Tehnika

Katalizatori su neizbježan dio ispušnog sustava svakog novog vozila u posljednjih desetak godina. Razlog leži u propisanim ekološkim normama o sastavu ispušnih plinova koje vozila moraju zadovoljavati. Tijekom protekle godine EKO TEST je postao stalni dio procedure pri tehničkom pregledu vozila te je time ispravnost rada katalizatora postala neophodna i u Hrvatskoj. Razlozi prestanka rada katalizatora te njihovi uzroci pobliže su pojašnjeni u ovom članku. Također su odgovorena i učestalo postavljana pitanja o radu katalizatora.

 


 

Motorna vozila uzrokuju onečišćenje zraka ostacima štetnih plinova u sastavu ispušnih plinova. Štetni plinovi najčešće nastaju kao posljedica nepotpunog izgaranja u prostoru cilindra.

 

Osim vode (H20) i ugljičnog dikosida (CO2) u ispušnim plinovima nalaze se i sljedeći plinovi:

CO – otrovni plin bez boje i mirisa

HC – neizgoreni ugljikovodici što pridonose stvaranju smoga

NOx – dušikovi oksidi aktivni pri nastajanju kiselih kiša

Katalizatori uklanjaju prisutnost nabrojenih spojeva u ispušnim plinovima pretvarajući ih u relativno bezopasne plinove poput vode i ugljičnog dioksida. Stoga ih nazivamo i trostupnjevanim katalizatorima.

Upotreba katalizatora je najefektivnija metoda uklanjanja štetnih plinova, a njihova efektivnost iznosi oko 90%.

Slika prikazuje ovisnost učinkovitosti katalizatora o lambda faktoru.

 

Katalizator postiže maksimalnu funkcionalnost kada motor radi sa omjerom goriva i zraka u smjesi u stehiometrijskom omjeru 14,7:1 (lambda faktor = 1) – odnosno sa 1 gramom goriva na 14,7 grama zraka. Tada je omjer zraka i goriva takav da se svaka molekula goriva može spojiti sa odgovarajućom molekulom kisika iz zraka, odnosno smanjuje se mogućnost pojave neizgorenih plinova u ispušnim plinovima. Također smanjuje se i mogućnost pojave viška molekula kisika koje se pri visokim temperaturama i tlakovima tijekom procesa izgaranja spajaju sa dušikom iz zraka i tvore štetne dušikove okside.

Stohiometrijski omjer zraka i goriva održava se regulacijskim krugom u kojem sudjeluju lambda sonda i centralno računalo vozila.

NAPOMENA: lambda faktor pri radu diesel motora i otto motora sa direktnim ubrizgavanjem u cilindar (noviji Volkswagenovi FSI motori) je u većem dijelu rada znatno veći od jedan te se katalizatori za takve motore razlikuju konstrukcijom.


U ovisnosti u očitanom lambda faktoru putem lambda sonde, centralno računalo regulira količinu ubrizganog goriva u usisnoj cijevi te se na taj način održava potrebni stehiometrijski omjer goriva i zraka neophodan za maksimalnu učinkovitost rada katalizatora.

Na slici je prikazan regulacijski krug katalizatora:

 

Katalizator se uvijek postavlja čim bliže motoru kako bi se smanjilo vrijeme zagrijavanja na potrebnu radnu temperaturu (250 – 270 °C  min). Tek pri tim temperaturama počinje odvijanje kemijskih reakcija u aktivnoj jezgri.

Katalizatore razlikujemo po materijalu od kojih je izrađena aktivna jezgra katalizatora odnosno monolit. Postoje dve vrste aktivne jezgre te po njima katalizatore djelimo na:

METALNE - jezgra od metala presvučenog aktivnim slojem
KERAMIČKE - jezgra od keramike presvučene aktivnim slojem

Metalni katalizatori su kvalitetniji, otporniji na toplinska opterećenja, stvaraju manji otpor prolasku ispušnih plinova, ali su i skuplji. Aktivna površina je prekrivena tankim slojem platine, rodija ili paladija koji djeluju kao katalizatori pri kemijskim reakcijama. Monolit je zavaren za nosivu konstrukciju te na taj način i otporniji na fizička oštećenja. Na slici se vidi presjek saćaste strukture metalne jezgre.

 


Keramički katalizatori su jeftiniji i nalaze se na većini manjih vozila kao serijski ugrađeni katalizatori. Monolit  je krhak i osjetljiv na udarce te je stoga omotan zaštitinim omotačem i umetnut u metalno kučište katalizatora. Aktivna površina je prekrivena aktivnim elementima (AlMg – silikat). Kvadratični oblik presjeka jezgre vidljiv je na slici.

 

Shematski prikaz rada katalizatora i njegove strukture prikazan je na sljedećoj slici:



Postoje mnogi razlozi otkazivanja katalizatora. Izuzetno je važno da se prigodom zamjene katalizatora utvrdi i razlog otkazivanja katalizatora kako bi se izbjegao ubrzani kvar zamjenskog katalizatora.

Fizička oštećenja -------------------------------------------------------------------

Jaki udari u kučište katalizatora mogu uzrokovati oštećenja keramičkog monolita. Keramički se monolit može izlomiti i nošen ispušnim plinovima začepiti u stražnjim dijelovima ispušnog sustava uzrokojući na taj način otežan rad motora. Fizička oštećenja su najčešći uzrok problema sa katalizatorima danas. Metalni monoliti su gotovo u potpunosti otporni na taj oblik oštećenja.

Dijagnoza:

Potražite udubine i ogrebotine na kučištu katalizatora ili zvonjavu unutar ispušnog sustava uzrokovanu odlomljenim dijelovima. Također i neispravni nosači ispušnog sustava odnosno motora uzrokuju vibracije koje mogu oštetiti monolit.  

Rješenje:

Ugradnja novog katalizatora. Zamjena nosača ispušnog sustava.

 

Onečišćenje olovom----------------------------------------------------------------

Kako bi se izbjeglo onečišćenje katalizatora olovom neophodno je koristiti bezolovna goriva. Naime, olovo stvara tanki film na aktivnoj površini katalizatora koji onemogućuje odvijanje procesa redukcije i oksidacije. Jedan ili dva puna tanka goriva s olovom su već dostatni za osjetnu degradaciju radne učinkovitosti katalizatora.

Dijagnoza:
Razina trovanja, odnosno učinkovitosti katalizatora proporcionalna je količini nataloženog olova u katalizatoru. Pomoču specijalnih detektora olova može se utvrditi onečišćenost katalizatora olovom. U slučajevima onečišćenja i od nekoliko miligrama potrebno je zamijeniti katalizator.

Rješenje:
Ugradnja novog katalizatora.

Greška u radu Lambda sonde-------------------------------------------------------

Greška u radu lambda sonde vodi do stvaranja gorive smjese u kojoj udjeli goriva i benzina odstupaju od idealnog stehiometrijskog omjera pri kojem je funkcija katalizatora maksimalno iskorištena. Ako je smjesa prebogata gorivom ponavlja se gore spomenuti problem ulaska neizgorenog goriva u sastav ispušnih plinova, a ako je presiromašna gorivom vozilo gubi na snazi. U tom slučaju katalizator ne obavlja zadovoljavajuće svoju funkciju te ne prolazi na eko-testu (previsok sastav NOx-a u ispušnim plinovima).

Dijagnoza:
Neispravan lambda faktor se može utvrditi na rezultatima eko-testa, dok se neispravnost lambda sonde provjerava specijalnim aparatima za tu namjenu.

Rješenje:
Zamjena katalizatora neće utjecati na rješenje ovog problema. Potrebno je zamjeniti lambda sondu.

Ulazak ulja i antifriza u prostor izgaranja--------------------------------------------

Ulje i antifriz koji greškom uđu u sastav ispušnih plinova mogu zapriječiti prolaz ispušnim plinovima u katalizatoru stvarajući guste obloge čađe unutar samog punjenja katalizatora.  Neizgoreni ugljik u obliku čađe nataložen u katalizatoru stvara slijedeće probleme. Kao prvo, naslage čađe onemogućuju odvijanje primarne funkcije katalizatora – smanjenja količine štetnih tvari (HC, CO, NOx) u ispušnim plinovima, te, kao drugo, zagušuju sitne rupice u punjenju katalizatora i na taj način blokiraju prolaz ispušnim plinovima, stvarajući povećani povratni pritisak u ispušnom sustavu. Posljedica toga su povećana toplinska opterećenja motora – time i kraći vijek trajanja, te povratak ispušnih plinova natrag u cilindar što znatno smanjuje korisnost procesa koji se odvija u cilindru i samim time manju snagu motora uz povećanu potrošnju goriva. Uzroci tomu mogu biti istrošene karike na klipovima, istrošene gumice na ventilima ili neispravna brtva na glavi motora.

Rješenje:

Zamjena katalizatora je privremeno rješenje jer potrebno je ukloniti problem koji uzrokuje ulazak ulja u ispušni sustav.

Istrošene sviječiće ili kablovi svijećica----------------------------------------------

Svijećice koje ne stvaraju iskru ili pak to čine u krivi trenutak, razlog su ulazu neizgorenog goriva u sastav ispušnih plinova. Neizgoreno gorivo u ispušnim plinovima izgara u katalizatoru zbog visokih temperatura odvijanja redukcijskih i oksidacijskih procesa u njemu, te još više povisuje vršne temperature procesa, koje pogoduju rastapanju i raspadanju punjenja samog katalizatora. Ispravnost svijećica i kablova svijećica trebalo bi redovito provjeravati i mijenjati u slučaju eventualnih neispravnosti

Dijagnoza:
Provjera ispravnosti svijećica i kablova

Rješenje:
Zamjena katalizatora je privremeno rješenje jer potrebno je zamijeniti neispravne svijećice odnosno kablove kako bi se izbjegao ponovni kvar katalizatora.

Višak neizgorenog goriva u ispušnim plinovima-----------------------------------




Gorivo koje izgara i na taj način daje snagu motora, predviđeno je da u potpunosti izgara u cilindru. Višak goriva koji ne stigne izgoriti u cilindru ulazi u sastav ispušnih plinova, te izgara u trenutku kad ispušni plinovi dođu do katalizatora, gdje je ujedno i najviša temperatura u cijelom ispušnom sustavu. To neželjeno izgaranje dodatno zagrijava katalizator do ekstremno visokih temperatura koje dovode do otapanja keramičkog punjenja katalizatora.



Mogući razlozi neispravnog omjera u zraka i benzina u gorivoj smjesi mogu biti slijedeći: nepravodoban trenutak paljenja svijećice, korodirani visokonaponski kablovi svijećica, neispravni senzor kisika u ispušnim plinovima (lambda sonda), neispravna brizgaljka goriva ili neispravni senzori rada motora.

Dijagnoza:
Neispravan rad motora, gubitak snage i momenta, čađa u ispušnim plinovima

Rješenje:
Katalizator treba mijenjati tek kad se ukloni primarni izvor neispravnosti u radu motora.

Starenje katalizatora-------------------------------------------------------------

Tijekom godina eksploatacije katalizatori gube svoju učinkovitost. Razni aditivi goriva i ulja, čestice metala i smeća u ispušnim plinovima te općeniti zamor materijala u katalizatoru uzrokuju smanjenje radne učinkovitosti, a samim time i porast štetnih tvari u ispušnim plinovima

Rješenje:
Zamjena katalizatora najbolje je rješenje problema, a kao prevencija preporučuje se redoviti servis vozila i korištenje aditiva koji su označeni kao CAT friendly.



 


 Koliko često je potrebno mijenjati katalizator?

Odgovor:
Teoretski, katalizator bi trebao nadmašiti radni vijek vozila. Međutim, uslijed ekstremnih termičkih i mehaničkih opterećenja kojima je katalizator izložen na vozilu potrebno je katalizator zamijeniti barem jedanput tijekom radnog vijeka vozila (svakih 100.000 – 150.000 km). Kod nekih vozila katalizatori se kvare i mnogo prije zbog keramičkih monolita.

Djeluje li katalizator tijekom kratkih intervala vožnje?

Odgovor:
Katalizator treba postići radnu temperaturu kako bi počeo vršiti predviđene kemijske procese. Vrijeme zagrijavanja iznosi otprilike 3 minute tijekom zimskog perioda. Približavanjem katalizatora motoru moguće je dodatno skratiti vrijeme potrebno za postizanje radne temperature.

Zašto ispušni plinovi katalizatora ponekad smrde po trulim jajima?

Odgovor:
Smrad po trulim jajima se ponekad pojavljuje uslijed stvaranja sumporovodika u katalizatoru od neizgorenih elemenata sumpora iz goriva. Obično se pojavljuje uslijed naglih promjena režima rada motora. Taj fenomen se najčešće javlja kod novijih vozila i postepeno nestaje s godinama.

Može li se katalizator popraviti?

Odgovor:
Katalizator je element koji se ne popravlja već mijenja. Nepovoljan sastav ispušnih plinova može biti prisutan i uz ispravni katalizator te je tada potrebno dijagnosticirati i ukloniti uzrok.

Da li katalizator utječe na performanse moga vozila?

Odgovor:
Ne, zato što je rad vozila optimiziran za konstrukciju ispušnog sustava u kojem je standardni i neizostavni član katalizator. Katalizator doduše uzrokuje dodatni protutlak u ispušnom sustavu, no zahvaljujući tomu stražnji ispušni lonci su manje restriktivne konstrukcije.

Postoje li katalizatori za diesel vozila?

Odgovor:
Postoje. Njihova konstrukcija je utoliko drugačija što su oni predviđeni prvenstveno za reakcije redukcije u svrhu smanjenja količine NOx – dušikovih oksida, koja je znatna kod diesel motora. Emisije HC i CO kod diesel motora su zanemarive.

Mogu li koristiti aditive za ulja i gorivo u vozila s katalizatorom?

Odgovor:
Preporučljivo je koristiti aditive koji su deklarirani kao CAT friendly.

Kako prepoznati ima li moje vozilo ili je imalo katalizator?

Odgovor:
Prisutnost lambda sonda pokazuje da je vaše vozilo imalo katalizator.


Katalizatori
 - Uvod
 - Što je to katalizator?
 - Kako djeluje katalizator?
 - Otkrivanje uzroka kvara na katalizatorima
 - Odgovori na učestalo postavljana pitanja o katalizatorima

Dijagnostika sastavom ispušnih plinova
Vizualna inspekcija lambda sonde
Lambda sonda i njezino djelovanje