Jak fungují katalyzátory

  • Joseph Norman
  • 0
  • 2983
  • 528
Velká hromada platinových katalytických konvertorů. Prohlédněte si více zelených živých obrázků. James L. Amos / National Geographic / Getty Images

Ve Spojených státech jsou na silnici miliony aut a každý z nich je zdrojem znečištění ovzduší. Obzvláště ve velkých městech může množství znečištění, které všechna auta produkují společně, způsobit velké problémy.

K vyřešení těchto problémů města, státy a federální vláda vytvářejí zákony o čistém ovzduší, které omezují množství znečištění, které mohou automobily produkovat. V průběhu let učinili výrobci automobilů a palivových systémů mnoho vylepšení, aby udrželi krok s těmito zákony. Jedna z těchto změn nastala v roce 1975 se zajímavým zařízením zvaným a katalyzátor. Úkolem katalyzátoru je přeměnit škodlivé znečišťující látky na méně škodlivé emise dříve, než opustí výfukový systém automobilu..

Katalyzátory jsou úžasně jednoduchá zařízení, takže je neuvěřitelné vidět, jaký velký dopad mají. V tomto článku se dozvíte, které znečišťující látky jsou produkovány motorem a jak se katalytický konvertor zabývá každou z těchto znečišťujících látek, aby pomohl snížit emise vozidla.

Obsah
  1. Znečišťující látky vyráběné motorem automobilu
  2. Jak katalyzátory snižují znečištění
  3. Kontrola znečištění a zlepšení výkonu
Umístění katalyzátoru v autě.

Aby se snížily emise, moderní automobilové motory pečlivě kontrolují množství paliva, které spalují. Snaží se udržet poměr vzduch-palivo velmi blízko k stechiometrické bod, což je ideální poměr vzduchu a paliva. Teoreticky bude při tomto poměru všechno palivo spáleno za použití veškerého kyslíku ve vzduchu. U benzínu je stechiometrický poměr asi 14,7: 1, což znamená, že za každou libru benzínu bude spáleno 14,7 liber vzduchu. Palivová směs se ve skutečnosti liší od ideálního poměru během jízdy docela dost. Někdy může být směs opírat se (poměr vzduch-palivo vyšší než 14,7) a jindy může být směs bohatý (poměr vzduch-palivo nižší než 14,7).

Hlavní emise z motoru automobilu jsou:

  • Plynný dusík (N2) - Vzduch je 78% plynný dusík a většina z toho prochází přímo motorem automobilu.
  • Oxid uhličitý (CO2) - Jedná se o jeden produkt spalování. Uhlík v palivu se váže na kyslík ve vzduchu.
  • Vodní pára (H2O) - Toto je další produkt spalování. Vodík v palivu se váže na kyslík ve vzduchu.

Tyto emise jsou většinou benigní, i když se předpokládá, že emise oxidu uhličitého přispívají ke globálnímu oteplování. Protože spalovací proces není nikdy dokonalý, vznikají v motorech automobilů i menší množství škodlivějších emisí. Katalyzátory jsou navrženy tak, aby redukovaly všechny tři:

  • Kysličník uhelnatý (CO) je jedovatý plyn, který je bezbarvý a bez zápachu.
  • Uhlovodíky nebo těkavé organické sloučeniny (VOC) jsou hlavní složkou smogu vyráběného převážně z odpařeného nespáleného paliva.
  • Oxidy dusíku (NO a NO2, společně nazývané NOx) přispívají ke smogu a kyselému dešti, což také způsobuje podráždění lidských sliznic.

V další části se podíváme přesně na to, co se děje uvnitř katalyzátoru.

Jsou další sekačky na trávu?

Galon pro galon, nové motory sekačky na trávu přispívají 93krát více emisemi smogu než nové automobily. Není divu, že EPA a státní regulační orgány v Kalifornii se těžce snaží dostat katalyzátory velikosti golfových míčků do sekačky na trávu a dalších malých motorů. Stejně jako v 70. letech se však zákonodárci setkávají se silnou lobby. Briggs & Stratton, přední výrobce malých motorů, říká, že tyto předpisy by vytvořily nebezpečný produkt, který emituje příliš mnoho tepla. Tento poplatek vyvrátili čtyři menší výrobci motorů sekaček na trávu. Briggs & Stratton také tvrdí, že přehřátí by mohlo způsobit požáry štětce, pokud budou sekačky ponechány v chodu a nehybně sedět. Kalifornští demokraté a EPA si myslí, že to má co do činění s konečným výsledkem. Nevyřízená nařízení navrhovaná v Kalifornii by mohla snížit emise o 800 000 aut denně [zdroj: Barringer].

V chemii a katalyzátor je látka, která způsobuje nebo urychluje chemickou reakci, aniž by byla ovlivněna. Katalyzátory se účastní reakcí, ale nejsou to ani reakční složky ani produkty reakce, kterou katalyzují. V lidském těle jsou enzymy přirozeně se vyskytujícími katalyzátory odpovědnými za mnoho podstatných biochemických reakcí [zdroj: Chemicool].

V katalyzátoru existují při práci dva různé typy katalyzátoru, a redukční katalyzátor a oxidační katalyzátor. Oba typy sestávají z keramické struktury potažené kovovým katalyzátorem, obvykle platinou, rhodiem a / nebo palladiem. Cílem je vytvořit strukturu, která vystaví maximální povrchovou plochu katalyzátoru proudu výfukových plynů a zároveň minimalizuje potřebné množství katalyzátoru, protože materiály jsou extrémně drahé. Některé z nejnovějších konvertorů dokonce začaly používat zlato ve směsi s tradičnějšími katalyzátory. Zlato je levnější než ostatní materiály a mohlo by zvýšit oxidaci - chemickou reakci, která snižuje znečišťující látky, až o 40 procent [zdroj: Kanellos].

Většina moderních aut je vybavena třícestné katalyzátory. To se týká tří regulovaných emisí, které pomáhá snižovat.

- redukční katalyzátor je první stupeň katalyzátoru. Používá platinu a rhodium, které pomáhají snižovat emise NOx. Když se NO nebo NO2 molekula dostane do kontaktu s katalyzátorem, katalyzátor vytrhne atom dusíku z molekuly a drží ho, uvolňuje kyslík ve formě O2. Atomy dusíku se váží na jiné atomy dusíku, které jsou také přilepené k katalyzátoru, čímž se vytvoří N2. Například:

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

2NO => N2 + Ó2 nebo 2NO2 => N2 + 2O2

Struktura keramického voštinového katalyzátoru.

oxidační katalyzátor je druhý stupeň katalyzátoru. Snižuje nespálené uhlovodíky a oxid uhelnatý spálením (oxidací) na platinovém a palladiovém katalyzátoru. Tento katalyzátor napomáhá reakci CO a uhlovodíků se zbývajícím kyslíkem ve výfukových plynech. Například:

2CO + O2 => 2CO2

V katalytických konvertorech se používají dva hlavní typy struktur -- plástev a keramické korálky. Většina automobilů dnes používá voštinovou strukturu.

V další části se podíváme na třetí fázi procesu převodu a jak můžete co nejlépe využít svůj katalyzátor.

Třetí fází přeměny je a kontrolní systém který sleduje tok výfukových plynů a používá tyto informace k řízení systému vstřikování paliva. Před katalyzátorem je namontován kyslíkový senzor, což znamená, že je blíže k motoru než konvertor. Tento senzor řekne počítači motoru, kolik kyslíku je ve výfuku. Počítačový motor může zvýšit nebo snížit množství kyslíku ve výfukových plynech úpravou poměru vzduch-palivo. Toto schéma řízení umožňuje počítači motoru, aby se ujistil, že motor běží v blízkosti stechiometrického bodu, a také se ujistil, že ve výfukových plynech je dostatek kyslíku, aby mohl oxidační katalyzátor spálit nespálené uhlovodíky a CO.

Katalyzátor odvádí skvělou práci při snižování znečištění, ale může se ještě podstatně zlepšit. Jedním z jeho největších nedostatků je, že funguje pouze při poměrně vysoké teplotě. Když je vůz studený, katalyzátor nedělá téměř nic, aby snížil znečištění ve výfuku.

Jedním jednoduchým řešením tohoto problému je přemístění katalyzátoru blíže k motoru. To znamená, že horké výfukové plyny dosáhnou konvertoru a ohřívá se rychleji, ale také to může snížit životnost konvertoru jeho vystavením extrémně vysokým teplotám. Většina automobilů umísťuje převodník pod sedadlo předního spolujezdce dostatečně daleko od motoru, aby udržovala teplotu pod úrovní, která mu neublíží.

Předehřívání Katalyzátor je dobrý způsob, jak snížit emise. Nejjednodušší způsob předehřátí převodníku je použití elektrických odporových ohřívačů. Bohužel 12-voltové elektrické systémy na většině automobilů neposkytují dostatek energie nebo energie k dostatečně rychlému zahřátí katalyzátoru. Většina lidí nebude čekat několik minut, než se katalytický konvertor zahřeje, než nastartuje auto. Hybridní automobily, které mají velké vysokonapěťové baterie, mohou poskytnout dostatek energie pro velmi rychlé zahřátí katalyzátoru.

Katalyzátory v dieselové motory nefungují tak dobře při snižování NOx. Jedním z důvodů je to, že dieselové motory běží chladněji než standardní motory a převodníky pracují lépe, když se zahřívají. Někteří z předních environmentálních auto expertů přišli s novým systémem, který pomáhá v boji proti tomuto. Vstřikují a močovina roztok ve výfukovém potrubí, než se dostane do konvertoru, odpařit se a smíchat s výfukovým plynem a vytvořit chemickou reakci, která sníží NOx. Urea, také známá jako karbamid, je organická sloučenina vyrobená z uhlíku, dusíku, kyslíku a vodíku. Nachází se v moči savců a obojživelníků. Močovina reaguje s NOx a vytváří dusík a vodní páru, čímž zneškodňuje více než 90 procent oxidů dusíku ve výfukových plynech [zdroj: Zpráva o inovacích].

Krádež katalyzátoru

-Po celé zemi se SUV a kamiony stávají terčem pro oportunisty, kteří hledají peníze na cenné drahé kovy používané v katalytických konvertorech. Standardní katalyzátor obsahuje platinu, palladium a rhodium v ​​hodnotě několika set dolarů. Světlá výška na nákladních vozech a SUV umožňuje snadný přístup ke konvertorům, takže vše, co zloděj potřebuje, je vratná pila a asi 60 sekund. Tento trend vede policie v mnoha částech země, kde byl tento druh krádeže problém. Policisté dávají pozor na řidiče SUV a kamionů, aby zaparkovali v rušných a dobře osvětlených oblastech.

Související články

  • Kvízový koutek: Kvíz s katalyzátorem
  • Jak funguje globální oteplování
  • Jak benzín funguje
  • Jak fungují systémy zapalování paliva
  • Jak fungují hybridní auta
  • Jak funguje znečištění ozonem
  • Co je katalyzátor a jak funguje?
  • Jak zjistím, že selhal můj katalyzátor?

Další skvělé odkazy

  • MisterFixIt.com: Ucpaný katalyzátor?
  • Dusík ve vzduchu

Prameny

  • Barringer, Felicity; Zelenější způsob, jak snížit trávu, běží po mocné hale. New York Times
  • Kanellos, Michael; Zlato jít do dieselových motorů. CNET News.com
  • www.chemicool.com
  • www.innovations-report.com



Zatím žádné komentáře

Nejzajímavější články o tajemstvích a objevech. Spousta užitečných informací o všem
Články o vědě, prostoru, technologii, zdraví, životním prostředí, kultuře a historii. Vysvětlete tisíce témat, abyste věděli, jak všechno funguje