Nowy katalizator Toyoty pozwala zmniejszyć zużycie metali szlachetnych o 20 procent

• Pierwsze w świecie¹ integralnie kształtowane podłoże typu FLAD²;
• Przełomowy projekt pozwala zmniejszyć objętość katalizatora o 20 procent.

Toyota Motor Corporation wprowadziła do produkcji nowy rodzaj katalizatorów spalin, wyróżniający się o 20 procent mniejszą objętością od dotychczasowych i o 20 procent mniejszym zapotrzebowaniem na metale szlachetne, przy zachowaniu wymaganej zdolności do oczyszczania spalin. W nowej konstrukcji zastosowano pierwsze w świecie integralnie kształtowane podłoże typu FLAD (Flow Adjustable Design Cell), w którym kanaliki znajdujące się w środkowej części mają mniejszy przekrój niż kanaliki w części zewnętrznej. Nowatorska konstrukcja oraz innowacyjne technologie wytwarzania umożliwiły szybkie wdrożenie nowych katalizatorów do produkcji. Będą one stopniowo wprowadzane do kolejnych modeli samochodów.

Rosnące zużycie metali szlachetnych wykorzystywanych w katalizatorach spalin, koniecznych dla zapewnienia czystości powietrza, powoduje szereg problemów, w tym wzrost kosztów oraz wyczerpywanie się zasobów surowcowych. Toyota przeprowadziła szeroko zakrojone badania nad sposobami zwiększenia skuteczności katalizatorów. Udało się je wypracować poprzez dobór optymalnego kształtu i długości podłoża dla substancji katalitycznych oraz przekroju kanalików i grubości ich ścianek. Badano także selektywne nanoszenie na warstwę pośrednią metali szlachetnych i innych materiałów katalitycznych, a także zmienną gęstość kanalików podłoża, uzależnioną od natężenia przepływu spalin.

Toyota i Denso Corporation opracowały nowe podłoże FLAD w celu poprawienia równomierności przepływu spalin. Dzięki wykorzystaniu modelowania matematycznego i przeprowadzeniu szeregu prób z prototypowymi podłożami udało się osiągnąć znacznie lepszą równomierność przepływu gazów przez katalizator poprzez optymalizację gęstości i przekroju kanalików w środkowej i zewnętrznej części podłoża. Pozwoliło to uzyskać skuteczność oczyszczania spalin nie gorszą niż w konwencjonalnych katalizatorach, przy objętości katalizatora mniejszej o 20% i o 20% mniejszej ilości metali szlachetnych. Nowatorski projekt i technologie wytwarzania umożliwiły szybkie wdrożenie pierwszych w świecie katalizatorów z integralnie kształtowanym podłożem do masowej produkcji.

Struktura katalizatora

Konwencjonalny katalizator
• Jednakowe przekroje wszystkich kanalików

Nowy katalizator
• Mniejsze przekroje i większa gęstość kanalików w części wewnętrznej
• Większe przekroje i mniejsza gęstość kanalików w części zewnętrznej

Obecnie najczęściej stosowanym podłożem katalizatorów spalin silników benzynowych jest materiał ceramiczny (kordieryt), ukształtowany w strukturę podobną do plastra miodu, z wielką liczbą podłużnych kanalików o przekroju sześciokątnym lub kwadratowym. Na ścianki kanalików naniesiona jest substancja katalityczna, taka jak platyna (Pt), rod (Rh), pallad (Pd) czy inne metale szlachetne. Ich obecność powoduje w wysokiej temperaturze reakcje katalityczne, w których szkodliwe gazy, takie jak tlenek węgla (CO) i niedopalone węglowodory (HC), są utleniane do dwutlenku węgla i wody, a tlenki azotu (NOx) są redukowane do nieszkodliwego azotu.

Podczas gdy w konwencjonalnym katalizatorze wszystkie kanaliki mają taki sam przekrój, w nowym podłożu FLAD przekrój kanalików w jego środkowej części jest mniejszy niż w zewnętrznej. Toyota z powodzeniem wdrożyła masową produkcję nowych podłoży z użyciem procesu integralnego kształtowania.

Przepływ spalin wewnątrz katalizatora

Konwencjonalny katalizator
• Przepływ gazów skoncentrowany w części środkowej

Nowy katalizator
• Równomierny rozkład natężeń przepływu gazów przez kanaliki o różnym przekroju w częściach środkowej i zewnętrznej

Optymalne natężenie przepływu gazów przez kanaliki katalizatora powoduje efektywny przebieg reakcji katalitycznych i skuteczne oczyszczanie spalin. Jednak w przypadku konwencjonalnych podłoży, w których wszystkie kanaliki mają taki sam przekrój, rozkład natężeń przepływu gazów nie jest równomierny. Przez środkową część przepływa większa ilość spalin i mają one większą prędkość, w związku z tym dla ich oczyszczenia potrzebna jest tam większa ilość metali szlachetnych. Jednak przy obecnej technologii ilość substancji nanoszonych na podłoże musi być w każdym miejscu taka sama, więc gdy w części środkowej ilość substancji katalitycznej jest optymalna, w miejscach o słabszym przepływie katalizator nie jest efektywnie wykorzystany. Zapewnienie równomiernego rozkładu natężeń przepływów poprzez stosowny dobór przekroju i gęstości kanalików pozwala wyeliminować ten problem.

Toyota wraz z firmami należącymi do Toyota Group oraz partnerami biznesowymi prowadzi dalsze prace nad technologiami katalizatorów, które pozwolą poprawić czystość spalin i zmniejszyć zużycie rzadkich metali.

¹ Na styczeń 2017 według badań Toyoty.
² FLAD (Flow Adjustable Designed Cell) jest zastrzeżonym znakiem towarowym Denso Corporation. To nowe podłoże katalizatorów samochodowych, w którym kanaliki znajdujące się w środkowej części mają inny przekrój, niż kanaliki w części zewnętrznej.