Jak działają katalizatory

Duży stos katalizatorów wyłożonych platyną. Zobacz więcej zielonych, żywych zdjęć. James L. Amos / National Geographic / Getty Images

W Stanach Zjednoczonych jeżdżą miliony samochodów, a każdy z nich jest źródłem zanieczyszczenia powietrza. Szczególnie w dużych miastach ilość zanieczyszczeń, które wytwarzają razem wszystkie samochody, może stwarzać duże problemy.

Aby rozwiązać te problemy, miasta, stany i rząd federalny tworzą przepisy dotyczące czystego powietrza, które ograniczają ilość zanieczyszczeń, jakie mogą wytwarzać samochody. Przez lata producenci samochodów wprowadzali wiele ulepszeń w silnikach samochodowych i układach paliwowych, aby nadążyć za tymi przepisami. Jedna z tych zmian nastąpiła w 1975 roku dzięki ciekawemu urządzeniu o nazwie a katalizator. Zadaniem katalizatora jest przekształcanie szkodliwych zanieczyszczeń w mniej szkodliwe emisje, zanim jeszcze opuszczą układ wydechowy samochodu.

Katalizatory to niezwykle proste urządzenia, więc niewiarygodne jest zobaczyć, jak duży mają one wpływ. W tym artykule dowiesz się, jakie zanieczyszczenia są wytwarzane przez silnik i jak katalizator radzi sobie z każdym z tych zanieczyszczeń, aby pomóc zmniejszyć emisje pojazdów.

Zawartość

1. Zanieczyszczenia wytwarzane przez silnik samochodowy
2. Jak konwertery katalityczne zmniejszają zanieczyszczenie
3. Kontrolowanie zanieczyszczeń i poprawa wydajności

Lokalizacja katalizatora w samochodzie.

W celu zmniejszenia emisji, nowoczesne silniki samochodowe dokładnie kontrolują ilość spalanego paliwa. Starają się, aby stosunek powietrza do paliwa był bardzo zbliżony do stechiometryczny punkt, który jest idealnym stosunkiem powietrza do paliwa. Teoretycznie przy tym stosunku całe paliwo zostanie spalone przy użyciu całego tlenu zawartego w powietrzu. W przypadku benzyny stosunek stechiometryczny wynosi około 14,7: 1, co oznacza, że ​​na każdy funt benzyny zostanie spalone 14,7 funta powietrza. W rzeczywistości mieszanka paliwowa znacznie różni się od idealnego stosunku podczas jazdy. Czasami mieszanka może być pochylać się (stosunek powietrza do paliwa wyższy niż 14,7), a innym razem mieszanka może być bogaty (stosunek powietrza do paliwa niższy niż 14,7).

Główne emisje silnika samochodowego to:

• Azot (N2) - Powietrze składa się w 78% z azotu, a większość z niego przechodzi bezpośrednio przez silnik samochodu.
• Dwutlenek węgla (CO2) - jest to jeden produkt spalania. Węgiel w paliwie wiąże się z tlenem w powietrzu.
• Para wodna (H2O) - To kolejny produkt spalania. Wodór w paliwie wiąże się z tlenem w powietrzu.

Emisje te są w większości nieszkodliwe, chociaż uważa się, że emisje dwutlenku węgla przyczyniają się do globalnego ocieplenia. Ponieważ proces spalania nigdy nie jest doskonały, w silnikach samochodowych wytwarzane są również mniejsze ilości bardziej szkodliwych emisji. Konwertery katalityczne mają na celu redukcję wszystkich trzech:

• Tlenek węgla (CO) to trujący gaz, który jest bezbarwny i bezwonny.
• Węglowodory lub Lotne związki organiczne (LZO) są głównym składnikiem smogu wytwarzanego głównie z odparowanego, niespalonego paliwa.
• Tlenki azotu (NO i NO2, razem nazywane NOx) przyczyniają się do powstawania smogu i kwaśnych deszczy, które również powodują podrażnienie błon śluzowych człowieka.

W następnej sekcji przyjrzymy się dokładnie temu, co dzieje się wewnątrz katalizatora.

Czy następne są kosiarki?

Galon na galon, nowe silniki do kosiarek generują 93 razy więcej emisji smogu niż nowe samochody. Nic dziwnego, że EPA i stanowe organy regulacyjne Kalifornii usilnie starają się wprowadzić katalizatory wielkości piłki golfowej do kosiarek i innych małych silników. Jednak podobnie jak w latach 70. ustawodawcy spotykają się z potężnym lobby. Briggs & Stratton, wiodący producent małych silników, twierdzi, że te przepisy stworzyłyby produkt niebezpieczny, który emituje zbyt dużo ciepła. Czterech mniejszych producentów silników do kosiarek zaprzeczyło temu zarzutowi. Firma Briggs & Stratton twierdzi również, że przegrzanie może spowodować pożar szczotek, jeśli kosiarki pozostaną włączone i stoją nieruchomo. Kalifornijscy demokraci i EPA uważają, że ma to więcej wspólnego z wynikami finansowymi. Oczekujące przepisy zaproponowane w Kalifornii mogą zmniejszyć emisje o równowartość 800 000 samochodów dziennie [źródło: Barringer].

W chemii a katalizator jest substancją, która powoduje lub przyspiesza reakcję chemiczną bez wpływu na siebie. Katalizatory uczestniczą w reakcjach, ale nie są ani reagentami, ani produktami reakcji, którą katalizują. W organizmie człowieka enzymy są naturalnie występującymi katalizatorami odpowiedzialnymi za wiele niezbędnych reakcji biochemicznych [źródło: Chemicool].

W katalizatorze działają dwa różne typy katalizatorów: a katalizator redukcyjny i katalizator utleniania. Oba typy składają się ze struktury ceramicznej pokrytej metalicznym katalizatorem, zwykle platyną, rodem i / lub palladem. Pomysł polega na stworzeniu struktury, która wystawia maksymalną powierzchnię katalizatora na strumień spalin, jednocześnie minimalizując wymaganą ilość katalizatora, ponieważ materiały są niezwykle drogie. Niektóre z najnowszych konwerterów zaczęły nawet używać złota zmieszanego z bardziej tradycyjnymi katalizatorami. Złoto jest tańsze niż inne materiały i może zwiększyć utlenianie - reakcję chemiczną, która redukuje zanieczyszczenia nawet o 40 procent [źródło: Kanellos].

Większość nowoczesnych samochodów jest wyposażona w trójdrożne konwertery katalityczne. Odnosi się to do trzech regulowanych emisji, które pomaga zmniejszyć.

-Plik katalizator redukcyjny to pierwszy stopień katalizatora. Wykorzystuje platynę i rod, aby pomóc zmniejszyć emisje NOx. Kiedy cząsteczka NO lub NO2 styka się z katalizatorem, katalizator wyrywa atom azotu z cząsteczki i zatrzymuje go, uwalniając tlen w postaci O2. Atomy azotu wiążą się z innymi atomami azotu, które również są przyklejone do katalizatora, tworząc N2. Na przykład:

2NO => N2 + O2 lub 2NO2 => N2 + 2O2

2NO => N.₂ + O₂ lub 2NO₂ => N₂ + 2O₂

Ceramiczna struktura katalizatora o strukturze plastra miodu.

Plik katalizator utleniania to drugi stopień katalizatora. Redukuje niespalone węglowodory i tlenek węgla poprzez spalanie (utlenianie) ich na katalizatorze platynowo-palladowym. Ten katalizator wspomaga reakcję CO i węglowodorów z pozostałym tlenem w spalinach. Na przykład:

2CO + O₂ => 2CO₂

Istnieją dwa główne typy konstrukcji stosowanych w katalizatorach -- plaster miodu i koraliki ceramiczne. Większość dzisiejszych samochodów ma strukturę plastra miodu.

W następnej sekcji przyjrzymy się trzeciemu etapowi procesu konwersji i temu, jak najlepiej wykorzystać katalizator.

Trzeci etap konwersji to Układ sterowania który monitoruje strumień spalin i wykorzystuje te informacje do sterowania układem wtrysku paliwa. Czujnik tlenu zamontowany jest przed katalizatorem, co oznacza, że ​​jest bliżej silnika niż konwertera. Ten czujnik informuje komputer silnika, ile tlenu jest w spalinach. Komputer silnika może zwiększyć lub zmniejszyć ilość tlenu w spalinach, dostosowując stosunek powietrza do paliwa. Ten schemat sterowania pozwala komputerowi silnika upewnić się, że silnik pracuje w pobliżu punktu stechiometrycznego, a także upewnić się, że w spalinach jest wystarczająca ilość tlenu, aby katalizator utleniający spalił niespalone węglowodory i CO.

Katalizator świetnie radzi sobie z redukcją zanieczyszczenia, ale nadal można go znacznie poprawić. Jedną z jego największych wad jest to, że działa tylko w dość wysokiej temperaturze. Kiedy uruchamiasz samochód zimny, katalizator nie robi prawie nic, aby zmniejszyć zanieczyszczenie spalin.

Prostym rozwiązaniem tego problemu jest umieszczenie katalizatora bliżej silnika. Oznacza to, że cieplejsze spaliny docierają do konwertera i szybciej się nagrzewa, ale może to również skrócić żywotność konwertera, narażając go na ekstremalnie wysokie temperatury. Większość producentów samochodów umieszcza konwerter pod przednim siedzeniem pasażera, na tyle daleko od silnika, aby utrzymać temperaturę na poziomie, który nie zaszkodzi..

Podgrzewanie katalizator to dobry sposób na redukcję emisji. Najłatwiejszym sposobem podgrzania konwertera jest użycie elektrycznych grzejników oporowych. Niestety, 12-woltowe układy elektryczne w większości samochodów nie zapewniają wystarczającej ilości energii lub mocy, aby wystarczająco szybko ogrzać katalizator. Większość ludzi nie czekałaby kilka minut na nagrzanie się katalizatora przed uruchomieniem samochodu. Samochody hybrydowe z dużymi akumulatorami wysokonapięciowymi mogą zapewnić wystarczającą moc, aby bardzo szybko nagrzać katalizator.

Katalizatory w silniki Diesla nie działają tak dobrze w redukcji NOx. Jednym z powodów jest to, że silniki wysokoprężne pracują chłodniej niż standardowe silniki, a konwertery działają lepiej, gdy się nagrzewają. Niektórzy wiodący eksperci w dziedzinie motoryzacji opracowali nowy system, który pomaga temu przeciwdziałać. Wstrzykują mocznik roztworu w rurze wydechowej, zanim trafi do konwertera, odparowuje i miesza się ze spalinami i wywołuje reakcję chemiczną, która zredukuje NOx. Mocznik, znany również jako karbamid, jest związkiem organicznym składającym się z węgla, azotu, tlenu i wodoru. Występuje w moczu ssaków i płazów. Mocznik reaguje z NOx, wytwarzając azot i parę wodną, ​​usuwając ponad 90 procent tlenków azotu w spalinach [źródło: Raport o innowacjach].

Kradzież katalizatora

-W całym kraju SUV-y i ciężarówki stają się celem oportunistów, którzy chcą zarobić na cennych metalach szlachetnych używanych w katalizatorach. Standardowy katalizator zawiera platynę, pallad i rod o wartości kilkuset dolarów. Prześwit w samochodach ciężarowych i SUV-ach zapewnia łatwy dostęp do konwerterów, więc złodziej potrzebuje tylko piły szablastej i około 60 sekund. Tendencja ta powoduje, że policjanci w wielu częściach kraju, w których tego rodzaju kradzieże są problemem. Policja ostrzega kierowców SUV-ów i ciężarówek, aby parkowali w ruchliwych, dobrze oświetlonych miejscach.

Powiązane artykuły

• Quiz Corner: Quiz Catalytic Converter
• Jak działa globalne ocieplenie
• Jak działa benzyna
• Jak działają systemy zapłonu paliwa
• Jak działają samochody hybrydowe
• Jak działa zanieczyszczenie ozonem
• Co to jest katalizator i jak działa?
• Skąd mam wiedzieć, czy mój katalizator nie działa?

Więcej świetnych linków

• MisterFixIt.com: Zatkany katalizator?
• Azot w powietrzu

Źródła

• Barringer, Felicity; Bardziej ekologiczny sposób na cięcie trawy jest szkodliwy dla potężnego lobby. New York Times
• Kanellos Michael; Złoto w silnikach wysokoprężnych. CNET News.com
• www.chemicool.com
• www.innovations-report.com