Početna stranica

Uz pojavu elektroničke regulacije ubrizgavanja, katalizator je postao neizostavan dio svakog novog vozila.
Njegova funkcija je u potpunosti ekološka.
katalizator1katalizator2katalizator3

 

 

 

 

U kompleksnom sustavu el. regulacije upravljanja motorom vozila katalizator danas ima veliku važnost, čak toliku da u nekim slucajevima njegovo zatajenje onemogućuje rad sustava ubrizgavanja.
Katalizatori imaju dugačak vijek trajanja, ali važno je napomenuti da to vrijedi u slučaju rada u predviđenim uvjetima ostatka sustava.
Drugim riječima kvarove na katalizatorima najčešće uzrokuju drugi faktori kao što su vanjski udarci i oštećenja, neispravan rad motora ili pojedinog njegovog dijela (svijećica, ulazak ulja u prostor izgaranja…).


Dvije glavne vrste katalizatora dostupne su na našem tržištu, a tako i kod nas.
To su katalizatori sa metalnom jezgrom te katalizatori sa keramičkom jezgrom.
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 BiH.
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%.

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.

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.
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. 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.

                                           nešto o lambda sondi

Još davne 1976. godine Volvo je predstavio svetu trokanalni katalitički konvertor sa lambda sondom, čija je namena bila kontrola emisije izduvnih gasova. Danas, trideset godina kasnije, svi moderni motori širom sveta poseduju ovaj  uređaj od ključne važnosti za zaštitu životne sredine. 

 lamda1

lamda2lamda3

 

 

 

 

“Ovaj uređaj je najvažniji prodor ikada napravljen u kontroli emisije izduvnih gasova” izjavio je Tom Quinn, predsednik CARB, kada se 1977. godine na američkom tržištu pojavio Volvo 244 opremljen sa lambda sonda sistemom . Njegove reči važe do današnjeg dana. Lambda sonda je bila prvi efektan odgovor na pitanje smanjenja štetnih materija u izduvnim gasovima, posebno azotnih oksida (Nox), a princip na koji današnji automobili obavljaju isti posao je i dalje istovetan. Treba napomenuti da put do postizanja cilja nije bio lak.

Švedski Volvo je dao obećanje da će preuzeti korake ka smanjenju emisije štetnih gasova, kada su ljudi krajem šezdesetih počeli da razmišljaju na datu temu. Prvi koraci su bili povećanje količine i predgrevanje vazduha u usisnom sistemu, ali na taj način bilo je moguće smanjiti emisiju štetnih gasova u blagoj meri. To nije bilo ni blizu željnoj vrednosti smanjenja.
 
 
Već 1972. godine načinjen je prvi veliki korak, a zaslužan je bio Pehr Gyllenhammar, tada izvršni drektor AB Volvoa. On je na svetskoj konferenciji posvećenoj životnoj sredini u Stokholmu naglasio da su vozila u velikoj meri doprinela postepenom zagađenju životne sredine.

Ishod tog sastanka je bila deklaracija Volvoa koja se može primeniti i danas, a ona glasi:

Volvo ne želi da brani automobile, motorni saobraćaj uopšte, ni po koju cenu i u bilo kom kontekstu. Automobili su neizbežan deo svakodnevnog transportnog sistema. U interesu Volvoa je da automobili ne predstavljaju pretnju ili da čine štetu. Volvo je odgovoran ne samo da njegovi proizvodi namenjeni transportu funkcionišu dobro, već da oni takođe funkcionišu dobro u jednom širem kontekstu, u našoj životnoj sredini., a to je ono što mi danas zovemo održiva mobilnost.

Otprilike istovremeno inžinjeri Volvoa su otkrili da oksidirajući katalitički konvertori, koji su trebali biti tada predstavljeni, mogu pod određenim okolnostima biti usavršeni da predstavljaju mnogo efikasniju branu za ugljovodonike (HC), ugljenmonoksid (CO) i azotove okside (Nox).

Rad na razvoju ove mogućnosti, putem preciznog regulisanja odnosa vazduha i goriva u optimalnom odnosu za rad katalitičkog konvertora je počeo. Čovek koji je stajao iza lambda sonda projekta Volvoa, Stephen Wallman se seća:

“Komponente koje smo koristili za tehničko rešenje ovog projekta su već postojale, ali su korišćene u sasvim druge svrhe i na drugi način. Trik je bio u tome da ih povežemo u jedinstven sistem i nateramo ih da rade u automobilu sa benzinskim motorom”.

Ključ za rešenje kompletnog problema bio je uređaj veličine prsta.  

Lambda sonda je senzor koncentracije kiseonika koji se u engleskoj terminologiji označava kao OCS (Oxygen concetration sensor). Lambda sonda je pozicionirana u izduvnoj cevi između motora i katalitičkog konvertora. Katalitički konvertor može biti potpuno delotvoran u vršenju svoje funkcije jedino kod potpunog sagorevanja goriva, a ono je moguće samo kod tačnog odnosa vazduh/gorivo u usisnom sistemu.

Za potpuno sagorevanje jednog kilograma benzina potrebno je 14,7 kilograma vazduha i to je optimalan stehiometrijski odnos gorivo/vazduh (14,7 : 1). Inače, lambda sonda (senzor koncentracije kiseonika) ima istoimeni faktor (koeficijent) lambda, koji predstavlja odnos između stvarne i teoretski optimalne količine vazduha u smesi. Kad je koeficijent lambda manji od jedinice, smesa je bogata, a kad je veći, smesa je siromašna.

Da bi katalizator mogao dobro prečišćavati izduvne gasove, neophodno je održavati optimalan odnos vazduh/gorivo u usisnoj smesi, tj. održavati koeficijent lambda na jedinici. To se postiže posredno – merenjem sadržaja kiseonika u izduvnim gasovima. U izduvnim gasovima nakon sagorevanja zaostaje od 0,2 do 0,4 % kiseonika, što odgovara koeficijentu lambda od 0,95 do 1,05. Mereći sadržaj kiseonika posredno se meri i koeficijent lambda.

Osnovni elemenat lambda sonde je kruti elektrolit (keramika) od cirkonijevog oksida ZrO koji se nalazi između dve elektrode. Sadržaj kiseonika u izduvnim gasovima znatno menja napon na sondi. Merenjem napona lambda sonde meri se sadržaj zaostalog kiseonika u izduvnim gasovima, odnosno koeficijent lambda.

Zatim se šalje električni signal u upravljački sklop sistema za ubrizgavanje goriva, te se na temelju te informacije neprestano podešavaju ulazni parametri (odnos vazduh/gorivo) potrebni za potpuno sagorevanje goriva i dobar rad katalizatora.

O-Kat – skraćenica od  Oxidationskatalysator (nemački. oksidacijski katalizator) su katalitički konverteri koji se koriste za uklanjanje ugljenmonoksida i ugljovodonika iz izduvnih gasova, što se postiže hemijskom reakcijom – oksidacijom. Uz prisutnost katalizatora (platine, rodija ili paladija) ugljenmonoksid oksidira u ugljendioksid, a ugljovodonici u ugljendioksid i vodenu paru. Kancerogeni  azotovi oksidi se redukuju u inertni azot. Katalizatori su hemijski elementi koji olakšavaju i ubrzavaju hemijsku reakciju, ali ne učestvuju u njoj.

U ovim uslovima katalitički konvertor je bio efikasan u toj meri da je eliminisao 90 posto štetnih gasova formiranih u toku sagorevanja.

U Kaliforniji su 1977. godine predstavljeni novi standardi po pitanju emisije izduvnih gasova: ugljovodonici 0,41 gr/milji, ugljenmonoksid 9 gr/milji, azotni oksidi 1,5 gr/milji. U to vreme pomenuta norma po pitanju gasova je bila najstrožija u svetu. Volvo automobili sa opisanim katalitičkim konvertorom i lambda sondom su emitovali 0,2 gr/milji ugljovodonika, 3 gr/milji ugljenmonoksida i 0,2 g/milji azotovih oksida! To su bile neverovatno niske vrednosti emisije u to vreme. Niska emisija posebno azotovih oksida je bila senzacionalna i trud je bio nagrađen. Volvo je primio nagradu od veća Predsednika Kartera koje se bavilo zaštitom životne sredine.

Da bi lambda sonda radila ispravno, neophodni su joj bili ispravan katalitički konvertor i bezolovno gorivo, što je slučaj i danas. Kada je lambda senzor predstavljen bezolovno gorivo je bilo moguće kupiti samo u Severnoj Americi i Japanu. Danas ga je moguće naći svuda i nezamenljivo je kao i lambda i katalitički konvertor. Originalna lambda sonda je je usavršena u proteklih 30 godina da bi se redukovla emisija još više. Radi se o uređaju koji je pomerio čevečanstvo korak unapred. Bilo je moguće preduzeti još velikih broj malih koraka u usavršavanju ovog sistema tako da današnji Volvo automobili eliminišu 95 posto štetnih gasova. Trenutno je u centru pažnje smanjene nivoa karbon dioksida  (CO2) u izduvnim gasovima.

Nedavno Volvo je uveo i PremAir® sistem hlađenja koji smanjuje vrednost  ozona pri tlu tokom vožnje. PremAir® najbolje možemo opisati kao prevlaku na hladnjaku koja ozon pretvara u kiseonik dok vazduh prolazi kroz nju. Na visokim temperaturama gotovo 75% ozona pretvara se u čisti kiseonik.

“Iako je bilo zahteva koje smo morali ispoštovati, ambicija Volvoa i naša lična je bila da postignemo pravi proboj koji nas je i doveo do ovog više nego uspešnog rešenja” zaljučio je otac lambda sonde Stephen Wallman.

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.