Slik fungerer katalysatorer

En stor haug med platina foret katalytiske omformere. Se flere grønne levende bilder. James L. Amos / National Geographic / Getty Images

Det er millioner av biler på veien i USA, og hver og en er en kilde til luftforurensning. Spesielt i store byer kan mengden forurensning som alle bilene produserer sammen skape store problemer.

For å løse disse problemene oppretter byer, stater og den føderale regjeringen lover om ren luft som begrenser mengden forurensning som biler kan produsere. Gjennom årene har bilprodusenter gjort mange forbedringer til bilmotorer og drivstoffsystemer for å følge med disse lovene. En av disse endringene skjedde i 1975 med et interessant apparat kalt a katalysator. Katalysatorens jobb er å omdanne skadelige miljøgifter til mindre skadelige utslipp før de noen gang forlater bilens eksosanlegg.

Katalysatorer er utrolig enkle enheter, så det er utrolig å se hvor stor innvirkning de har. I denne artikkelen vil du lære hvilke miljøgifter som produseres av en motor, og hvordan en katalysator omhandler hvert av disse miljøgiftene for å redusere kjøretøyets utslipp.

innhold

1. Forurensninger produsert av en bilmotor
2. Hvordan katalytiske omformere reduserer forurensning
3. Kontrollere forurensning og forbedre ytelsen

Plasseringen av en katalysator i en bil.

For å redusere utslippene, kontrollerer moderne bilmotorer nøye mengden drivstoff de brenner. De prøver å holde luft-til-drivstoff-forholdet veldig nær støkiometrisk punkt, som er det ideelle forholdet mellom luft og drivstoff. Teoretisk sett vil i dette forholdet brennes alt drivstoff ved å bruke alt oksygen i luften. For bensin er det støkiometriske forholdet omtrent 14,7: 1, noe som betyr at for hvert kilo bensin vil 14,7 kilo luft bli brent. Drivstoffblandingen varierer faktisk fra det ideelle forholdet ganske mye under kjøring. Noen ganger kan blandingen være Lene seg (et luft-til-drivstoff-forhold høyere enn 14,7), og andre ganger kan blandingen være rik (et luft-til-drivstoff-forhold lavere enn 14,7).

De viktigste utslippene fra en bilmotor er:

• Nitrogengass (N2) - Luft er 78 prosent nitrogengass, og mesteparten av dette går rett gjennom bilmotoren.
• Karbondioksid (CO2) - Dette er ett forbrenningsprodukt. Karbonet i drivstoffet binder seg til oksygenet i luften.
• Vanndamp (H2O) - Dette er et annet forbrenningsprodukt. Hydrogenet i drivstoffet binder seg til oksygenet i luften.

Disse utslippene er stort sett godartede, selv om utslipp av karbondioksid antas å bidra til global oppvarming. Fordi forbrenningsprosessen aldri er perfekt, produseres også noen mindre mengder mer skadelige utslipp i bilmotorer. Katalysatorer er designet for å redusere alle tre:

• Karbonmonoksid (CO) er en giftig gass som er fargeløs og luktfri.
• hydrokarboner eller flyktige organiske forbindelser (VOC) er en viktig komponent i smog produsert hovedsakelig fra fordampet, uforbrent brensel.
• Nitrogenoksider (NO og NO2, sammen kalt NOx) er en bidragsyter til smog og surt regn, noe som også forårsaker irritasjon hos menneskets slimhinner..

I neste avsnitt skal vi se nøyaktig hva som foregår inne i katalysatoren.

Er gressklippere neste?

Gallon for gallon, nye gressklippermotorer bidrar med 93 ganger mer røykdannende utslipp enn nye biler. Det er ikke rart at EPA og de statlige regulatorene i California prøver hardt for å få golfkuleformede katalytiske omformere til gressklipper og andre små motorer. Imidlertid, akkurat som på 1970-tallet, blir lovgiverne møtt med en kraftig lobby. Briggs & Stratton, den ledende produsenten av små motorer, sier at disse forskriftene vil gi et usikkert produkt som avgir for mye varme. Fire mindre gressklippermotorprodusenter har tilbakevist denne ladningen. Briggs & Stratton hevder også at overopphetingen kan føre til børstebrann hvis slåmaskinene blir stående og sitter stille. Demokratene i California og ØPA mener det har mer å gjøre med bunnlinjen. I påvente av forskrifter som er foreslått i California kan redusere utslippene med tilsvarende 800 000 biler per dag [kilde: Barringer].

I kjemi, a katalysatoren er et stoff som forårsaker eller akselererer en kjemisk reaksjon uten selv å bli påvirket. Katalysatorer deltar i reaksjonene, men er verken reaktanter eller produkter av reaksjonen de katalyserer. I menneskekroppen er enzymer naturlig forekommende katalysatorer som er ansvarlige for mange viktige biokjemiske reaksjoner [kilde: Chemicool].

I den katalytiske omformeren er det to forskjellige typer katalysator på jobb, a reduksjonskatalysator og en oksidasjonskatalysator. Begge typer består av en keramisk struktur belagt med en metallkatalysator, vanligvis platina, rodium og / eller palladium. Tanken er å lage en struktur som utsetter det maksimale overflatearealet for katalysator for eksosstrømmen, og samtidig minimerer mengden katalysator som kreves, da materialene er ekstremt dyre. Noen av de nyeste omformerne har til og med begynt å bruke gull blandet med de mer tradisjonelle katalysatorene. Gull er billigere enn de andre materialene og kan øke oksidasjon, den kjemiske reaksjonen som reduserer miljøgifter, med opptil 40 prosent [kilde: Kanellos].

De fleste moderne biler er utstyrt med treveis katalytiske omformere. Dette viser til de tre regulerte utslippene det hjelper med å redusere.

-De reduksjonskatalysator er det første trinnet i den katalytiske omformeren. Den bruker platina og rhodium for å redusere NOx-utslippene. Når et NO- eller NO2-molekyl kommer i kontakt med katalysatoren, ripper katalysatoren nitrogenatom ut av molekylet og holder på det, og frigjør oksygenet i form av O2. Nitrogenatomene binder seg til andre nitrogenatomer som også sitter fast i katalysatoren og danner N2. For eksempel:

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

2NO => N₂ + O₂ eller 2NO₂ => N₂ + 2o₂

Keramisk bikakekatalysatorstruktur.

De oksidasjonskatalysator er det andre trinnet i den katalytiske omformeren. Det reduserer uforbrente hydrokarboner og karbonmonoksid ved å brenne (oksidere) dem over en platina- og palladiumkatalysator. Denne katalysatoren hjelper reaksjonen av CO og hydrokarboner med det gjenværende oksygenet i avgassen. For eksempel:

2CO + O₂ => 2CO₂

Det er to hovedtyper av strukturer som brukes i katalytiske omformere -- honeycomb og keramiske perler. De fleste biler i dag bruker en bikakestruktur.

I neste avsnitt skal vi se på det tredje stadiet i konverteringsprosessen og hvordan du kan få mest mulig ut av din katalysator.

Det tredje stadiet av konvertering er en kontrollsystem som overvåker eksosstrømmen, og bruker denne informasjonen til å kontrollere drivstoffinjeksjonssystemet. Det er montert en oksygenføler oppstrøms for den katalytiske omformeren, noe som betyr at den er nærmere motoren enn omformeren. Denne sensoren forteller motorcomputeren hvor mye oksygen som er i eksosen. Motordatamaskinen kan øke eller redusere mengden oksygen i eksosen ved å justere forholdet mellom luft og drivstoff. Denne reguleringsplanen gjør det mulig for motoren å sikre at motoren går nær det støkiometriske punktet, og også sørge for at det er nok oksygen i eksosen for å la oksidasjonskatalysatoren brenne de ubrente hydrokarboner og CO..

Den katalytiske omformeren gjør en god jobb med å redusere forurensningen, men den kan fortsatt forbedres betydelig. En av de største manglene er at den bare fungerer på en ganske høy temperatur. Når du starter bilen din kaldt, gjør katalysatoren nesten ingenting for å redusere forurensningen i eksosen din.

En enkel løsning på dette problemet er å flytte katalysatoren nærmere motoren. Dette betyr at varmere avgasser når omformeren og den varmes opp raskere, men dette kan også redusere levetiden til omformeren ved å utsette den for ekstremt høye temperaturer. De fleste bilprodusenter plasserer omformeren under passasjersetet foran, langt nok fra motoren til å holde temperaturen nede til nivåer som ikke vil skade den.

forvarming den katalytiske omformeren er en god måte å redusere utslipp på. Den enkleste måten å forvarme omformeren på er å bruke elektriske motstandsovner. Dessverre gir ikke de 12-volt elektriske systemene på de fleste biler nok energi eller kraft til å varme opp katalysatoren raskt nok. De fleste mennesker ville ikke ventet flere minutter på at den katalysatoren skulle varme opp før de starter bilen. Hybridbiler som har store høyspent batteripakker kan gi nok kraft til å varme opp katalysatoren veldig raskt.

Katalysatorer i dieselmotorer fungerer ikke så bra med å redusere NOx. En årsak er at dieselmotorer kjører kjøligere enn vanlige motorer, og omformerne fungerer bedre når de varmer opp. Noen av de ledende miljøbilekspertene har kommet med et nytt system som hjelper til med å bekjempe dette. De injiserer a urea løsning i eksosrøret, før den kommer til omformeren, for å fordampe og blande med eksosen og skape en kjemisk reaksjon som vil redusere NOx. Urea, også kjent som karbamid, er en organisk forbindelse laget av karbon, nitrogen, oksygen og hydrogen. Det finnes i urinen til pattedyr og amfibier. Urea reagerer med NOx for å produsere nitrogen og vanndamp, og disponerer mer enn 90 prosent av nitrogenoksidene i avgasser [kilde: Innovations Report].

Tyveri av katalysator

-Over hele landet blir SUV-er og lastebiler mål for opportunister som ønsker å skaffe penger på verdifulle edle metaller som brukes i katalytiske omformere. En standard katalysator inneholder platina, palladium og rodium i flere hundre dollar. Bakkeklaringen på lastebiler og SUVer gir enkel tilgang til omformerne, så alt en tyv trenger er en gjengjeldende sag og omtrent 60 sekunder. Denne trenden har politiet på utkikk i mange deler av landet der denne typen tyverier har vært et problem. Politiet advarer SUV og lastebilsjåfører om å parkere i travle, godt opplyste områder.

Relaterte artikler

• Quiz Corner: Catalytic Converter Quiz
• Hvordan global oppvarming fungerer
• Hvordan bensin fungerer
• Slik fungerer tennsystemer for drivstoff
• Hvordan hybridbiler fungerer
• Hvordan ozonforurensning fungerer
• Hva er en katalysator og hvordan fungerer man?
• Hvordan vet jeg om katalysatoren min har mislyktes?

Flere gode lenker

• MisterFixIt.com: Tett katalysator?
• Nitrogen i luften

kilder

• Barringer, Felicity; En grønnere måte å kutte gresset ut av en kraftfull lobby. New York Times
• Kanellos, Michael; Gull å gå i dieselmotorer. CNET News.com
• www.chemicool.com
• www.innovations-report.com