EKOLOGIA I OCHRONA ŚRODOWISKA W TRANSPORCIE LABORATORIUM Ćwiczenie 5 Temat: Ocena skuteczności działania katalitycznego układu oczyszczania spalin. 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest ocena skuteczności działania katalitycznego układu oczyszczania spalin na podstawie pomiarów wykonanych na stanowisku do badań silnikowych. 2. Katalityczne układy oczyszczania spalin silnikowych. Katalityczny neutralizator spalin zwany inaczej konwertorem katalitycznym lub potocznie katalizatorem jest dzisiaj powszechnie uŝywany do oczyszczania spalin ze szkodliwych, toksycznych związków takich jak: tlenek węgla CO, tlenki azotu NOx i węglowodory (HC). Katalizatory umoŝliwiają spełnienie wymagań norm dotyczących dopuszczenia do ruchu pojazdów samochodowych, jak i innych maszyn napędzanych silnikami spalinowymi. Stosowanie katalitycznych neutralizatorów spalin rozpoczęto juŝ w latach 70-tych, a dynamiczny rozwój elektronicznych układów wytrysku paliwa, umoŝliwił powszechne stosowanie neutralizatorów w samochodach osobowych z silnikami o zapłonie iskrowym. Do współpracy z silnikiem spalinowym stosuje się następujące rodzaje neutralizatorów katalitycznych: -neutralizatory utleniające, -neutralizatory redukujące; -neutralizatory wielofunkcyjne: redukująco utleniające (tzw. trójdroŝne); Neutralizatory utleniające powodują utlenienie CO oraz węglowodorów wg następujących reakcji: 2 CO + O 2 2 CO 2 HnCm + (m + n/4) O2 m CO2 + (n/2) H2O
Reakcje te zachodzą przy obecności tlenu w spalinach, co odpowiada mieszance paliwowo- powietrznej o λ > 1, przy czym λ jest współczynnikiem nadmiaru powietrza. W przypadku silników pracujących przy składzie mieszanki z λ < 1, do neutralizatora trzeba dodatkowo doprowadzić powietrze. Katalizatory utleniające w zasadzie nie wpływają na zmianę stęŝenia NOx w spalinach. Drugą grupę stanowią neutralizatory redukujące. Neutralizator redukujący rozkłada tlenki azotu obecne w spalinach do wolnego azotu. Czynnikiem redukującym jest tlenek węgla CO: 2 NO + 2 CO N 2 + 2 CO 2 Aby reakcje redukcji mogły nastąpić, w spalinach nie powinien występować tlen, a zatem silnik powinien pracować na mieszance bogatej ( λ < 1). Trzecią grupę stanowią układy wielofunkcyjne (utleniająco-redukujące). Zastosowanie neutralizatorów redukująco- utleniających, które na jednym złoŝu katalitycznym pozwalają przeprowadzić reakcje utleniania węglowodorów i tlenku węgla z równoczesną reakcją redukcji tlenków azotu, stało się moŝliwe dzięki zastosowaniu w silnikach o ZI wytrysku paliwa z elektroniczną regulacją składu mieszanki. Skład mieszanki regulowany jest na podstawie sygnałów z tzw. Sondy lambda, która jest miernikiem stęŝenia tlenu w spalinach. Układ taki pozwala w całym zakresie pracy silnika utrzymać zbliŝony do stechiometrycznego skład mieszanki paliwowo-powietrznej (λ = 1). Skład spalin mieszanki stechiometrycznej stwarza moŝliwość usunięcia szkodliwych zanieczyszczeń w jednym procesie bez rozdziału neutralizatora na częśc redukującą i utleniającą oraz bez doprowadzenia dodatkowego powietrza. Podstawowym elementem katalitycznego układu oczyszczania spalin jest ceramiczny lub metalowy nośnik monolityczny, na który naniesiona jest powłoka aktywna. Nośnik jest tak wykonany, aby zapewniał moŝliwie największą powierzchnię rozwiniętą, zawartą w danej objętości. W przekroju poprzecznym ma on często kształt plastra miodu. Materiał nośny powinien posiadać dobre własności mechaniczne oraz odporność na szok termiczny. Doskonałe własności plastyczne masy ceramicznej pozwalają tłoczyć monolity, które mają grubość ścianki ok. 0,15mm, a nawet poniŝej 0,1 mm. Nośniki metalowe katalizatorów wykonywane są ze zwiniętej fałdowanej folii stalowej, grubości ok. 0,05 mm. Po zwinięciu folii jest ona lutowana, co zapobiega
zniszczeniu nośnika przez strumień gazów wylotowych silnika. RównieŜ na powierzchnię nośnika metalowego nakłada się ceramiczną warstwę pośrednią, a następnie nanosi się fazę aktywną katalizatorów, podobnie jak w przypadku nośników ceramicznych. Przed naniesieniem na powierzchnię monolitu metali aktywnych, nanosi się warstwę pośrednią tlenku glinu Al 2 O 3 wraz z substancjami intensyfikującymi działania katalizatorów. Warstwa pośrednia posiada silnie rozwiniętą powierzchnię wewnętrzną ( pow. 100 cm 2 /cm 3 ) dzięki czemu po wprowadzeniu na nią metali aktywnych uzyskuje się bardzo dobre własności katalityczne tak przygotowanego monolitu. Najczęściej stosowane są katalizatory, w których faza aktywna składa się z platyny, palladu i rodu w odpowiednich proporcjach. Mogą być równieŝ stosowane związki miedzi, manganu, niklu i inne. Skład fazy aktywnej zaleŝy między innymi od tego, czy ma to być katalizator utleniający, redukujący czy teŝ redukująco- utleniający. Aby otrzymać neutralizator przydatny do zamontowania w układzie wylotowym silnika, nośnik z naniesioną substancją katalityczną umieszcza się w konwertorze wykonanym ze stali nierdzewnej (rys. 1). Kształt konwertora musi uwzględniać nie tylko kształt monolitu, ale równieŝ odpowiadać warunkom zabudowy w pojeździe, jak równieŝ właściwemu naprowadzaniu gazów spalinowych na powierzchnię czołową monolitu. Najlepsze pod tym względem są monolity o przekroju kołowym. 1- monolit ceramiczny 2- obudowa 3- kołnierz wlotowy 4- kołnierz wylotowy 5- stoŝek wlotowy 6- stoŝek wylotowy 7- mata ceramiczna Rys. 1. Schemat konwertora katalitycznego
W przypadku stosowania monolitów ceramicznych, nie moŝna umieszczać ich bezpośrednio w metalowej obudowie konwertora, gdyŝ groziłoby to zniszczeniem monolitu na skutek drgań. Monolit ceramiczny owija się zatem przed zabudową w specjalną, Ŝarowytrzymałą matę, która chroni go przed uszkodzeniami. Skuteczność działania katalitycznego układu oczyszczania spalin zaleŝy od: temperatury czasu kontaktu spalin z powierzchnią katalizatora koncentracji składników toksycznych w spalinach. Temperatura złoŝa katalitycznego jest trudna do określenia dlatego zamiast niej określa się temperaturę spalin w konwertorze, przy czym biorąc pod uwagę niewielką grubość ścianek nośnika, wynoszącą zaleŝnie od typu nośnika ok. 0,05 0,15 mm w ustalonych warunkach pomiaru róŝnica temperatur między przepływającymi spalinami a złoŝem katalitycznym jest mała. Czas kontaktu spalin z powierzchnią katalizatora zaleŝy od prędkości objętościowej a zatem głównie od prędkości obrotowej silnika. Koncentracja składników toksycznych w spalinach zaleŝy przede wszystkim od parametrów pracy silnika tzn. od obciąŝenia silnika i jego prędkości obrotowej. Ocena skuteczności działania neutralizatora polega na wyznaczeniu przebiegu zmian stopnia konwersji tlenku węgla (CO), tlenków azotu (NOx) i węglowodorów (HC), dla określenia obciąŝenia i określonej prędkości obrotowej silnika. W celu określenia stopnia konwersji toksycznych składników spalin dokonuje się pomiarów stęŝeń składników toksycznych przed i za konwertorem, a następnie oblicza się poszczególne stopnie konwersji wg wzoru: η = (C p - C z )/ C p gdzie: η stopień konwersji (sprawność katalizatora), C p stęŝenie danego składnika przed układem, C z stęŝenie danego składnika po przejściu przez układ.
3. Realizacja ćwiczenia 3.1. Przeszkolenie BHP Przed uruchomieniem stanowiska i rozpoczęciem pomiarów, prowadzący przeprowadza szkolenie BHP na stanowisku pracy. 3.2. Przygotowanie stanowiska pomiarowego Przed uruchomieniem stanowiska naleŝy: sprawdzić poziom oleju w silniku, sprawdzić poziom cieczy chłodzącej, sprawdzić podłączenie sąd pomiarowych z aparaturą pomiarową, usunąć wszystkie zbędne przedmioty ze stanowiska, sprawdzać układ zasilania paliwem miernica powinna być napełniona, paliwo podłączone. 3.3. Wykonanie pomiarów Przed przystąpieniem do pomiarów, w porozumieniu z prowadzącym zajęcia naleŝy ustalić plan pomiaru oraz wyznaczyć kierownika pomiarów i osoby obsługujące aparaturę. Rozruchu silnika dokonuje prowadzący zajęcia. Po rozruchu naleŝy włączyć aparaturę pomiarową i sprawdzić jej działanie. Po uruchomieniu stanowiska prowadzący zajęcia daje sygnał do rozpoczęcia pomiarów. Wyniki pomiarów naleŝy notować w dostarczonym przez prowadzącego arkuszu pomiarowym zgodnie z przyjętym planem pomiarów. Wszelkie zaobserwowane nieprawidłowości niezwłocznie zgłosić prowadzącemu. 3.4. Zakończenie pomiarów Zakończenie pomiarów naleŝy zgłosić prowadzącemu zajęcia. Wyłączenia aparatury dokonuje prowadzący zajęcia. 3.5. Opracowanie wyników badań Po zakończeniu pomiarów naleŝy opracować uzgodnione wyniki i przedstawić je na następnych zajęciach w formie sprawozdania.