Καταλύτες

Δεδομένα μετρήσεων ατμοσφαιρικής ρύπανσης του Υπουργείου Περιβάλλοντος.

Για να αντιμετωπιστεί η ατμοσφαιρική ρύπανση λόγω εκπομπών ρύπων από τις εξατμίσεις των οχημάτων που χρησιμοποιούν κινητήρες ΜΕΚ χρησιμοποιείται ο καταλύτης. Τι είναι ο καταλύτης;


Παρελθόν, παρόν, μέλον (4Τ 317, 2/1997)

Πρωτότυπο άρθρο
Συντάκτης: Αλεξανδρινή Πέτρου
Ήλθαν και θα μείνουν!
Η έλευση των πρώτων καταλυτικών αυτοκινήτων στις αρχές της δεκαετίας του '90 συνοδεύτηκε με έντονη αμφισβήτηση και ποικίλες αντιδράσεις. Σήμερα αποτελούν πλέον καθεστηκυία κατάσταση και αντιπροσωπεύουν τη μόνη εφαρμόσιμη τεχνολογία για την αντιμετώπιση της ρύπανσης που προέρχεται από τους κινητήρες εσωτερικής καύσης των αυτοκινήτων.
97-1.jpg
ΕΙΝΑΙ ΑΛΗΘΕΙΑ ότι η καταλυτική τεχνολογία εισέβαλε στην Ευρώπη προερχόμενη από τις Η.Π.Α., στα τέλη της δεκαετίας του '80. Στην άλλη πλευρά του Ατλαντικού τα προβλήματα περιβαλλοντικής ρύπανσης έφτασαν στο απροχώρητο στα τέλη της δεκαετίας του 1960 και οδήγησαν την αμερικανική κυβέρνηση στην εφαρμογή μια σειράς αυστηρών μέτρων για την αντιμετώπιση του προβλήματος στα πλαίσια της τροπολογίας Clean Air Act του 1970. Ο βασικός στόχος των μέτρων ήταν ο περιορισμός των παρακάτω τριών βασικών ρύπων: του μονοξειδίου του άνθρακα CO (ιδιαίτερα τοξικό και επιβλαβές) των άκαυστων υδρογονανθράκων HC (καρκινογενείς) και των οξειδίων του αζώτου ΝΟx (υπεύθυνα για το φωτοχημικό νέφος).

Οι δύο πρώτοι είναι αποτέλεσμα της ατελούς καύσης του καυσίμου ενώ τα οξείδια του αζώτου οφείλονται στις χημικές αντιδράσεις του αζώτου με το οξυγόνο στις πολύ υψηλές θερμοκρασίες που αναπτύσσονται μέσα στο χώρο καύσης. Παρά το γεγονός ότι οι αυτοκινητοβιομηχανίες εφάρμοσαν ιδιαίτερα εξελιγμένες τεχνολογίες για τη βελτίωση της λειτουργίας των κινητήρων, η εφαρμογή των καταλυτών ήταν η μόνη άμεσα εφαρμόσιμη λύση για τη εξασφάλιση χαμηλών επιπέδων ρύπων.

Βασικές αρχές λειτουργίας

Η σημερινή μορφή του καταλυτικού μετατροπέα δε διαφέρει σημαντικά από τους πρώτους που παρουσιάστηκαν και οι αρχές λειτουργίας του παραμένουν οι ίδιες. Καλυμμένος από ένα μεταλλικό περίβλημα, ο καταλύτης είναι ουσιαστικά ένα πορώδες μεταλλικό υλικό μέσα από το οποίο περνάνε τα καυσαέρια. Η υψηλή θερμοκρασία των καυσαερίων και η παρουσία των ευγενών μετάλλων που υπάρχουν μέσα στο πλέγμα διευκολύνουν την έναρξη ορισμένων χημικών αντιδράσεων με τις οποίες οι παραπάνω ρύποι αντιδρούν με οξυγόνο ή μεταξύ τους και μετατρέπονται σε λιγότερο επικίνδυνες ουσίες.

Τα ευγενή μέταλλα τα οποία υπάρχουν μέσα στους καταλύτες είναι συνήθως ρόδιο (Rh) και παλλάδιο (Pd) ή πλατίνα (Pt). Η συμμετοχή τους στη διαδικασία κατάλυσης είναι η ίδια σχεδόν, αν και οι εργαστηριακές έρευνες έχουν αποδείξει ότι το ρόδιο είναι ιδιαίτερα αποδοτικό στη μετατροπή των οξειδίων του αζώτου σε άζωτο, ενώ αντίστοιχα η πλατίνα συνεισφέρει περισσότερο στη μετατροπή των υδρογονανθράκων. Το κεραμικό υλικό που αποτελεί το βασικό υλικό του καταλύτη είναι συνήθως κορδιερίτης, ένα ιδιαίτερα ισχυρό και ανθεκτικό υλικό στις θερμοκρασιακές μεταβολές και στα χτυπήματα, με χαμηλό συντελεστή διαστολής.
Οι σημερινοί κεραμικοί μονόλιθοι περιλαμβάνουν 62 κυψέλες ανά τετραγωνικό εκατοστό, το πάχος των τοιχωμάτων των κυψελών φτάνει τα 0,15 χιλιοστά, ενώ η επιφάνεια των πόρων καλύπτει το 71% της μετωπικής επιφάνειας. Με την κατασκευή αυτή επιτυγχάνονται χαμηλές απώλειες πίεσης των καυσαερίων που διέρχονται μέσα από τον καταλύτη, και μεγάλο ανάπτυγμα επιφανείας, οπότε και καλύτερη μεταφορά θερμότητας. Σε διάσταση ο καταλύτης έχει μήκος γύρω 130-150 χιλιοστά ενώ η διάμετρός του είναι 75-150 χιλιοστά. Η διατομή του είναι συνήθως οβάλ ή κυκλική.
Στο μέλλον τα τοιχώματα θα έχουν ακόμα μικρότερο πάχος, ίσως και 0,13 χιλιοστά, ενώ και τα ανοίγματα θα φτάσουν το 90% της μετωπικής επιφάνειας, οπότε θα επιτευχθεί ακόμα μεγαλύτερη μείωση του βάρους και μικρότερες απώλειες πίεσης. Στην επιφάνεια των κυψελών υπάρχει ειδική επίστρωση από gamma-alumina (γ-Αl2Ο3) με την οποία επιτυγχάνεται καλύτερη επαφή των καυσαερίων με τα πολύτιμα μέταλλα, πάχους 20 έως 60 μm. Επίσης με τον τρόπο αυτό προστατεύονται τα βασικά συστατικά του καταλύτη από επιφανειακές επικαθίσεις, οι οποίες φτάνουν μέχρι τα πρώτα 10-15 μm.

Η πρώτη γενιά καταλυτών εμφανίστηκε στις Η.Π.Α. το 1976-79 και ήταν οξειδωτικοί, μειώνοντας μόνο τους εκπεμπόμενους υδρογονάνθρακες και το μονοξειδίου του άνθρακα. Στην αρχή χρησιμοποιήθηκαν σαν καταλυτικά στοιχεία χαλκός, χρώμιο και νικέλιο, τα οποία σύντομα αντικαταστάθηκαν από την πλατίνα και το παλλάδιο, σε περιεκτικότητα 0,12 % επί του συνολικού βάρους (και σε αναλογία πλατίνας/παλλάδιου 2,5:1), τα οποία αποδείχτηκαν πιο αποδοτικά και πιο ανθεκτικά. Με το τέλος της δεκαετίας του 1970 λύθηκε το βασικό πρόβλημα των καταλυτών (η καταστροφή τους από το μόλυβδο) με την εμφάνιση της αμόλυβδης βενζίνης. Ο μόλυβδος, ο οποίος χρησιμοποιείται σαν αντικροτικό αυξάνοντας τα οκτάνια της βενζίνης, επικάθεται στο μεταλλικό πλέγμα και το καταστρέφει μειώνοντας έτσι την αποδοτικότητα και τη διάρκεια ζωής του καταλύτη.

Από τη δεύτερη γενιά καταλυτών και μετά, 1979-86, μιλάμε πλέον για τριοδικούς καταλύτες οι οποίοι όχι μόνο οξείδωναν τους υδρογονάνθρακες και το μονοξείδιο του άνθρακα αλλά επιπλέον κατάφερναν να μειώσουν και τα οξείδια του αζώτου σε πολύ χαμηλά επίπεδα. Η φιλοσοφία του συστήματος τροφοδοσίας αλλάζει και πλέον, για να μεγιστοποιηθεί η απόδοση του καταλύτη, ο κινητήρας λειτουργεί με αναλογία αέρα/καυσίμου πολύ κοντά στη στοιχειομετρική. Για να επιτευχθεί αυτό χρησιμοποιούνται οι αισθητήρες «λ» ή οξυγόνου παράλληλα με ηλεκτρονικό σύστημα διαχείρισης του κινητήρα.
Επίσης εμφανίζεται πρώτη φορά το ρόδιο (αντί για παλλάδιο) το οποίο είναι πολύ αποτελεσματικό στη μείωση των οξειδίων του αζώτου αλλά και του μονοξειδίου του άνθρακα. Η περιεκτικότητα ευγενών μετάλλων διατηρείται στο 0,1% - 0,15%, ενώ η αναλογία βάρους της πλατίνας με το ρόδιο είναι 5:1. Η τρίτη γενιά καταλυτών εμφανίστηκε το 1986 και περιλαμβάνει μετατροπές οι οποίες είχαν στόχο τη μείωση των απωλειών και τη βελτίωση της οικονομίας του καυσίμου στις μεγάλες ταχύτητες.

Στη σημερινή τέταρτη γενιά των καταλυτών, για μοντέλα μετά το 1995, οι σχεδιαστές επιχειρούν να μειώσουν το κόστος με την αύξηση της χρησιμοποιούμενης ποσότητας παλλάδιου (το οποίο είναι το πιο φθηνό) σε συνδυασμό με πλατίνα ή ρόδιο, ενώ παράλληλα μειώνεται το ρόδιο (το οποίο είναι ιδιαίτερα ακριβό). Η χρήση του παλλάδιου έγινε ακόμα πιο εύκολη από τη στιγμή που άλλαξε ο σχεδιασμός καταλύτη με την αύξηση της θερμοκρασίας λειτουργίας (η θέση του καταλύτη είναι πλέον πιο κοντά στην εξαγωγή), και με την αποκλειστική χρήση πλέον αμόλυβδων βενζινών). Υπάρχουν πλέον και καταλύτες οι οποίοι περιλαμβάνουν και τα τρία υλικά, με ιδιαίτερα μεγάλη απόδοση και αντοχή στις υψηλές θερμοκρασίες, χάρη στη χημική σταθερότητα που παρουσιάζει το παλλάδιο στις θερμοκρασίες αυτές.
Δύο από τους μεγαλύτερους εχθρούς του καταλύτη είναι ο φώσφορος και το θείο, οι οποίοι μπορούν να μειώσουν την απόδοση ή και να τον καταστρέψουν.
Ο φώσφορος, ο οποίος περιέχεται στα λιπαντικά, δημιουργεί ένα λεπτό φιλμ πάνω στο πλέγμα του καταλύτη το οποίο καλύπτει τους πόρους μέσα στους οποίους βρίσκονται τα πολύτιμα μέταλλα, με αποτέλεσμα τα καυσαέρια να μην έρχονται σε επαφή με αυτά. Το πρόβλημα αυτό δεν έχει λυθεί ακόμα, αν και οι προσπάθειες επικεντρώνονται σε αλλαγές στη δομή του καταλύτη και στον όγκο του έτσι, ώστε να αυξηθεί η διάρκεια ζωής του. Οι ενώσεις θείου βρίσκονται μέσα στα καύσιμα σε περιεκτικότητες 200 με 500 ppm, αν και σε μερικές περιπτώσεις φτάνουν τα 1.200 ppm, με αποτέλεσμα να δημιουργούνται κατά την καύση διοξείδια και τριοξείδια του θείου (κυρίως όταν το μίγμα του καυσίμου είναι πτωχό). Τα διοξείδια του θείου απορροφώνται στις θέσεις των ευγενών μετάλλων και εμποδίζουν την επαφή με τα καυσαέρια, ενώ τα τριοξείδια δημιουργούν ενώσεις (θειικά άλατα) με το υλικό της επιφανείας του καταλύτη μειώνοντας έτσι την ωφέλιμη επιφάνεια, και σταδιακά προκαλούν τη μείωση της απόδοσής του. Ο μόνος τρόπος για την αποφυγή του προβλήματος είναι η μείωση της περιεκτικότητας σε θείο των καυσίμων, όπως στην περίπτωση της Καλιφόρνιας όπου δοκιμάζονται πλέον καύσιμα με περιεκτικότητα θείου γύρω στα 50 ppm.
97-4.jpg

Σύγχρονα προβλήματα καταλυτών και η αντιμετώπισή τους

Το μεγαλύτερο πρόβλημα των καταλυτών σήμερα είναι η μειωμένη απόδοσή τους κατά την εκκίνηση του κινητήρα μέχρι να φτάσουν σε θερμοκρασία πλήρους λειτουργίας (κρύα εκκίνηση). Στα πρώτα δύο λεπτά της λειτουργίας η μείωση των εκπεμπόμενων υδρογονανθράκων είναι σχεδόν μηδενική, και μόνον όταν ο καταλύτης φτάσει τη θερμοκρασία των 350-400οC, ξεκινάει η οξείδωσή τους.
Ιδιαίτερα έντονο είναι το πρόβλημα στις βόρειες χώρες όπου οι χαμηλές εξωτερικές θερμοκρασίες του χειμώνα μεγαλώνουν το χρονικό διάστημα της προθέρμανσης του καταλύτη. Οι επιστήμονες της παγκόσμιας αυτοκινητοβιομηχανίας προχωρούν στην εφαρμογή διαφόρων λύσεων, οι οποίες σαν πρώτο στόχο έχουν την αύξηση της θερμοκρασίας του καταλύτη κατά το διάστημα αυτό. Μια απλή σχετικά λύση είναι ο ηλεκτρικά θερμαινόμενος μονολιθικός καταλύτης κατασκευασμένος από λεπτά μεταλλικά φύλλα ή σπιράλ, τα οποία λειτουργούν σαν θερμαντική αντίσταση. Σε πειραματικό επίπεδο απαιτήθηκαν γύρω στα 3kW ισχύος για τουλάχιστον 25 δευτερόλεπτα μετά την εκκίνηση του κινητήρα για να μπορέσει να αυξηθεί η θερμοκρασία του καταλύτη κατά 100οC. Έτσι ο καταλύτης με προθέρμανση φτάνει τους 300 βαθμούς μέσα σε 17 δευτερόλεπτα, αντί για 30 δευτερόλεπτα σε καταλύτη χωρίς προθέρμανση, ενώ και οι ρύποι που μετρήθηκαν είναι μόλις το ένα τρίτο σε σχέση με αυτούς του καταλύτη χωρίς προθέρμανση. Το σύστημα φαίνεται ικανό να ανταποκριθεί με επιτυχία στις απαιτήσεις, έχει όμως ορισμένα μειονεκτήματα, όπως την υψηλή απαίτηση σε ηλεκτρική ενέργεια, τη χρήση επιπλέον μπαταρίας, την αύξηση του βάρους, ενώ δεν μπορεί να εκτιμηθεί η συμπεριφορά του στη διάρκεια του χρόνου.
97-2.jpg 97-3.jpg Πηγή
Στο σχήμα φαίνεται ο καταλύτης Emicat ο οποίος διαθέτει πλέγμα κατασκευασμένο από φύλλα πάχους 0.06 χιλιοστών διπλωμένα σε "S" και θερμαίνεται μέσα σε διάστημα 6-10 δευτερολέπτων

Σε επίπεδο παραγωγής η εταιρία Emitec παρουσίασε το καταλυτικό σύστημα ΕΜΙCΑΤ και METALIT, το οποίο τοποθετήθηκε στην BMW Alpina B12 που παρουσιάστηκε στην αγορά το Δεκέμβριο. Το EMICAT είναι ένας καταλύτης του οποίου το πλέγμα είναι κατασκευασμένο από μεταλλικά φύλλα, πάχους 0,06 χιλιοστών, διπλωμένα σε σχήμα «S». Ο καταλύτης θερμαίνεται ηλεκτρικά, καταναλώνοντας 50 με 200 Amperes και φτάνει σε θερμοκρασία λειτουργίας μέσα σε 6-10 δευτερόλεπτα. Σε σειρά με τον Emicat είναι τοποθετημένος ο Metalit, ο οποίος είναι ένας καταλύτης με μεταλλικό πλέγμα από φύλλα πάχους 0,05 χιλιοστών, με μεγάλη θερμική αντίσταση με αποτέλεσμα να μπορεί να τοποθετηθεί πιο κοντά στην εξαγωγή, δίνοντάς του τη δυνατότητα να θερμανθεί πιο γρήγορα. Σύμφωνα με την εταιρία η χρήση των δύο καταλυτών μειώνει τις εκπομπές των υδρογονανθράκων κατά 80% και τις εκπομπές των οξειδίων του αζώτου κατά 50%, σε σχέση με τα όρια των ευρωπαϊκών οδηγιών που ισχύουν από το τέλος του 1996. Πολλά εργαστήρια εξετάζουν τη δυνατότητα εφαρμογής ενός συστήματος το οποίο θα περιλαμβάνει δύο καταλύτες, έναν μικρό, προκαταλύτη, κοντά στην πολλαπλή εξαγωγής και τον κύριο καταλύτη κάτω από το πάτωμα του αυτοκινήτου. Ο προκαταλύτης, λόγω της θέσης του, θερμαίνεται πολύ πιο γρήγορα, φτάνει τους 350 βαθμούς μέσα σε ελάχιστα δευτερόλεπτα μετά την εκκίνηση του κινητήρα, με αποτέλεσμα να ενεργοποιείται και να μετατρέπει τους υδρογονάνθρακες πολύ πιο γρήγορα από τον κύριο καταλύτη. Είναι κατασκευασμένος από ειδικό κεραμικό υψηλής αντοχής, με χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής, αφού οι θερμοκρασίες στις οποίες λειτουργεί φτάνουν μέχρι και τους 1.050 βαθμούς.
Μια τρίτη πιθανή λύση στο πρόβλημα είναι η τοποθέτηση «παγίδων» οι οποίες θα κατακρατούν τους υδρογονάνθρακες στα πρώτα δύο λεπτά της λειτουργίας του καταλύτη. Οι παγίδες αυτές είναι ουσιαστικά κάνιστρα με απορροφητικό υλικό (όπως τα κάνιστρα ενεργού άνθρακα τα οποία κατακρατούν τις αναθυμιάσεις του ρεζερβουάρ) τα οποία μπορούν να συνδεθούν παράλληλα με τον καταλύτη. Μια ειδική βαλβίδα στην εξαγωγή μετά τον καταλύτη εκτρέπει τα καυσαέρια προς το κάνιστρο για τα πρώτα δύο λεπτά και ύστερα από αυτό το διάστημα κλείνει και τα αφήνει να φύγουν προς την ατμόσφαιρα. Βέβαια η λύση αυτή έχει χαμηλή απόδοση ενώ δεν είναι εγγυημένη η απόδοσή της στη διάρκεια του χρόνου.
Παρόμοια λύση είναι η τοποθέτηση ειδικών ντεπόζιτων στα οποία κατακρατούνται τα καυσαέρια μέχρι να ζεσταθεί ο καταλύτης και στη συνέχεια επιστρέφονται στην εισαγωγή του κινητήρα, όπου ξανακαίγονται. Μια τέτοια λύση δοκιμάζουν οι μηχανικοί της Saab οι οποίοι έχουν τοποθετήσει δοκιμαστικά στο χώρο αποσκευών 100 αυτοκινήτων έναν επίπεδο σάκο, χωρητικότητας 100 λίτρων, στον οποίο αποθηκεύονται τα καυσαέρια. Η λειτουργία του συστήματος είναι μάλλον απλή: στην εξάτμιση του κινητήρα υπάρχει μία βαλβίδα, τοποθετημένη μετά τον καταλύτη, η οποία μετά την εκκίνηση κλείνει και εκτρέπει τα καυσαέρια προς έναν σωλήνα ο οποίος τα κατευθύνει μέσα στο σάκο. Ύστερα από 25 δευτερόλεπτα ο καταλύτης έχει φτάσει σε θερμοκρασία λειτουργίας και το σύστημα διαχείρισης του κινητήρα (Trionic) ανοίγει μια άλλη βαλβίδα με την οποία εισάγει τα καυσαέρια, που έχουν κατακρατηθεί στο θάλαμο καύσης, ενώ παράλληλα ανοίγει τη βαλβίδα στην εξάτμιση και τα καυσαέρια αρχίζουν να απελευθερώνονται κανονικά στην ατμόσφαιρα. Ο σάκος κατακράτησης των καυσαερίων είναι κατασκευασμένος από ειδικό συνθετικό υλικό και μπορεί να αντέξει θερμοκρασίες από -40 μέχρι 130 βαθμούς, ενώ έχει εφοδιασμένο και έναν αισθητήρα πίεσης έτσι, ώστε να αποφευχθεί η πιθανότητα ο σάκος να σκάσει λόγω της πίεσης των καυσαερίων.
Στην περίπτωση που το σύστημα βγει στην παραγωγή οι μηχανικοί σκέφτονται να τοποθετήσουν τους σάκους αυτούς στους πίσω θόλους, ενώ το κόστος του συστήματος θα είναι από 75 μέχρι 150 δολάρια (20.000 με 40.000 δραχμές) (τιμές 1997). Το μειονέκτημα των συστημάτων αυτών είναι ότι απαιτείται μεγάλος χώρος αποθήκευσης, ειδικές βαλβίδες, ενώ παράλληλα στο διάστημα της λειτουργίας του παρατηρείται πτώση της ροπής του κινητήρα και απώλεια ισχύος.
97-5.jpg

Καταλύτες και κινητήρες πτωχού μίγματος

Οι κινητήρες πτωχού μίγματος αποτελούσαν πάντοτε μια ιδιαίτερα ελκυστική πρόταση για την αντιμετώπιση των περιβαλλοντολογικών προβλημάτων. Τα πλεονεκτήματά τους είναι η υψηλή θερμοδυναμική απόδοσή τους και η χαμηλή κατανάλωση καυσίμου, δυστυχώς όμως οι κινητήρες αυτοί παρουσιάζουν υψηλές θερμοκρασίες καύσης με αποτέλεσμα τα εκπεμπόμενα οξείδια του αζώτου να βρίσκονται σε πολύ υψηλά επίπεδα. Παράλληλα η απαίτηση των καταλυτικών κινητήρων για λειτουργία με στοιχειομετρική αναλογία μίγματος αποκλείει τους κινητήρες πτωχού μίγματος από την εφαρμογή σε αυτούς της καταλυτικής τεχνολογίας. Την τελευταία δεκαετία οι έρευνες των επιστημόνων για καταλύτες οι οποίοι θα μπορούσαν να ταιριάξουν σε κινητήρες πτωχού μίγματος δεν έχουν δώσει σημαντικά αποτελέσματα. Πρόσφατα παρουσιάστηκαν στην Ιαπωνία τεχνολογικές λύσεις με τις οποίες αίρεται μερικώς η ασυμβατότητα μεταξύ των κινητήρων πτωχού μίγματος με τους καταλύτες.
Η πρώτη πρόταση περιλαμβάνει το συνδυασμό ενός τριοδικού καταλύτη με μια παγίδα οξειδίου βαρίου για τα οξείδια του αζώτου. Το σύστημα διαχείρισης της λειτουργίας του κινητήρα ρυθμίζει περιοδικά το μίγμα του καυσίμου από πλούσιο σε φτωχό με βάση την παρακάτω συλλογιστική: όταν είναι φτωχό η παγίδα δεσμεύει τα ΝΟx, ενώ στον επόμενο κύκλο το μίγμα γίνεται πλούσιο και η παγίδα τα απελευθερώνει για να οξειδωθούν στον καταλύτη.
Η δεύτερη πρόταση αναφέρεται στο σχεδιασμό ενός καταλύτη ο οποίος περιλαμβάνει πλατίνα, ρόδιο και ιρίδιο το οποίο μειώνει κατά ένα ποσοστό τα ΝΟx κατά τη λειτουργία του κινητήρα με πτωχό μίγμα. Και οι δύο όμως λύσεις δεν καλύπτουν ακόμα τις αυστηρές αμερικανικές προδιαγραφές για τα επίπεδα καυσαερίων, οπότε δε φαίνεται πιθανόν να εμφανιστούν σύντομα στην παραγωγή.
97-6.jpg

Επίλογος

Η εφαρμογή της καταλυτικής τεχνολογίας αποτέλεσε έναν από τους σταθμούς της αυτοκίνησης, καθώς απέδειξε ότι μπορεί να υπάρξουν «καθαρά» και φιλικά προς το περιβάλλον αυτοκίνητα. Η μαζική τους παραγωγή επέτρεψε στις εταιρίες να τους εξελίξουν και να μειώσουν στο ελάχιστο τις παρενέργειες και τα ελαττώματα που κουβαλούσαν στην αρχή της εφαρμογής τους (υψηλή κατανάλωση, μείωση της ισχύος του κινητήρα, κ.λπ). Σήμερα αποτελούν μια αξιόπιστη και αποτελεσματική λύση του προβλήματος της ατμοσφαιρικής ρύπανσης που προέρχεται από τα αυτοκίνητα, ενώ παράλληλα επιτρέπουν στους κινητήρες εσωτερικής καύσης να παραμείνουν η πλέον πρόσφορη επιλογή για την κίνηση των αυτοκινήτων.

Ποια είναι η διάρκεια ζωής του καταλύτη;

Δεν μπορεί να γίνει σαφής εκτίμηση της ζωής του καταλύτη, ούτε οι αυτοκινητοβιομηχανίες μπορούν να δώσουν την ελάχιστη διάρκεια ζωής. Οι πιο πιθανές αιτίες καταστροφής του είναι χτυπήματα ή κάποια βλάβη στο σύστημα τροφοδοσίας καυσίμου που έχει ως αποτέλεσμα την ύπαρξη πολύ πλούσιου μίγματος για μεγάλο χρονικό διάστημα. Στην περίπτωση αυτή η άκαυστη βενζίνη περνάει στον καταλύτη όπου καίγεται και καταστρέφει το πλέγμα. Μικρότερη είναι η πιθανότητα να καταστραφεί από μολυβδωμένη βενζίνη, μιας και στο στόμιο του ρεζερβουάρ ενός καταλυτικού δεν ταιριάζει το στόμιο της μάνικας της μολυβδούχας βενζίνης (π.χ. super).
Υπό φυσιολογικές συνθήκες η απόδοση του καταλύτη μειώνεται προοδευτικά με τα χρόνια λόγω των επικαθίσεων στο μεταλλικό πλέγμα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να μν έρχεται σε επαφή ο καταλύτης με τα καυσαέρια, οπότε να μη δημιουργούνται οι απαραίτητες χημικές αντιδράσεις που μειώνουν τους επικίνδυνους ρύπους. Το αν ο καταλύτης λειτουργεί ικανοποιητικά ή όχι μπορεί να εκτιμηθεί έμμεσα μόνο με τη μέτρηση των εκπεμπόμενων καυσαερίων. Ακόμα όμως και στην περίπτωση που τα επίπεδα των εκπομπών είναι υψηλότερα από τα επιτρεπόμενα αυτό δε σημαίνει ότι φταίει απαραίτητα ο καταλύτης και όχι η δυσλειτουργία κάποιου εξαρτήματος του κινητήρα, όπως ο αισθητήρας «λ».
Στις Η.Π.Α. τα μοντέλα μετά το 1996 θα πρέπει να είναι εφοδιασμένα με καταλύτες οι οποίοι θα αντέχουν τουλάχιστον 100.000 μίλια (160.000 χιλιόμετρα). Όσον αφορά την ανακύκλωση των χρησιμοποιημένων καταλυτών, αυτή επικεντρώνεται στην εξαγωγή των πολύτιμων ευγενών μετάλλων που περιέχονται στο κεραμικό πλέγμα (πλατίνα, παλλάδιο και ρόδιο) και στο μεταλλικό περίβλημα του καταλύτη.

Ο αισθητήρας «λ»

Η εφαρμογή των πρώτων τριοδικών καταλυτών στις αρχές της δεκαετίας του '80 στις Η.Π.Α. έγινε δυνατή με τη χρήση του αισθητήρα οξυγόνου ή αισθητήρα «λ». Ο αισθητήρας αυτός αποτελείται από ένα στέλεχος από κεραμικό υλικό, το
οποίο, όταν φτάσει σε υψηλή θερμοκρασία, δημιουργεί μια τάση στους ακροδέκτες του ανάλογα με την περιεκτικότητα των καυσαερίων σε οξυγόνο, η οποία συνήθως κυμαίνεται μεταξύ 50-950 mV. Στην περίπτωση αυτή η τάση 50-450 mV αντιστοιχεί σε περίσσεια οξυγόνου (πτωχό μίγμα) ενώ η τάση 450-950 mV σε έλλειψη οξυγόνου (πλούσιο μίγμα). Την ένδειξη αυτή χρησιμοποιεί η μονάδα διαχείρισης του κινητήρα για να ρυθμίσει ανάλογα το χρόνο λειτουργίας των μπεκ ψεκασμού και να κάνει το μίγμα του καυσίμου πιο πλούσιο ή πιο πτωχό. Οι σύγχρονοι αισθητήρες «λ» είναι θερμαινόμενοι, μέσω μιας ηλεκτρικής αντίστασης έτσι, ώστε να ενεργοποιούνται γρηγορότερα και να αντιδρούν ταχύτερα κατά την κρύα εκκίνηση.


Καταλύτες και μικρά αυτοκίνητα (4Τ 209, 2/1988)

Συντάκτης: Πάνος Φιλιππακόπουλος

Νέα στοιχεία, παλιές αμφιβολίες
Η ημερομηνία εφαρμογής των αποφάσεων της ΕΟΚ για την εκπομπή ρύπων από τα ευρωπαϊκά αυτοκίνητα πλησιάζει. Οι συζητήσεις όμως για το μέλλον της «αντιρυπαντικής» τεχνολογίας στην κατηγορία των μικρών αυτοκινήτων συνεχίζονται. Πολλοί υποστηρίζουν ότι η καλύτερη λύση είναι οι καταλύτες. Εξίσου πολλές όμως είναι και οι αμφιβολίες γι’ αυτό.

ΟΙ ΑΠΟΦΑΣΕΙΣ ΤΗΣ ΕΟΚ για την επιβολή νέων ανώτατων ορίων εκπομπής ρύπων από τ' αυτοκίνητα αποτελούν γεγονός εδώ και πολύ καιρό. Το θέμα μας έχει απασχολήσει επανειλημμένως - και θα εξακολουθήσει να μας απασχολεί και στο μέλλον - μια και τα νέα όρια συνεπάγονται κάποιες σημαντικές εξελίξεις στην τεχνολογία των αυτοκινήτων της επόμενης πενταετίας. Το ίδιο θέμα άλλωστε παρακολουθείται με μεγάλο ενδιαφέρον σ' όλη την Ευρώπη, μια και πολλές πτυχές του δεν έχουν ακόμα οριστικοποιηθεί, λόγω της ύπαρξης διαφόρων απόψεων γύρω από τον καλύτερο τρόπο επίτευξης των νέων ορίων, ιδιαίτερα στα μικρά αυτοκίνητα.
Μια από τις απόψεις αυτές θεωρεί σαν καλύτερη μέθοδο περιορισμού των καυσαερίων τη χρησιμοποίηση καταλυτών στις εξατμίσεις των αυτοκινήτων. Ένας από τους σημαντικότερους υποστηρικτές της άποψης αυτής είναι, η βρετανική Τζόνσον Ματέι, που αποτελείτο μεγαλύτερο κατασκευαστή καταλυτών στον κόσμο (15 εκατομμύρια καταλύτες το χρόνο, κάλυψη του 50% της αμερικανικής αγοράς, 13 χρόνια εμπειρίας στον τομέα). Η εταιρία ήταν παρούσα και στο τελευταίο σαλόνι της Φρανκφούρτης, ενώ την περασμένη άνοιξη είχε μια πολύ ενδιαφέρουσα δημοσίευση με την ευκαιρία επιστημονικού συνεδρίου στην Αμερική, γύρω από τις τελευταίες εξελίξεις στο θέμα της χρησιμοποίησης καταλυτών στην ευρωπαϊκή αγορά Επειδή ακριβώς αποτελεί και το σημαντικότερο εκφραστή των υποστηρικτών της χρησιμοποίησης καταλυτών, εξελίσσοντας ταυτόχρονα και την τεχνολογία τους, είναι πιστεύουμε αρκετά ενδιαφέρον να αναλύσουμε τις απόψεις της, αφού άλλωστε είναι δεδομένο ότι οι καταλύτες θα χρησιμοποιηθούν σε μεγάλο μέρος των αυτοκινήτων στις χώρες - μέλη της ΕΟΚ, αλλά και στην… παράξενη Ελλάδα. Οι καταλύτες βεβαίως δεν είναι κάτι καινούργιο. Άρχισαν να χρησιμοποιούνται εδώ και 13 χρόνια περίπου στην Αμερική και την Ιαπωνία, όταν το πρόβλημα της φωτοχημικής ρύπανσης έγινε ιδιαίτερα έντονο στο Λος Άντζελες και το Τόκιο.
Αυτό οδήγησε στη θέσπιση αυστηρών ορίων εκπομπής ρύπων από τ' αυτοκίνητα, που δεν μπορούσαν να επιτευχθούν αλλιώς με την τεχνολογία της εποχής παρά με την τοποθέτηση καταλυτών. Και βέβαια η τοποθέτηση καταλυτών οδήγησε με τη σειρά της στην ανάγκη χρησιμοποίησης αμόλυβδης βενζίνης, αφού ο μόλυβδος «δηλητηριάζει» τους καταλύτες και εκμηδενίζει την αποτελεσματικότητά τους. Σ' αντίθεση δηλαδή με ότι πιστεύουν (και λένε δημοσίως) πολλοί στη χώρα μας, η αμόλυβδη βενζίνη δεν επιβλήθηκε σαν ένα μέσο για την καταπολέμηση… του νέφους (σε καμιά περίπτωση δεν συμβάλλει σε κάτι τέτοιο) αλλά σαν ανάγκη για την υλοποίηση της απόφασης χρησιμοποίησης των καταλυτών. Τα χρόνια πέρασαν και το πρόβλημα της ρύπανσης άρχισε να γίνεται αισθητό και στην Ευρώπη, οδηγώντας τελικά στη γνωστή απόφαση της ΕΟΚ για την επιβολή νέων, πολύ αυστηρότερων ορίων εκπομπής ρύπων. Η απόφαση χωρίζει τ' αυτοκίνητα σε τρεις κατηγορίες και τα όρια που ισχύουν για κάθε μια απ' αυτές είναι τα παρακάτω:
Είναι φανερό ότι τα αυστηρότερα όρια ισχύουν για τα μεγάλα αυτοκίνητα και η επίτευξή τους είναι σίγουρο ότι θα οδηγήσει στη χρησιμοποίηση καταλυτών «3 δρόμων». Ο τύπος αυτός αποτελεί την πιο σύνθετη μορφή καταλυτών και εξουδετερώνει ταυτόχρονα και τους τρεις βασικούς ρύπους που εκπέμπονται από τ' αυτοκίνητα, δηλαδή το μονοξείδιο του άνθρακα (CO), τα οξείδια του αζώτου (ΝΟχ) και τους υδρογονάνθρακες (HC). Για τ' αυτοκίνητα μεταξύ 1400 και 2000 κ.εκ. το πιθανότερο είναι να χρειαστούν οι απλούστεροι οξειδωτικοί καταλύτες (που εξουδετερώνουν μόνο το CO και τους HC) σε συνδυασμό με άλλες τεχνολογίες και κυρίως την καύση φτωχού μίγματος, που επιτρέπει τη σημαντική μείωση της εκπομπής ΝΟχ. Τέλος, για τα μικρότερα αυτοκίνητα τα όρια είναι πολύ πιο ελαστικά και μπορούν να επιτευχθούν με την υπάρχουσα τεχνολογία χωρίς τη χρησιμοποίηση καταλυτών,

Το πρόβλημα των μικρών αυτοκινήτων

Τα ελαστικότερα όρια των μικρών αυτοκινήτων αντικατοπτρίζουν το πρόβλημα που υπάρχει σχετικά με την τοποθέτηση καταλυτών σ' αυτά Το πρόβλημα αυτό εντοπίζεται στη σημαντική ποσοστιαία αύξηση του κόστους των μικρών αυτοκινήτων από την τοποθέτηση καταλύτη (αφού το κόστος του καταλύτη παραμένει σχεδόν σταθερό, άσχετα με το μέγεθος του αυτοκινήτου, επιβαρύνοντας έτσι περισσότερο τα φτηνότερα αυτοκίνητα) και στη μείωση της απόδοσης του κινητήρα, που γίνεται πολύ περισσότερο αισθητή στους μικρούς κινητήρες, μια και η ισχύς τους είναι ήδη αρκετά μικρή. Τα προβλήματα βεβαίως αυτά συνδέονται γενικότερα με τους καταλύτες, ανεξάρτητα από το μέγεθος του αυτοκινήτου, είναι όμως περισσότερο αισθητά στα μικρά αυτοκίνητα, τα οποία καλύπτουν και το 50%περίπου της ευρωπαϊκής αγοράς. Μια ανάλυση των στοιχείων 67 διαφορετικών μοντέλων όλων των κατηγοριών που έγινε στη Γερμανία στα τέλη του 1986, έδειξε ότι η επιβάρυνση των καταναλωτών που προτιμούσαν τα «καθαρά» αυτοκίνητα ήταν κατά μέσο όρο 1375 μάρκα (πάνω από 100.000 δρχ.) για αυτοκίνητα που κάλυπταν τα αμερικανικά όρια εκπομπών ρύπων και 806 μάρκα (πάνω από 60.000 δρχ.) για αυτοκίνητα που καλύπτουν τα νέα ευρωπαϊκά όρια, σε σχέση με τ' αυτοκίνητα χωρίς καταλύτες. Στ' αυτοκίνητα μάλιστα που καλύπτουν τ' αμερικάνικα όρια, η επιβάρυνση είναι μεγαλύτερη στη μικρή κατηγορία (κάτω από 1400 κ.εκ.) απ' ότι στη μεγάλη (πάνω από 2000 κ.εκ.). Κάτι που εξηγεί και το δισταγμό των Ευρωπαίων να υιοθετήσουν από τώρα ακόμα αυστηρότερα όρια.
Η Τζόνσον Ματέι υποστηρίζει βέβαια ότι το αυξημένο αυτό κόστος δεν περιλαμβάνει μόνο τον καταλύτη. Ιδιαίτερα στα μικρά αυτοκίνητα περιλαμβάνει συχνά και την τοποθέτηση ψεκασμού, αντί για το καρμπιρατέρ του αντίστοιχου μοντέλου που δεν έχει καταλύτη. Αυτό όμως δεν αποτελεί και πολύ ισχυρό επιχείρημα, μια και για τον υπολογισμό του κόστους της αντιρρυπαντικής τεχνολογίας δεν είναι δυνατό να υπολογιστεί μόνο το κόστος του ίδιου του καταλύτη, αλλά το σύνολο των συστημάτων που απαιτείται να τον συνοδεύουν για να λειτουργεί αποτελεσματικά. Και η τοποθέτηση των συστημάτων ψεκασμού αντί για καρμπιρατέρ δεν γίνεται για λόγους εντυπωσιασμού, αλλά για ν' αντισταθμιστούν τα μειονεκτήματα του καταλύτη. Και συγκεκριμένα, για ν' αντισταθμιστεί η αύξηση της κατανάλωσης και η μείωση της ισχύος και της ροπής αλλά και, κυρίως, επειδή η σωστή λειτουργία του καταλύτη απαιτεί τη συνεχή λειτουργία του κινητήρα με στοιχειομετρικό μίγμα. Απαιτείται λοιπόν μεγάλη ακρίβεια στο σχηματισμό του καύσιμου μίγματος, η οποία μπορεί να επιτευχθεί μόνο με τη χρησιμοποίηση συστήματος ψεκασμού. Αυτό βέβαια είναι γνωστό στους κατασκευαστές καταλυτών, όπως επίσης και το γεγονός ότι σήμερα μόνο το 35% περίπου των ευρωπαϊκών αυτοκινήτων είναι εφοδιασμένο με σύστημα ψεκασμού και μάλιστα κυρίως ακριβά αυτοκίνητα. Για να γίνει λοιπόν δυνατό να επιτευχθεί μια συμφωνία για ακόμα αυστηρότερα όρια για τα μικρά αυτοκίνητα, πρέπει αυτά να μπορούν να επιτευχθούν με λογικό κόστος, που να μπορεί ν' αντιμετωπιστεί από τους αγοραστές αυτών των αυτοκινήτων (η μεγάλη πλειοψηφία των οποίων δεν ανήκει βεβαίως στις υψηλές εισοδηματικές τάξεις).
Έχοντας αυτά υπ' όψη της, η Τζόνσον Ματέι οργάνωσε ένα πρόγραμμα έρευνας και δοκιμών, με σκοπό να δείξει ότι υπάρχει η δυνατότητα ελέγχου των εκπομπών ρύπων από τα μικρά αυτοκίνητα με τη χρησιμοποίηση καταλυτών 3 δρόμων ή οξειδωτικών καταλυτών και καύσης φτωχού μίγματος. Για το πρόγραμμα αυτό χρησιμοποιήθηκαν 4 διαφορετικά αυτοκίνητα της μικρής κατηγορίας: Ένα Πεζό 205 GR 1,4 λίτρων, ένα Φίατ Ούνο 45S (1000 κ.εκ.), ένα VW Γκολφ 1,3 λίτρων κι ένα Ρόβερ 213S 1,3 λίτρων. Τ' αυτοκίνητα αγοράστηκαν στη Γερμανία και ήταν σχεδιασμένα για να καλύπτουν τα όρια εκπομπής ρύπων που ισχύουν σήμερα στην ΕΟΚ και να λειτουργούν με τη νέα αμόλυβδη βενζίνη που χρησιμοποιείται ήδη στη Γερμανία και που θ' αρχίσει να χρησιμοποιείται σ' όλη την ΕΟΚ από το 1989. Ο στόχος του προγράμματος ήταν να επιτευχθούν όσο το δυνατόν χαμηλότερες εκπομπές ρύπων (οπωσδήποτε μέσα στα όρια που θ' αρχίσουν να ισχύουν από το 1990) με την τοποθέτηση καταλύτη αλλά χωρίς καμία άλλη τροποποίηση στην κατασκευή και ρύθμιση του κινητήρα.
Η τοποθέτηση του καταλύτη έγινε σε διαφορετικό σημείο σε κάθε αυτοκίνητο, μετά από μελέτη του διαθέσιμου χώρου και της κατανομής των θερμοκρασιών στην πορεία των καυσαερίων. Δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι για ν' αρχίσει να λειτουργεί αποτελεσματικά ο καταλύτης πρέπει να φτάσει σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία. Στα 2 από τα 4 αυτοκίνητα αποδείχτηκε κατά τις δοκιμές ότι ο καταλύτης έφτανε σε θερμοκρασία λειτουργίας σε λιγότερο από 20 δευτερόλεπτα, στα άλλα δύο όμως ο χρόνος ενεργοποίησης του καταλύτη ήταν μεγάλος (60 δευτερόλεπτα στο ένα και 3 λεπτά και 17 δευτερόλεπτα στο άλλο). Το πρόβλημα θα μπορούσε ίσως να λυθεί με την αναδιαμόρφωση του χώρου του κινητήρα για την τοποθέτηση του καταλύτη σε καταλληλότερο σημείο, κάτι που αποφασίστηκε όμως ότι δεν έπρεπε να γίνει σ' αυτό το στάδιο των δοκιμών. Αποτελεί πάντως κι αυτό μια ένδειξη για τις δυσκολίες που υπάρχουν στην τοποθέτηση καταλυτών στα μικρά αυτοκίνητα. Δεν πρέπει άλλωστε να ξεχνάμε, ότι σε πολλά απ' αυτά ο χώρος τοποθέτησης του κινητήρα είναι αρκετά περιορισμένος και συχνά δεν επιτρέπει μετατροπές. Στην περίπτωση αυτή ο καταλύτης θα έπρεπε να τοποθετηθεί σε δυσμενέστερο σημείο, με αποτέλεσμα βέβαια την αύξηση του χρόνου ενεργοποίησής του.

Αποτελέσματα που αφήνουν ερωτηματικά

Οι μετρήσεις που έγιναν έδειξαν, όπως αναμενόταν άλλωστε, ότι η τοποθέτηση καταλύτη μείωσε αισθητά την εκπομπή των βασικών ρύπων από τ' αυτοκίνητα της δοκιμής. Τ' αποτελέσματα ήταν τα παρακάτω (οι αριθμοί εκφράζουν γραμμάρια ανά δοκιμή):

ΕΥΡΩΠΑΪΚΑ ΟΡΙΑ
HC+NOx NOx CO
Σημερινά 19 58
Νέα (1990/91) 15 6 45
ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΑ ΔΟΚΙΜΗΣ ΧΩΡΙΣ ΚΑΤΑΛΥΤΗ
Peugeot 205 18,30 7,8 26,3
Fiat Uno 45 15,24 6,2 26,7
VW Golf C 16,07 5,7 50,5
Rover 213 12,26 3,6 46,7
ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΑ ΔΟΚΙΜΗΣ ME ΚΑΤΑΛΥΤΗ
Peugeot 205 8,49 5,83 8,78
Fiat Uno 45 4,10 2,70 9,80
VW Golf C 6,40 2,00 42,70
Rover 213 5,24 1,39 27,47

Η βελτίωση είναι σαφής, είναι όμως επίσης σαφές ότι τα νέα όρια είναι δυνατόν να επιτευχθούν και χωρίς τη χρησιμοποίηση καταλύτη, όπως αποδεικνύει η περίπτωση του Ούνο. Και βέβαια, σε περίπτωση που στο μέλλον τα όρια γίνουν ακόμα περισσότερο αυστηρά, είναι πολύ πιθανό η εξέλιξη της τεχνολογίας να επιτρέπει και τότε την επίτευξή τους χωρίς τη βοήθεια του καταλύτη.
Οπωσδήποτε ο καταλύτης μειώνει ακόμα περισσότερο τις εκπομπές ρύπων και είναι λογικό να υποστηρίξει κανείς ότι δεν υπάρχει κανένας λόγος να μην επιδιώξουμε και αυτήν τη μείωση, άσχετα με την επίτευξη ή μη των ορίων χωρίς τη χρησιμοποίηση του καταλύτη. Αυτό θα ήταν απόλυτα λογικό αν δεν υπήρχαν άλλες επιπτώσεις, οι ενδείξεις όμως ότι υπάρχουν είναι ισχυρές και ο τρόπος με τον οποίο τις αρνείται η μελέτη της Τζόνσον Ματέι ενισχύει αυτήν την άποψη. Και πρώτα απ' όλα ας πάρουμε το θέμα της κατανάλωσης. Στη μελέτη αναφέρεται ότι, όπως έδειξαν οι δοκιμές, η κατανάλωση των αυτοκινήτων δεν επηρεάστηκε από τον καταλύτη ή επηρεάστηκε ελάχιστα (μέχρι 2%). Αν όμως κοιτάξει κανείς με προσοχή τ' αποτελέσματα των δοκιμών, θα δει ότι όλες έγιναν με αμόλυβδη βενζίνη 95 οκτανίων, είτε με καταλύτη είτε χωρίς αυτόν. Κι όπως παραδέχεται η ίδια η εταιρία σ' άλλο σημείο του κειμένου, ο σχεδιασμός ενός κινητήρα για να λειτουργεί με βενζίνη μικρότερου αριθμού οκτανίου συνεπάγεται μείωση της απόδοσής του. Αλλά η αμόλυβδη βενζίνη είναι αναγκαία μόνο όταν υπάρχει καταλύτης. Οι υπόλοιποι κινητήρες μπορούν να λειτουργούν με κανονική βενζίνη με μόλυβδο, που έχει μεγαλύτερο αριθμό οκτανίου, και η σύγκριση με τους κινητήρες με καταλύτη πρέπει να γίνει σ' αυτήν τη βάση. Οπότε η αύξηση της κατανάλωσης και η μείωση των επιδόσεων που συνεπάγεται ο καταλύτης είναι αισθητά μεγαλύτερη. Βεβαίως, ήδη στη Γερμανία τα νέα μοντέλα σχεδιάζονται για να λειτουργούν με αμόλυβδη βενζίνη και το ίδιο αναμένεται να συμβεί και στην υπόλοιπη Ευρώπη πολύ σύντομα. Το επιχείρημα είναι λοιπόν, πως αφού ούτως ή άλλως θ' αναγκάσουμε τους κατασκευαστές να σχεδιάζουν τα μικρά αυτοκίνητά τους για λειτουργία με αμόλυβδη βενζίνη, άρα θα μειώσουμε τη θερμοδυναμική τους απόδοση, γιατί να μην τοποθετήσουμε επί τη ευκαιρία και καταλύτη, αφού η επιπλέον μείωση της απόδοσης δεν θα είναι και πολύ μεγάλη. Η δική μας επιφύλαξη όμως αφορά και την ίδια την καθιέρωση της αμόλυβδης βενζίνης, που όπως έχουμε επανειλημμένως επισημάνει δεν είναι καθόλου καλύτερη για το περιβάλλον από τη βενζίνη που έχει μόλυβδο. Γιατί μπορεί να μην περιέχει τον (οπωσδήποτε βλαβερό) μόλυβδο, αλλά περιέχει πολύ μεγαλύτερο ποσοστό (αποδεδειγμένα) καρκινογόνων αρωματικών υδρογονανθράκων (βενζόλιο κ.λπ.). Κι εμείς προσωπικά μεταξύ του μολύβδου και του καρκίνου προτιμάμε το μόλυβδο. Τη στιγμή μάλιστα που έχει αποδειχθεί από έρευνες, ότι για την περιεκτικότητα του μολύβδου στον οργανισμό μας δεν ευθύνεται μόνο το αυτοκίνητο αλλά σε μεγάλο βαθμό και άλλες, τελείως διαφορετικές πηγές. Ας στρέψουν λοιπόν τα πυρά τους προς τα εκεί οι οικολόγοι κι ας αφήσουν το μόλυβδο της βενζίνης, τον οποίο θα πρέπει να καταργήσουμε μόνον όταν ανακαλυφθεί ασφαλέστερο υποκατάστατο και όχι τρισχειρότερο όπως τώρα. Ένα άλλο σημείο που εξέτασε η έρευνα της εταιρίας, ήταν η απόδοση των δύο μεθόδων ελέγχου των ρύπων στα καυσαέρια, δηλαδή του καταλύτη και της καύσης φτωχού μίγματος, κατά την κίνηση του αυτοκινήτου με υψηλές ταχύτητες. Γιατί οι σημερινές μέθοδοι μέτρησης των ρύπων στην Ευρώπη βασίζονται σε δοκιμές που απεικονίζουν την κίνηση με μικρές ταχύτητες στην πόλη. Έτσι προτείνεται τώρα από διάφορες πλευρές η καθιέρωση κι ενός κύκλου δοκιμών «υψηλών ταχυτήτων και η καθιέρωση ορίων εκπομπής ρύπων και σ' αυτόν τον κύκλο. Για τις δοκιμές της Τζόνσον Ματέι σ' αυτές τις ταχύτητες χρησιμοποιήθηκαν δύο αυτοκίνητα: ένα Τογιότα Καρίνα με καύση φτωχού μίγματος και οξειδωτικό καταλύτη κι ένα VW Σιρόκο με καύση κανονικού (στοιχειομετρικού) μίγματος και πλήρη καταλύτη τριών δρόμων. Τ' αποτελέσματα έδειξαν πως ο καταλύτης τριών δρόμων ελέγχει πολύ καλύτερα τα οξείδια του αζώτου στις υψηλές ταχύτητες από το συνδυασμό φτωχού μίγματος / οξειδωτικού καταλύτη. Η παρατήρηση που θα μπορούσαμε να κάνουμε εδώ είναι ότι οι δοκιμές έγιναν σε δύο τελείως διαφορετικά αυτοκίνητα, γεγονός που μπορεί να δώσει παραπλανητικές εντυπώσεις ως προς το ποσοστό υπεροχής του καταλύτη στον έλεγχο των ΝΟχ στις μεγάλες ταχύτητες. Επιπλέον, στ' αποτελέσματα των δοκιμών δεν αναφέρεται τίποτα για την ακρίβεια του συστήματος τροφοδοσίας των δύο αυτοκινήτων, που χωρίς αμφιβολία επηρεάζει την εκπομπή ρύπων. Τέλος, δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι η τεχνολογία των καταλυτών χρησιμοποιείται εδώ και περισσότερο από μια δεκαετία ενώ η καύση φτωχού μίγματος αποτελεί πολύ πιο πρόσφατη μέθοδο, που δεν έχει ακόμα εξελιχθεί όσο θα ήταν δυνατό. Χωρίς λοιπόν να προεξοφλούμε την επιτυχία της (για την οποία άλλωστε υπάρχουν ακόμα μερικές αμφιβολίες) δεν μπορούμε να δεχτούμε τόσο εύκολα ότι μειονεκτεί απέναντι στους καταλύτες.
Υπάρχει τέλος και το πρόβλημα της διατήρησης της αποτελεσματικότητας των καταλυτών με το πέρασμα του χρόνου. Έρευνες που έχουν γίνει στην Αμερική, έχουν δείξει ότι σε μεγάλο ποσοστό των αυτοκινήτων οι καταλύτες είχαν αχρηστευτεί μετά από μικρό χρονικό διάστημα, που μπορεί να έφτανε και τον ένα μόλις χρόνο. Πρόβλημα που οφειλόταν είτε στην αμέλεια των ιδιοκτητών (π.χ. χρησιμοποίηση βενζίνης με μόλυβδο, ελλιπής συντήρηση κ.λπ.) είτε ακόμα και σε εσκεμμένη ενέργεια (αφαίρεση του καταλύτη για βελτίωση των επιδόσεων και μείωση της κατανάλωσης, κάτι που αποδεικνύει ότι ούτε οι οδηγοί έχουν πειστεί από τις διαβεβαιώσεις των κατασκευαστών καταλυτών, ότι τα προϊόντα τους επηρεάζουν ελάχιστα την απόδοση του κινητήρα!). Η Τζόνσον Ματέι διαβεβαιώνει ότι οι καταλύτες λειτουργούν κανονικά για πολλά χρόνια και αναφέρει ότι έγιναν δοκιμές σε αυτοκίνητο εφοδιασμένο με καταλύτη τριών δρόμων, το οποίο κινήθηκε με μέση ταχύτητα 170 χλμ./ώρα επί 50.000 μίλια (περίπου 80.000 χλμ.). Μετά απ' αυτό μετρήθηκε και πάλι η εκπομπή ρύπων και το αυτοκίνητο κάλυπτε ακόμα και τα όρια της Καλιφόρνια, που είναι τα αυστηρότερα στον κόσμο.
Δεν έχουμε βεβαίως κανένα λόγο ν' αμφισβητήσουμε τ' αποτελέσματα αυτής της δοκιμής, πιστεύουμε όμως ότι απέχουν αρκετά από την πραγματικότητα. Γιατί το αυτοκίνητο του μέσου οδηγού δεν μπαίνει σε μια πίστα για να κάνει 80.000 χιλιόμετρα χωρίς διακοπή με μεγάλη ταχύτητα, αλλά τα χιλιόμετρα αυτά θα τα κάνει σε διάστημα πολλών ετών, με χιλιάδες σταματήματα και ξεκινήματα με κρύο κινητήρα, με ατέλειωτες ώρες λειτουργίας στο ρελαντί και με κίνηση κάτω από ένα σωρό διαφορετικές συνθήκες. Και στη διάρκεια αυτών των ετών κι αυτών των χιλιομέτρων χρειάζεται βέβαια τακτικά ρύθμιση και συντήρηση, τις οποίες είναι αποδεδειγμένο ότι παραμελεί σημαντικό ποσοστό των οδηγών σ' όλες τις χώρες του κόσμου (ναι, δεν είναι προνόμιο μόνο των Ελλήνων, ακόμα και στις πιο αναπτυγμένες χώρες είναι εκπληκτικά μεγάλος ο αριθμός των οδηγών που παραμελούν τη συντήρηση του αυτοκινήτου τους). Οι καταλύτες όμως χρειάζονται σωστά ρυθμισμένο κινητήρα για να είναι αποτελεσματικοί κι έτσι είναι φυσιολογικό να απενεργοποιούνται σ' αυτά τ' αυτοκίνητα. Οι δοκιμές λοιπόν ενός άψογα ρυθμισμένου αυτοκινήτου σε μια συνεχή διαδρομή, μπορεί ν' αποδεικνύουν την αντοχή του ίδιου του καταλύτη στο χρόνο, δεν αποδίδουν όμως ούτε στο ελάχιστο αυτό που συμβαίνει στην πραγματικότητα. Και δεν πρέπει να ξεχνάμε, ότι ένα αυτοκίνητο με αχρηστευμένο καταλύτη ρυπαίνει περισσότερο από ένα αυτοκίνητο χωρίς καταλύτη.
Πρέπει λοιπόν ν' απορρίψουμε ολοκληρωτικά τους καταλύτες; Σίγουρα όχι. Κανείς δεν μπορεί να ισχυριστεί σοβαρά ότι είναι τελείως άχρηστος, και πολύ περισσότερο ότι η αντίληψη στην οποία βασίστηκε η δημιουργία τους, η επεξεργασία δηλαδή των καυσαερίων πριν βγουν στην ατμόσφαιρα είναι λανθασμένη. Αυτό όμως που είναι λανθασμένο είναι η βιαστική υιοθέτηση τους στο σύνολο των αυτοκινήτων. Αυτό θ' αποθαρρύνει τους κατασκευαστές των αυτοκινήτων να συνεχίσουν την εξέλιξη της τεχνολογίας τους προς την κατεύθυνση της μείωσης της ρύπανσης μια και το κόστος που μπορεί ν' αντέξει ο καταναλωτής για την εφαρμογή «αντιρρυπαντικής» τεχνολογίας θα καλυφθεί (και με το παραπάνω) από τους καταλύτες. Και είναι γνωστό ότι υπάρχουν οι δυνατότητες για σημαντική μείωση της εκπομπής ρύπων με πιο συμβατικές μεθόδους, που αφορούν τη βελτίωση της καύσης μέσα στον κινητήρα. Τέτοια μείωση άλλωστε έχει ήδη επιτευχθεί σε σχέση με το παρελθόν και κάθε τόσο υπάρχει και νέα. Η καθιέρωση του καταλύτη θα είναι μια καλή ευκαιρία για την αυτοκινητοβιομηχανία να εγκαταλείψει αυτήν την προσπάθεια (και να ρίχνει όλα τα στραβά στους καταλύτες!). Η χρησιμοποίηση των καταλυτών μπορεί να ξεκινήσει από τα μεγάλα αυτοκίνητα, που άλλωστε έχουν συνήθως ακριβά συστήματα τροφοδοσίας με αρκετά μεγάλη ακρίβεια τα οποία δεν χρειάζονται πολύ τακτική συντήρηση, κι έτσι η αποτελεσμα¬τικότητα των καταλυτών σ' αυτά θα είναι μεγαλύτερη. Για τα υπόλοιπα αυτοκίνητα η καλύτερη λύση θα ήταν να μειώνει η ΕΟΚ βαθμιαία τα επιτρεπόμενα όρια εκπομπής ρύπων (π.χ. κάθε 3-5 χρόνια), δίνοντας την ευκαιρία στους κατασκευαστές να επιλέγουν οι ίδιοι τον τρόπο συμμόρφωσης των αυτοκινήτων τους σ' αυτά (που θα μπορούσε σε κάποιες περιπτώσεις να είναι και ο καταλύτης). Η ύπαρξη περισσότερων εναλλακτικών λύσεων αντί για τον εξαναγκασμό κατασκευαστών και καταναλωτών ν' ακολουθήσουν μία μέθοδο που ακόμα δεν έχει λύσει τα δικά της προβλήματα, είμαστε σίγουροι ότι θα είχε σαν αποτέλεσμα ακόμα καθαρότερο αέρα.

Ημερομηνία έναρξης Εκπομπές σε γραμμάρια ανά δοκιμή
Χωρητικότητα κινητήρα Νέα μοντέλα Όλα τα νέα αυτοκίνητα Μονοξείδιο του άνθρακα Άθροισμα υδρογονανθράκων και οξειδίων του αζώτου Οξείδια του αζώτου
Πάνω από 2 λίτρα Οκτ. 1988 Οκτ. 1989 25 6,5 3,5
1,4-2 λίτρα Οκτ. 1991 Οκτ. 1993 30 8
Κάτω από 1,4 λίτρα
— Πρώτο στάδιο Οκτ. 1990 Οκτ. 1991 45 15 6
— Δεύτερο στάδιο Οκτ. 1992 Οκτ. 1993 εκκρεμεί η απόφαση

Καταλυτικοί μετατροπείς (Auto Express 223, 2/1986)

Tι είναι στ' αλήθεια οι «καταλυτικοί μετατροπείς». Είναι πραγματικά χρήσιμοι ή πραγματικά επικίνδυνοι; Αξίζουν τον κόπο ή καλά θα κάνουμε να τους ξεχάσουμε;
sx1.jpg
Οι καταλυτικοί μετατροπείς είναι ένα σύστημα εξαρτημάτων, που περιέχοντας έναν καταλύτη, συγκρατούν τις βλαβερές ουσίες από τα αέρια της εξάτμισης. Όπως μπορείτε να δείτε και στην αντίστοιχη φωτογραφία πρόκειται για μεταλλικούς κυλίνδρους, που είναι γεμισμένοι από ένα υλικό κεραμικής υφής, που έχει σχήμα κερήθρας. Αυτό το κεραμικό υλικό είναι καλυμμένο από τον καταλύτη, που συνήθως είναι τα ευγενή μέταλλα πλατίνα και ρόδιο. Αυτή η «γέμιση» είναι καλυμμένη εξωτερικά από ένα ελαστικό πλέγμα ανθεκτικό στη θερμοκρασία, που έχει σαν στόχο να προφυλάσσει το κεραμικό υλικό της «γέμισης» από τους κραδασμούς, που δημιουργεί η εξάρτηση του μετατροπέα από τη σωλήνωση της εξάτμισης, και από το γεγονός ότι βρίσκεται συγχρόνως κοντά στον κινητήρα. Το κεραμικό υλικό είναι πολύ ευαίσθητο στους κραδασμούς αυτούς. Ο εξωτερικός μετατροπέας καλύπτεται εξωτερικά από ένα φύλλο χρωμιονικελωμένο όχι λείο, ακριβώς για να μπορούν οι εσωτερικές εγκοπές του να στηρίζουν το εσωτερικό ελαστικό πλέγμα. Στο εμπρός μέρος του μετατροπέα (δηλαδή προς τον κινητήρα) βρίσκεται ένας μετρητής (ή ανιχνευτής) οξυγόνου, που διεθνώς λέγεται λάμδα. Πρόκειται στην ουσία για έναν ηλεκτρονικό συλλέκτη πληροφοριών, που σημειώνει την ποσότητα οξυγόνου, που υπάρχει στα αέρια της εξάτμισης πριν αυτά υποστούν την καταλυτική διαδικασία, και να διοχετεύει τις πληροφορίες σ ένα ηλεκτρονικό - ρυθμιστικό κέντρο. Οι πληροφορίες αυτές μεταφέρονται με ηλεκτρικά σήματα, που αντιστοιχούν σε εναλλαγές ηλεκτρικής έντασης. Οι πληροφορίες αυτές αφορούν τη σύνθεση του μείγματος αέρα-βενζίνης, που προσφέρεται στον κινητήρα. Διοχετεύοντας αυτές τις πληροφορίες στο ρυθμιστικό κέντρο, του επιτρέπει να βγάλει συμπεράσματα σε σχέση με τη σύνθεση του μείγματος και να προκληθεί έτσι σε κλάσματα δευτερολέπτων η αναγκαία διόρθωση.
Ο στόχος είναι η τιμή του κλάσματος του μείγματος αέρα δια βενζίνη να είναι ίση με ένα. Αυτό το κλάσμα λέγεται από τους ειδικούς στοιχειομετρικός λόγος και αντιπροσωπεύει μια σχέση ανάμεσα στην ποσότητα αέρα, που είναι θεωρητικά αναγκαία για να εξασφαλίσει μια τέλεια καύση μιας προσδιορισμένης ποσότητας βενζίνης. Η τιμή του κλάσματος αυτού είναι γενικά 14,6 προς 1, δηλαδή 14,6 χλγρμ. αέρα για 1 χλγρ. βενζίνης. Είναι σαφές πως όσο τελειότερη καύση έχουμε, τόσο καθαρότερα είναι τα αέρια της εξάτμισης. Απ' αυτήν την άποψη η ιδανική καύση ενός λίτρου βενζίνης απαιτεί 11.500 λίτρα αέρα.
Ας προσέξουμε λίγο: όταν το κλάσμα μας έχει τις ιδανικές τιμές ισούται με ένα. Όταν η ποσότητα του αέρα είναι μικρότερη από τη θεωρητικά απαιτούμενη, τότε το κλάσμα έχει τιμή μικρότερη από ένα και μιλάμε για πλούσιο μείγμα. Όταν αντίθετα το κλάσμα είναι μεγαλύτερο από ένα, δηλαδή η ποσότητα του απαιτούμενου αέρα είναι μεγαλύτερη από την ποσότητα, που θεωρητικά απαιτείται, τότε έχουμε φτωχό μείγμα.
Με βάση, λοιπόν, τις πληροφορίες του ηλεκτρονικού μετρητή, ο εγκέφαλος «εμπλουτίζει» ή «φτωχαίνει» το μείγμα, ώστε η τιμή του κλάσματος να είναι πάντα ίση με ένα, δηλαδή η ιδανική.
Ο καταλυτικός μετατροπέας έχει λοιπόν ένα διπλό διορθωτικό ρόλο: καταλύει τα αέρια της εξάτμισης, αλλά ελέγχει συγχρόνως και τη σύνθεση του μείγματος.
Το πρόβλημα, που υπάρχει για τους ανιχνευτές οξυγόνου είναι ότι χρειάζονται υψηλότατη θερμοκρασία για να λειτουργήσουν (250 βαθμούς Κελσίου). Έτσι όταν ο κινητήρας είναι κρύος, δεν υπάρχει θεωρητικά η δυνατότητα ρύθμισης του μείγματος, αφού ο ανιχνευτής δε λειτουργεί. Το μείγμα αέρα-βενζίνης πρέπει να έχει λοιπόν προκαθοριστεί σε μια μεσαία τιμή του κλάσματος. Τοποθετείται λοιπόν στον κινητήρα ένας «προθερμενόμενος ρυθμιστής μείγματος», κοντά στον κινητήρα, ώστε να φτάνει γρήγορα στην ιδανική θερμοκρασία λειτουργίας του.
Θερμοκρασία έναρξης λειτουργίας θεωρείται αυτή, που είναι απαραίτητη για να φτάσει ο καταλυτικός μηχανισμός τουλάχιστον στο 50 τοις εκατό της μετατροπής της σύνθεσης των αερίων. Αυτή η θερμοκρασία δεν μπορεί να προσδιοριστεί, παρά μόνο στον πάγκο δοκιμής και μετρήσεων των αερίων της εξάτμισης. Π.χ. με εξωτερική θερμοκρασία 20 βαθμών C° η μέση διάρκεια ενεργοποίησης για τα μοντέλα της Μπε-Εμ-Βε είναι 30 δευτερόλεπτα για λίγο χρησιμοποιημένους καταλύτες και 40 δευτερόλεπτα για αρκετά φθαρμένους (80.000 χλμ. λειτουργίας).
Με εξωτερική θερμοκρασία μείον 10 βαθμών Κελσίου, ο καταλύτης γίνεται αποτελεσματικός ξεκινώντας από τα 60 δευτερόλεπτα έως τα 100, ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα.
Έναν ανιχνευτή οξυγόνου μπορείτε να δείτε στη φωτογραφία, που παραθέτουμε. Αποτελείται από ένα κεραμικό σώμα, κατασκευασμένο από σπάνια μέταλλα πολύ ευαίσθητα στα συστατικά των αερίων της εξάτμισης.

Ποια αέρια μολύνουν κυρίως την ατμόσφαιρα

Πρόκειται για το μονοξείδιο του άνθρακα (CO, ένωση άνθρακα και οξυγόνου), οι υδρογονάνθρακες HC (μεγάλος αριθμός ενώσεων, που οι περισσότερες είναι καρκινογενείς), όπως και οξείδια αζώτου ΝΟΧ (ένωση αζώτου και οξυγόνου).
Αυτά τα βλαβερά συστατικά των αερίων της εξάτμισης είναι το αποτέλεσμα μιας ατελούς καύσης, που οφείλεται σε διάφορες αιτίες. Από τη μια μεριά, η φάση της καύσης γίνεται σ' ένα ελάχιστο χρονικό διάστημα.
Από την άλλη η σύνθεση του μείγματος (αέρας-βενζίνη) επηρεάζεται και διαφοροποιείται συνέχεια από τις εναλλαγές της ταχύτητας του ρεύματος του αέρα, που «εισπνέεται» από τους σωλήνες εισαγωγής, κάτι, που ασκεί έναν επηρεασμό, ιδιαίτερα σημαντικό και συνεχή, στη σύνθεση των αερίων της εξάτμισης. Υπενθυμίζοντας πως η τέλεια καύση γίνεται όταν η σχέση αέρα δια βενζίνη είναι ίση με ένα και σημειώνοντας πως η σχέση αυτή λέγεται διεθνώς «λ», συμπληρώνουμε πως:
Τα μείγματα, που είναι φτωχά σε αέρα -πλούσια μείγματα- με το «λ» τους να ισούται με 0,9, βοηθούν στη μείωση της εκπομπής του ΝΟΧ, αλλά από την άλλη αυξάνουν την εκπομπή CΟ και ΗC. Αντίθετα στα φτωχά μείγματα -πλούσια σε αέρα- με λ = 1,1, οι εκπομπές ΟΟ και μερική των ΗΟ, γίνονται μηδαμινές, ενώ οι εκπομπές ΝΟΧ φτάνουν, αντίθετα, σε ποσοστά υψηλότατα. Ο κινητήρας βενζίνης, έχει την καλύτερη κατανάλωση, όταν το μείγμα αέρα-βενζίνης βρίσκεται στα όρια μιας φτωχής ζώνης (περίπου 10% υπερτροφοδότηση με αέρα ως προς τη βενζίνη δηλαδή λ=1,1) και φτάνει αντίθετα στα ανώτερα όρια ισχύος (όπως και ροπής) μέσα σε μια ζώνη πλούσια, δηλαδή με ελαφρά υποτροφοδότηση σε αέρα (λ=0,9 έως 0,95) κάτι, που προκαλεί μια νέα αύξηση εκπομπής CO και HC όπως και της κατανάλωσης καυσίμου. Με μια τιμή του «λ» γύρω στο 1,2 ή και μεγαλύτερη το μείγμα αέρα-βενζίνης δεν μπορεί πλέον να «γευτεί» την αποκλειστικότητα της ακαυστίας.
Θεωρείται γενικά ως όριο, μία περιοχή μείγματος, όπου το «λ» έχει θετική τιμή της τάξης του 1,5 τοις χιλίοις, τιμή, που εξασφαλίζει συγχρόνως τη μείωση και την οξείδωση των τριών βλαβερών συνθετικών.
+++ Τρεις μορφές λειτουργίας καταλυτικών μετατροπέων

sx2.jpg

Τρεις τύποι καταλυτικών μετατροπέων: Πάνω μετατροπέας με οξείδωση και ένα καταλυτικό στρώμα, με το οποίο οξειδώνεται το οξείδιο του άνθρακα (CO) και οι υδρογονάνθρακες (HC), ενώ δεν επηρεάζει αντίθετα τις εκπομπές οξειδίου του αζώτου (ΝΟΧ). Στο κέντρο μετατροπέας με δύο καταλυτικά στρώματα ή ο τριαδικός μετατροπέας με ένα μόνο καταλυτικό στρώμα. Με τον τελευταίο αυτόν τύπο, ο περισσότερο χρησιμοποιούμενος σήμερα, είναι δυνατό —με τον όρο να μπορέσει να διατηρήσει ένα ακριβές σταχειομετρικό επίπεδο του μείγματος αέρα-βενζίνης με τη βοήθεια ενός μετρητή οξυγόνου λάμδα— να επιτευχθεί συγχρόνως ένας αποτελεσματικός καθορισμός των τριών βλαβερών συστατικών, του οξειδίου του άνθρακα (CO), των υδρογονανθράκων (HC) και των οξειδίων του αζώτου (ΝΟΧ).

Υπάρχουν τρεις τύποι καταλυτικών μετατροπέων:

  1. Μετατροπείς με οξείδωση, σ' ένα καταλυτικό στρώμα. Με το μετατροπέα αυτόν, χρησιμοποιημένο ήδη το 1975 και 1976, εφαρμόζεται η εκ νέου επεξεργασία των αερίων της εξάτμισης με τη διαμεσολάβηση ενός αντιδραστήρα οξείδωσης, αφού έχει προηγουμένως πραγματοποιηθεί ένας ψεκασμός επιπρόσθετου αέρα σε αντίθεση με τον καταλυτικό αντιδραστήρα, που οξύνει έτσι τα CO και HC σε ανθρακικό ανυδρίτη (CO2) και σε νερό (Η20). Τα ΝΟΧ αντίθετα, δεν επηρεάζονται καθόλου.
  2. Ένας δεύτερος τύπος μετατροπέα είναι αυτός, όπου ο καθαρισμός των αερίων γίνεται σε διπλό καταλυτικό στρώμα. Στο μετατροπέα αυτόν, επενεργεί ανάμεσα στα δύο καταλυτικά του στρώματα, ένα σύστημα πρόσθετου ψεκασμού αέρα, ώστε να γίνεται δυνατή η οξείδωση των HC και CO μέσα στο δεύτερο καταλυτικό στρώμα. Ο μετατροπέας με διπλό καταλυτικό στρώμα κάνει, λοιπόν, δυνατή τη μείωση των βλαβερών επενεργειών των τριών συνθετικών αλλά απαιτεί, μια λειτουργία του κινητήρα με μείγμα αέρα- βενζίνης πιο πλούσιο, αυξάνοντας έτσι την κατανάλωσή του σε καύσιμο.
  3. Η τρίτη μορφή καταλυτικού μετατροπέα είναι ο τριοδικός: Με την τεχνολογία αυτή, που επίσης λέγεται καταλυτική αντίδραση πολυδιάστατης επενέργειας -τα τρία βλαβερά συστατικά (CO, HC, ΝΟΧ), μετασχηματίζονται σ' ένα και μοναδικό καταλυτικό στρώμα. Αυτό απαιτεί, βέβαια, έναν έλεγχο πολύ ακριβή της συγκέντρωσης οξειδίων στα αέρια της εξάτμισης. Η ρύθμιση του οξυγόνου γίνεται δυνατή από το μετρητή οξυγόνου (μετρητής λ), που πρέπει να μπορεί να κρατάει μια σχέση αέρα-βενζίνης σταθερή.

Πρόκειται για το μετατροπέα, που περιγράψαμε στην αρχή του άρθρου, ο περισσότερο διαδεδομένος σήμερα. Να προσθέσουμε απλά, ότι ο μετατροπέας αυτός έχει αποδειχθεί πιο αποτελεσματικός σε κινητήρες με ψεκασμό ή με καρμπιρατέρ ηλεκτρονικής ρύθμισης. Με τη χρήση του μετατροπέα αυτού η βλαβερή επενέργεια των αερίων της εξάτμισης μπορεί να μειωθεί μέχρι και 90 τοις εκατό.
sx3.jpg

sx5.jpg
Κεραμική μονολιθική – βάση της καταλυτικής ενέργειας- σε τομή: κατασκευασμένη από πυριτικό άλας μείγματος μαγνησίου και αλουμινίου, που αντέχει στις υψηλές θερμοκρασίες, περιλαμβάνει περίπου 60 μικρά κανάλια ανά τετραγωνικό εκατοστό, που διατρέχονται από τα αέρια της εξάτμισης. Τα αέρια ερχόμενα σε επαφή με τα ευγενή μέταλλα που υπάρχουν σ’ ένα ενδιάμεσο στρώμα προκαλούν μια χημική αντίδραση, που ουδετεροποιεί τη βλαβερότητα των αέριων της εξάτμισης.
sx4.jpg

Καταλυτικοί μετατροπείς: η καλύτερη δυνατή λύση; Οι τεχνικοί αμφιβάλλουν!

Οι καταλυτικοί μετατροπείς, που η χρήση τους φαίνεται να γενικεύεται στα ευρωπαϊκά αυτοκίνητα, ενώ για τα αμερικάνικα είναι ήδη απαράβατος κανόνας, συγκεντρώνουν το ενδιαφέρον όλων όσων ανησυχούν για τη μόλυνση του περιβάλλοντος.
Το ποσοστό συμμετοχής στη μόλυνση της ατμόσφαιρας από τους κινητήρες των αυτοκινήτων είναι μόλις 18%, ποσοστό μικρό αν αναλογιστούμε ότι τα αυτοκίνητα έχουν κατακλύσει τις σύγχρονες μεγαλουπόλεις.
Οι επιστήμονες κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η μόλυνση της ατμόσφαιρας από τα καυσαέρια των αυτοκινήτων έχει ως γενεσιουργό αίτιο αυτή την ίδια λειτουργία του κινητήρα. Οι λύσεις, που προσπάθησαν όμως να δώσουν δεν αλλάζουν αισθητά την κατάσταση.
Πείστηκαν πως οι λύσεις, που αφορούσαν τις αλλαγές στη σύνθεση του μείγματος ή το σχήμα των θαλάμων καύσης δεν μπορούσαν να ικανοποιήσουν τις αυστηρότατες προδιαγραφές για τα νόμιμα όρια ρύπανσης από έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης. Αναγκάστηκαν, λοιπόν, να καταφύγουν σε λύσεις αντιμετώπισης της ρύπανσης σε τμήματα του κινητήρα του αυτοκινήτου εξωτερικά ως προς το κύριο σώμα του. Σ' αυτήν την κατηγορία λύσεων ανήκουν και οι καταλυτικοί μετατροπείς, που είναι συσκευές συνδεδεμένες με το σωλήνα της εξάτμισης, πριν από το πρώτο σιλανσιέ.
Οι καταλυτικοί μετατροπείς εμφανίσθηκαν το 1974 στις ΗΠΑ και από το 1976 η χρήση τους έχει γενικευτεί στις περισσότερες ευρωπαϊκές χώρες. Η γενίκευση των καταλυτικών μετατροπέων συνδέεται με τις έρευνες για βενζίνη χωρίς μόλυβδο, δηλαδή για βενζίνη, που το όριο μολύβδου, που περιέχεται σ' αυτήν δεν ξεπερνάει τα 0,013 γραμμάρια μολύβδου για κάθε λίτρο βενζίνης. Η χρησιμοποίηση βενζίνης χωρίς μόλυβδο είναι αναγκαία προϋπόθεση για την αποτελεσματική λειτουργία των καταλυτικών μετατροπέων. Γιατί είναι ακριβώς αυτή η χρησιμοποίηση, που επιτρέπει στους επιστήμονες να συνδυάσουν τον καλύτερο δυνατό καθαρισμό των αερίων της εξάτμισης με την ευνοϊκότερη δυνατή κατανάλωση καυσίμου. Τα υπολείμματα μολύβδου, όπως και άλλων προστιθέμενων στη βενζίνη ουσιών (θείου και φωσφόρου) καίγονται πολύ δύσκολα και βγαίνοντας μαζί με τα αέρια της εξάτμισης συγκεντρώνονται στον καταλυτικό μετατροπέα (που λειτουργεί σαν είδος φίλτρου) και δημιουργώντας ένα λεπτό στρώμα πάνω στα διάφορα εξαρτήματά του, μειώνοντας έτσι την αποτελεσματικότητά του, ενώ συγχρόνως ελαττώνουν τη διάρκεια ζωής του.
Η Δ. Γερμανία, η Ελβετία, η Αυστρία και τα Σκανδιναβικά κράτη έχουν ήδη κάνει τα πρώτα βήματα, για την εγκατάσταση ενός δικτύου διανομής βενζίνης χωρίς μόλυβδο. Αντίθετα τα κράτη με αυξημένη τουριστική κίνηση, όπως η Γαλλία, η Ιταλία, η Ισπανία, η Γιουγκοσλαβία και η Ελλάδα μέχρι σήμερα έχουν μια στάση μάλλον αρνητική, όσον αφορά την τεχνολογία των καταλυτικών μετατροπέων.
Η ευρωπαϊκή τεχνολογία έχει τα τελευταία χρόνια την τάση να κατασκευάζει αυτοκίνητα μικρής κατανάλωσης, πράγμα, που προσπαθεί να επιτύχει με φτωχά μείγματα αέρα-βενζίνης, τάση, που δυστυχώς είναι ασυμβίβαστη με τις απαιτήσεις της τεχνολογίας των καταλυτικών μετατροπέων.
Ξέρουμε όλοι ότι τα πετρελαϊκά αποθέματα μειώνονται με γοργό ρυθμό σ' όλη την επιφάνεια του πλανήτη μας. Μ' αυτό το δεδομένο αυτή η τάση της ευρωπαϊκής αυτοκινητοβιομηχανίας είναι αναποτελεσματική γιατί η νορμάλ βενζίνη χωρίς μόλυβδο, που προσφέρεται σήμερα στην αγορά, έχει έναν αριθμό οκτανίων σαφώς μικρότερο από τη βενζίνη σούπερ με μόλυβδο, της οποίας οι προδιαγραφές θεωρούνται γενικά ότι καλύπτουν τις προδιαγραφές λειτουργίας των κινητήρων των περισσότερων αυτοκινήτων.
Είπαμε πως ένας καταλυτικός μετατροπέας συνοδεύεται γενικά από την ύπαρξη φτωχών μειγμάτων στους κινητήρες, επομένως και από χαμηλή συμπίεση. Αυτό σημαίνει φυσικά μείωση της ιπποδύναμης των κινητήρων.
Εάν όμως -παρά το φτωχό μείγμα- επιμείνουμε στη διατήρηση της ισχύος του κινητήρα, τότε θα οδηγηθούμε αναγκαστικά στην αύξηση της κατανάλωσης, επομένως θα προσκρούσουμε στα προβλήματα, που δημιουργούνται από την πετρελαϊκή κρίση.
Όλα τα παραπάνω φαίνεται λοιπόν ότι αποκλείουν τη σύγχρονη χρησιμοποίηση καταλυτικών μετατροπέων και απλής βενζίνης χωρίς μόλυβδο, ενώ σαφώς ευνοούν τη χρησιμοποίηση βενζίνης σούπερ χωρίς μόλυβδο (γύρω στα 95 οκτάνια). Η λύση αυτή οδηγεί στη μικρότερη δυνατή αύξηση της κατανάλωσης, ενώ η μείωση της ιπποδύναμης είναι ελάχιστη. Συγχρόνως είναι η λύση, που λαμβάνει υπόψη της την ενεργειακή κρίση.
Παίρνοντας υπόψη μας πως η κατεργασία του καυσίμου χωρίς μόλυβδο απαιτεί μεγαλύτερη ποσότητα ακατέργαστου πετρελαίου, σημειώνουμε πως η αύξηση της αναγκαίας ποσότητας πετρελαίου για βενζίνη σούπερ χωρίς μόλυβδο δεν ξεπερνάει συνολικά το πέντε τοις εκατό από την ποσότητα, που χρειάζεται για την επεξεργασία βενζίνης σούπερ με μόλυβδο (98 οκτάνια). Η ποσοτική αυτή αύξηση του αναγκαίου πετρελαίου μπορεί να αντιμετωπιστεί από τη μείωση του κυλινδρισμού του κινητήρα, λύση, που φαίνεται γενικά να υιοθετείται.
Οι καταλυτικοί μετατροπείς βρίσκονται ακόμα στο στάδιο της εξέλιξής τους. Αποτελούν τη μόνη εφικτή σήμερα λύση για τη μείωση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, παρά τα προβλήματα, που επισημάνθηκαν.
Οι συνθήκες κυκλοφορίας των αυτοκινήτων στη γηραιά Ήπειρο συνεχώς χειροτερεύουν καθώς στην ενεργειακή κρίση προστίθενται τα αποτελέσματα της οικονομικής κρίσης, ενώ ο αριθμός των αυτοκινήτων συνεχώς αυξάνει.
Έτσι η εποχή της γενίκευσης των καταλυτικών μετατροπέων εξάτμισης στα αυτοκίνητα παραγωγής της γηραιάς ηπείρου δεν είναι μακριά.
Το μέλλον θα δείξει αν τα επόμενα χρόνια οι επιστήμονες θα πετύχουν να βρουν κάποιο νέο και αποτελεσματικό -όσο τουλάχιστον και οι καταλυτικοί μετατροπείς- τρόπο για καθαρότερη ατμόσφαιρα, που να μην έχει όμως αρνητικά αποτελέσματα στην οδική συμπεριφορά, στην κατανάλωση και στην τιμή των αυτοκινήτων.