Hur katalytiska omvandlare fungerar

  • Vova Krasen
  • 0
  • 3224
  • 139
En stor hög med platina fodrade katalytiska omvandlare. Se fler gröna levande bilder. James L. Amos / National Geographic / Getty Images

Det finns miljoner bilar på väg i USA, och var och en är en källa till luftföroreningar. Speciellt i stora städer kan mängden föroreningar som alla bilar producerar tillsammans skapa stora problem.

För att lösa dessa problem skapar städer, stater och den federala regeringen lagar om ren luft som begränsar mängden föroreningar som bilar kan producera. Under åren har biltillverkare gjort många förbättringar av bilmotorer och bränslesystem för att hålla jämna steg med dessa lagar. En av dessa förändringar skedde 1975 med en intressant enhet kallad a katalytisk omvandlare. Katalysatorns uppgift är att omvandla skadliga föroreningar till mindre skadliga utsläpp innan de någonsin lämnar bilens avgassystem.

Katalysatorer är otroligt enkla enheter, så det är otroligt att se hur stor påverkan de har. I den här artikeln kommer du att lära dig vilka föroreningar som produceras av en motor och hur en katalysator hanterar var och en av dessa föroreningar för att minska fordonsutsläpp.

Innehåll
  1. Föroreningar som produceras av en bilmotor
  2. Hur katalytiska omvandlare minskar föroreningar
  3. Kontrollera föroreningar och förbättra prestanda
Platsen för en katalysator i en bil.

För att minska utsläppen kontrollerar moderna bilmotorer noggrant mängden bränsle de bränner. De försöker hålla luft-bränsle-förhållandet mycket nära stökiometrisk punkt, vilket är det ideala förhållandet mellan luft och bränsle. Teoretiskt, i detta förhållande, kommer allt bränsle att brännas med allt syre i luften. För bensin är det stökiometriska förhållandet cirka 14,7: 1, vilket innebär att för varje kilo bensin kommer 14,7 pund luft att brännas. Bränsleblandningen varierar faktiskt från det ideala förhållandet ganska mycket under körning. Ibland kan blandningen vara mager (ett luft-bränsleförhållande högre än 14,7), och andra gånger kan blandningen vara rik (ett luft-bränsleförhållande lägre än 14,7).

De viktigaste utsläppen från en bilmotor är:

  • Kvävgas (N2) - Luft är 78 procent kvävgas, och det mesta av detta passerar direkt genom bilmotorn.
  • Koldioxid (CO2) - Detta är en förbränningsprodukt. Kolet i bränslet binds med syre i luften.
  • Vattenånga (H2O) - Detta är en annan förbränningsprodukt. Vätet i bränslet binds med syre i luften.

Dessa utsläpp är mestadels godartade, även om koldioxidutsläpp tros bidra till den globala uppvärmningen. Eftersom förbränningsprocessen aldrig är perfekt, produceras också några mindre mängder mer skadliga utsläpp i bilmotorer. Katalysatorer är utformade för att minska alla tre:

  • Kolmonoxid (CO) är en giftig gas som är färglös och luktfri.
  • kolväten eller labila organiska blandningar (VOC) är en viktig del av smog som mest produceras av förångat, oförbränt bränsle.
  • Kväveoxider (NO och NO2, tillsammans kallad NOx) bidrar till smog och surt regn, vilket också orsakar irritation hos mänskliga slemhinnor.

I nästa avsnitt tittar vi exakt på vad som händer i katalysatorn.

Är gräsklippare nästa?

Gallon för gallon, nya gräsklippningsmotorer bidrar med 93 gånger mer smogbildande utsläpp än nya bilar. Det är inte konstigt att EPA och de statliga tillsynsmyndigheterna i Kalifornien försöker hårt för att få golfbollstorlekskatalysatorer till gräsklippare och andra små motorer. Men precis som på 1970-talet möts lagstiftarna med en kraftfull lobby. Briggs & Stratton, den ledande tillverkaren av små motorer, säger att dessa regler skulle göra för en osäker produkt som avger för mycket värme. Fyra mindre tillverkare av gräsklippare har motbevistat denna avgift. Briggs & Stratton hävdar också att överhettningen kan orsaka borstbränder om gräsklipparna lämnas igång och sitter stilla. Kaliforniens demokrater och EPA anser att det har mer att göra med slutresultatet. Väntande regler som föreslås i Kalifornien kan minska utsläppen med motsvarande 800 000 bilar per dag [källa: Barringer].

Inom kemi, a katalysator är ett ämne som orsakar eller påskyndar en kemisk reaktion utan att själv påverkas. Katalysatorer deltar i reaktionerna, men är varken reaktanter eller produkter från den reaktion som de katalyserar. I människokroppen är enzymer naturligt förekommande katalysatorer som ansvarar för många väsentliga biokemiska reaktioner [källa: Chemicool].

I den katalytiska omvandlaren finns det två olika typer av katalysator på jobbet, a reduktionskatalysator och en oxidationskatalysator. Båda typerna består av en keramisk struktur belagd med en metallkatalysator, vanligtvis platina, rodium och / eller palladium. Tanken är att skapa en struktur som exponerar den maximala ytan för katalysator för avgasströmmen, samtidigt som man minimerar mängden katalysator som krävs, eftersom materialen är extremt dyra. Några av de nyaste omvandlarna har till och med börjat använda guld blandat med de mer traditionella katalysatorerna. Guld är billigare än de andra materialen och kan öka oxidationen, den kemiska reaktionen som minskar föroreningar, med upp till 40 procent [källa: Kanellos].

De flesta moderna bilar är utrustade med trevägs katalytiska omvandlare. Detta avser de tre reglerade utsläppen som det hjälper till att minska.

-De reduktionskatalysator är det första steget i katalysatorn. Den använder platina och rodium för att minska NOx-utsläppen. När en NO- eller NO2-molekyl kommer i kontakt med katalysatorn, rensar katalysatorn kväveatomen ur molekylen och håller fast vid den och frigör syre i form av O2. Kväveatomerna binds med andra kväveatomer som också fastnar i katalysatorn och bildar N2. Till exempel:

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

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

Keramisk bikakekatalysatorstruktur.

De oxidationskatalysator är det andra steget i katalysatorn. Det minskar oförbrända kolväten och kolmonoxid genom att bränna (oxidera) dem över en platina- och palladiumkatalysator. Denna katalysator hjälper reaktionen av CO och kolväten med det återstående syre i avgaserna. Till exempel:

2CO + O2 => 2CO2

Det finns två huvudtyper av strukturer som används i katalytiska omvandlare -- vaxkaka och keramiska pärlor. De flesta bilar använder idag en bikakestruktur.

I nästa avsnitt tittar vi på det tredje steget i konverteringsprocessen och hur du kan få ut mesta möjliga av din katalysator.

Det tredje konverteringsstadiet är en kontrollsystem som övervakar avgasströmmen och använder denna information för att styra bränsleinsprutningssystemet. Det finns en syresensor monterad uppströms om katalysatorn, vilket betyder att den är närmare motorn än omvandlaren. Denna sensor berättar motordatorn hur mycket syre som finns i avgaserna. Motordatorn kan öka eller minska mängden syre i avgaserna genom att justera luft-bränsleförhållandet. Detta kontrollschema gör det möjligt för motordatorn att se till att motorn går nära den stökiometriska punkten, och också att se till att det finns tillräckligt med syre i avgaserna för att låta oxidationskatalysatorn bränna de oförbrända kolväten och CO..

Den katalytiska omvandlaren gör ett bra jobb för att minska föroreningarna, men det kan fortfarande förbättras avsevärt. En av dess största brister är att den bara fungerar vid en relativt hög temperatur. När du startar din bil kall gör katalysatorn nästan ingenting för att minska föroreningen i avgaserna.

En enkel lösning på detta problem är att flytta katalysatorn närmare motorn. Detta innebär att hetare avgaser når omvandlaren och den värms upp snabbare, men detta kan också minska omvandlarens livslängd genom att utsätta den för extremt höga temperaturer. De flesta biltillverkare placerar omvandlaren under passagerarsätet fram, tillräckligt långt ifrån motorn för att hålla temperaturen ner till nivåer som inte skadar den.

Förvärmning katalysatorn är ett bra sätt att minska utsläppen. Det enklaste sättet att förvärma omvandlaren är att använda elektriska motståndsvärmare. Tyvärr tillhandahåller de 12-volts elektriska systemen på de flesta bilar inte tillräckligt med energi eller kraft för att värma upp katalysatorn snabbt nog. De flesta människor väntar inte flera minuter på att katalysatorn skulle värmas upp innan de startade sin bil. Hybridbilar som har stora högspänningsbatterier kan ge tillräckligt med kraft för att värma upp katalysatorn mycket snabbt.

Katalysatorer i dieselmotorer fungerar inte så bra för att minska NOx. En anledning är att dieselmotorer kör svalare än vanliga motorer och omvandlarna fungerar bättre när de värms upp. Några av de ledande miljöexperterna har kommit med ett nytt system som hjälper till att bekämpa detta. De injicerar en karbamid lösningen i avgasröret, innan den kommer till omvandlaren, förångas och blandas med avgaserna och skapar en kemisk reaktion som minskar NOx. Urea, även känd som karbamid, är en organisk förening gjord av kol, kväve, syre och väte. Det finns i urinen hos däggdjur och paddor. Urea reagerar med NOx för att producera kväve och vattenånga och bortskaffar mer än 90 procent av kväveoxiderna i avgaser [källa: Innovations Report].

Stöld av katalysator

-Över hela landet blir SUV: er och lastbilar mål för opportunister som vill få in de värdefulla ädelmetaller som används i katalytiska omvandlare. En standardkatalytisk omvandlare innehåller flera hundra dollar värd platina, palladium och rodium. Markavståndet på lastbilar och SUV: er ger enkel åtkomst till omvandlarna, så att en tjuv behöver är en fram- och återgående såg och cirka 60 sekunder. Denna trend har polisen på jakt i många delar av landet där denna typ av stöld har varit ett problem. Polisen varnar SUV och lastbilsförare att parkera i upptagen, väl upplysta områden.

Relaterade artiklar

  • Quiz Corner: Catalytic Converter Quiz
  • Hur global uppvärmning fungerar
  • Hur bensin fungerar
  • Hur bränsletändningssystem fungerar
  • Hur hybridbilar fungerar
  • Hur ozonföroreningar fungerar
  • Vad är en katalytisk omvandlare och hur fungerar man?
  • Hur vet jag om min katalysator har misslyckats?

Fler bra länkar

  • MisterFixIt.com: igensatt katalysator?
  • Kväve i luften

källor

  • Barringer, Felicity; Ett grönare sätt att klippa ut gräset kör av en kraftfull lobby. New York Times
  • Kanellos, Michael; Guld att gå i dieselmotorer. CNET News.com
  • www.chemicool.com
  • www.innovations-report.com



Ingen har kommenterat den här artikeln än.

De mest intressanta artiklarna om hemligheter och upptäckter. Massor av användbar information om allt
Artiklar om vetenskap, rymd, teknik, hälsa, miljö, kultur och historia. Förklara tusentals ämnen så att du vet hur allt fungerar