Katalysator

De katalysator bestaat uit een roestvrij stalen behuizing en is een onderdeel van moderne uitlaatgaszuiveringssystemen van benzine- en dieselmotoren. Het zorgt ervoor dat schadelijke uitlaatgascomponenten van verbrandingsmotoren worden omgezet in onschadelijke gassen

Functie
De katalysator heeft tot taak om schadelijke uitlaatgascomponenten van verbrandingsmotoren door middel van een chemische reactie om te zetten in onschadelijke gassen.

STRUCTUUR VAN DE KATALYSATOR
KatalysatorEen katalysator bestaat uit een omhulsel van roestvrij staal. Hierin wordt een metalen (metalith) of keramische (monolith) drager gemonteerd. De drager heeft vele kleine kanalen die er in de lengterichting doorheen lopen. Het doel is een zo groot mogelijk oppervlak te creëren, zodat de katalysator een optimale werking heeft. Het oppervlak van de drager is voorzien van een zeer poreuze laag (wash-coat). Daarin zijn edele metalen (platina, palladium en/of rhodium) verwerkt.

SOORTEN KATALYSATOREN
Er wordt een onderscheid gemaakt tussen de volgende drie soorten katalysatoren:

EOBD

Katalysator diagramVervangingskatalysatoren voor Euro 3- en Euro 4-voertuigen met een Europese On-Board-Diagnose (EOBD) worden EOBD-geschikte katalysatoren genoemd. Vooral nieuwere voertuigmodellen zijn uitgerust met een EOBD. De nieuwe generaties dieselvoertuigen zijn meestal ook uitgerust met de EOBD-functie. Het EOBD heeft tot taak alle uitlaatgasrelevante componenten en sensoren tijdens het rijden te bewaken. Daarbij registreert het storingen, die bijvoorbeeld door een waarschuwingslampje (MIL) aan de bestuurder worden aangegeven.

Oxidatiekatalysator

Dieselmotoren werken in het algemeen met een grote overmaat aan lucht. Daarom hebben zij een hoog zuurstofgehalte in de uitlaatgassen. De katalysator van dieselmotoren oxideert twee soorten stoffen:

Koolmonoxide (CO) tot kooldioxide (CO2) en
koolwaterstoffen (HC) tot kooldioxide (CO2) en waterdamp (H2O).
Driewegkatalysator

Dit type katalysator is bestemd voor benzinemotoren. Bij bedrijfstemperatuur zet het de volgende stoffen om:

onverbrande koolwaterstoffen (HC) in kooldioxide (CO2) en waterdamp (H2O).
koolmonoxide (CO) in kooldioxide (CO2)
Stikstofoxiden (NO, NO2) in stikstof (N2) en zuurstof (O2).
Deze drie processen vinden gelijktijdig plaats in de katalysator. Daarom wordt het een driewegkatalysator genoemd.

Een driewegkatalysator vereist een specifieke samenstelling van het uitlaatgas. Alleen dan kan het zijn volledige effect ontwikkelen. Er moet precies evenveel zuurstof vrijkomen als nodig is om de koolwaterstoffen en koolmonoxide te oxideren. Dit gebeurt wanneer één deel brandstof met 14,7 delen lucht wordt gemengd en in de motor wordt verbrand. Dit wordt een “stoichiometrisch mengsel” genoemd (lambda = 1). Om dit mengsel tot stand te brengen, meet de lambdasonde die tussen de motor en de katalysator is geplaatst, het resterende zuurstofgehalte in de uitlaatgassen. De motorregeleenheid verwerkt het meetresultaat en geeft de regelimpulsen voor een optimale mengselvorming.

Met de verplichte invoering van de EURO 5-uitlaatemissiewetgeving sinds 1 januari 2011, werden nieuwe ontwikkelingen op het gebied van katalysatoren noodzakelijk. Moderne driewegkatalysatoren zijn nu in slechts enkele seconden opgewarmd. Dit zogenaamde “light-off” gedrag wordt ondersteund door het gebruik van speciale coatings.

SpruitstukkatalysatorNaast coatingconcepten worden ook steeds meer verfijnde katalysatorgeometrieën (“close couples” of systemen dicht bij de motor) gebruikt. Daartoe behoren ook zogenaamde “spruitstukkatalysatoren”, waarbij de katalysator en het uitlaatspruitstuk een enkele eenheid vormen.

Bij de genoemde uitlaatgasconcepten worden de hete uitlaatgassen van het verbrandingsconcept van de motor rechtstreeks naar de katalysator gevoerd. De enorme temperaturen in het uitlaatgebied van de motoren of turboladers leiden in dit geval tot temperaturen van wel 1.000 °C.

Een ander bijzonder kenmerk zijn de hoge acceleratiekrachten. Door de directe verbinding tussen de motor en het uitlaatsysteem kunnen deze oplopen tot 75 gram. Deze nieuwe ontwerpen moeten worden aangepast wat de stromingstechnologie betreft. Dit is noodzakelijk om de stroom naar de geïnstalleerde uitlaatsensoren te allen tijde te waarborgen en de regeleenheden aldus de nodige informatie te verschaffen over temperaturen, uitlaatgassamenstellingen en tegendruk.

Veiligheid
In katalysatoren die met keramische monolieten werken, worden zogenaamde “lagermatten” gebruikt om de drager vast te zetten. Deze beschermen de katalysator tegen schokken en dichten uitlaatgasbypasses af. Tot nu toe werden fijne keramische vezels gebruikt, waarvan vaak wordt vermoed dat zij kankerverwekkend zijn. Met het oog op een hoge milieuvriendelijkheid is een zogenaamde “groene mat” ingevoerd. Deze kunnen twee eigenschappen hebben: Ofwel bestaan zij uit bio-oplosbare vezels die snel in de lichaamsvloeistoffen worden opgelost zodat zij geen schade toebrengen aan het organisme, ofwel kunnen zij door hun omvang de longen niet binnendringen.

Waardebehoud
Katalysatoren zijn onderhevig aan een natuurlijk verouderingsproces en hebben een gemiddelde levensduur van 80.000 tot 100.000 km. Hoge temperaturen (tot meer dan 800 °C) en mechanische spanningen (trillingen) tijdens normaal rijden dragen hiertoe bij. Deze factoren kunnen ertoe leiden dat de edelmetaalhoudende coating van de drager na verloop van tijd verloren gaat.

Naast het raken van de katalysator bij het rijden over obstakels, kunnen de volgende factoren leiden tot voortijdige veroudering van de katalysator:

KATALYSATOR VERGIFTIGING
Als de motor te veel olie verbrandt, kunnen de additieven die de olie bevat zich afzetten op het oppervlak van de katalysator en deze blokkeren. De uitlaatgassen kunnen de edele metalen niet meer bereiken en de katalysator verliest zijn functie.

Een andere reden voor katalysatorvergiftiging kan het rijden over korte afstanden zijn. In dit geval kan de katalysator echter worden geregenereerd door langere snelwegritten.

In het verleden veroorzaakte loodhoudende benzine vergiftiging. Vandaag de dag kan dit echter alleen gebeuren door in het buitenland te tanken. Om dit te voorkomen, moet loodvrije brandstof (sans plomb) worden getankt.

SMELTEN VAN DE KATALYSATOR
Fouten in de ontsteking of in het brandstofmengsel kunnen ertoe leiden dat een onverbrand brandstof-luchtmengsel in de katalysator terechtkomt en daar op het oppervlak van de katalysator verbrandt. De temperaturen in de katalysator kunnen tijdens het proces oplopen tot meer dan 1000 °C. Storingen in de ontsteking of de brandstofmengsel moeten daarom onmiddellijk in een gespecialiseerde werkplaats worden verholpen.

Bescherming van het milieu
Moderne nabehandelingssystemen voor uitlaatgassen dragen in belangrijke mate bij tot een merkbare verbetering van de gezondheidstoestand. Bij het verbrandingsproces in de motor komen naast de hoofdbestanddelen water (H2O), kooldioxide (CO2) en stikstof (N2) de volgende verontreinigende stoffen vrij:

Koolstofmonoxide (CO)
Koolwaterstof (HC)
Stikstofoxide (NOX)
Zwaveldioxide (SO2)
Roetdeeltjes (PM) – voornamelijk afkomstig van dieselmotoren.
Met de toenemende aanscherping van nationale en internationale emissie- en immissievoorschriften is een verdere optimalisering van motorgerelateerde maatregelen onontbeerlijk. Bovendien is het gebruik van complexe nabehandelingssystemen voor uitlaatgassen noodzakelijk om aan de grenswaarden te voldoen. Een technisch geoptimaliseerde convertor, die het voertuig in een hogere uitlaatemissienorm brengt en daardoor ook een belastingvoordeel kan opleveren voor de eigenaar van het voertuig, verhoogt de wederverkoopwaarde van het voertuig.