Katalizatory - metalowe i krajowe

Proces produkcyjny katalizatorów składa się z wielu operacji, które muszą być dokładnie wykonywane, aby po trwającym ok. 25 dni cyklu produkcyjnym powstał blok katalityczny. Poniższy tekst, wraz z rysunkami, prezentuje ważniejsze etapy jego powstawania.
 
Proces produkcyjny rozpoczyna się od wykonania wkładu metalowego bloku katalitycznego o pożądanej liczbie kanałów z folii ze stali żaroodpornej chromowo-niklowej, z dodatkiem aluminium, o grubości 0,05 mm (rys. 1). Zależnie od wymiarów ăfalÓ wstęgi falistej, można uzyskać wkład o różnej liczbie kanałów (rys. 2 b i c). Wykonanie metalowego bloku katalitycznego następuje przez założenie stalowej opaski na wykonany wcześniej wkład metalowego bloku katalitycznego, a następnie przez tzw. kalibrację bloku katalitycznego, mającą na celu uzyskanie pożądanych wymiarów zewnętrznych. Otrzymujemy w ten sposób konstrukcję metalowego bloku katalitycznego (rys. 4), która zostanie poddana obróbce cieplno-chemicznej.
Odtłuszczanie i mycie konstrukcji metalowego bloku katalitycznego umożliwia uzyskanie wolnej od zanieczyszczeń powierzchni folii, dzięki czemu następuje nałożenie na nią kolejnych warstw.
Lutowanie konstrukcji metalowego bloku katalitycznego polega na wzajemnym połączeniu zwojów folii oraz połączeniu wkładu z opaską metalowego bloku katalitycznego za pomocą spoiwa (2, rys. 1) zwiniętego wcześniej razem z wstęgami folii. Lutowanie odbywa się w piecu próżniowym, w temperaturze ok. 1100ˇC. Próżnia niezbędna jest do tego, aby lut nie spłynął po folii. Lutowanie wzmacnia konstrukcję metalowego bloku katalitycznego, tak że przemieszczenie poszczególnych warstw folii w wyniku naporu przepływających spalin nie jest możliwe.
Utlenianie powierzchni folii ma na celu zwiększenie przyczepności do folii kolejnych nakładanych warstw. Wykonywane jest w temperaturze od 950 do 1000ˇC, w piecu, przez który przepływa powietrze o wysokiej wilgotności. Wygląd powierzchni folii przed i po utlenieniu przedstawiają odpowiednio rys. 4a i b.
Nakładanie warstwy pośredniej (rys. 4c) na powierzchnię folii odbywa się przez zanurzenie w kąpieli roztworu wodorotlenku sodu (NaOH) z wiórkami aluminiowymi (aluminium to w zastosowaniach technicznych określenie pierwiastka o nazwie glin). Następnie bloki są myte, suszone oraz poddane obróbce termicznej w temperaturze 600ˇC w celu uzyskania warstwy pośredniej, która jest warstwą tlenku glinu (Al2O3).
Do warstwy pośredniej (rys. 4c) katalizatorów trójfunkcyjnych wprowadzany jest tlenek ceru.
Nanoszenie warstwy aktywnej (rys. 4c) odbywa się w dwóch fazach. Najpierw bloki katalityczne są nasycane solami metali szlachetnych, np. platyny, palladu lub rodu - zależnie od pożądanego składu warstwy aktywnej, przez zanurzenie w kolejnych w wannach z odpowiednimi kąpielami. W drugiej fazie, przez redukcję soli za pomocą wodoru, w temperaturze 500ˇC, następuje uzyskanie metali szlachetnych w postaci metalicznej.
Na jeden litr objętości bloku katalitycznego, do utworzenia warstwy aktywnej, należy użyć ok. 1,5 g mieszanki metali szlachetnych. Grubość warstwy aktywnej wynika z zasady pracy katalizatora. Spaliny (rys. 5), napływające do każdego z kanałów, powinny rozścielić się cienką warstwą nad warstwą aktywną, która jest ułożona na warstwie pośredniej. Wymóg ten wynika z tego, że reakcje utleniania i redukcji składników toksycznych spalin zachodzą głównie w strefie kontaktu spalin z warstwą aktywną, a grubość warstwy aktywnej rzędu średnicy atomu jest wystarczająca.
Użycie za dużej ilości mieszanki metali szlachetnych powoduje, że warstwa aktywna jest za gruba. Część pierwiastków warstwy aktywnej nie będzie więc wykorzystana w pracy katalizatora i nie zwiększy skuteczności katalizatora, czyli wartości współczynników konwersji dla poszczególnych składników toksycznych. Natomiast użycie za małej ilości mieszanki metali szlachetnych powoduje, że za mała powierzchnia warstwy pośredniej będzie pokryta warstwą aktywną, a wiec mniejsza ilość spalin będzie miała kontakt z warstwą aktywną, co obniży skuteczność katalizatora.
 
Badanie katalizatorów spalin
 
Aby produkować katalizatory o wysokiej jakości producent wykonuje tzw. badania podstawowe. Mają one przykładowo na celu określenie optymalnych:
w parametrów procesu nanoszenia i wymiarów warstwy pośredniej
w sposobów nanoszenia warstwy aktywnej w celu uzyskania możliwie pełnego pokrycia warstwy pośredniej przez warstwę aktywną, o wymaganej grubości
Badania katalizatorów spalin prowadzone na silnikach mają za zadanie określenie uzyskiwanych przez katalizatory współczynników konwersji oraz odporności katalizatorów na starzenie. Są one prowadzone przez:
Instytut Transportu Samochodowego i Przemysłowy Instytut Motoryzacji w Warszawie
Politechnikę Poznańską i Warszawską
Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Bosmal w Bielsku-Białej
Instytut Lotnictwa w Warszawie
krajowych producentów silników i pojazdów
Na rys. 6 jest przedstawiony wynik trwającego 100 godzin testu odporności trójfunkcyjnego katalizatora spalin na procesy starzenia i dezaktywacji, który odtwarzał warunki pracy katalizatora odpowiadające przebiegowi pojazdu rzędu 100 000 km. Test był wykonany przez Politechnikę Warszawską, na silniku Rover 1,4 16 V, w całym zakresie obciążeń, przy prędkości obrotowej 3000 i 4000 obr/min, w specjalnie stworzonych, trudnych warunkach pracy katalizatora (wysoka temperatura spalin, doprowadzanie do katalizatora nie spalonego paliwa wraz z powietrzem, w celu podniesienia temperatury bloku katalizatora).
Jak widać na rys. 6, zdolność do usuwania tlenku węgla (CO) i węglowodorów (HC) praktycznie nie uległa zmianie. Zmalała tylko zdolność do usuwania tlenków azotu (NOX). W Europie producenci samochodów określają minimalny okres żywotności katalizatora na 80 000km lub 5 lat). 
 
Katalizator metalowy a ceramiczny

Katalizator metalowy w porównaniu do ceramicznego ma kilka istotnych zalet.
1. Szybciej nagrzewa się do temperatury pracy, a więc katalizator metalowy, po uruchomieniu silnika, szybciej niż ceramiczny zaczyna oczyszczać spaliny. Jest to spowodowane tym, że metalowy blok katalityczny ma mniejszą zdolność do gromadzenia energii cieplnej, czyli mniej ciepła należy doprowadzić, aby uzyskać temperaturę pracy. Wprawdzie katalizator metalowy również szybciej stygnie niż ceramiczny, bo magazynuje mniej ciepła, ale szybsze nagrzewanie katalizatora metalowego kompensuje jego szybsze stygnięcie.
2. Jest bardziej odporny na szoki termiczne: gwałtowne wzrosty temperatury i nadmierne różnice temperatur występujące w różnych punktach bloku katalitycznego. Mniejsze jest więc ryzyko jego uszkodzenia oraz szybkość starzenia i dezaktywacji katalizatora.
Prócz większej żywotności katalizatora, dla kierowców ma to następujące znaczenie praktyczne. W przypadku jakiejś niesprawności układu zasilania lub zapłonowego, w wyniku której do katalizatora dopływa nie spalone paliwo i nie wykorzystany w procesie spalania tlen, następuje szybki wzrost temperatury bloku katalitycznego. Za maksymalną dopuszczalną temperaturę przyjmuje się 800ˇC. Przekroczenie temperatury 950ˇC przez ceramiczny blok katalityczny oraz 1300ˇC przez metalowy blok katalityczny oznacza początek ich zniszczenia. Może to nastąpić nawet w parę minut od wystąpienia uszkodzenia. Ponieważ temperatura, powyżej której blok katalityczny ulega zniszczeniu, jest wyższa dla bloku metalowego, tak więc może on nie ulec uszkodzeniu w warunkach, w których blok ceramiczny jemu ulegnie.
3. Stwarza mniejsze opory przepływu dla spalin (rys. 7).
4. Jest bardziej odporny na uszkodzenia mechaniczne, np. drgania układu wydechowego, czy obciążenia wynikające z jazdy po dziurawych drogach. W przypadku uderzenia w przeszkodę może ulec tylko częściowemu zgnieceniu, w przeciwieństwie do katalizatora ceramicznego, który cały może ulec pęknięciu lub skruszeniu.
5. Jeśli nastąpi zniszczenie katalizatora, nie niszczy układu wydechowego, a ściślej tłumików, wskutek przedostania się do nich kawałków bloku katalitycznego, co ma miejsce w przypadku uszkodzenia i rozkruszenia ceramicznego bloku katalitycznego.
6. Ma wyższą trwałość, co umożliwia osiągnięcie i przekroczenie wymaganego w Europie minimalnego przebiegu dla katalizatora, wynoszącego 80 000 km lub 5 lat.
Może nie wszyscy to jeszcze doceniają, ale wprowadzane aktualnie w nowych pojazdach układy diagnostyki pokładowej standardu Euro-OBD lub stosowane w samochodach z rynku amerykańskiego układy standardu OBD II wymuszą z czasem montaż przez warsztaty katalizatorów o wysokiej jakości. Cóż bowiem po tanim katalizatorze (jeśli cena jest jedynym kryterium wyboru), jeśli jego sprawność zostanie zakwestionowana przez oprogramowanie układu diagnostyki pokładowej po niedużym przebiegu samochodu. Poinformowany o tym fakcie kierowca, za pośrednictwem lampki MIL, informującej o niesprawności układów silnika, będzie zobligowany wymaganiami technicznymi dotyczącymi pojazdów do wcześniejszej wymiany takiego ătaniegoÓ katalizatora.