Powszechny, światowy rozwój motoryzacji przyniósł nowe rozwiązania techniczne, technologiczne i ekonomiczne, ale także pewne zagrożenia dotyczące środowiska naturalnego. Od tego roku (2001) obowiązuje w Europie Norma Euro 3 dotycząca toksycznych składników spalin wydzielanych z rury wydechowej w nowo produkowanych samochodach. Następna Norma Euro $ (jeszcze bardziej restrykcyjna) obowiązywać będzie od 2005 roku.
 

Aby środowisko naturalne było jak najmniej zanieczyszczone, w pojazdach samochodowych nowej generacji stosuje się sprawny dopalacz katalityczny (katalizator spalin) współpracujący z sondą lambda oraz bezwzględnie tylko benzyną bezołowiową. Proces spalania benzyny w silniku jest metodą zamiany energii chemicznej na energię mechaniczną, odbieraną na kole zamachowym silnika.
Procesowi spalania towarzyszy, niestety, powstawanie również związków toksycznych w postaci tlenku węgla (CO), nie spalonych węglowodorów (HC), tlenków azotu (NOx) i cząstek stałych.
Aby te związki toksyczne stały się nieszkodliwe dla otoczenia, muszą przejść określone przemiany.
Przeprowadzenie spalin przez dopalacz katalityczny powoduje redukcję NOx do wolnego azotu i tlenu oraz utlenienie (dopalenie) CO i HC na dwultenek węgla i wodę. Współczesne katalizatory spełniają te trzy ważne funkcje i dlatego są zwane trzyfunkcyjnymi. Sprawność tych procesów nazwana jest konwersją i może osiągnąć wartości bliskie 90 (%).
Aby osiągnąć tak wysoką sprawność, niezbędna jest współpraca katalizatora z sondą lambda i uzyskanie współczynnika nadmiaru powietrza 2=1 (mieszanka stechiometryczna).
Koniecznym warunkiem skutecznego działania katalizatora jest jego duża powierzchnia czynna, składająca się z nośnika i układu katalizującego. Jako nośnik stosuje się przeważnie materiały ceramiczne o dostatecznej wytrzymałości i trwałości. Wyjściowym materiałem monolitu ceramicznego jest kordieryt tj. masa krystaliczna składająca się z magnezji (MgO), korundu (Al2O3) i kwasu krzemowego (SiO2).
Na zdjęciu 1 pokazano przekrój sprawnego monolitu ceramicznego (prawa strona) oraz przepalonego (lewa strona). Zniszczenie (stopienie) monolitu ceramicznego nastąpiło na skutek niesprawnej świecy zapłonowej. Objawami tego zniszczenia było zmniejszenia mocy silnika , zwiększone zużycie paliwa, kłopoty z rozruchem pojazdu.
Monolity ceramiczne są wykonane z masy kordierytowej. Posiadają wzdłużne kanały o przekroju kwadratowym i ścianki o grubości 0,15 (mm). Na 1 (cm2) przekroju poprzecznego monolitu mieszczą się 62 kanały.
Powierzchnie kontaktu gazów spalinowych z katalizatorem powiększa się jeszcze przez naniesienie tzw. warstwy pośredniej, uzyskując 25 (m2) powierzchni rozwiniętej na 1 gram masy. Dzięki tym zabiegom substancja katalityczna może być osadzona na niewiarygodnie dużej powierzchni około 20 000 (m2). Na tak przygotowaną powierzchnię monolitu nanosi się metale szlachetne z grupy platynowców: platynę (Pł), pallad (Pd) i rod (Rh), rzadziej ruten (Ru). Dwa pierwsze są stosowane jako katalizatory utleniające, rod natomiast jest katalizatorem redukującym.
Ten monolit odznacza się skrajnie mała rozszerzalnością cieplną i odpornością na wysokie temperatury nawet powyżej 1400º (Celsjusza). Oprócz nośnika ceramicznego mogą być metalowe, uzyskiwane przez zwinięcie cienkiej, odpowiednio ukształtowanej folii żaroodpornej o grubości 0.04 (mm).
Na zdjęciu 2 pokazano przekrój dopalacza katalitycznego Fiata 126p "el" za stopu aluchromowego.
Dopalacz katalityczny działa skutecznie dopiero w temperaturze od 250 (stopni Celsjusza) do 800 (stopni Celsjusza), a więc mniej więcej po około 90 sekundach od chwili uruchomienia pojazdu.
Aby skrócić czas nagrzewania katalizatora jest on umieszczony jak najbliżej silnika w układzie wydechowym. W ruchu miejskim, w którym wykonuje się wiele manewrów hamowanie i przyspieszania, skuteczność dopalacza jest niższa. Trwałość katalizatora oblicza się na od 80 do 100 tys. km przebiegu pojazdu, po tym okresie należy wymienić go na nowy.

Tendencje rozwojowe dopalaczy katalitycznych (katalizatorów spalin)
Wprowadzenie bezpośredniego wtrysku paliwa do komór spalania pod wysokim ciśnieniem (5 MPa Mitsubishi Carisma i od 3 do 10 MPa silnik HPI 16 Renault) spowodowało wytwarzanie ubogich mieszanek, a co za tym idzie także zwiększonej ilości trujących tlenków azotu. Do powyższego problemu francuska firma PSA zastosowała dwa katalizatory i dwie sondy lambda.
Pierwszy znajduje się tuż przy kolektorze wydechowym, przetwarza tlenek węgla (CO) i nie spalone węglowodory (HC), drugi zaś działa jak tradycyjny katalizator wielofunkcyjny (przy dużych obciążeniach), ale też jako reduktor NOx. Ta druga funkcja realizowana jest w dwóch fazach: podczas pracy na ubogiej mieszance tlenki azotu utleniają się na platynie do NO2 i są wiązane prze sole baru, tworząc azotany.
Następnie układ odczytuje nasycenie soli baru co kilka minut, wzbogaca mieszankę, a to powoduje uwolnienie NOx i redukuje do azotu N2 na rodzie. Silnik HPI z powyższymi katalizatorami spełnia bez problemów normy emisji CO, HC i NOx przewidziane na rok 2005.

Uwagi dotyczące eksploatacji katalizatora:

- należy tankować wyłącznie benzynę bezołowiową.
- nie wolno uruchamiać silnika za pomocą pchania lub holowania.
- należy unikać kolejnych, następujących po sobie prób uruchamiania zimnego silnika. W przeciwnym razie w katalizatorze gromadzi się paliwo, które po nagrzaniu spala się gwałtownie i uszkadza katalizator.
- nie należy włączać rozrusznika ponad 1 minutę - podczas uruchamiania cały czas wtryskiwane jest paliwo.
- nie wolno wyłączać cylindry z pracy prze zdejmowanie przewodów wysokiego napięcia za świec zapłonowych - ponieważ do katalizatora dociera nie spalone paliwo.
- używać sprawnych i właściwych świec zapłonowych - w przeciwnym razie mogą spowodować przegrzanie i stopienie nośnika ceramicznego katalizatora.
- dbać o właściwą sprawność systemu wtryskowego, układu zapłonowego i sondy lambda.
- nie wolno parkować i zatrzymywać się na dłuższy czas na łatwopalnym podłożu (np. wysoka, sucha trawa) - istnieje niebezpieczeństwo pożaru.

rys.1 Budowa trzyfunkcyjnego reaktora katalitycznego (Robert Bosch GMBH) 1 - ceramiczny monolit z warstwą katalizatora 2 - elastyczny oplot z drutu 3 - czujnik zawartości tlenu (sonda lambda) 4 - obudowa z blachy (stopowej)

fotografia 1

fotografia 2

rys. 2 Budowa i działanie katalizatora trójfunkcyjnego 1 - warstwa katalityczna 2 - warstwa pośrednia z aktywatorami 3 - nośnik ceramiczny

rys. 3 Sprawność przemian CO, CH i Nox w funkcji współczynnika lambda w katalizatorze trójfunkcyjnym.

rys. 4 Emisja spalin w przypadku zastosowania katalizatora trójfunkcyjnego.