Er zijn miljoenen auto's op de weg in de Verenigde Staten, en elke auto is 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, creëren steden, staten en de federale overheid wetten voor schone lucht die de hoeveelheid vervuiling die auto's kunnen produceren, beperken. In de loop der jaren hebben autofabrikanten veel verbeteringen aangebracht aan automotoren en brandstofsystemen om aan deze wetten te voldoen. Een van deze veranderingen kwam tot stand in 1975 met een interessant apparaat genaamd een 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 hun impact is. In dit artikel leert u welke verontreinigende stoffen door een motor worden geproduceerd en hoe een katalysator omgaat met elk van deze verontreinigende stoffen om de uitstoot van voertuigen te helpen verminderen.
InhoudOm de uitstoot te verminderen, controleren moderne automotoren zorgvuldig de hoeveelheid brandstof die ze verbranden. Ze proberen de lucht-brandstofverhouding zeer dicht bij de stoichiometrische . te houden punt, de ideale verhouding 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 namelijk nogal af van de ideale verhouding. Soms kan het mengsel mager zijn (een lucht-brandstofverhouding hoger dan 14,7), en soms kan het mengsel rijk zijn (een lucht-brandstofverhouding lager dan 14,7).
De belangrijkste emissies van een automotor zijn:
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, komen er ook kleinere hoeveelheden meer schadelijke uitstoot vrij in automotoren. Katalysatoren zijn ontworpen om ze alle drie te verminderen:
In het volgende gedeelte bekijken we wat er precies in de katalysator gebeurt.
Zijn grasmaaiers de volgende?Gallon voor gallon, nieuwe grasmaaiermotoren dragen 93 keer meer smogvormende uitstoot bij dan nieuwe auto's. Het is geen wonder dat de EPA en de staatstoezichthouders van Californië hun best doen om katalysatoren ter grootte van een golfbal in grasmaaiers 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 regelgeving zou leiden tot een onveilig product dat te veel warmte afgeeft. Vier kleinere fabrikanten van grasmaaiermotoren hebben deze beschuldiging weerlegd. Briggs &Stratton stelt ook dat de oververhitting bosbranden kan veroorzaken als de maaiers blijven draaien en stil blijven staan. Californische democraten en de EPA denken dat het meer te maken heeft met de bottom line. In afwachting van regelgeving voorgesteld in Californië zou de uitstoot kunnen verminderen met het equivalent van 800.000 auto's per dag [bron:Barringer].
In de chemie, een katalysator is een stof die een chemische reactie veroorzaakt of versnelt zonder zelf te worden aangetast. Katalysatoren nemen deel aan de reacties, maar zijn geen reactanten of producten van de reactie die ze katalyseren. In het menselijk lichaam zijn enzymen natuurlijk voorkomende katalysatoren die verantwoordelijk zijn voor veel essentiële biochemische reacties [bron:Chemicool].
In de katalysator zijn twee verschillende soorten katalysatoren aan het werk, een reductiekatalysator en een oxidatiekatalysator . Beide typen bestaan uit een keramische structuur gecoat met een metaalkatalysator, 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. Sommige 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 verontreinigende stoffen vermindert, tot 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 reductiekatalysator is de eerste trap van de katalysator. Het maakt gebruik van platina en rhodium om de NOx-emissies 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, waardoor N2 wordt gevormd. Bijvoorbeeld:
2NO => N 2 + O 2 of 2NEE 2 => N 2 + 2O 2
De oxidatiekatalysator is de tweede trap van de katalysator. Het reduceert de onverbrande koolwaterstoffen en koolmonoxide door ze te verbranden (oxideren) boven een platina- en palladiumkatalysator. Deze katalysator bevordert de reactie van de 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 het volgende gedeelte zullen we kijken naar de derde fase van het conversieproces en hoe u het meeste uit uw katalysator kunt halen.
De derde conversiefase is een controlesysteem dat de uitlaatstroom bewaakt en deze informatie gebruikt om het brandstofinjectiesysteem te regelen. Er is een zuurstofsensor stroomopwaarts van de katalysator gemonteerd, wat betekent dat deze zich dichter bij de motor bevindt dan 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. Dit regelschema stelt de motorcomputer in staat om ervoor te zorgen dat de motor dicht bij het stoichiometrische punt draait, en ook om ervoor te zorgen dat er voldoende zuurstof in de uitlaat is om de oxidatiekatalysator de onverbrande koolwaterstoffen en CO te laten verbranden.
De katalysator doet geweldig 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 hetere uitlaatgassen de omvormer bereiken en deze sneller opwarmen, maar dit kan ook de levensduur van de omvormer verkorten door deze aan extreem hoge temperaturen bloot te stellen. De meeste autofabrikanten plaatsen de converter onder de passagiersstoel voorin, ver genoeg van de motor om de temperatuur laag te houden tot een niveau dat de motor niet schaadt.
Voorverwarmen de katalysator is een goede manier om de uitstoot te verminderen. De eenvoudigste manier om de omvormer voor te verwarmen, is door elektrische weerstandsverwarmers te gebruiken. Helaas leveren de 12 volt elektrische systemen van de meeste auto's niet genoeg energie of vermogen om de katalysator snel genoeg te verwarmen. De meeste mensen zouden niet enkele minuten wachten tot 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 dieselmotoren werken niet zo goed bij het verminderen van NOx. Een van de redenen is dat dieselmotoren koeler lopen dan standaardmotoren en dat de omvormers beter werken 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 het bij de converter komt, om te verdampen en te mengen met de uitlaat en een chemische reactie te creëren die NOx zal verminderen. Ureum, ook bekend als carbamide , is een organische verbinding gemaakt van koolstof, stikstof, zuurstof en waterstof. Het wordt gevonden in de urine van zoogdieren en amfibieën. Ureum reageert met NOx om stikstof en waterdamp te produceren, waarbij meer dan 90 procent van de stikstofoxiden in uitlaatgassen wordt verwijderd [bron:Innovations Report].
Diefstal van katalysatorenOveral 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 enkele 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 reciprozaag en ongeveer 60 seconden. Deze trend houdt de politie op de uitkijk in veel delen van het land waar dit soort diefstal een probleem is geweest. De politie waarschuwt SUV- en vrachtwagenchauffeurs om in drukke, goed verlichte gebieden te parkeren.
Oorspronkelijk gepubliceerd:8 november 2000
