Hoe katalysatoren werken

Een grote stapel met platina beklede katalysatoren. Bekijk meer groene woonfoto's. James L. Amos / National Geographic / Getty Images

Er zijn miljoenen auto's op de weg in de Verenigde Staten, en ze zijn allemaal een bron van luchtvervuiling. Vooral in grote steden kan de hoeveelheid vervuiling die alle auto's samen produceren voor grote problemen zorgen.

Om die problemen op te lossen, hebben steden, staten en de federale overheid wetten voor schone lucht opgesteld die de hoeveelheid vervuiling die auto's kunnen produceren, beperken. Door de jaren heen hebben autofabrikanten veel verfijningen aangebracht aan automotoren en brandstofsystemen om aan deze wetten te voldoen. Een van deze veranderingen vond plaats in 1975 met een interessant apparaat genaamd a katalysator. De taak van de katalysator is om schadelijke verontreinigende stoffen om te zetten in minder schadelijke emissies voordat ze ooit het uitlaatsysteem van de auto verlaten..

Katalysatoren zijn verbazingwekkend eenvoudige apparaten, dus het is ongelooflijk om te zien hoe groot de impact ze hebben. In dit artikel leert u welke verontreinigende stoffen door een motor worden geproduceerd en hoe een katalysator met elk van deze verontreinigende stoffen omgaat om de uitstoot van voertuigen te helpen verminderen..

Inhoud

1. Verontreinigende stoffen geproduceerd door een automotor
2. Hoe katalysatoren de vervuiling verminderen
3. Vervuiling beheersen en prestaties verbeteren

De locatie van een katalysator in een auto.

Om de uitstoot te verminderen, controleren moderne automotoren zorgvuldig de hoeveelheid brandstof die ze verbranden. Ze proberen de lucht-brandstofverhouding heel dicht bij de stoichiometrisch punt, wat de ideale verhouding is tussen lucht en brandstof. Theoretisch zal bij deze verhouding alle brandstof worden verbrand met alle zuurstof in de lucht. Voor benzine is de stoichiometrische verhouding ongeveer 14,7: 1, wat betekent dat voor elke pond benzine 14,7 pond lucht wordt verbrand. Het brandstofmengsel wijkt tijdens het rijden zelfs behoorlijk af van de ideale verhouding. Soms kan het mengsel zijn slank (een lucht-brandstofverhouding hoger dan 14,7), en andere keren kan het mengsel zijn rijk (een lucht-brandstofverhouding lager dan 14,7).

De belangrijkste emissies van een automotor zijn:

• Stikstofgas (N2) - Lucht bestaat voor 78 procent uit stikstofgas, en het meeste gaat rechtstreeks door de automotor.
• Kooldioxide (CO2) - Dit is een verbrandingsproduct. De koolstof in de brandstof bindt zich met de zuurstof in de lucht.
• Waterdamp (H2O) - Dit is een ander verbrandingsproduct. De waterstof in de brandstof bindt zich met de zuurstof in de lucht.

Deze emissies zijn meestal goedaardig, hoewel wordt aangenomen dat de uitstoot van kooldioxide bijdraagt ​​aan de opwarming van de aarde. Omdat het verbrandingsproces nooit perfect is, worden er ook kleinere hoeveelheden meer schadelijke emissies geproduceerd in automotoren. Katalysatoren zijn ontworpen om alle drie te verminderen:

• Koolmonoxide (CO) is een giftig gas dat kleurloos en reukloos is.
• Koolwaterstoffen of vluchtige organische stoffen (VOC's) zijn een belangrijk bestanddeel van smog die voornamelijk wordt geproduceerd uit verdampte, onverbrande brandstof.
• Stikstofoxiden (NO en NO2, samen NOx genoemd) dragen bij aan smog en zure regen, die ook irritatie veroorzaken aan menselijke slijmvliezen.

In de volgende sectie zullen we kijken naar wat er precies in de katalysator gebeurt.

Zijn grasmaaiers de volgende?

Gallon voor gallon, nieuwe grasmaaimachines dragen 93 keer meer smogvormende emissies bij dan nieuwe auto's. Het is geen wonder dat de EPA en de staatsregelgevers van Californië hun best doen om katalysatoren ter grootte van een golfbal in een grasmaaier en andere kleine motoren te krijgen. Maar net als in de jaren zeventig krijgen de wetgevers te maken met een krachtige lobby. Briggs & Stratton, de toonaangevende fabrikant van kleine motoren, zegt dat deze voorschriften zouden leiden tot een onveilig product dat te veel warmte afgeeft. Vier kleinere fabrikanten van grasmaaimachines hebben deze aanklacht weerlegd. Briggs & Stratton beweert ook dat de oververhitting borstelbranden kan veroorzaken als de maaiers blijven draaien en stilzitten. De Californische democraten en de EPA denken dat het meer met de bottom line te maken heeft. In afwachting van regelgeving die in Californië wordt voorgesteld, kan de uitstoot met het equivalent van 800.000 auto's per dag verminderen [bron: Barringer].

In de chemie, a katalysator is een stof die een chemische reactie veroorzaakt of versnelt zonder zelf te worden beïnvloed. Katalysatoren nemen deel aan de reacties, maar zijn noch reactanten, noch producten van de reactie die ze katalyseren. In het menselijk lichaam zijn enzymen van nature voorkomende katalysatoren die verantwoordelijk zijn voor veel essentiële biochemische reacties [bron: Chemicool].

In de katalysator werken twee verschillende soorten katalysatoren, een reductie katalysator en een oxidatiekatalysator. Beide typen bestaan ​​uit een keramische structuur bedekt met een metalen katalysator, meestal platina, rhodium en / of palladium. Het idee is om een ​​structuur te creëren die het maximale oppervlak van de katalysator blootstelt aan de uitlaatstroom, terwijl ook de benodigde hoeveelheid katalysator wordt geminimaliseerd, aangezien de materialen extreem duur zijn. Enkele van de nieuwste converters zijn zelfs begonnen met het gebruik van goud gemengd met de meer traditionele katalysatoren. Goud is goedkoper dan de andere materialen en kan de oxidatie-, de chemische reactie die vervuilende stoffen vermindert, met wel 40 procent verhogen [bron: Kanellos].

De meeste moderne auto's zijn uitgerust met driewegkatalysatoren. Dit verwijst naar de drie gereguleerde emissies die het helpt te verminderen.

-De reductie katalysator is de eerste trap van de katalysator. Het gebruikt platina en rhodium om de NOx-uitstoot te helpen verminderen. Wanneer een NO- of NO2-molecuul in contact komt met de katalysator, scheurt de katalysator het stikstofatoom uit het molecuul en houdt het vast, waardoor de zuurstof in de vorm van O2 vrijkomt. De stikstofatomen binden zich met andere stikstofatomen die ook aan de katalysator vastzitten en vormen N2. Bijvoorbeeld:

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

2NO => N₂ + O₂ of 2 NEE₂ => N₂ + 2O₂

Keramische honingraatkatalysatorstructuur.

De oxidatiekatalysator is de tweede trap van de katalysator. Het vermindert de onverbrande koolwaterstoffen en koolmonoxide door ze te verbranden (oxideren) boven een platina- en palladiumkatalysator. Deze katalysator helpt de reactie van CO en koolwaterstoffen met de resterende zuurstof in het uitlaatgas. Bijvoorbeeld:

2CO + O₂ => 2CO₂

Er zijn twee hoofdtypen structuren die worden gebruikt in katalysatoren -- honingraat en keramische kralen. De meeste auto's gebruiken tegenwoordig een honingraatstructuur.

In de volgende sectie kijken we naar de derde fase van het conversieproces en hoe u het meeste uit uw katalysator kunt halen.

De derde fase van conversie is een controle systeem die de uitlaatstroom controleert en deze informatie gebruikt om het brandstofinjectiesysteem te regelen. Stroomopwaarts van de katalysator is een zuurstofsensor gemonteerd, wat betekent dat deze zich dichter bij de motor bevindt dan bij de omvormer. Deze sensor vertelt de motorcomputer hoeveel zuurstof er in de uitlaat zit. De motorcomputer kan de hoeveelheid zuurstof in de uitlaat verhogen of verlagen door de lucht-brandstofverhouding aan te passen. Dankzij dit regelschema kan de motorcomputer ervoor zorgen dat de motor dicht bij het stoichiometrische punt draait, en ook om ervoor te zorgen dat er voldoende zuurstof in de uitlaat zit om de oxidatiekatalysator de onverbrande koolwaterstoffen en CO te laten verbranden..

De katalysator doet uitstekend werk bij het verminderen van de vervuiling, maar kan nog aanzienlijk worden verbeterd. Een van de grootste tekortkomingen is dat het alleen werkt bij een vrij hoge temperatuur. Als je je auto koud start, doet de katalysator bijna niets om de vervuiling in je uitlaat te verminderen.

Een eenvoudige oplossing voor dit probleem is om de katalysator dichter bij de motor te plaatsen. Dit betekent dat warmere uitlaatgassen de omvormer bereiken en deze sneller opwarmen, maar dit kan ook de levensduur van de omvormer verkorten door deze bloot te stellen aan extreem hoge temperaturen. De meeste autofabrikanten plaatsen de omvormer onder de voorpassagiersstoel, ver genoeg van de motor om de temperatuur laag te houden tot niveaus die hem niet schaden.

Voorverwarmen de katalysator is een goede manier om de uitstoot te verminderen. De eenvoudigste manier om de converter voor te verwarmen, is door elektrische verwarmingselementen te gebruiken. Helaas leveren de elektrische systemen van 12 volt op de meeste auto's niet genoeg energie of vermogen om de katalysator snel genoeg te verwarmen. De meeste mensen zouden niet enkele minuten wachten totdat de katalysator is opgewarmd voordat ze hun auto starten. Hybride auto's met grote hoogspanningsaccu's kunnen voldoende vermogen leveren om de katalysator zeer snel op te warmen.

Katalysatoren in diesel motoren werken niet zo goed bij het verminderen van NOx. Een van de redenen is dat dieselmotoren koeler draaien dan standaardmotoren, en de omvormers werken beter naarmate ze warmer worden. Enkele van de toonaangevende auto-experts op het gebied van milieu hebben een nieuw systeem bedacht om dit te bestrijden. Ze injecteren een ureum oplossing in de uitlaatpijp, voordat deze de convertor bereikt, om te verdampen en te mengen met de uitlaat en een chemische reactie te creëren die NOx vermindert. Ureum, ook wel bekend als carbamide, is een organische verbinding gemaakt van koolstof, stikstof, zuurstof en waterstof. Het wordt aangetroffen in de urine van zoogdieren en amfibieën. Ureum reageert met NOx om stikstof en waterdamp te produceren, waardoor meer dan 90 procent van de stikstofoxiden in uitlaatgassen terechtkomt [bron: Innovations Report].

Diefstal van katalysator

-Overal in het land worden SUV's en vrachtwagens het doelwit van opportunisten die geld willen verdienen aan de waardevolle edelmetalen die in katalysatoren worden gebruikt. Een standaardkatalysator bevat voor honderden dollars aan platina, palladium en rhodium. De bodemvrijheid op vrachtwagens en SUV's zorgt voor gemakkelijke toegang tot de converters, dus alles wat een dief nodig heeft is een heen en weer bewegende zaag en ongeveer 60 seconden. Deze trend heeft de politie in de gaten gehouden in veel delen van het land waar dit soort diefstal een probleem is. De politie waarschuwt SUV- en vrachtwagenchauffeurs om te parkeren in drukke, goed verlichte gebieden.

Gerelateerde artikelen

• Quiz Corner: Catalytic Converter Quiz
• Hoe Global Warming werkt
• Hoe benzine werkt
• Hoe brandstofontstekingssystemen werken
• Hoe hybride auto's werken
• Hoe ozonverontreiniging werkt
• Wat is een katalysator en hoe werkt deze??
• Hoe weet ik of mijn katalysator defect is??

Meer geweldige links

• MisterFixIt.com: Verstopte katalysator?
• Stikstof in de lucht

Bronnen

• Barringer, Felicity; Een groenere manier om het gras te maaien komt voort uit een krachtige lobby. New York Times
• Kanellos, Michael; Goud voor dieselmotoren. CNET News.com
• www.chemicool.com
• www.innovations-report.com