В Соединенных Штатах на дорогах миллионы автомобилей, и каждый из них является источником загрязнения воздуха. Особенно в больших городах количество загрязняющих веществ, которые производят все автомобили вместе, может создать большие проблемы.
Чтобы решить эти проблемы, города, штаты и федеральное правительство принимают законы о чистом воздухе, которые ограничивают количество загрязнения, которое могут производить автомобили. За прошедшие годы автопроизводители внесли множество усовершенствований в автомобильные двигатели и топливные системы, чтобы соответствовать этим законам. Одно из таких изменений произошло в 1975 году с появлением интересного устройства под названием каталитический нейтрализатор. . Работа каталитического нейтрализатора заключается в том, чтобы преобразовывать вредные загрязняющие вещества в менее вредные выбросы еще до того, как они покинут выхлопную систему автомобиля.
Каталитические нейтрализаторы — это удивительно простые устройства, поэтому невероятно увидеть, какое большое влияние они оказывают. В этой статье вы узнаете, какие загрязняющие вещества вырабатываются двигателем и как каталитический нейтрализатор справляется с каждым из этих загрязняющих веществ, помогая снизить выбросы транспортных средств.
СодержаниеЧтобы уменьшить выбросы, современные автомобильные двигатели тщательно контролируют количество сжигаемого топлива. Они стараются поддерживать соотношение воздух-топливо как можно ближе к стехиометрическому. точка, которая является идеальным соотношением воздуха и топлива. Теоретически при таком соотношении все топливо будет сгорать, используя весь кислород воздуха. Для бензина стехиометрическое соотношение составляет около 14,7:1, что означает, что на каждый фунт бензина будет сожжено 14,7 фунта воздуха. Топливная смесь на самом деле немного отличается от идеального соотношения во время движения. Иногда смесь может быть бедной. (соотношение воздух-топливо выше 14,7), а в других случаях смесь может быть обогащенной. (соотношение воздух-топливо ниже 14,7).
Основными выбросами автомобильного двигателя являются:
Эти выбросы в основном безвредны, хотя считается, что выбросы углекислого газа способствуют глобальному потеплению. Поскольку процесс сгорания никогда не бывает идеальным, в автомобильных двигателях также образуются меньшие количества более вредных выбросов. Каталитические нейтрализаторы предназначены для снижения всех трех факторов:
В следующем разделе мы рассмотрим, что именно происходит внутри каталитического нейтрализатора.
На очереди газонокосилки?Галлон за галлоном, новые двигатели газонокосилок выделяют в 93 раза больше смога, чем новые автомобили. Неудивительно, что Агентство по охране окружающей среды и регулирующие органы штата Калифорния изо всех сил стараются установить каталитические нейтрализаторы размером с мяч для гольфа в газонокосилки и другие небольшие двигатели. Однако, как и в 1970-е годы, законодателей встречает мощное лобби. Briggs &Stratton, ведущий производитель небольших двигателей, говорит, что эти правила сделают небезопасным продукт, который выделяет слишком много тепла. Четыре небольших производителя двигателей для газонокосилок опровергли это обвинение. Briggs &Stratton также утверждает, что перегрев может привести к возгоранию кустов, если косилки будут работать и стоять на месте. Калифорнийские демократы и Агентство по охране окружающей среды считают, что это больше связано с прибылью. Ожидаемые правила, предложенные в Калифорнии, могут сократить выбросы на эквивалент 800 000 автомобилей в день [источник:Barringer].
В химии катализатор вещество, которое вызывает или ускоряет химическую реакцию, не подвергаясь при этом влиянию. Катализаторы участвуют в реакциях, но не являются ни реагентами, ни продуктами реакции, которую они катализируют. В организме человека ферменты являются природными катализаторами, ответственными за многие важные биохимические реакции [источник:Chemicool].
В каталитическом нейтрализаторе работают два разных типа катализатора:восстановительный катализатор и катализатор окисления . Оба типа состоят из керамической структуры, покрытой металлическим катализатором, обычно платиной, родием и/или палладием. Идея состоит в том, чтобы создать структуру, которая подвергает потоку выхлопных газов максимальную площадь поверхности катализатора, а также сводит к минимуму количество необходимого катализатора, поскольку материалы чрезвычайно дороги. Некоторые из новейших конвертеров даже начали использовать золото, смешанное с более традиционными катализаторами. Золото дешевле других материалов и может увеличить окисление, химическую реакцию, уменьшающую количество загрязняющих веществ, до 40 процентов [источник:Kanellos].
Большинство современных автомобилей оснащены трехкомпонентными каталитическими нейтрализаторами. . Это относится к трем регулируемым выбросам, которые он помогает сократить.
Катализатор восстановления является первой ступенью каталитического нейтрализатора. Он использует платину и родий, чтобы помочь уменьшить выбросы NOx. Когда молекула NO или NO2 контактирует с катализатором, катализатор вырывает атом азота из молекулы и удерживает его, освобождая кислород в форме O2. Атомы азота связываются с другими атомами азота, которые также прилипают к катализатору, образуя N2. Например:
2НО => Н 2 + О 2 или 2NO 2 => Н 2 + 20 2
Катализатор окисления является второй ступенью каталитического нейтрализатора. Он уменьшает количество несгоревших углеводородов и монооксида углерода путем сжигания (окисления) их на катализаторе из платины и палладия. Этот катализатор способствует реакции CO и углеводородов с оставшимся кислородом в выхлопных газах. Например:
2СО + О2 => 2CO2
В каталитических нейтрализаторах используются два основных типа структур:сотовые структуры. и керамические бусины . В большинстве современных автомобилей используется сотовая структура.
В следующем разделе мы рассмотрим третий этап процесса преобразования и то, как вы можете получить максимальную отдачу от своего каталитического нейтрализатора.
Третий этап преобразования — это система управления. который отслеживает поток выхлопных газов и использует эту информацию для управления системой впрыска топлива. Датчик кислорода установлен перед каталитическим нейтрализатором, то есть он ближе к двигателю, чем нейтрализатор. Этот датчик сообщает компьютеру двигателя, сколько кислорода содержится в выхлопе. Компьютер двигателя может увеличивать или уменьшать количество кислорода в выхлопных газах, регулируя соотношение воздух-топливо. Эта схема управления позволяет компьютеру двигателя убедиться, что двигатель работает близко к стехиометрической точке, а также убедиться, что в выхлопных газах достаточно кислорода, чтобы позволить катализатору окисления сжечь несгоревшие углеводороды и CO.
Каталитический нейтрализатор отлично справляется с уменьшением загрязнения, но его все же можно существенно улучшить. Одним из его самых больших недостатков является то, что он работает только при довольно высокой температуре. Когда вы запускаете холодную машину, каталитический нейтрализатор практически не уменьшает загрязнение выхлопных газов.
Одним из простых решений этой проблемы является перемещение каталитического нейтрализатора ближе к двигателю. Это означает, что более горячие выхлопные газы достигают нейтрализатора, и он нагревается быстрее, но это также может сократить срок службы нейтрализатора, подвергая его воздействию чрезвычайно высоких температур. Большинство автопроизводителей размещают преобразователь под сиденьем переднего пассажира, достаточно далеко от двигателя, чтобы поддерживать температуру на уровне, который не нанесет ему вреда.
Предварительный нагрев Каталитический нейтрализатор - хороший способ уменьшить выбросы. Самый простой способ предварительного нагрева преобразователя — использование электрических нагревателей сопротивления. К сожалению, 12-вольтовые электрические системы на большинстве автомобилей не обеспечивают достаточно энергии или мощности для достаточно быстрого нагрева каталитического нейтрализатора. Большинство людей не станут ждать несколько минут, пока каталитический нейтрализатор нагреется, прежде чем завести машину. Гибридные автомобили с большими высоковольтными аккумуляторными батареями могут обеспечить достаточную мощность для очень быстрого нагрева каталитического нейтрализатора.
Каталитические нейтрализаторы в дизельных двигателях не работают также в сокращении NOx. Одна из причин заключается в том, что дизельные двигатели охлаждаются хуже, чем стандартные двигатели, а преобразователи работают лучше при нагреве. Некоторые из ведущих экологических автомобильных экспертов придумали новую систему, которая помогает бороться с этим. Они вводят мочевину раствор в выхлопной трубе, прежде чем он попадет в нейтрализатор, испарится и смешается с выхлопными газами и создаст химическую реакцию, которая уменьшит выбросы NOx. Мочевина, также известная как карбамид , представляет собой органическое соединение, состоящее из углерода, азота, кислорода и водорода. Он содержится в моче млекопитающих и амфибий. Мочевина вступает в реакцию с NOx с образованием азота и водяного пара, удаляя более 90 процентов оксидов азота с выхлопными газами [источник:Innovations Report].
Кража каталитического нейтрализатораПо всей стране внедорожники и грузовики становятся мишенью для оппортунистов, стремящихся нажиться на ценных драгоценных металлах, используемых внутри каталитических нейтрализаторов. Стандартный каталитический нейтрализатор содержит платину, палладий и родий на несколько сотен долларов. Дорожный просвет на грузовиках и внедорожниках облегчает доступ к преобразователям, поэтому все, что нужно вору, — это сабельная пила и около 60 секунд. За этой тенденцией следит полиция во многих частях страны, где такие кражи были проблемой. Полиция предупреждает водителей внедорожников и грузовиков, чтобы они парковались в оживленных, хорошо освещенных местах.
Первоначально опубликовано:8 ноября 2000 г.
Как работают угольные катки
Как работает переработка нефти?
Что такое каталитический нейтрализатор и как он работает?
Как работают гидротрансформаторы
Как работают автомобили