Reaktor katalityczny - czyli nasz stary dobry "katalizator"

Katalizator to potoczna nazwa reaktora katalitycznego, dopalacza katalitycznego czy też konwertera katalitycznego. Wszystkich trzech ostatnich nazw można spokojnie użyć w rozmowie z profesorem politechniki. Nazwę katalizator zarezerwujmy raczej dla luźnych pogawędek ze znajomymi. Tyle słowem wstępu, przejdźmy do sedna.

Jak wiadomo, podczas pracy silnika o zapłonie iskrowym w spalinach emitowane są do otoczenia szkodliwe substancje. Najważniejsze z nich to tlenek węgla (CO), węglowodory (HC) i tlenki azotu (NOx). Normy czystości spalin wymusiły zmniejszenie zawartości tych substancji w spalinach, a jednym ze sposobów jest ich oczyszczenie na drodze odpowiednio dobranych chemicznych reakcji utleniania i redukcji. Tą funkcję w samochodzie spełnia konwerter katalityczny, który zawiera w swojej budowie substancje chemiczne (katalizatory). Te pobudzają zawarte w spalinach substancje do reakcji między sobą. Katalizatory (jako substancje) natomiast same w sobie się nie zużywają, ale trwałość reaktora katalitycznego szacuje się na ok. 80-100 tys. km, choć potrafią one służyć nawet dwukrotnie dłużej.

Konwerter jest częścią układu wydechowego umieszczaną w sąsiedztwie silnika. Dzięki temu reaktor może szybciej się nagrzewać do swojej właściwej temperatury pracy (powyżej 300-400[sup]o[/sup]C). Może być on także podgrzewany przez dodatkowe procesy (jak dotrysk paliwa, opóźnianie zapłonu) lub wspomagany małym konwerterem rozruchowym, działającym tuż po uruchomieniu silnika.

W silnikach benzynowych stosowane są konwertery trójfunkcyjne. Oznacza to, że pełnią one trzy role: utleniania tlenku węgla (do dwutlenku węgla, który nie jest szkodliwy dla człowieka ale mimo wszystko negatywnie wpływa na efekt cieplarniany), utleniania węglowodorów (w wyniku czego powstaje woda oraz dwutlenek węgla) i redukcji tlenków azotu. Aby te trzy procesy mogły prawidłowo przebiegać, wymagany jest odpowiedni skład mieszanki paliwowo-powietrznej, dlatego niezbędna jest jej kontrola przy pomocy sondy lambda. W silnikach wysokoprężnych niemożliwa jest jednoczesna redukcja tlenków azotu ze względu na specyfikę ich pracy (na ubogiej mieszance). Wykorzystuje się dodatkowe konwertery, w których substancją katalityczną jest np. mocznik, który jednak ulega zużyciu.

Reaktor katalityczny zbudowany jest z rdzenia wykonanego w postaci monolitu ceramicznego lub metalowego o strukturze plastra miodu, warstwy pośredniej, warstwy aktywnej, warstwy uszczelniającej i izolującej cieplnie w postaci mat oraz żaroodpornej obudowy wykonanej ze stali odpornej na korozję.

Monolit zbudowany jest z dużej liczby kanalików ułożonych poprzecznie zgodnie z kierunkiem przepływu spalin. Oddzielone są one od siebie cienkimi ściankami, a w przekroju poprzecznym monolit tworzy strukturę podobną do plastra miodu. W przypadku monolitów ceramicznych, kanaliki najczęściej mają kształt kwadratowy, ale mogą być również prostokątne, trójkątne czy sześciokątne co spotyka się jednak rzadziej. Grubość ich ścianek wynosi ok. 0,05 – 0,15 mm. Monolity metalowe budowane są z bardzo cienkich folii ze stali odpornej na korozję. Formowane są poprzez zwijanie dwóch blach o różnej strukturze, a następnie lutowane bądź zgrzewane. Grubość ścianek wynosi od 0,03 mm do 0,07 mm.

Struktura monolitu jest bardzo ważna, jako że wpływa na szereg parametrów związanych z jego budową jak opory przepływu spalin, wytrzymałość mechaniczną monolitu, bezwładność cieplną (czyli podatność na zmiany temperatury), współczynnik przewodzenia ciepła, powierzchnię właściwą monolitu, maksymalną temperaturę pracy. Głównymi wielkościami charakterystycznymi jest liczba kanalików oraz grubość ścianek. Im więcej kanalików, tym większa jest powierzchnia pracy, a więc zwiększa się efektywność konwertera, ale rosną także opory przepływu spalin. Wówczas liczy się także grubość ścianek – jeśli jest mała,  to opory są mniejsze, spada masa monolitu i rośnie jego bezwładność cieplna – reaktor szybciej się nagrzewa. Znalezienie kompromisu pomiędzy tymi wartościami nie jest proste, a jednym z najważniejszych rezultatów jest otrzymanie równomiernego przepływu spalin.

Monolity (zarówno metalowe jak i ceramiczne) mają słabo rozwiniętą powierzchnię właściwą, niewystarczającą do obsadzenia warstwy aktywnej katalitycznie. Monolit pokrywa się więc cienką porowatą warstwą pośrednią zawierającą trójtlenek glinu Al2O3 (tzw. washcoat). Dzięki temu powierzchnia czynna monolitu jest znacznie większa (dzięki porowatości warstwy) i obrazowo często przyrównuje się ją do rozmiarów boiska piłkarskiego.

Warstwę pośrednią pokrywa się warstwą aktywną, która zawiera substancje katalityczne: pallad, platynę, rod lub ruten. Ich warstwa jest bardzo cieniutka, zaledwie kilka cząsteczek. Platyna i pallad przyspieszają procesy utleniania, natomiast rod – redukcję NOx. Reakcje te zachodzą głównie w strefie kontaktu spalin z warstwą aktywną. Większa jej grubość nie przełożyłaby się zatem na efektywność konwertera, a wzrosłyby jedynie koszty, jako że użyte metale szlachetne nie należą do najtańszych.

Materiał izolacyjny musi kompensować różnice w rozszerzalności cieplnej obudowy oraz monolitu, wykazywać się odpornością na wysokie temperatury oraz wykazywać małą przepuszczalność gazów wylotowych. Najczęściej stosuje się maty przeciwogniowe, maty przeciwogniowe z niską zawartością wermikulitu (dzięki czemu naciski w wysokich temperaturach są niższe i odporność na erozję wyższa), maty nie zawierające wermikulitu o specjalnych włóknach polikrystatlicznych co przekłada się na dużą sprężystość nawet w temperaturach powyżej 1000[sup]o[/sup]C, lub maty hybrydowe, będące połączeniem wcześniej wymienionych.

Obudowa reaktora katalitycznego wykonywana jest z wysokogatunkowych stali chromowych lub chromoniklowych. Charakteryzuje je dobra odporność na korozję, procesy utleniające czy rozszerzalność termiczną. Obudowa posiada podwójne ścianki, pomiędzy którymi znajduje się warstwa izolująca akustycznie i termicznie.

Zobacz także: