В тази публикация в блога ще обясним ролята и ключовите фактори на каталитичния конвертор, който ефективно пречиства отработените газове в превозни средства, задвижвани с бензин.
Студът отстъпва и духът на пролетта постепенно се засилва. Докато пролетта обикновено се свързва с положителни образи като време на ново начало, Южна Корея е изправена пред нежелан посетител: жълт прах. Този неканен гост, който нарушава жизнената енергия на природата и смущава духа ни, има дълготрайни последици, включително увеличаване на жълтеникаво-кафявия атмосферен прах, появата на респираторни и очни заболявания и щети за промишлеността и селското стопанство. Съвсем естествено е хората да обръщат по-голямо внимание и да се интересуват от качеството на въздуха по време на сезона на жълтия прах през април.
Въпреки че не става дума за жълт прах, има случай, който е повишил осведомеността относно екологичните проблеми в подобен контекст. През 1940-те години на миналия век в Съединените щати смог – наподобяващ мъгла – започва да се появява в ясни дни, причинявайки сериозни вреди, като дразнене на очите и неприятни миризми. Разследванията разкриват, че причината са азотните оксиди и въглеводородите, отделяни от автомобилите, което впоследствие води до първото в света въвеждане на разпоредби за автомобилните отработени газове.
Автомобилните отработени газове се произвеждат при изгарянето на гориво в двигателя. За да се спазят стандартите за емисии, количеството на генерираните отработени газове трябва да бъде сведено до минимум от самото начало или отработените газове трябва да бъдат пречистени; това изисква разнообразни технологии. Вредните вещества, открити в отработените газове, включват въглеводороди (HC), въглероден оксид (CO), азотни оксиди (NOx) и твърди частици (PM). Тъй като причините за всеки замърсител и методите за пречистването им варират, превозните средства са оборудвани с различни пречиствателни устройства, съобразени със специфичните им цели.
В тази статия ще разгледаме каталитичния конвертор – ключов компонент в превозните средства, задвижвани с бензин – сред различните технологии, използвани за пречистване на автомобилните отработени газове.
Каталитичният конвертор е устройство, което пречиства вредните компоненти от отработените газове, отделяни от двигателя, преди те да преминат през изпускателната тръба и да бъдат освободени в атмосферата. Той използва катализатор, за да преобразува вредните вещества в отработените газове в безвредни; тук катализаторът действа като стъпка, която помага на човек да преодолее препятствие, създавайки среда, благоприятна за химични реакции.
Повечето бензинови двигатели са оборудвани с трипътен каталитичен конвертор. Както подсказва името, трипътният каталитичен конвертор пречиства три вредни вещества: въглероден оксид, въглеводороди и азотни оксиди. Тези вещества се превръщат в безвредни чрез окислителни или редукционни реакции на повърхността на катализатора; окислението се отнася до реакция, при която веществото се свързва с кислород, докато редукцията се отнася до реакция, при която веществото се отделя от кислорода. Следователно, окислителните реакции са по-вероятни, когато има много кислород, а редукционните реакции са по-вероятни, когато има малко кислород.
Проблемът е, че както окислителните, така и редукционните реакции са необходими за пречистването на тези три вредни вещества. И така, какво е подходящото ниво на кислород в отработените газове?
Съдържанието на кислород в отработените газове е тясно свързано с условията на въздуха по време на горенето в двигателя. Когато кислородът във въздуха се комбинира с горивото, за да гори, ако има твърде много кислород спрямо горивото, несвързаният кислород просто се отделя като отработени газове. Това може да се обясни със съотношението маса въздух-гориво – т.е. съотношението въздух-гориво на двигателя. За да се контролира съотношението въздух-гориво, количеството гориво, подавано към двигателя, трябва да се регулира, а при бензинов двигател подаването на гориво е пропорционално на въртящия момент, необходим на превозното средство.
За справка, въртящият момент на превозното средство може да се разглежда като силата, която задвижва колелата. Без значение колко бързо се въртят колелата, ако няма достатъчно въртящ момент, превозното средство ще се затрудни да изкачи наклон. Шофьорът превключва предавките в зависимост от условията на шофиране и въртящият момент се променя съответно. Когато се подава определено количество гориво, съответстващо на определен въртящ момент, се определя и количеството въздух, необходимо за пълното изгаряне на това гориво; това се нарича стехиометрично съотношение въздух-гориво. Стехиометричното съотношение въздух-гориво се отнася до оптималното количество въздух - нито твърде много, нито твърде малко спрямо горивото. За да се гарантира протичането както на окислителни, така и на редукционни реакции, подаването на въздух обикновено се насочва към стойност, близка до стехиометричното съотношение въздух-гориво.
Друга важна променлива, влияеща върху ефективността на пречистване, е температурата на каталитичния конвертор.
Производителността на каталитичния конвертор е силно чувствителна към температурата; с повишаване на температурата ефективността на преобразуването се увеличава рязко след определена точка. Обикновено той трябва да достигне определена температура (обикновено наричана „температура на изключване“), за да функционира правилно; ако температурата е по-ниска от това, ефективността спада, което води до високи емисии на вредни вещества. Ето защо стартирането на двигателя непосредствено преди да се е загрял води до по-високи емисии на вредни вещества в отработените газове. Освен това, дори ако температурата е висока и ефективността е добра, ефектът е ограничен, ако по време на стартирането вече е отделено значително количество замърсяване. Следователно, се прилагат различни технологии за бързо повишаване на катализатора до желаната температура. След като температурните условия са изпълнени, каталитичният конвертор може да постигне ефективност на пречистване над 95%, което е доста забележително.
Досега разгледахме работата на каталитичните конвертори, използвани в превозни средства с бензинов двигател, по отношение на съдържанието на кислород и температурата. Въпреки че повечето купувачи на автомобили не обръщат много внимание на технологията за емисиите на отработени газове, за пречистването на тези емисии се прилагат големи инженерни знания и технологии. Освен това, дори когато се разглежда само каталитичният конвертор, има много технически предизвикателства, които трябва да бъдат преодолени, и тъй като екологичните разпоредби продължават да се затягат, в бъдеще вероятно ще бъдат въведени по-модерни технологии. Може би в бъдеще дори можем да очакваме устройства, които надхвърлят сегашните 95% ефективност на пречистване, за да пречистят самия въздух.
