Funktionsweise von Katalysatoren

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Ein großer Haufen platinbeschichteter Katalysatoren. Sehen Sie mehr grüne lebende Bilder. James L. Amos / National Geographic / Getty Images

In den Vereinigten Staaten sind Millionen von Autos unterwegs, und jedes ist eine Quelle der Luftverschmutzung. Insbesondere in Großstädten kann die Verschmutzung, die alle Autos zusammen verursachen, große Probleme verursachen.

Um diese Probleme zu lösen, schaffen Städte, Bundesländer und die Bundesregierung Gesetze für saubere Luft, die die Menge an Verschmutzung, die Autos produzieren können, begrenzen. Im Laufe der Jahre haben die Autohersteller viele Verbesserungen an Automotoren und Kraftstoffsystemen vorgenommen, um mit diesen Gesetzen Schritt zu halten. Eine dieser Änderungen erfolgte 1975 mit einem interessanten Gerät namens a Katalysator. Die Aufgabe des Katalysators besteht darin, schädliche Schadstoffe in weniger schädliche Emissionen umzuwandeln, bevor sie jemals die Abgasanlage des Autos verlassen.

Katalysatoren sind erstaunlich einfache Geräte, daher ist es unglaublich zu sehen, wie groß ihre Auswirkungen sind. In diesem Artikel erfahren Sie, welche Schadstoffe von einem Motor erzeugt werden und wie ein Katalysator mit jedem dieser Schadstoffe umgeht, um die Fahrzeugemissionen zu reduzieren.

Inhalt
  1. Von einem Automotor erzeugte Schadstoffe
  2. Wie Katalysatoren die Umweltverschmutzung reduzieren
  3. Kontrolle der Umweltverschmutzung und Verbesserung der Leistung
Der Standort eines Katalysators in einem Auto.

Um die Emissionen zu reduzieren, kontrollieren moderne Automotoren sorgfältig die Menge an Kraftstoff, die sie verbrennen. Sie versuchen, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis sehr nahe am zu halten stöchiometrisch Punkt, der das ideale Verhältnis von Luft zu Kraftstoff ist. Theoretisch wird bei diesem Verhältnis der gesamte Kraftstoff unter Verwendung des gesamten Luftsauerstoffs verbrannt. Für Benzin beträgt das stöchiometrische Verhältnis etwa 14,7: 1, was bedeutet, dass für jedes Pfund Benzin 14,7 Pfund Luft verbrannt werden. Das Kraftstoffgemisch weicht während der Fahrt tatsächlich erheblich vom idealen Verhältnis ab. Manchmal kann die Mischung sein lehnen (ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis höher als 14,7), und zu anderen Zeiten kann das Gemisch sein Reich (ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis von weniger als 14,7).

Die Hauptemissionen eines Automotors sind:

  • Stickstoffgas (N2) - Luft besteht zu 78 Prozent aus Stickstoffgas, und das meiste davon strömt direkt durch den Automotor.
  • Kohlendioxid (CO2) - Dies ist ein Produkt der Verbrennung. Der Kohlenstoff im Kraftstoff verbindet sich mit dem Luftsauerstoff.
  • Wasserdampf (H2O) - Dies ist ein weiteres Verbrennungsprodukt. Der Wasserstoff im Kraftstoff verbindet sich mit dem Luftsauerstoff.

Diese Emissionen sind größtenteils harmlos, obwohl angenommen wird, dass Kohlendioxidemissionen zur globalen Erwärmung beitragen. Da der Verbrennungsprozess niemals perfekt ist, werden auch in Automotoren kleinere Mengen schädlicherer Emissionen erzeugt. Katalysatoren sollen alle drei reduzieren:

  • Kohlenmonoxid (CO) ist ein giftiges Gas, das farblos und geruchlos ist.
  • Kohlenwasserstoffe oder flüchtige organische Verbindungen (VOCs) sind ein Hauptbestandteil von Smog, der hauptsächlich aus verdampftem, unverbranntem Kraftstoff hergestellt wird.
  • Stickoxide (NO und NO2, zusammen NOx genannt) tragen zu Smog und saurem Regen bei, der auch die menschlichen Schleimhäute reizt.

Im nächsten Abschnitt werden wir uns genau ansehen, was im Inneren des Katalysators vor sich geht.

Sind Rasenmäher als nächstes?

Gallonen für Gallonen verursachen neue Rasenmähermotoren 93-mal mehr smogbildende Emissionen als Neuwagen. Es ist kein Wunder, dass die EPA und die staatlichen Aufsichtsbehörden von Kalifornien sich bemühen, Katalysatoren in Golfballgröße in Rasenmäher und andere kleine Motoren zu integrieren. Genau wie in den 1970er Jahren wird der Gesetzgeber jedoch mit einer mächtigen Lobby konfrontiert. Briggs & Stratton, der führende Hersteller von Kleinmotoren, sagt, dass diese Vorschriften zu einem unsicheren Produkt führen würden, das zu viel Wärme abgibt. Vier kleinere Hersteller von Rasenmähermotoren haben diese Anschuldigung widerlegt. Briggs & Stratton macht außerdem geltend, dass die Überhitzung zu Bürstenbränden führen könnte, wenn die Mäher laufen und still sitzen. Die kalifornischen Demokraten und die EPA glauben, dass dies mehr mit dem Endergebnis zu tun hat. In Kalifornien vorgeschlagene ausstehende Vorschriften könnten die Emissionen um umgerechnet 800.000 Autos pro Tag senken [Quelle: Barringer].

In der Chemie a Katalysator ist eine Substanz, die eine chemische Reaktion verursacht oder beschleunigt, ohne selbst beeinflusst zu werden. Katalysatoren sind an den Reaktionen beteiligt, aber weder Reaktanten noch Produkte der Reaktion, die sie katalysieren. Im menschlichen Körper sind Enzyme natürlich vorkommende Katalysatoren, die für viele wesentliche biochemische Reaktionen verantwortlich sind [Quelle: Chemicool].

Im Katalysator arbeiten zwei verschiedene Arten von Katalysatoren: a Reduktionskatalysator und ein Oxidationskatalysator. Beide Typen bestehen aus einer Keramikstruktur, die mit einem Metallkatalysator beschichtet ist, üblicherweise Platin, Rhodium und / oder Palladium. Die Idee ist, eine Struktur zu schaffen, die die maximale Oberfläche des Katalysators dem Abgasstrom aussetzt und gleichzeitig die erforderliche Katalysatormenge minimiert, da die Materialien extrem teuer sind. Einige der neuesten Konverter haben sogar begonnen, Gold zu verwenden, das mit den traditionelleren Katalysatoren gemischt ist. Gold ist billiger als die anderen Materialien und könnte die Oxidation, die chemische Reaktion, die Schadstoffe reduziert, um bis zu 40 Prozent erhöhen [Quelle: Kanellos].

Die meisten modernen Autos sind mit ausgestattet Dreiwegekatalysatoren. Dies bezieht sich auf die drei regulierten Emissionen, die zur Reduzierung beitragen.

-Das Reduktionskatalysator ist die erste Stufe des Katalysators. Es verwendet Platin und Rhodium, um die NOx-Emissionen zu reduzieren. Wenn ein NO- oder NO2-Molekül den Katalysator berührt, reißt der Katalysator das Stickstoffatom aus dem Molekül heraus und hält es fest, wodurch der Sauerstoff in Form von O2 freigesetzt wird. Die Stickstoffatome verbinden sich mit anderen Stickstoffatomen, die ebenfalls am Katalysator haften, und bilden N2. Beispielsweise:

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

2NO => N.2 + Ö2 oder 2NO2 => N.2 + 2O2

Keramische Wabenkatalysatorstruktur.

Das Oxidationskatalysator ist die zweite Stufe des Katalysators. Es reduziert die unverbrannten Kohlenwasserstoffe und das Kohlenmonoxid, indem es sie an einem Platin- und Palladiumkatalysator verbrennt (oxidiert). Dieser Katalysator unterstützt die Reaktion des CO und der Kohlenwasserstoffe mit dem verbleibenden Sauerstoff im Abgas. Beispielsweise:

2CO + O.2 => 2CO2

Es gibt zwei Haupttypen von Strukturen, die in Katalysatoren verwendet werden -- Bienenwabe und Keramikperlen. Die meisten Autos verwenden heute eine Wabenstruktur.

Im nächsten Abschnitt sehen wir uns die dritte Stufe des Umwandlungsprozesses an und wie Sie Ihren Katalysator optimal nutzen können.

Die dritte Stufe der Umwandlung ist a Kontrollsystem das den Abgasstrom überwacht und diese Informationen verwendet, um das Kraftstoffeinspritzsystem zu steuern. Vor dem Katalysator befindet sich ein Sauerstoffsensor, der näher am Motor als am Wandler liegt. Dieser Sensor teilt dem Motorcomputer mit, wie viel Sauerstoff sich im Abgas befindet. Der Motorcomputer kann die Sauerstoffmenge im Abgas durch Einstellen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses erhöhen oder verringern. Dieses Steuerungsschema ermöglicht es dem Motorcomputer, sicherzustellen, dass der Motor nahe am stöchiometrischen Punkt läuft, und auch sicherzustellen, dass sich genügend Sauerstoff im Abgas befindet, damit der Oxidationskatalysator die unverbrannten Kohlenwasserstoffe und das CO verbrennen kann.

Der Katalysator leistet hervorragende Arbeit bei der Reduzierung der Umweltverschmutzung, kann jedoch noch erheblich verbessert werden. Einer der größten Mängel ist, dass es nur bei einer ziemlich hohen Temperatur arbeitet. Wenn Sie Ihr Auto kalt starten, trägt der Katalysator fast nichts dazu bei, die Verschmutzung Ihres Abgases zu verringern.

Eine einfache Lösung für dieses Problem besteht darin, den Katalysator näher an den Motor heranzuführen. Dies bedeutet, dass heißere Abgase den Konverter erreichen und sich schneller erwärmen. Dies kann jedoch auch die Lebensdauer des Konverters verkürzen, indem er extrem hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Die meisten Autohersteller positionieren den Konverter unter dem Beifahrersitz, weit genug vom Motor entfernt, um die Temperatur auf einem Niveau zu halten, das ihn nicht schädigt.

Vorheizen Der Katalysator ist ein guter Weg, um Emissionen zu reduzieren. Der Konverter lässt sich am einfachsten mit elektrischen Widerstandsheizungen vorheizen. Leider liefern die 12-Volt-Elektrosysteme der meisten Autos nicht genug Energie oder Leistung, um den Katalysator schnell genug zu heizen. Die meisten Menschen würden nicht einige Minuten warten, bis sich der Katalysator erwärmt hat, bevor sie ihr Auto starten. Hybridautos mit großen Hochvolt-Akkus können genug Strom liefern, um den Katalysator sehr schnell aufzuheizen.

Katalysatoren in Dieselmotoren funktionieren nicht so gut bei der Reduzierung von NOx. Ein Grund dafür ist, dass Dieselmotoren kühler laufen als Standardmotoren und die Wandler beim Aufheizen besser funktionieren. Einige der führenden Experten für Umweltautos haben ein neues System entwickelt, mit dem dies bekämpft werden kann. Sie spritzen a Harnstoff Lösung im Abgasrohr, bevor es zum Konverter gelangt, um zu verdampfen und sich mit dem Abgas zu vermischen und eine chemische Reaktion zu erzeugen, die NOx reduziert. Harnstoff, auch bekannt als Carbamid, ist eine organische Verbindung aus Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff. Es kommt im Urin von Säugetieren und Amphibien vor. Harnstoff reagiert mit NOx unter Bildung von Stickstoff und Wasserdampf und entsorgt mehr als 90 Prozent der Stickoxide in Abgasen [Quelle: Innovations Report].

Diebstahl von Katalysatoren

-Überall im Land werden SUVs und LKWs zu Zielen für Opportunisten, die von den wertvollen Edelmetallen in Katalysatoren profitieren möchten. Ein Standardkatalysator enthält Platin, Palladium und Rhodium im Wert von mehreren hundert Dollar. Die Bodenfreiheit bei LKWs und SUVs ermöglicht einen einfachen Zugang zu den Konvertern. Ein Dieb benötigt also nur eine Säbelsäge und etwa 60 Sekunden. Dieser Trend hat die Polizei in vielen Teilen des Landes auf der Hut, wo diese Art von Diebstahl ein Problem war. Die Polizei warnt SUV- und LKW-Fahrer, in belebten, gut beleuchteten Bereichen zu parken.

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Weitere großartige Links

  • MisterFixIt.com: Verstopfter Katalysator?
  • Stickstoff in der Luft

Quellen

  • Barringer, Felicity; Ein umweltfreundlicherer Weg, das Gras zu schneiden, läuft einer mächtigen Lobby zuwider. New York Times
  • Kanellos, Michael; Gold für Dieselmotoren. CNET News.com
  • www.chemicool.com
  • www.innovations-report.com



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