu reactori catalitici. Trans Agra Tech'98 Conference, vol. 2, Cluj Napoca, 1998, p. 139 142.

17. Bataga, A.N., Dan F., s.a., Motoare cu ardere interna, Ed U.T. Press, Cluj Napoca, 2000.

18. Berg, W., Aufwandund Probleme fur Gesetzgeber und Automobilindustrie bei der Kontrolle der Schadstoffemissionen von Pkw mit Otto und Dieselmotoren, Braunschweig, 1991.

19. Bianciardi, C., s.a., Complete recycling of matter in the frameworks of physics, biology and ecological economics, Ecol.Econom. nr. 8, 1993.

20. Bobescu, Gh., s.a., Motoare pentru automobile si tractoare, Chisinau, Ed.Tehnica, vol. I, 1996.

21. Bobescu, Gh., s.a., Tehnici speciale pentru eliminarea noxelor si reducerea consumului de combustibil. Litografia Universitatii ,,Transilvania", Brasov, 1990.

22. Bobescu, Gh., s.a., Motoare pentru automobile si tractoare, Chisinau, Ed. Tehnica, vol. III, 2000.

23. Brownson, D.A., s.a., Factores Influencing the Effectiveness of Air Injection in Reducing Exhaust Emission, SAE, Technical Papers.

24. Bochniarz, Z., s.a., Economia mediului si instrumente economice, Curs sustinut in cadrul programului 'Environmental Training Project for central and Eastern Europe', Cluj Napoca, 1999.

25. Campbell, C.J., s.a., The end of cheap oil. Scientific American March, 1998.