La marmitta catalitica è un dispositivo catalizzatore montato sull'impianto di scarico di un motore a combustione interna (una classe particolare di catalizzatori è rappresentata dai catalizzatori per trasferimento di fase, che permettono la reazione fra composti in fasi distinte, che non potrebbero reagire altrimenti).

Tale elemento funge da abbattitore delle emissioni nocive di gas di scarico del motore, favorendo la completa ossidazione e riduzione dei gas di scarico, inoltre contribuisce assieme al silenziatore a ridurre il rumore di scarico.
L'abbattimento consiste nel promuovere, tramite un'apposita spugna di materiale catalitico, la completa ossidazione dei gas di scarico, convertendo 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

L'elemento attivo nella depurazione dei gas di scarico emessi da un motore termico (alimentazione: diesel, gas naturale, propano, biogas, benzina, biodiesel, olio vegetale).

Un catalitico può essere ossidante o trivalente, un catalitico ossidante può essere usato anche in applicazioni speciali quali abbattimento odori da torrefazione di caffè o riduzione di idrocarburi nel trattamento di terreno inquinato.

Costruzione

È costituito da un corpo dotato di centinaia di piccoli canali (CPSI channels per square inch o canali per pollice quadro) oppure in passato da sferette di ceramica che permettevano il passaggio del gas di scarico attraverso gli interstizi, questo corpo può essere in metallo oppure in ceramica. Su di esso viene depositato uno strato aggrappante e poi viene depositato per impregnazione e successiva cottura in forno il metallo nobile (Platino, Palladio, Iridio), in quantità ben determinate.

Dimensioni

Il dimensionamento di un catalizzatore, convertitore catalitico (depuratore catalitico)
avviene in relazione ai parametri:

  a.. Potenza del motore,
  b.. Portata gas,
  c.. Temperatura dei gas,
  d.. Carburante,
  e.. Tipo di alimentazione,
  f.. Inquinanti da abbattere (CO, HC, NOx, aldeidi, odori),
  g.. Livello degli inquinanti,
  h.. Livello da raggiungere dopo il catalitico,
  i.. Massima contropressione ammessa.

Tipologia
Generalmente assume forme diverse a seconda del tipo di veicolo:
  a.. Elemento catalizzatore (marmitta catalitica compatta), questo non è altro che un corpo cilindrico da inserire lungo lo scarico, fino all'ingresso del silenziatore, senza alterare la struttura e forma del sistema di scarico.
  b.. Marmitta catalitica, è un corpo di dimensioni simili al silenziatore, ma di dimensioni piu contenute e posizionato tra il collettore di scarico e il silenziatore.

I tre tipi di convertitore
  a.. Solo ossidante (detto Two-way in quanto agisce sui due principali inquinanti): usato per i motori diesel e motori a gas, a base di Platino e/o Palladio, in grado di ridurre monossido di carbonio ed idrocarburi incombusti.
  b.. Ossidante e riducente (detto three-way in quanto agisce sui tre principali inquinanti): impiegato nei motori a benzina ed a gas con combustione stechiometrica e dotati di controllo lambda si differenzia a sua volta in due tipi: a ciclo chiuso o a ciclo aperto.
    a.. Il catalizzatore a ciclo aperto ha un rendimento non costante in
funzione del regime del motore. È importante la presenza di ossido di cerio
(CeO2), che immagazzina l'ossigeno in eccesso nei gas di scarico in
condizioni di miscela magra. Successivamente viene rilasciato durante le
fasi di miscela ricca per ossidare CO e idrocarburi incombusti e trasformarli in elementi meno inquinanti.
    b.. 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 o meglio conosciuto come lambda 1.

(ci sono sostanze che invece di aumentare la velocità di reazione, la
diminuiscono. Questi composti vengono definiti impropriamente catalizzatori
negativi mentre il vero appellativo è inibitori).


La Sonda Lambda
La sonda lambda è necessaria per conoscere se i gas di scarico presentano
del combustibile incombusto, il quale porta a rovinare il catalizzatore e a
renderlo inutilizzabile.


Principio di funzionamento di una sonda lambda [modifica]
La sonda Lambda è in grado di rilevare la concentrazione di ossigeno
all'interno dei gas di scarico; precisamente il valore di lambda, appunto,
che sta ad indicare il rapporto tra l'aria e la benzina: il valore sarà pari
ad uno se la combustione è stechiometrica, sarà minore di uno se è in
eccesso di benzina, e maggiore di uno se è in eccesso d'aria. La sonda
trasmette poi come segnale elettrico alla centralina che regola l'immissione
di carburante e aria all'interno della camera di combustione. Le sonde si
differenziano in base al tipo di ceramica utilizzata.


Sonda lambda al diossido di zirconio [modifica]
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 [modifica]
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.


Attenzione [modifica]
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.



Il motore

Il motore per poter utilizzare tale elemento, senza perdere in modo
eccessivo le sue prestazioni, deve avere determinati accorgimenti:

  a.. Deve utilizzare un incrocio delle valvole leggermente maggiore, così come l'anticipo d'apertura per le valvole di scarico, dato che il catalizzatore per via delle sue caratteristiche costituisce una strozzatura, che rallenta la fuoriuscita dei gas di scarico.
  b.. Avere un controllo della combustione dettagliato e preciso, con l'utilizzo di unità di controllo in modo da poter regolare (grazie all'utilizzo della sonda lambda) sia il rapporto stechiometrico per non rovinare il catalizzatore con il carburante incombusto, che la fasatura d'accensione, in modo da garantire sempre una combustione ottimale e completa.

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