Onderwerpen:
- Algemeen
- Werking drieweg- / oxidatiekatalysator
- Werktemperaturen
- Werking NOx-katalysator
- Veroudering en de oorzaken
Algemeen:
De naam Katalysator is oorspronkelijk afkomstig van het Griekse woord Katalysis (dat betekent ontbinding). Een katalysator is sinds einde 1992 noodzakelijk om volgens de milieu eisen te voldoen. In uitlaatgassen zitten de schadelijke stoffen: CO (koolmonoxide), NOx (stikstofoxide) en CH (onverbrande koolwaterstof). Deze stoffen worden (geoxideerd) naar niet-schadelijke stoffen. Vandaar ook soms de benaming Oxidatiekatalysator.
In de scheikunde verstaat men onder een katalysator een stof die een chemische reactie uitlokt en versnelt of vertraagt zonder zelf enige verandering te ondergaan.
Werking drieweg- / oxidatiekatalysator:
Een katalysator is geen filter, maar kan gezien worden als een omzetelement waarin edelmetalen, zoals platina, rhodium of paladium zijn aangebracht. Als de uitlaatgassen daarmee in contact komen, ontstaat een zeer snelle chemische reactie. De moleculen van de schadelijke gassen worden ontbonden en verbonden met andere moleculen wat resulteert in een niet-schadelijke gas. De katalysator is in staat de uitlaatgassen voor 90% te zuiveren. Dit gaat echter ten koste van een hoger verbruik en lager vermogen. Dat komt doordat deze een bepaalde luchtweerstand in het uitlaattraject creëert.
Stoffen in de uitlaatgassen:
- CO2: Kooldioxide (Bij hoge concentraties schadelijk voor het milieu, mens en dier)
- CO: Koolmonoxide (onvolledig verbrand gas, ook schadelijk voor de gezondheid)
- CH: Koolwaterstoffen (onverbrande benzinedelen)
- O2: Zuurstofdelen (die niet aan de verbranding hebben deelgenomen)
- NOx: Stikstofverbinding (die alleen onder hele hoge verbrandingstemperaturen ontstaat.
De katalysator zet de 3 schadelijke componenten CO, HC en NOx om in 3 onschadelijke componenten: CO2, H2O en N2. De naam drieweg katalysator komt hier ook vandaan.
Om O2 en CO aan de katalysator toe te voegen, zodat de omzetting plaats kan vinden, moet het inspuitpatroon van de motor worden aangepast. Om O2 te vormen moet het mengsel arm zijn (minder brandstof, meer lucht). Om CO te vormen moet het mengsel rijk zijn (meer brandstof, minder lucht). Dat laatste is niet het geval bij arme-mengselmotoren, zie het hoofdstuk NOx katalysator verderop de pagina.
Door steeds iets te veel en iets te weinig brandstof in de cilinders in te spuiten, ontstaat er steeds een rijk en arm mengsel. De overschotten van CO en O2 komen zo in de katalysator terecht. In de katalysator gaat het platina een reactie aan met de CO en HC. Het rodium zorgt voor de reductie van de NOx. Dat verklaart ook waarom er een wisselende spanning gemeten wordt wanneer er op de Lambdasonde gemeten wordt. Daar varieert de spanning tussen de 0,2 en de 0,8 Volt (van arm naar rijk, etc.) Het motormanagementsysteem van de auto (de ECU) regelt dit zelf. Er hoeft dus niets aan afgesteld te worden.
| Schadelijke stof: | Toevoegen van: | Resulteert in: |
| CO + | O2 = | CO2 |
| HC + | O2 = | CO2 + H2O |
| NOx + | CO = | N2 + CO2 |
Om O2 en CO aan de katalysator toe te voegen, zodat de omzetting plaats kan vinden, moet het inspuitpatroon van de motor worden aangepast. Om O2 te vormen moet het mengsel arm zijn (minder brandstof, meer lucht). Om CO te vormen moet het mengsel rijk zijn (meer brandstof, minder lucht). Dat laatste is niet het geval bij arme-mengselmotoren, zie het hoofdstuk NOx katalysator verderop de pagina.
Door steeds iets te veel en iets te weinig brandstof in de cilinders in te spuiten, ontstaat er steeds een rijk en arm mengsel. De overschotten van CO en O2 komen zo in de katalysator terecht. In de katalysator gaat het platina een reactie aan met de CO en HC. Het rodium zorgt voor de reductie van de NOx. Dat verklaart ook waarom er een wisselende spanning gemeten wordt wanneer er op de lambdasonde wordt gemeten. Daar varieert de spanning tussen de 0,2 en de 0,8 Volt (van arm naar rijk, etc.) Het motormanagementsysteem van de auto (de ECU) regelt dit zelf. Er hoeft dus niets aan afgesteld te worden.
Wat in het bovenstaande tabel te zien is, is dat de stoffen allemaal naar o.a. CO2 worden omgezet. CO2 wordt tegenwoordig gezien als een stof die gevaarlijk is voor het milieu en verantwoordelijk is voor de opwarming van de aarde. Echter, een mens ademt ook CO2 uit. Dit wordt door bomen en planten weer omgezet in O2 (zuurstof). Een te veel aan CO2 heeft een schadelijke invloed. De bomen en planten zijn in de minderheid en zijn niet in staat om alles om te zetten naar O2. Voor verbrandingsmotoren dient het CO2 gehalte zo hoog mogelijk te zijn. Dat klinkt gek, omdat je juist zou denken dat deze zo laag mogelijk gehouden zou worden. Het zit namelijk zo; hoe hoger het CO2 gehalte is, des te minder CO en HC er vrijkomt. CO en HC zijn wel direct schadelijk voor de gezondheid bij het inademen. De enige manier om het CO2 gehalte te verminderen is door het overgaan naar alternatieve brandstoffen, kleinere (zuinigere) verbrandingsmotoren en een rustiger rijgedrag.
Werktemperaturen:
De nuttige werking van de katalysator begint vanaf een temperatuur van 250 graden en is maximaal bij een temperatuur van 450 graden. Na het starten van de motor duurt het nog even voordat de zuiverende werking begint. De katalysator wordt zo dicht mogelijk bij het uitlaatspruitstuk gemonteerd, omdat hij zo eerder zijn werktemperatuur bereikt. Uitlaatgastemperaturen tussen 800 en 1000 graden zorgen voor een snellere thermische veroudering waardoor de levensduur verkort wordt en de actieve oppervlakte daardoor kleiner wordt.
Er zijn ook katalysatoren met een verwarmingselement die zorgt dat de katalysator na een koude start nog sneller op temperatuur is. Deze kan dan nog sneller gaan regelen nadat de motor ingeschakeld is, wat resulteert tot schonere uitlaatgassen
Om na een koude start de katalysator zo snel mogelijk op te warmen, wordt vaak gebruik gemaakt van een secundaire luchtpomp.
Werking NOx katalysator:
Eerder werd al uitgelegd dat NOx door de katalysator gereduceerd kan worden door extra CO in het uitlaatgas te verkrijgen. Dit is alleen mogelijk om het mengsel rijker te maken. Bij de arme-mengselmotoren van o.a. Volkswagen (FSI) en van BMW (Efficiënt Dynamics) draaien de motoren in deellast en lage toerentallen altijd op een mengsel met een overschot aan lucht (dus arm, en nooit rijk). Met een normale driewegkatalysator is het dus onmogelijk om NOx om te zetten naar N2 + CO2. Om toch de NOx uit de uitlaatgassen te verwijderen is er een speciale NOx-(opslag)katalysator met een speciaal bariumcomponent nodig. Naast het bariumcomponent zitten ook in deze katalysator edelmetalen zoals platina en rodium.
De drieweg katalysator zet de CO en HC waarden om in CO2 en H2O zoals eerder al beschreven is. De NOx wordt door de NOx katalysator omgezet. Er zijn wel extra temperatuursensoren en een NOx sensor nodig om de waardes constant te controleren.
In de onderstaande afbeelding is een uitlaatsysteem te zien zoals bij o.a. VW, BMW (en steeds meer andere merken) wordt toegepast.
De NOx gassen worden in koude toestand opgeslagen in deze katalysator. De overige uitlaatgassen kunnen hun weg wel vervolgen door de uitlaat. Tijdens de zuurstofrijke periode worden de NOx gassen opgeslagen in het bariumcomponent. De NOx hoopt zich op (net als roet in een roetfilter opgeslagen wordt). Op ten duur raakt de katalysator verzadigd. Dat is het moment dat deze vol zit met NOx. De katalysator moet dan geregenereerd worden. De NOx sensor herkent dit en zend een signaal naar de ECU. Op dit moment wordt het mengsel rijk gemaakt, speciaal om de NOx katalysator te regenereren. Dit gebeurt alleen als de NOx katalysator een temperatuur heeft bereikt van 800 graden (dit wordt door de temperatuursensor geregistreerd en ook doorgegeven naar het motorregelapparaat). Met het tijdelijk verrijken komt er extra CO vrij. Met behulp van deze CO kan door de platina en rodium componenten een omzetting naar N2 + CO2 plaatsvinden. Na het regenereren zal de motor weer net zo lang op een arm mengsel gaan draaien totdat de katalysator weer verzadigd is.
Er kunnen zich ook storingen aan dit systeem voordoen. Wanneer er namelijk alleen maar korte stukjes met de auto gereden worden (wat overigens voor de gehele auto slecht is), zal de NOx katalysator ook zijn werktemperatuur niet kunnen behalen. Zodra deze verzadigd is (vol zit) zal deze geregenereerd moeten worden. Alleen als de temperatuursensor steeds een te lage temperatuur blijft meten, zal de ECU het mengsel nooit verrijken. Als de katalysator niet op bedrijfstemperatuur is, kunnen de platina en rodium componenten namelijk nog niet voor een omzetting zorgen. Op dit moment zal het motorstoringlampje gaan branden en zal bij het uitlezen van de auto de oorzaak naar voren komen. De katalysator zal dan met behulp van de testkast, of een stevige proefrit alsnog geregenereerd worden. Het beste is dus om af en toe een lang stuk te rijden (van bijv. 50 km of meer over de snelweg) en het liefst een stuk met een verhoogd toerental. De katalysator zal dan makkelijk zijn werktemperatuur kunnen behalen.
Tegenwoordig wordt bij dieselmotoren de SCR (Selective Catalytic Reduction) katalysator toegepast. In deze SCR-katalysator wordt ook NOx opgeslagen, maar is er ook een AdBlue-doseersysteem aan toegevoegd.
Veroudering en de oorzaken:
- Benzine: Een drieweg katalysator kan alleen maar werken met loodvrije benzine. Als er toch loodhoudende benzine getankt wordt, hecht het zich in een dun laagje vast op het edelmetaal, waardoor het contact met de uitlaatgassen afneemt en na een tijdje zelfs niet meer mogelijk is. Er kan dan geen chemische reactie meer ontstaan. De katalysator is nu dus buiten werking en moet vervangen worden. Dat is een kostbare zaak. Loodhoudende benzine werd toegevoegd om een bepaalde klopgrens (pingelgrens) te bereiken. Doordat er tegenwoordig pingelsensoren gebruikt worden, is het lood uit de brandstof verwijderd.
- Olie heeft ook een verwoestende werking op het binnenwerk. Bij veel olielekkage langs bijv. de zuigerveren, klepgeleiders of de turbo kan er veel olie in de katalysator terecht komen. Ook door de olie hecht zich een laagje op het edelmetaal, dat vervolgens de werking verliest.
- Korte stukjes rijden: Door het rijden van veel korte stukjes bereikt de katalysator zelden tot nooit zijn werktemperatuur. De onverbrande HC-(benzine)resten hechten zich aan het keramisch oppervlakte. Als er een lang stuk mee gereden wordt, worden deze HC-resten alsnog verbrandt. Blijven er korte stukken mee gereden worden, dan hechten deze HC-resten zich ook aan het binnenwerk, waardoor de katalysator na verloop van tijd zijn werking verliest.
Vaak wordt door de tweede lambdasonde (de sprongsensor) gemeten of de katalysator de gassen goed heeft omgezet. Mocht de katalysator verouderen of mocht het binnenwerk defect zijn, dan zal deze tweede lambdasonde dit meten. Er gaat dan een storingslampje op het dashboard branden. Het vervangen van de katalysator is dan noodzakelijk. Meer informatie over de lambdasonde is te vinden op de pagina Lambdasonde.