В США на дорогах миллионы автомобилей, и каждый из них является источником загрязнения воздуха. Особенно в больших городах количество загрязнения, которое 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 вредных выбросов, которые 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 интересным устройством под названиемкаталитический нейтрализатор Задача каталитического нейтрализатора состоит в том, чтобы преобразовывать вредные загрязняющие вещества в менее вредные выбросы, прежде чем они покинут выхлопную систему автомобиля.
Каталитические нейтрализаторы - удивительно простые устройства, поэтому невероятно видеть, 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, чтобы помочь уменьшить выбросы автомобиля..
Загрязняющие вещества, выделяемые двигателем автомобиля
Для снижения выбросов современные автомобильные двигатели тщательно контролируют количество сжигаемого топлива. Они стараются поддерживать соотношение воздуха и топлива очень близко кстехиометрическойточке, 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 бытьбедная(соотношение воздух-топливо выше 14,7), а в других случаях смесь может бытьбогатая (воздух -коэффициент расхода топлива ниже 14,7).
Основные выбросы автомобильного двигателя:
- Азот (N2) - воздух на 78 процентов состоит из газообразного азота, большая часть которого проходит прямо через двигатель автомобиля.
- Углекислый газ (CO2) - это один из продуктов сгорания. Углерод в топливе связывается с кислородом воздуха.
- Водяной пар (H2O) - это еще один продукт горения. Водород в топливе связывается с кислородом воздуха.
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:
- Угарный газ (CO) - ядовитый газ, не имеющий цвета и запаха.
- Углеводородыилилетучие органические соединения (ЛОС) являются основным компонентом смога, образующегося в основном из испаряющегося, несгоревшего.топлива.
- Окиси азота (NO и NO2, вместе называемые NOx) способствуют образованию смога и кислотных дождей, которые также вызывают раздражение слизистых оболочек человека.
В следующем разделе мы рассмотрим, что именно происходит внутри каталитического нейтрализатора.
На очереди газонокосилки?
Галлон за галлоном, новые двигатели газонокосилок производят 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.
Как каталитические нейтрализаторы уменьшают загрязнение окружающей среды
В химиикатализатор - это вещество, которое вызывает или ускоряет химическую реакцию, не оказывая на него влияния. 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.
В каталитическом нейтрализаторе работают два разных типа катализатора:восстановительный катализаторикатализатор окисления Оба типа состоят керамической структуры, покрытой металлическим катализатором, обычно платиной, родием и/или палладием. Идея состоит в том, чтобы создать структуру, которая выставляет максимальную площадь поверхности катализатора потоку выхлопных газов, 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.
Большинство современных автомобилей оснащенытрехкомпонентными каталитическими нейтрализаторами. Это относится к трем регулируемым выбросам, которые он помогает уменьшить.
Катализаторвосстановления 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:
2NO=>N2 + O2 или 2NO2=>N2 + 2O2
2NO=>N2+ O2или2NO2=>N2+ 2O2
Катализатор окисления- вторая ступень 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:
2CO + O2=>2CO2
В каталитических нейтрализаторах используются два основных типа структур -сотовые сотыикерамические шарики. В большинстве современных автомобилей используется сотовая структура.
В следующем разделе мы рассмотрим третий этап процесса конверсии и то, как вы можете получить максимальную отдачу от своего каталитического нейтрализатора.
Контроль загрязнения и повышение производительности
Третий этап преобразования - этосистема управления, которая 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 можно существенно улучшить. Одним из его самых больших недостатков является то, что он работает только при довольно высокой температуре. Когда вы заводите 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 снизить 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 будут 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 вдизельных двигателяхне работают так же эффективно в снижении выбросов 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 впрыскивают раствормочевиныв выхлопную трубу, прежде чем он попадет в нейтрализатор, чтобы испариться и смешаться с выхлопом и создать химическую реакцию, которая уменьшит выбросы NOx. Мочевина, также известная каккарбамид, представляет собой органическое соединение, состоящее из углерода, азота, кислорода и водорода. Он содержится в моче млекопитающих и амфибий. Мочевина реагирует с NOx с образованием азота и водяного пара, удаляя более 90 процентов оксидов азота с выхлопными газами.
Кража каталитического нейтрализатора
По 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 парковаться в оживленных, хорошо освещенных местах.
Часто задаваемые вопросы по катализатору
Что такое каталитический нейтрализатор?
Задачей каталитического нейтрализатора является преобразование вредных загрязнителей в менее вредные выбросы до того, как они покинут выхлопную систему автомобиля.
У всех ли автомобилей есть каталитический нейтрализатор?
Да. Большинство современных автомобилей оснащены трехкомпонентными каталитическими нейтрализаторами. Это относится к трем регулируемым выбросам, которые он помогает уменьшить.
Сколько стоит починить катализатор?
По данным Car Brain, починка каталитического нейтрализатора стоит от 945 до 2 475 долларов.
Что такого ценного в катализаторе?
Стандартный каталитический нейтрализатор содержит платину, палладий и родий на несколько сотен долларов.
У каких автомобилей угоняют катализаторы?
Внедорожники и грузовики становятся мишенью для оппортунистов, стремящихся нажиться на ценных драгоценных металлах, используемых внутри каталитических нейтрализаторов. Дорожный просвет на грузовиках и внедорожниках облегчает доступ к преобразователям, поэтому все, что нужно вору, - это сабельная пила и около 60 секунд.