Auto >> Fordonsteknik >  >> Motor

Hur katalytiska omvandlare fungerar


En stor hög med platinafodrade katalysatorer. Se fler gröna levande bilder. James L. Amos/National Geographic/Getty Images

Det finns miljontals bilar på vägarna i USA, och var och en är en källa till luftföroreningar. Särskilt 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 ren luftlagar 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 som kallas en katalysator . 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 inverkan 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 utsläppen från fordon.

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

>Föroreningar som produceras av en bilmotor


Placeringen av en katalysator i en bil.

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

De huvudsakliga utsläppen från en bilmotor är:

  • Kvävgas (N2) - Luft är 78 procent kvävgas, och det mesta av detta passerar rakt igenom bilmotorn.
  • Koldioxid (CO2) - Detta är en produkt av förbränning. Kolet i bränslet binder till syret i luften.
  • Vattenånga (H2O) - Detta är en annan produkt av förbränning. Vätet i bränslet binder till luftens syre.

Dessa utsläpp är till största delen godartade, även om koldioxidutsläppen tros bidra till den globala uppvärmningen. Eftersom förbränningsprocessen aldrig är perfekt, produceras även några mindre mängder skadligare utsläpp i bilmotorer. Katalysatorer är utformade för att minska alla tre:

  • Kolmonoxid (CO) är en giftig gas som är färglös och luktfri.
  • Kolväten eller flyktiga organiska föreningar (VOC) är en viktig komponent i smog som till största delen framställs av förångat, oförbränt bränsle.
  • Kväveoxider (NO och NO2, tillsammans kallade NOx) bidrar till smog och surt regn, vilket också orsakar irritation av mänskliga slemhinnor.

I nästa avsnitt ska vi titta på exakt vad som händer inuti katalysatorn.

Är gräsklippare nästa?

Gallon för gallon, nya gräsklipparmotorer bidrar med 93 gånger mer smogbildande utsläpp än nya bilar. Det är inte konstigt att EPA och statens tillsynsmyndigheter i Kalifornien anstränger sig hårt för att få in katalysatorer i golfbollsstorlek i gräsklippare och andra små motorer. Men precis som på 1970-talet möts lagstiftarna av en kraftfull lobby. Briggs &Stratton, den ledande tillverkaren av små motorer, säger att dessa regler skulle göra en osäker produkt som avger för mycket värme. Fyra mindre tillverkare av gräsklippare har motbevisat denna anklagelse. Briggs &Stratton hävdar också att överhettningen kan orsaka borstbränder om gräsklipparna lämnas igång och sitter stilla. Kaliforniens demokrater och EPA tror att det har mer att göra med slutresultatet. Pågående föreskrifter som föreslås i Kalifornien kan minska utsläppen med motsvarande 800 000 bilar per dag [källa:Barringer].

>Hur katalytiska omvandlare minskar föroreningar


Inom kemi, en 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 av reaktionen de katalyserar. I människokroppen är enzymer naturligt förekommande katalysatorer som är ansvariga för många viktiga biokemiska reaktioner [källa:Chemicool].


I katalysatorn finns det två olika typer av katalysatorer i arbete, en 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 ytarean av katalysatorn för avgasströmmen, samtidigt som den 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 trevägskatalysatorer . Detta syftar på de tre reglerade utsläppen som det bidrar till att minska.

reduktionskatalysatorn 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, river katalysatorn ut kväveatomen ur molekylen och håller fast vid den, vilket frigör syret i form av O2. Kväveatomerna binder med andra kväveatomer som också sitter fast vid katalysatorn och bildar N2. Till exempel:

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

2NO => N 2 + O 2 eller 2NO 2 => N 2 + 2O 2


Keramisk bikakekatalysatorstruktur.

oxidationskatalysatorn är det andra steget i katalysatorn. Det reducerar oförbrända kolväten och kolmonoxid genom att bränna (oxidera) dem över en platina- och palladiumkatalysator. Denna katalysator underlättar reaktionen av CO och kolväten med det återstående syret i avgaserna. Till exempel:

2CO + O2 => 2CO2

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

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

>Kontrollera föroreningar och förbättra prestanda

Det tredje steget av konvertering är ett 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 talar om för motordatorn hur mycket syre som finns i avgaserna. Motordatorn kan öka eller minska mängden syre i avgaserna genom att justera luft-till-bränsleförhållandet. Detta kontrollschema gör det möjligt för motordatorn att se till att motorn går nära den stökiometriska punkten, och även att se till att det finns tillräckligt med syre i avgaserna för att tillåta oxidationskatalysatorn att bränna de oförbrända kolvätena och CO.

Katalysatorn gör ett bra jobb för att minska föroreningarna, men den kan fortfarande förbättras avsevärt. En av dess största brister är att den bara fungerar vid en ganska hög temperatur. När du startar din bil kall gör katalysatorn nästan ingenting för att minska föroreningarna i dina avgaser.

En enkel lösning på detta problem är att flytta katalysatorn närmare motorn. Det innebär att hetare avgaser når omvandlaren och den värms upp snabbare, men det kan också minska omvandlarens livslängd genom att utsätta den för extremt höga temperaturer. De flesta biltillverkare placerar omvandlaren under det främre passagerarsätet, tillräckligt långt från motorn för att hålla temperaturen nere på 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 ger de 12-volts elektriska systemen på de flesta bilar inte tillräckligt med energi eller kraft för att värma upp katalysatorn tillräckligt snabbt. De flesta skulle inte vänta flera minuter på att katalysatorn skulle värmas upp innan de startade sin bil. Hybridbilar som har stora högspänningsbatterier kan ge tillräckligt med ström för att värma upp katalysatorn mycket snabbt.

Katalysatorer i dieselmotorer fungerar inte lika bra för att minska NOx. En anledning är att dieselmotorer går svalare än vanliga motorer, och omvandlarna fungerar bättre när de värms upp. Några av de ledande miljöbilsexperterna har kommit med ett nytt system som hjälper till att bekämpa detta. De injicerar en urea lösning i avgasröret, innan det kommer till omvandlaren, för att avdunsta och blandas med avgaserna och skapa en kemisk reaktion som kommer att minska NOx. Karbamid, även känd som karbamid , är en organisk förening gjord av kol, kväve, syre och väte. Det finns i urinen hos däggdjur och amfibier. Urea reagerar med NOx för att producera kväve och vattenånga, och avyttra mer än 90 procent av kväveoxiderna i avgaserna [källa:Innovations Report].

Katalysatorstöld

Över hela landet blir stadsjeepar och lastbilar måltavlor för opportunister som vill tjäna pengar på de värdefulla ädelmetaller som används inuti katalysatorer. En vanlig katalysator innehåller platina, palladium och rodium för flera hundra dollar. Markfrigången på lastbilar och stadsjeepar gör det enkelt att komma åt omvandlarna, så allt en tjuv behöver är en fram- och återgående såg och cirka 60 sekunder. Denna trend har polisen på utkik i många delar av landet där denna typ av stöld har varit ett problem. Polisen varnar förare av stadsjeepar och lastbilar att parkera i livliga, väl upplysta områden.

Ursprungligen publicerad:8 november 2000

Vanliga frågor om katalytisk omvandlare

Vad är en katalysator?
Katalysatorns uppgift är att omvandla skadliga föroreningar till mindre skadliga utsläpp innan de någonsin lämnar bilens avgassystem.
Har alla bilar en katalysator?
Ja. De flesta moderna bilar är utrustade med trevägskatalysatorer. Detta avser de tre reglerade utsläppen som det bidrar till att minska.
Hur mycket kostar det att fixa katalysatorn?
Enligt Car Brain kostar det mellan $945 och $2 475 att fixa katalysatorn.
Vad finns i en katalysator som är så värdefull?
En vanlig katalysator innehåller platina, palladium och rodium för flera hundra dollar.
Vilka bilar får sina katalysatorer stulna?
SUV:ar och lastbilar blir måltavlor för opportunister som vill tjäna pengar på de värdefulla ädelmetaller som används inuti katalysatorer. Markfrigången på lastbilar och stadsjeepar gör det enkelt att komma åt omvandlarna, så allt en tjuv behöver är en fram- och återgående såg och cirka 60 sekunder.

>Mycket mer information

Relaterade HowStuffWorks-artiklar

  • Quiz Corner:Catalytic Converter Quiz
  • Så fungerar global uppvärmning
  • Så fungerar bensin
  • Hur fungerar bränsletändningssystem
  • Så fungerar hybridbilar
  • Så fungerar ozonföroreningar
  • Vad är en katalysator och hur fungerar den?
  • 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 gräset är en kraftfull lobby. New York Times
  • Kanellos, Michael; Guld att gå i dieselmotorer. CNET News.com
  • www.chemicool.com
  • www.innovations-report.com