Articoli tecnici Marmitta catalitica

wild84

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Una marmitta catalitica è un dispositivo montato sullo scarico di un motore a scoppio che funge da silenziatore e da abbattitore delle emissioni nocive di gas di scarico del motore.

Tale abbattimento consiste nel promuovere, tramite un'apposita spugna di materiale catalitico, la completa ossidazione dei gas di scarico, convertendoli gli idrocarburi incombusti (HC), gli ossidi di azoto (NO) e il monossido di carbonio (CO) in anidride carbonica (CO2), acqua (H2O)e azoto (N2).

Il convertitore catalitico (ovvero la spugna) è solitamente realizzato da un involucro metallico contenente un elemento a "nido d'ape"(in materiale ceramico o metallo, nei più recenti modelli), realizzato in maniera tale da fornire la maggiore superfice possibile su cui depositare il materiale catalitico attivo, formato da miscele di metalli nobili (platino, palladio, rodio), in piccole quantità. Ogni motore ha le sue particolari esigenze in termini di abbattimento delle emissioni, quindi il convertitore catalitico va opportunamente adattato, variando parametri quale funzionalità chimica, tipo di impregnazione, quantità e tipo di metallo nobile, porosità dei supporti, posizionamento lungo lo scarico.

Attualmente esistono 3 tipologie di catalizzatore

1) Solo riducente: utilizzato solo per il motore Diesel, impiega Rodio per la riduzione degli NO.

2) Solo ossidante: usato solo per i motori Diesel quando si dispone di parecchio ossigeno(a base di Platino e/o Palladio).

3) Ossidante e riducente (detto three ways in quanto agisce sui tre principali inquinanti): impiegato nei motori a benzina si differenzia a sua volta in due tipi: a ciclo chiuso o a ciclo aperto.

Il catalizzatore a ciclo aperto ha un rendimento non costante in funzione del regime del motore. E' importante la presenza di ossido di cerio (CeO2), che immagazzina l'ossigeno in eccesso nei gas di scarico in condizioni di miscela magra per utilizzarlo successivamente in condizioni di miscela ricca. Esso infatti viene rilasciato quando vi è un eccesso di CO e HC.

Il convertitore catalitico a ciclo chiuso è in grado di ottimizzare la conversione grazie alla sonda lambda, che inviando la rilevazione dell'O2 ad una centralina elettronica, permette a questa di variare la quantità di benzina immessa nella camera di scoppio, in modo da riportare il rapporto di miscela (kg aria/kg combustibile ) entro l'intervallo di efficienza ottimale del catalizzatore.

Principio di funzionamento di una sonda lambda

Vi sono due tipi di sonde lambda che si differenziano per il tipo di ceramica utilizzata per rilevare la presenza di ossigeno nei gas di scarico.

Sonda lambda al diossido di zirconio

La superficie esterna dell’elemento in diossido di zirconio è a diretto contatto con i gas di scarico, mentre la superficie interna lo è con l'atmosfera. Entrambe le superfici sono rivestite di un sottile strato di platino. L’ossigeno in forma ionica attraversa lo strato ceramico e carica elettricamente lo strato di platino che quindi si comporta come un elettrodo: il segnale elettrico che viene generato è raccolto dal cavo di connessione in uscita dal sensore.

L'elemento in biossido di zirconio diventa permeabile agli ioni di ossigeno alla temperatura di circa 300°C. Quando la concentrazione dell’ossigeno è diversa sulle due superfici del sensore, viene generata una tensione grazie alle particolari proprietà fisiche del biossido di zirconio. Con una miscela povera la tensione del segnale è bassa mentre con una miscela ricca è alta.

Il tipico cambiamento dell’intensità del segnale avviene quando il rapporto aria-benzina è di 14,7 a 1 (14,7 parti di aria verso 1 parte di benzina) e viene chiamato Lambda 1. Questo rapporto è considerato anche indice di completa combustione (da qui il nome di sonda lambda).

Il sistema di controllo della miscela aria-benzina viene pilotato dalla sonda lambda che inizia ad operare sopra i 300°C. L'elemento sensibile richiede un certo tempo di riscaldamento e per questo motivo la maggior parte delle sonde lambda hanno al loro interno un riscaldatore in ceramica che riduce sensibilmente il tempo di attivazione.

Sonda lambda al diossido di titanio

L'elemento in diossido di titanio non produce un voltaggio come quello allo zirconio. Nell’elemento in diossido di titanio la resistenza elettrica varia in rapporto alla concentrazione di ossigeno. A Lambda 1 (rapporto stechiometrico) si verifica una significativa variazione della resistenza.

Applicando un opportuno valore di tensione alla sonda al titanio si può misurare un voltaggio in uscita che è in relazione con la concentrazione di ossigeno nei gas di scarico. A differenza del tipo allo zirconio, quello al titanio non richiede aria di riferimento e quindi le dimensioni dell’elemento sensibile sono più piccole.

L'elemento sensibile, l’elettrodo in platino ed il riscaldatore sono prodotti utilizzando la tecnologia NTK del film spesso multistrato.

I sensori all’ossido di zirconio ed all’ossido di titanio non sono intercambiabili sia per le dimensioni che per le differenti strategie di controllo che vengono utilizzate per valutare il segnale del sensore.

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1. Struttura a nido d'ape di platino e rodio; 2. Materiale termoisolante; 3. Involucro catalizzatore; 4. Collettore.
 
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