NOx tároló katalizátorok a benzin- és dízelmotorokban: Működés és kihívások
Az autók káros anyagkibocsátása az elmúlt években egyre inkább lényeges kérdés volt, hiszen a környezet és a klímavédelem egyre nagyobb hangsúlyt kap. Ennek értelmében, és az egyre szigorodó EU szabványoknak köszönhetően az autók káros anyagkibocsájtását minimalizálni kell. Az autógyárak és a környezetvédelmi törekvések sokszor ellentétben állnak egymással. Ennek ellenére egyre nagyobb teret nyernek a föld megóvására tett próbálkozások, így a gyártók kénytelenek újabb és újabb technológiai újításokat bevetni, hogy az általuk piacra dobott járművek megfeleljenek a szigorú előírásoknak.
A belső égésű motoroknak szüksége van valamilyen üzemanyagra, amelyek segítségével mozgásra tudják bírni az autókat. Akár benzin-, akár dízel üzemű a jármű, ezeknek az elégetése során rengeteg szennyezőanyag keletkezik, amely a kipufogórendszeren keresztül végül a levegőbe jut. A kiáramló gázok nem csak csúnya füstfelhőt hagyhatnak maguk után, hanem folyamatosan szennyezik a környezetet is, közülük többnek az emberre is ártalmas hatásai vannak. Emiatt a világon egyre határozottabb törekvések jelennek meg, amelyek azt próbálják elérni, hogy csökkenjen az autók által kibocsátott szennyező anyagok mennyisége.
Persze a gazdaság, és az emberek kényelme miatt nehéz elérni, hogy kevesebb jármű szaladgáljon az utakon, ezért nem maradt más megoldás, mint a kocsik által a levegőbe jutó káros anyagok csökkentése. Ennek a törekvésnek az élére állt az Európai Unió, amely folyamatosan szigorodó környezetvédelmi normákat határoz meg néhány évente, ezzel kötelezve az autógyártókat arra, hogy kitaláljanak valamit a célok megvalósításának érdekében. A feltalálók, mérnökök nem is tétlenkedtek, az utóbbi években számtalan újítással álltak elő, amelyekkel a modern autókban találkozhatunk, és a segítségükkel sikeresen tartják a károsanyag kibocsátást a szigorú határértékek alatt. Az üzemanyag elégetése során persze nem keletkezik kevesebb szennyeződés, mint korábban, azonban a tudósok megtalálták a módját, hogyan tudják ezek egy részét semlegesíteni. Ahhoz, hogy ez megvalósulhasson, össze kell gyűjteni a nem kívánt szennyezőanyagokat. A füst, és benne az összes káros anyag a kipufogórendszeren keresztül távozik, így ésszerűnek tűnik, hogy ott ejtik csapdába ezeket az ártalmas részecskéket.
Mi a nitrogén-oxid (NOx) és miért veszélyes?
A nitrogén-oxidok (más néven NOx) olyan szennyező anyagok, amelyeknek egyaránt Vannak környezeti és egészségügyi hatásai. Az NOx általában a nitrogén-oxidot (NO) jelenti, amely magas hőmérsékleten oxigénnel egyesülve nitrogén-dioxiddá (NO2) alakul. A gázok mérgezőek és erősen reaktívak. Nagyon leegyszerűsítve: homogén keverékképzés esetén is tartalmaz a füstgáz erősen rákkeltő hatású nitrogén-oxidokat (NOx), szerencsétlen módon a legtöbbet éppen az ideális, sztöchiometrikus keverési arányhoz (lambda=1,00) közel, kis légfelesleg esetén. Az egyik legegészségtelenebb ezek közül a nitrogén-oxid, emiatt építettek olyan eszközt, amely fel tudja ezt tartóztatni, mielőtt a levegőbe jutna. Ez nem más, mint a nitrogén-oxid tárolókatalizátor, vagy más néven NOx-csapda, amely a kipufogórendszer végén helyezkedik el.
Az NOx tároló katalizátor működési elve
A kipufogó rendszerben régóta alkalmazott háromutas katalizátor azonban, ha kipufogó gázban több az oxigén, vagyis szegényebb a motorüzemhez befecskendezett keverék, akkor a szén-monoxid és szénhidrogének semlegesítése kerül előtérbe. Ezért a nitrogén-oxidok semlegesítésre a rendszerbe beépítenek egy nitrogén-oxid tárolókatalizátort is. A benzinmotoroknál ezt a feladatot a hármas hatású katalizátorok végzik, melyek λ=1 esetén működnek hatékonyan. Ennek az az oka, hogy a kipufogógáz CO és HC tartalma a kipufogógáz oxigénjével fog reakcióba lépni, és nem a NOx oxigénjével. A CO és HC tartalom csökkentésére alkalmas ugyan egy oxidációs katalizátor, ugyanakkor az NOx csökkentésére már nem. Ahhoz, hogy a kipufogógáz NOx tartalmát lecsökkentsük, egy NOx-tároló katalizátorra van szükség.
Mire figyeljünk az üzemanyag-adagolóknál?
A közvetlen befecskendezéses motorok fejlesztésének egyik úttörője, a Mitsubishi a GDI (Gasoline Direct Injection) jelű motorjainak piacra bocsájtásakor ezt még szelektív, redukciós NOx katalizátorral oldotta meg, amit később felváltott a hatékonyabb csapda típusú NOx katalizátor - más néven nitrogén-oxid tárolókatalizátor.
A nitrogén-oxidok tárolása
A katalizátor szerteágazó belső felének bárium bevonata gondoskodik a nitrogén-oxidok eltárolásáról. A hetes számmal jelzett katalizátor + NOx csapda részben katalizátorként tovább csökkenti a károsanyag tartalom mennyiségét, másrészt sztöchiometrikus közeli és szegénykeverékes üzemben tárolja el a nitrogénoxidokat, a belső felületére felvitt bárium réteg segítségével. A NOx katalizátor feladata, hogy eltárolja a nitrogén-oxid vegyületeket, de ez a tároló kapacitás nem végtelen. A folyamat azonban itt még nem ér véget, ugyanis a NOx-csapda nem bír végtelen mennyiségű nitrogén-oxidot megkötni, így bizonyos idő után telítődik az alkatrész.
A regeneráció folyamata
A tárolókatalizátor csak meglehetősen rövid ideig alkalmas a nitrogén-oxidok tárolására, ezért a katalizátor után építenek a rendszerbe egy nitrogén-oxid érzékelőt is. Hogy mikor telítődik, azt a NOx szenzornak, vagy NOx szondának nevezett eszköz figyeli. Ez az alkatrész a katalizátor után helyezkedik el a kipufogórendszerben, és folyamatosan visszajelzést ad a vezérlőegységnek a nitrogén-oxidok koncentrációjáról. Ha telítődött a NOx-csapda, akkor már nem képes több szennyezőanyagot csapdába ejteni, ezért a dízel részecskeszűrőhöz hasonlóan regenerációra van szüksége.
A tárolókatalizátor regenerációja dúsabb keverék előállításával lehetséges. Ezért, ha a kipufogógázban nitrogén-oxidok jelennek meg, akkor az érzékelő jelet ad a motorvezérlőnek, ami néhány másodpercig dúsabb keverékkel üzemelteti a jármű motorját, aminek hatására megtörténik a tárolókatalizátor regenerációja és újra alkalmassá válik a részecskék tárolására. Egy néhány másodperces oxigénmentes üzemmód elég is erre, hiszen ennyi idő alatt a motorban keletkezett szén-monoxid segítségével a nitrogén-oxidok nitrogénné és oxigénné alakíthatóak.
A gyártók az NOx csapda "regenerációjára" több módszert fejlesztettek ki: leggyakrabban egy rövid - akár csak pár másodperces - oxigénmentes üzemmód elég arra, hogy a letárolt nitrogén-oxidokat a motorban keletkező szén monoxid nitrogénné és oxigénné alakítsa át. Miután a nitrogénné és oxigénné való átalakulás valamilyen mértékben végbemegy, megfigyelhetjük, hogy ismételt alapjárati fordulatszámon a csapda utáni szenzor jóval kisebb NOx koncentrációt mér a korábbi állapothoz képest, azaz ismét "tárol" a NOx csapda. Ezután pedig a katalizátor ismét képes lesz a káros anyagok felvételére. A regenerálás lényegében abból áll, hogy a nitrogénvegyületeket nitrogénné kell alakítani. A tárolás és a regenerálás egymástól független folyamat, ugyanis mindegyik folyamat eltérő légviszonyokat igényel a motorban. Az NOx lebomlásához ugyanis légfelesleg nélküli állapotra van szükség, ezért is nem használható a hármas hatású katalizátor a nitrogén-oxidok lebontására. A NOx katalizátor regenerálása során az NOx vegyületek nitrogénné és oxigénné alakulnak, a katalizátor megtisztul, és újra képes eltárolni magába az NOx vegyületeket. Ilyenkor az NOx-tároló katalizátor regenerálni fog, vagyis lebomlik az NOx nitrogénre és oxigénre. A regenerálás folyamatához dús keveréket járat a motor, hozzávetőleg két másodpercig, majd a motorterheléstől függően egy percig tart maga az NOx-tároló katalizátor regenerálása.
Tetőtéri tároló felújítási tippek Zafirához
NOX reduction using SCR technology
Az NOx érzékelő: kulcsfontosságú alkatrész
A nitrogén-oxid érzékelő a jármű kipufogó rendszerében helyezkedik el, feladata a kipufogógáz NOx mennyiségének ellenőrzése. Erre az érzékelőre azért van szükség, mert a modern motorvezérléssel ellátott járművek, az alacsonyabb üzemanyagfogyasztás érdekében, amikor lehetőség van rá, részterheléses üzemállapotban, jellemzően egyenletes sebességű haladásnál a motor szegény keverékes üzemben működtetik. Az NOx-érzékelő kulcsfontosságú része ennek a rendszernek, amely többek között az SCR-katalizátort, a dízel részecskeszűrőt (DPF) és a turbófeltöltőt is magában foglalja. Az érzékelő egy Nernst-cellából áll, amelyen áram folyik keresztül. Ez korrigálja a levegő/üzemanyag arányt λ=1-re. Egy második cella, amely általában ródiumréteggel ellátott kerámiából készül, a nitrogén-oxidokat nitrogénre és oxigénre bontja.
Az NOx-vezérlő - amely általában szorosan az NOx-érzékelő mellett helyezkedik el - kiszámítja a kipufogógázban lévő nitrogén-oxidok szintjét, és ezt az adatot továbbítja az SCR-vezérlőnek. Az NOx-érzékelőt leggyakrabban az SCR-katalizátor után találjuk. Ez lehetővé teszi az SCR-vezérlő számára annak ellenőrzését, hogy az NOx-szintek a megfelelő szintre csökkentek-e. Az NOx-érzékelőket a 2000-es évek eleje óta szerelik be a járművekbe. Annak ellenére, hogy a benzinmotorok lényegesen kevesebb NOx-ot termelnek, mint a dízelmotorok, a kibocsátási szintek még mindig szigorúan szabályozottak.
Az NOx szenzornak kettős funkciója van, nem csupán a nitrogén-oxidok mérésére szolgál, hanem a lamda-szonda funkcióját is ellátja, vagyis a három komponensre ható katalizátor monitorszondájaként is funkcionál. Ennek értelmében az NOx szenzor háromféle jelet szolgáltat: NOx-koncentráció, lambda (analóg), lambda (bináris). Ez a szenzor kulcsfontosságú a káros anyagkibocsájtás csökkentése szempontjából, hiszen ennek köszönhetően tudhatjuk meg, mikor van szükség regenerációra. Amint meghaladja a megengedhető mennyiséget, az NOx szenzor jelez, és az NOx katalizátor regenerálása beindul. Persze a NOx szenzor is meghibásodhat, küldhet fals jeleket a vezérlő egység felé, ilyenkor a katalizátor nem képes a hatékony működésre, az autó pedig el fog bukni a műszaki vizsgán.
Kihívások és problémák: Kéntelítődés és elöregedés
A NOx csapdával azonban több baj is van. Egyrészt nem képes a végtelenségig tárolni a csapdába ejtett nitrogén-oxidokat, hasonlóan a dízel részecskeszűrőkhöz előbb-utóbb telítődik. Az NOx-érzékelő hibájának egyik fő oka az égési folyamatból származó korom felhalmozódása. Ezek a kódok azonban nem feltétlenül tárnak fel mindent, mivel számos probléma okozhatja őket. Az NOx-érzékelő tisztítása nem ajánlott.
A kéntelítődés jelensége
A másik nagy probléma, az az ún. kéntelítődés, ill. "kénmérgezés". Az üzemanyagban és a motorolajban megtalálható ként ugyancsak képes megkötni a bárium, és a nitrogén-oxidok regenerálásakor a kén sajnos nem távozik a csapdából. Ezért egyes gyártók egy külön "kénmentesítő" funkciót használnak, melynek lényege, hogy az - utógyújtás segítségével - 600°C fölé hevített NOx csapdából a kén kiég, kén-dioxiddá alakul át. Azt, hogy milyen sűrűn kell kénmentesíteni, az ECU a nitrogén-oxidok regenerációjának sűrűségéből kalkulálja: ha a csapda a tisztítás után túl gyorsan telítődik újra, az ECU kéntelítődést feltételez, és elindítja a kénmentesítést. Éppen ezért nagyon fontos, hogy ilyen füstgáz utókezelő rendszer megléte esetén lehetőleg "kénszegény" vagy "kénmentes" benzint tankoljunk. Tudomásunk szerint a MOL 95-ös oktánszámú kénszegény benzinjének kéntartama 10 ppm (milliomodrész) alatti. A kénmentes konkrét értékét nem ismerjük, valószínűleg még jobban közelít a nullához.
Tippek alkatrésztároló láda vásárláshoz
Az alkatrészek öregedése és meghibásodásai
Hosszútávon az NOx tároló katalizátor sajnos öregszik, ami részben azzal jár, hogy a kén már nem tud teljes egészében távozni, és jóval lassabban is ég ki. Így a nitrogén-oxidok tárolásának hatásfoka csökken, amit természetesen az ECU is észrevesz. A természetes, rendeltetés szerű jármű használat során bekövetkezett elöregedés, hívjuk katalizátor hibának benzines motorok esetében 180 000 - 300 000 km között tapasztalható meghibásodás. Amennyiben a motorban nem megfelelően megy végbe az égés - (gyújtás - keverékképzési hibák) vagy ne adj isten motorolaj kerül a katalizátorba úgy a hatásfok hiba alacsonyabb megtett kilométer esetén is előfordulhat.
Összetett kipufogógáz-kezelő rendszerek és költségek
Sajnos az egyre szigorúbb környezetvédelmi előírások komoly elvárásokat támasztanak a járműgyártókkal szemében. Szeretnénk kiemelni az új Euro6 emissziós rendszereket, ahol akár 4 különböző szűrővel is találkozhatunk a javítás során, mint például a DOC, NSC, SCR, NOx, AMMONIA. A feladat korántsem egyszerű, mivel egy hatékony NOx csökkentési eljárás egy összetettebb kipufogógáz kezelést követel meg. Még rosszabb a helyzet inhomogén keverékképzés esetén: szegénykeverékes üzemmódban nem keletkezik megfelelő mennyiségű CO az NOx hatékony csökkentésére, arányuk megnövekszik a kipufogógázban, ennek a semlegesítése plusz feladatot jelent. Ismert módon a közvetlen benzinbefecskendezés nem az egyszerűségéről, problémamentességéről híresült el.
Példák modern benzinmotorok komplexitására
Egy 2009-es gyártási évű, BMW 116i típusú gépkocsi 2 literes, 90 kW teljesítményű, közvetlen befecskendezéses benzinmotorja jó alany a probléma bemutatására. Az N43B20 kódú motor menedzsment rendszere: Siemens MSD81. A motor működésének káros melléktermékei ezután egy kisméretű, a motorhoz közel elhelyezett "háromutas" katalizátorba kerülnek, ami gyorsan felmelegszik, a motor beindítása után kis idővel eléri a katalizáció beindulásához szükséges minimális hőmérsékletet. Ezt követi a szokásos monitor-szonda, ami a katalizációs folyamat hatásfokát hivatott jelezni az ECU felé. A NOx csapda után a NOx érzékelő szonda következik, majd a témánk szempontjából lényegtelen hangtompító. A példának felhozott modell esetében a fotó a leömlőkhöz közeli, függőlegesen beépített katalizátort (1) mutatja. Az EGR-re menő cső a 2. számmal jelölt. A kat. utáni monitor-szonda takarásban van, helyét (az összekötő cső mögött) a 3. szám jelzi. A kip. gáz hőmérséklet érzékelő beépítési helyét az 1. számmal jelöltük.
Rendben, de nem lehetne egy kicsit még költségesebb megoldást találni? Persze, hogy lehet. Ezt is egy BMW példán keresztül mutatjuk be. A 2008-as évjáratú, 523i típusmegjelölésű kocsiban egy 2,5 literes, N53B25A kódú, közvetlen befecskendezésű motor dolgozik, 140 kW teljesítménnyel. Lévén hat hengeres, a BMW a hengereket kipufogógáz kezelési szempontból - a vázlaton jól követhető módon - két csoportra osztotta. Így három-három hengerenként találunk egy-egy (szabályzó) lambda szondát egy-egy katalizátort, egy-egy monitor szondát. Kipufogógáz hőmérséklet érzékelő csak az egyik ágban van, de NOx csapdás katalizátorból (logikusan) ismét kettő. A két ág közösítése után látjuk az NOx szenzort, majd ezt követi (sorba kötve) két darab hangtompító.
Költségek és karbantartási javaslatok
Ez több ezer eurós kiadást jelent. Kétségünk sem lehet, hogy csupán a kipufogógáz kezelés alkatrészeinek az ára (piros ponttal megjelöltek) jóval több, mint egymillió Ft. Csak a két darab NOx csapdás kat. ára 1,686 Euro, mai árfolyamon kb. 550,000 Ft. Van még rosszabb hír is: ez a szigorú összeg az "olcsójános" megoldás, ezek felújítottak (Remanufactured, cikkszám: 18307560563), élettartamuk nem valószínű, hogy eléri az első beépítésű újét. Az NOx-érzékelő cseréje költséges lehet, ezért a javítás lehetősége igen csábító. Természetesen, és a Delphi praktikus útmutatója lépésről lépésre elmondja, hogyan kell kicserélni az NOx-érzékelőt. A költségek miatt csábító lehet a hibás NOx-érzékelőt felújítottra cserélni. A(z) NOx-szenzor NOx-katalizátor kikereséséhez a következő lépéseket kell követni.
A felsorolt hibák (szakszerű!) elhárításának összegét ne is számoljuk. Nagyon sok. Még akkor is, ha egy prémium-márka kínálatának nagyjából a közepén elhelyezkedő modellről van szó. És a km. számláló 110 ezret mutat. Vannak kétségeink. Amit már számos alkalommal felvetettünk: nincs gond, amíg a kocsi garanciális, az esetleges meghibásodások nem jelentenek a tulajdonosnak anyagi kiadást. Merőben változik a helyzet, amikor a jármű hat évesen, kétszáz ezer km környékén, a harmadik tulajdonosánál tart, új árának már csak a töredékét éri. A kevésbé tehetős autófenntartók az ilyen nagyságrendű kiadásokat már nem nagy lelkesedéssel (inkább: egyáltalán nem) vállalják. Ilyenkor gyakran eladják a kocsit, (őszinte tisztelet a kivételnek) a hibáit nemigen említve, mert akkor ki venné meg? És a jármű ekkor még - hazai viszonylatban - fiatalnak tekinthető.
Van rá esély, hogy a tisztítást követően a katalizátor még bizonyos ideig még működni fog, de ezt garantálni senki nem tudja. Amennyiben a DPF Expert statisztikáit vizsgáljuk, úgy elmondhatjuk, hogy 10-ből 8 esetben a benzines katalizátorok tisztítása nem oldja meg a hatásfok - p0420 - hibát. Tehát nagyon fontos, hogy akkor cseréljünk vagy javítsunk katalizátort, ha annak szükségessége 100%-ban megállapítást nyert. Benzines katalizátorok esetében a CO mérés is lehet iránymutató, bár találkoztunk már olyan esetekkel is ahol a CO mérés még értékhatáson belüli eredményt mutatott, azonban a jármű vezérlőegysége bizonyos fordulatnál és motor hőmérsékletnél nem találja megfelelőnek a katalizátor hatásfokát. Téves hibamegállapításból származó problémákért nem tudunk felelősséget vállalni. A megrendelő igényeinek figyelembevételével több felújítási alternatívát is ajánlunk ügyfeleinknek.
tags: #nox #tároló #katalizátor #benzin #dízel