По дорогам Соединенных Штатов ездят миллионы автомобилей, и каждый из них, является потенциальным источником загрязнения воздуха. Особенно в больших городах, объем загрязнения производимый всеми автомобилями может привести к серьезным проблемам.
Для того, чтобы решить эти проблемы, города, штаты и федеральное правительство, издают законы чистого воздуха. Многие из этих законов устанавливают ограничение на объем загрязнения, производимого автомобилями. Для того, чтобы соответствовать этим законам, производители автомобилей, изобрели много улучшений для двигателей и систем очистки для топливных систем. Для того, чтобы уменьшить распространение загрязнения, разработчики изобрели интересное устройство: каталитический конвертер, который обрабатывает выхлопной газ, удаляя большую часть загрязнения, прежде оно выходит из машины.
Место расположения каталитического конвертера в автомобиле
В этой статье мы узнаем, по какой причине в двигателе образуется загрязнения, и как каталитический конвертер справляется с этими загрязнениями. Каталитический конвертер это очень простой прибор, и кажется невероятным какой огромный эффект он производит!
Для того, чтобы уменьшить выброс газа, современные двигатели автомобилей контролируют объем сжигаемого ими горючего. Пытаясь поддерживать соотношения воздуха и топлива очень близким к стехиометрической точке, что считается идеальным соотношением воздуха и топлива. Теоретически, при таком соотношении все горючее будет сгорать, благодаря кислороду в воздухе. Стехиометрическое соотношение для бензина составляет 14.7:1, это значит что на каждый фунт бензина будет сожжено 14.7 фунтов воздуха. Во время вождения, смесь топлива обычно немного отличается от идеального соотношения. Иногда, смесь может быть бедной (соотношение воздуха и топлива, выше чем 14.7), а иногда смесь может быть обогащенной (соотношение воздуха и топлива ниже чем 14.7). Выхлопные газы двигателя автомобиля состоят из таких элементов как:
- Азот (N2) - Воздух составляет 78 процентов газа азота, и большая его часть проходит сквозь двигатель автомобиля.
- Диоксид углерода (СО2) - Это один из продуктов сгорания. Углерод в топливе смешивается с кислородом содержащимся в воздухе.
- Водяной пар (Н2О) - Это еще один из продукт сгорания. Водород в топливе смешивается с кислородом содержащимся в воздухе.
Обычно, выбросы этих газов не очень критичны (хотя как полагают, выделение диоксид углерода способствует глобальному потеплению.) Но по той причине, что процесс сгорания не является идеальным, некоторые малые объемы, более вредных выбросов производятся двигателями автомобилей:
- Окись углерода (СО) - ядовитый газ, без цвета и запаха
- Углеводороды или легкоиспаряющиеся органические соединения (VOCs) - происходящие в основном из не сгоревшего топлива и которые способствуют распаду солнечных лучей до формы оксидантов, которые вступают в реакцию с оксидами азота, что служит образованию озона (О3), основного компонента смога.
- Оксиды азот (NO и NO2, вместе называемые NOx) - способствует смогу и кислотным дождям, а также вызывает ирритацию слизистых оболочек человека
Это три основных регулируемых выброса. Каталитический конвертер предназначен для того, чтобы уменьшить эти выбросы.
Большинство современных автомобилей, оснащены трёхсторонними каталитическими конвертерами. "Трехсторонний" означает три регулируемых выброса, -- окись углерода, молекулы летучих органических соединений и молекулы NOx. В конвертерах используется два типа катализаторов. Катализатор понижения, и катализатор окисления. Оба типа катализаторов состоят из керамической структуры, облицованной металлическим катализатором, обычно это платина, родий и/или палладий. Идея состоит в том, чтобы создать структуру в которой, максимум площади поверхности катализатора, открыто для потока выхлопных газов, и в то же время сократить количество требуемого катализатора (по причине его высокой цены).
Трёхсторонний каталитический конвертер: Заметьте что есть два различных катализатора
Существует две основных структуры используемых в каталитических катализаторах - структура сот и керамическая кромка. Сегодня в большинстве автомобилей используется структура сот.
Структура керамического сотового катализатора
Катализатор понижения, является первой ступенью каталитического конвертера. В нем используется платина и родий для снижения выброса NOx. Когда молекулы NO или NO2 вступают в контакт с катализатором, то катализатор извлекает атомы азота из молекул и удерживает их, высвобождая кислород в форме O2. Атомы азота, связаны с другими атомами азота, которые также вступают в контакт с катализатором, образуя N2.
Катализатор окисления, является второй ступенью каталитического конвертера. Он снижает уровень несгоревших углеводородов и окись углерода, сжигая (окисляя) их с помощью платинового и палладиевого катализатора. Катализатор способствует реакции CO и углеводородов и сохраняя кислород, в выхлопном газе.
Например:
2CO + O2 => 2CO2
Но как там появляется кислород?
Третьей ступенью является система управления, которая следит за потоком выхлопных газов, и использует эту информацию для того, чтобы управлять системой впрыска топлива. Кислородный датчик установлен выше каталитического конвертера - что означает, что он расположен ближе к двигателю, нежели сам конвертер. Этот датчик сообщает компьютеру двигателя, сколько кислорода содержится в отработанном газе. Компьютер двигателя может добавить или уменьшить количество кислорода в отработанном газе, регулируя соотношения воздуха и топлива. Схема управления позволяет компьютеру двигателя обеспечить работу двигателя, как можно ближе к стехиометрической точке. И также проконтролировать, что в отработанном газе есть достаточное количество кислорода, чтобы позволить катализатору окисления, сжечь несгоревшие углеводороды и СО.
Каталитический конвертер, отлично справляется со своей работой, но он все еще может быть существенно усовершенствован. Одни из наибольших недостатков, заключается в том, что он может работать только в довольно высокой температуре. Когда вы заводите автомобиль и двигатель еще холодный, то каталитический конвертер практически ничего не делает, для того, чтобы уменьшить загрязнение в отработанном газе.
Простым решением, является смещение каталитического конвертера, ближе к двигателю. Это значит что к конвертеру, будет поступать более горячий выхлопной газ, и он будет быстрее разогреваться, но воздействие более высоких температур, также снижает долговечность конвертера. Большинство производителей автомобилей размещают конвертер под передним пассажирским сиденьем, достаточно далеко от двигателя, чтобы уровень температуры не навредил устройству.
Хороший способ уменьшить выбросы это предварительный нагрев каталитического конвертера. Самый простой способ предварительного подогрева, это использование обогревателей обладающих электрическим сопротивлением. К сожалению, 12-вольтные системы в большинстве автомобилей не обеспечивают достаточным количеством энергии, чтобы разогреть каталитический конвертер достаточно быстро. Большинство людей не стали бы ждать несколько минут, прежде чем завести автомобиль, с тем, чтобы нагрелся каталитический конвертер. Гибридные автомобили, в которых установлены большие батареи высокого напряжения и которые могут обеспечить достаточным количеством энергии, для того, чтобы разогреть каталитический конвертер очень быстро.
|
