Procesy wytwarzania energii w silnikach spalinowych nie odbywają się w idealnych warunkach. Z rury wydechowej do atmosfery uwalniane są produkty spalania, które nie wpływają korzystnie na nasze środowisko. Uświadomiono sobie ten fakt stosunkowo wcześnie, ale rozwiązania zaczęto szukać dopiero wtedy, gdy jego szkodliwe skutki dały się odczuć na własnej skórze z powodu dużej liczby samochodów. Przepisy prawne w pewnym momencie zaczęły ograniczać możliwość uwalniania nieoczyszczonych spalin do środowiska. Aby sprostać ograniczeniom, producenci zastosowali urządzenie, które do dziś spotykamy w każdym samochodzie osobowym: katalizator.

Substancje będące ubocznymi efektami spalania paliwa

Produkty spalania w silnikach Otta i Diesla są zaskakująco różnorodne. Pierwszą ich kategorią są gazy nietoksyczne, czyli tlen i azot, które nie wzięły udziału w procesie spalania, a także produkty spalania, czyli dwutlenek węgla i woda. Obecnie dużo się mówi o szkodliwej emisji dwutlenku węgla przez pojazdy, dlatego szczególnie uderzające jest to, że gaz ten został tutaj sklasyfikowany jako nietoksyczny. Powodem jest fakt, że gaz ten, choć tak naprawdę nie jest toksyczny, ma znaczący wpływ na efekt cieplarniany, który jest odpowiedzialny za stopniowe ocieplanie się naszej atmosfery. Katalizator nie ma nic wspólnego z gazami wymienionymi powyżej. Chodzi o substancje toksyczne i/lub rakotwórcze. Niektóre z nich – tlenek węgla, węglowodory nieuczestniczące w spalaniu, aldehydy, sadza, benzopiren – wydostają się z silnika, ponieważ mieszanka paliwowa nie ulega całkowitemu spaleniu. Ponieważ spalanie w silniku nie odbywa się za sprawą czystego tlenu, lecz powietrza atmosferycznego, którego ponad 70% stanowi azot, to silnik spala również inne substancje, czego efektem jest powstanie szkodliwych produktów takich jak np. tlenki azotu (NOx).

Systemy oczyszczania spalin

Procesy oczyszczania i stosowane w tym celu urządzenia zmniejszają lub eliminują ilości zanieczyszczeń należących do tej drugiej grupy. Urządzenia te nazywane są zbiorczo katalizatorami. W celu zmniejszenia zanieczyszczenia, próg energii początkowej w procesach utleniania i redukcji chemicznej jest znacznie obniżony, zwiększając tym samym szybkość reakcji.

Oprócz obniżenia energii aktywacji, katalizatory zwiększają również temperaturę. Chemisorpcja reagentów powoduje rozluźnienie wiązań chemicznych, co zmniejsza energię potrzebną do aktywacji reakcji chemicznej. Produkty tych procesów dyfundują przez warstwę gazu otaczającą materiał katalizatora do przepływających spalin i uwalniają nowe gazy katalityczne. Umożliwia to przekształcenie niespalonych węglowodorów w wodę i dwutlenek węgla, a tlenku węgla i wody w dwutlenek węgla i wodór. Tlenek węgla, węglowodory i wodór biorą udział w reakcji chemicznej podczas konwersji tlenków azotu w spalinach. Procesy te skutkują powstaniem azotu cząsteczkowego, dwutlenku węgla i wody. Inne szkodliwe produkty uboczne, takie jak dwutlenek siarki lub amoniak, są przekształcane w siarkowodór i najpierw w tlenek azotu, a następnie w azot i tlen.

Jak działa katalizator w samochodzie?

Ze względu na konstrukcję istnieje kilka rodzajów katalizatorów:

• Katalizator utleniający: w tym urządzeniu obróbka końcowa ma miejsce w obecności dodatkowego powietrza (tak więc λ>1), w wyniku czego utleniają się węglowodory i tlenek węgla. Ten rodzaj katalizatora nie jest już używany samodzielnie.
• Katalizator dwukierunkowy: w tym przypadku katalizator utleniający jest poprzedzony katalizatorem redukcyjnym, który odpowiada za redukcję tlenków azotu. Działa on w przybliżeniu przy wartości λ=0,9-1,1, co nie jest idealnym wynikiem dla katalizatora utleniającego, ale katalizator redukcyjny wytwarza dodatkowy tlen, więc wartość lambda między dwoma katalizatorami będzie znacznie wyższa.
• Katalizator wielofunkcyjny: jest to wersja z obwodem kontrolnym i sondą lambda, przy czym pojedynczy katalizator zapewnia łagodzenie składników zanieczyszczających (tzw. katalizator trójdrożny).

Wspólną cechą zarówno sondy lambda, jak i katalizatorów jest to, że działają one wydajnie w stosunkowo wysokich temperaturach roboczych (400-800 °C).

Z czego składa się katalizator?

Obecnie zwykle stosuje się katalizatory z ceramicznym materiałem nośnym, ale w przeszłości spotykane były również katalizatory na bazie metalu. Obudowa jest prawie zawsze wykonana ze stali nierdzewnej. Ceramiczny nośnik bardzo dobrze zatrzymuje ciepło i może pracować w bardzo wysokich temperaturach, nawet powyżej 1100°C. Podłoże ceramiczne jest w rzeczywistości wytłaczaną mieszaniną kaolinu, talku, krzemionki, tlenku glinu i metylocelulozy. W dotyku jest to porowaty materiał, w przypadku którego liczba komórek wynosi zwykle 30-65 komórek na centymetr kwadratowy. Rozprasowana na płasko, konstrukcja ta zajmowałaby 3-5 metrów kwadratowych, a przy uwzględnieniu warstwy tlenku glinu γ liczba ta wzrasta do 20-30 tys. metrów kwadratowych.
Ostatnio dużo mówi się o tym, że katalizatory są wycinane nawet z samochodów zaparkowanych przy ulicy, ponieważ niektóre materiały w nich zawarte są szczególnie drogie na rynku surowców wtórnych. Te właśnie materiały są duszą katalizatora, bez której powyższe procesy nie miałyby miejsca.

Metale szlachetne w składzie katalizatorów samochodowych

Platyna: wspomaga dalsze utlenianie tlenku węgla i węglowodorów w temperaturach powyżej 150°C. Ponieważ zaczyna działać w stosunkowo niskiej temperaturze, dobrze radzi sobie przy rozruchu zimnego silnika.
Rod: w połączeniu z tlenem wspomaga redukcję tlenków azotu. Rod pobiera tlen z produktów spalania azotu, a następnie oddaje go w procesie, w którym czysty rod, woda i dwutlenek węgla są ponownie wytwarzane z emisją tlenku węgla.
Pallad: w ogólnym sensie wspomaga procesy utleniania. Przede wszystkim, podobnie jak platyna, odgrywa ważną rolę w dalszym spalaniu węglowodorów.
Oprócz wspomnianych powyżej, w katalizatorach stosowane są również ruten i nikiel, ale obecnie wyżej wymienione trzy pierwiastki są uważane za najbardziej wartościowe.