KATALYSAATTORIN RAKENNE JA TOIMINTA

Lähde: Juhani Laurikko, 1993. Auto - Ympäristö. Oppimateriaaliprojekti. ISBN 952-90-4793-2

Katalysaattori

Kemiassa määritellään sellainen käsite kuin katalyytti. Se on aine, joka kiihdyttää reaktioita, tai saa ne tapahtumaan toisenlaisissa olosuhteissa, esimerkiksi matalammassa lämpötilassa, muttei itse osallistu reaktioihin eikä kulu niissä. Pakokaasun puhdistuksessa katalyyttisen puhdistimen eli katalysaattorin periaatteena on saada reaktiot, joita moottorin palotilassa tapahtuu, jatkumaan tai palautumaan vielä pakoputkistossa pakokaasujen sisältämän lämpöenergian avulla ennen kuin pakokaasut vapautuvat ilmaan. Katalysaattori ei siis ole mikään suodatin, joka keräisi itseensä saasteita, vaan kemiallinen muunnin, jonka avulla haitalliset ja vaaralliset pakokaasun aineosat muunnetaan vaarattomiksi, siis typpikaasuksi (N2), hiilidioksidiksi (CO2) ja vesihöyryksi. Itsestään selvää on, ettei muunnosreaktioiden yhteydessä saisi muodostua uusia haitallisia aineosasia. Tämä tavoite onkin nykytekniikalla jo varsin hyvin saavutettu.

Nykyisin bensiinimoottoriautoissa käytettävät katalysaattorit ovat enimmäkseen ns. kolmitoimisia. Nimitys on peräisin siitä, että niissä tapahtuu samanaikaisesti kaikkien kolmen pääasiallisen saastekomponentin muunnosreaktioita: Samalla kun hapetetaan hiilimonoksidia (CO) ja palamattomia hiilivetyjä (HC), pelkistetään myös typen oksideja (NOX).

Katalysaattorin rakenne  

Puhdistin rakentuu mehiläispesän hunajakennoja muistuttavien, tavallisesti keraamista ainetta olevien pohja-ainekennojen ympärille. Nämä kennot, jotka voivat keramiikan vaihtoehtona olla myös ohuesta metallifoliosta valmistettuja, kasvattavat katalysaattorin sisällä olevaa seinämäpinta-alaa. Mahdollisimman suuri pinta-ala on tarpeen, jotta pakokaasuissa olevat saastemolekyylit ehtisivät kaikki käydä riittävän lähellä aktiivista seinämää, jossa puhdistumiseen tarvittavat reaktiot tapahtuvat. Auki levitettynä keskikokoisessa katalysaattorissa onkin sisäpinta-alaa parin jalkapallokentän verran ! Kennosto on suljettu ruostumattomasta teräksestä valmistettuun koteloon, joka on muodoltaan autoissa normaalisti käytettävien äänenvaimenninkammioiden kaltainen. Se on kiinnitetty paikoilleen joustavasti, jotta kotelon ja kennoston erilaiset lämpölaajenemiset eivät vähitellen riko koko rakennetta.

Tämän laajan, solukkomaisen kennoston pinnalle on sen huokoisuuden lisäämiseksi pinnoitettu alumiinioksidinen välikerros. Sen päälle on sitten seostettu varsinainen katalyyttisesti aktiivinen jalometalliseospinnoite. Yleisimmin käytetyt katalyyttimetallit ovat platina (Pt) ja rhodium (Rh). Platina toimii hapetusreaktioiden ja rhodium pelkistysreaktioiden katalyyttinä. Myös palladiumia (Pd) on käytetty varsin laajasti, etenkin alkuaikoina, kun katalysaattorit olivat vain hapettavia. Se kesti kuitenkin huonosti mm. bensiinissä olevan lyijyn "myrkyttävää" vaikutusta. Viime aikoina sitä on kuitenkin taas tutkittu, koska se on halvempaa kuin sitä paljon harvinaisemmat platina ja rhodium. Autojen katalysaattorit ovat itse asiassa suurin yksittäinen käyttökohde näille varsin harvinaisille jalometalleille. Keskikokoisessa puhdistimessa tätä kallisarvoista jalometalliseosta on kuitenkin varsin vähäinen määrä, vain noin 2 g.

Katalysaattorin toiminta

Kennomainen sisäosa pakottaa pakokaasut kulkemaan kapeiden kanavien kautta, jolloin matka kaasumolekyyleistä katalyyttiseen seinämäpintaan on mahdollisimman lyhyt. Kaasumolekyylit pomppivat seinästä seinään kuin pöytätennispallot. Joka molekyylin lasketaankin törmäävän seinämään yli 3000 kertaa matkallaan puhdistimen läpi. Katalyyttiseen hiukkaseen saastemolekyyli osuu tällä matkallaan vain noin 500 kertaa. Koska hapettumiseen tarvitaan vielä tämän törmäyksen lisäksi vapaan happiatomin läsnäolo törmäyshetkellä juuri sopivalla etäisyydellä, on tällaisia tilanteita laskettu syntyvän keskimäärin vain joka sadannella kerralla eli keskimäärin 5 kertaa kaasumolekyylin matkatessa katalysaattorin lävitse. Tämä on kuitenkin riittävä varmuuskerroin, sillä käytännössä yksikin törmäys riittää! Katalysaattorin muunnosreaktioissa typen oksidien pelkistyessä vapautuva happi siirtyy hiilimonoksidiin hapettaen sen ja palamattomat hiilivedyt vaarattomiksi hiilidioksidiksi ja vedeksi, joita pakokaasut jo muutenkin sisältävät.

Pelkkä katalysaattori pakoputkessa ei kuitenkaan vielä riitä, vaan kolmitoimikatalysaattori edellyttää eräitä apu- ja oheislaitteita toimiakseen tehokkaasti. Nämä apulaitteet huolehtivat siitä, että puhdistimessa tapahtuvien muunnosreaktioiden olosuhteet ovat optimaaliset. 

Polttoaineen ja ilman välisen seossuhteen tulee pysyä koko ajan hyvin lähellä teoreettisesti oikeaa (l = 1), ns. stökiömetristä seosta, jossa on 14,6 kg ilmaa yhtä polttoainekiloa kohden (katso alla oleva kuva). Tällöin moottorissa syntyvien hapetettavien (CO ja HC) ja pelkistettävien (NOx) aineiden määrät ovat sellaiset, että katalysaattorin muunnosreaktiot tapahtuvat tehokkaasti. Seossuhteen pitämiseksi sallitun vaihtelualueen rajoissa tarvitaan pakokaasujen happipitoisuuden tunnistin, ns. lambda-anturi, sekä moottoriin menevän polttoaine-ilma -seoksen koostumusta säätelevä sähköinen moottoriohjausjärjestelmä. Happitunnistimen antama signaali ohjaa polttoaineen ruiskutusta sähköisen säätöjärjestelmän kautta. Muunnosreaktioiden tapahtuminen edellyttää myös riittävän lämpötilan, vähintään 250 °C. Paras puhdistusteho ja pisin toimintaikä saavutetaan lämpötila-alueella 400...800 °C.

 

Sulje ikkuna ja palaa tehtävään.