Sådan fungerer katalytiske omformere

En stor bunke af platinforet katalytiske omformere. Se flere grønne levende billeder. James L. Amos / National Geographic / Getty Images

Der er millioner af biler på vej i USA, og hver af dem er en kilde til luftforurening. Især i store byer kan den mængde forurening, som alle biler producerer sammen, skabe store problemer.

For at løse disse problemer opretter byer, stater og den føderale regering lovgivninger om ren luft, der begrænser mængden af ​​forurening, som biler kan producere. I årenes løb har bilproducenter lavet mange forbedringer til bilmotorer og brændstofsystemer for at holde trit med disse love. En af disse ændringer skete i 1975 med en interessant enhed kaldet a katalysator. Katalysatorens opgave er at omdanne skadelige forurenende stoffer til mindre skadelige emissioner, før de nogensinde forlader bilens udstødningssystem.

Katalytiske konvertere er utroligt enkle enheder, så det er utroligt at se, hvor stor en påvirkning de har. I denne artikel lærer du, hvilke forurenende stoffer der produceres af en motor, og hvordan en katalysator omhandler hvert af disse forurenende stoffer for at hjælpe med at reducere emissioner fra køretøjer.

Indhold

1. Forurenende stoffer produceret af en bilmotor
2. Hvordan katalytiske omformere reducerer forurening
3. Kontrol af forurening og forbedring af ydelsen

Placeringen af ​​en katalysator i en bil.

For at reducere emissionerne kontrollerer moderne bilmotorer omhyggeligt mængden af ​​brændstof, de brænder. De forsøger at holde forholdet mellem luft og brændstof meget tæt på støkiometrisk punkt, som er det ideelle forhold mellem luft og brændstof. Teoretisk vil dette brændstof ved dette forhold forbrændes ved hjælp af al ilt i luften. For benzin er det støkiometriske forhold ca. 14,7: 1, hvilket betyder, at for hvert pund benzin brændes 14,7 pund luft. Brændstofblandingen varierer faktisk fra det ideelle forhold forholdsvis meget under kørsel. Undertiden kan blandingen være læne (et luft-til-brændstof-forhold højere end 14,7), og andre gange kan blandingen være rig (et luft-til-brændstof-forhold lavere end 14,7).

De vigtigste emissioner fra en bilmotor er:

• Kvælstofgas (N2) - Luft er 78 procent kvælstofgas, og det meste af dette passerer lige gennem bilmotoren.
• Carbondioxid (CO2) - Dette er et forbrændingsprodukt. Kulstoffet i brændstoffet bindes med ilt i luften.
• Vanddamp (H2O) - Dette er et andet forbrændingsprodukt. Brintet i brændstoffet binder sig med ilt i luften.

Disse emissioner er for det meste godartede, selvom kuldioxidemissioner menes at bidrage til den globale opvarmning. Fordi forbrændingsprocessen aldrig er perfekt, produceres nogle mindre mængder mere skadelige emissioner også i bilmotorer. Katalytiske konvertere er designet til at reducere alle tre:

• Carbonmonoxid (CO) er en giftig gas, der er farveløs og lugtfri.
• kulbrinter eller flygtige organiske forbindelser (VOC'er) er en vigtig komponent i smog, der for det meste produceres af fordampet, ubrændt brændstof.
• Kvælstofoxider (NO og NO2, sammen kaldet NOx) bidrager til smog og surt regn, hvilket også forårsager irritation af humane slimhinder.

I det næste afsnit skal vi se på nøjagtigt, hvad der foregår inden i den katalysator.

Er plæneklippere næste?

Gallon til gallon, nye plæneklippermotorer bidrager 93 gange mere smog-dannende emissioner end nye biler. Det er ikke underligt, at EPA og de statslige tilsynsmyndigheder i Californien prøver hårdt på at få golfkuglestørrelse på golfbold størrelse til græsslåmaskine og andre små motorer. Ligesom i 1970'erne mødes lovgiverne imidlertid med en magtfuld lobby. Briggs & Stratton, den førende producent af små motorer, siger, at disse regler ville skabe et utrygt produkt, der udsender for meget varme. Fire mindre græsslåmaskinfabrikanter har tilbagevist denne afgift. Briggs & Stratton hævder også, at overophedningen kan forårsage børstebrande, hvis plæneklipperne lader køre og sidder stille. Californiens demokrater og ØPA mener, at det har mere at gøre med bundlinjen. Afventende forskrifter, der er foreslået i Californien, kan reducere emissionerne med svarende til 800.000 biler pr. Dag [kilde: Barringer].

I kemi, a katalysator er et stof, der forårsager eller fremskynder en kemisk reaktion uden selv at blive påvirket. Katalysatorer deltager i reaktionerne, men er hverken reaktanter eller produkter fra den reaktion, de katalyserer. I den menneskelige krop er enzymer naturligt forekommende katalysatorer, der er ansvarlige for mange vigtige biokemiske reaktioner [kilde: Chemicool].

I den katalytiske konverter er der to forskellige typer katalysator på arbejde, a reduktionskatalysator og en oxidationskatalysator. Begge typer består af en keramisk struktur belagt med en metalkatalysator, sædvanligvis platin, rhodium og / eller palladium. Tanken er at skabe en struktur, der udsætter det maksimale overfladeareal af katalysator for udstødningsstrømmen, samtidig med at den nødvendige mængde katalysator minimeres, da materialerne er ekstremt dyre. Nogle af de nyeste konvertere er endda begyndt at bruge guld blandet med de mere traditionelle katalysatorer. Guld er billigere end de andre materialer og kan øge oxidation- den kemiske reaktion, der reducerer forurenende stoffer, med op til 40 procent [kilde: Kanellos].

De fleste moderne biler er udstyret med tre-vejs katalytiske konvertere. Dette henviser til de tre regulerede emissioner, det hjælper med at reducere.

-Det reduktionskatalysator er det første trin i den katalytiske konverter. Det bruger platin og rhodium til at reducere NOx-emissionerne. Når et NO- eller NO2-molekyle kommer i kontakt med katalysatoren, ripper katalysatoren nitrogenatomet ud af molekylet og holder fast ved det, hvorved ilt frigives i form af O2. Kvælstofatomerne binder sig til andre nitrogenatomer, der også sidder fast i katalysatoren og danner N2. For eksempel:

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

2NO => N₂ + O₂ eller 2NO₂ => N₂ + 2O₂

Keramisk honningcomb katalysatorstruktur.

Det oxidationskatalysator er det andet trin i den katalytiske konverter. Det reducerer de uforbrændte kulbrinter og kulilte ved at brænde (oxidere) dem over en platin- og palladiumkatalysator. Denne katalysator hjælper reaktionen af ​​CO og carbonhydrider med det resterende ilt i udstødningsgassen. For eksempel:

2CO + O₂ => 2CO₂

Der er to hovedtyper af strukturer, der bruges i katalytiske omformere -- bikage og keramiske perler. De fleste biler i dag bruger en bikagestruktur.

I det næste afsnit skal vi se på det tredje trin i konverteringsprocessen, og hvordan du kan få mest muligt ud af din katalysator.

Den tredje fase af konvertering er en styresystem der overvåger udstødningsstrømmen og bruger disse oplysninger til at kontrollere brændstofindsprøjtningssystemet. Der er en iltføler monteret opstrøms for den katalysator, hvilket betyder, at den er tættere på motoren end konverteren. Denne sensor fortæller motorcomputeren, hvor meget ilt der er i udstødningen. Motorcomputeren kan øge eller mindske mængden af ​​ilt i udstødningen ved at justere forholdet mellem luft og brændstof. Denne kontrolplan gør det muligt for motorcomputeren at sikre sig, at motoren kører tæt på det støkiometriske punkt, og også for at sikre, at der er nok ilt i udstødningen til, at oxidationskatalysatoren kan brænde de uforbrændte kulbrinter og CO..

Den katalytiske konverter gør et stort stykke arbejde med at reducere forureningen, men den kan stadig forbedres markant. En af dets største mangler er, at det kun fungerer ved en ret høj temperatur. Når du starter din bil kold, gør katalysatoren næsten intet for at reducere forureningen i din udstødning.

En enkel løsning på dette problem er at bevæge den katalysator tættere på motoren. Dette betyder, at varmere udstødningsgasser når konverteren, og den varmes hurtigere op, men dette kan også reducere konverternes levetid ved at udsætte den for ekstremt høje temperaturer. De fleste bilproducenter placerer omformeren under passagersædet foran, langt nok fra motoren til at holde temperaturen nede på niveauer, der ikke vil skade den.

Forvarmning den katalytiske konverter er en god måde at reducere emissionerne på. Den nemmeste måde at forvarme konverteren er at bruge elektriske modstandsvarmere. Desværre leverer de 12-volt elektriske systemer på de fleste biler ikke nok energi eller strøm til at opvarme den katalysator hurtig nok. De fleste mennesker ventede ikke flere minutter på, at den katalysator blev opvarmet, før de starter deres bil. Hybridbiler, der har store højspændingsbatteripakker, kan give nok strøm til at opvarme den katalysator meget hurtigt.

Katalytiske omformere i dieselmotorer fungerer ikke så godt med at reducere NOx. En af grundene er, at dieselmotorer kører køligere end almindelige motorer, og omformerne fungerer bedre, når de varmer op. Nogle af de førende miljøbileksperter er kommet med et nyt system, der hjælper med at bekæmpe dette. De indsprøjter a urea opløsning i udstødningsrøret, inden det kommer til omformeren, for at fordampe og blande med udstødningen og skabe en kemisk reaktion, der reducerer NOx. Urea, også kendt som carbamid, er en organisk forbindelse lavet af kulstof, nitrogen, ilt og brint. Det findes i urinen hos pattedyr og amfibier. Urea reagerer med NOx for at producere nitrogen og vanddamp, bortskaffelse af mere end 90 procent af nitrogenoxiderne i udstødningsgasser [kilde: Innovations Report].

Katalytisk konverteringstyveri

-Overalt i landet er SUV'er og lastbiler ved at blive mål for opportunister, der ønsker at indbetale de værdifulde ædelmetaller, der bruges i katalytiske omformere. En standard katalytisk konverter indeholder flere hundrede dollars værdi af platin, palladium og rhodium. Jordpladsen på lastbiler og SUV'er giver let adgang til omformere, så alt tyve har brug for er en frem- og tilbagegående sav og ca. 60 sekunder. Denne tendens har politiet på udkig i mange dele af landet, hvor denne type tyveri har været et problem. Politi advarer SUV og lastbilchauffører om at parkere i travle, godt oplyste områder.

Relaterede artikler

• Quiz Corner: Catalytic Converter Quiz
• Sådan fungerer global opvarmning
• Sådan fungerer benzin
• Sådan fungerer brændstofantændelsessystemer
• Sådan fungerer hybridbiler
• Sådan fungerer ozonforurening
• Hvad er en katalytisk konverter, og hvordan fungerer man?
• Hvordan ved jeg, om min katalysator er mislykket?

Flere gode links

• MisterFixIt.com: tilstoppet katalytisk konverter?
• Kvælstof i luften

Kilder

• Barringer, Felicity; En grønnere måde at skære græs løber på af en kraftfuld lobby. New York Times
• Kanellos, Michael; Guld til at gå i dieselmotorer. CNET News.com
• www.chemicool.com
• www.innovations-report.com