Tässä blogikirjoituksessa selitämme katalysaattorin roolin ja keskeiset tekijät, joka puhdistaa tehokkaasti pakokaasuja bensiinikäyttöisissä ajoneuvoissa.
Kylmyys on väistymässä ja kevään henki vahvistuu vähitellen. Vaikka kevät yhdistetään yleensä positiivisiin mielikuviin uusien alkujen aikana, Etelä-Korea kohtaa ei-toivotun vieraan: keltaisen pölyn. Tällä kutsumattomalla vieraalla, joka häiritsee luonnon elinvoimaa ja lannistaa mielialaamme, on kauaskantoisia vaikutuksia, kuten kellertävänruskean ilmakehän pölyn lisääntyminen, hengityselinsairauksien ja silmäsairauksien puhkeaminen sekä vahingot teollisuudelle ja maataloudelle. On aivan luonnollista, että ihmiset kiinnittävät tarkempaa huomiota ja ovat kiinnostuneita ilmanlaadusta huhtikuun keltaisen pölyn aikana.
Vaikka kyseessä ei olekaan keltainen pöly, on olemassa tapaus, joka nosti tietoisuutta ympäristöongelmista samankaltaisessa yhteydessä. Yhdysvalloissa 1940-luvulla alkoi kirkkaina päivinä esiintyä savusumua – sumua muistuttavaa – aiheuttaen vakavaa haittaa, kuten silmien ärsytystä ja epämiellyttäviä hajuja. Tutkimukset paljastivat, että syynä olivat autojen päästämät typen oksidit ja hiilivedyt, mikä johti myöhemmin maailman ensimmäiseen autojen pakokaasusäännösten käyttöönottoon.
Autojen pakokaasuja syntyy, kun polttoainetta poltetaan moottorissa. Päästöstandardien täyttämiseksi joko syntyvien pakokaasujen määrä on minimoitava alusta alkaen tai pakokaasu on puhdistettava; tämä vaatii useita teknologioita. Pakokaasuista havaittuihin haitallisiin aineisiin kuuluvat hiilivedyt (HC), hiilimonoksidi (CO), typen oksidit (NOx) ja hiukkaset (PM). Koska kunkin epäpuhtauden aiheuttajat ja puhdistusmenetelmät vaihtelevat, ajoneuvot on varustettu erilaisilla puhdistuslaitteilla, jotka on räätälöity niiden erityistarkoituksiin.
Tässä artikkelissa tarkastelemme katalysaattoria – bensiinikäyttöisten ajoneuvojen keskeistä komponenttia – autojen pakokaasujen puhdistamiseen käytettyjen eri tekniikoiden joukossa.
Katalysaattori on laite, joka puhdistaa moottorin pakokaasuista haitallisia ainesosia ennen kuin ne kulkevat pakoputken läpi ilmakehään. Se käyttää katalyytin muuntaakseen pakokaasujen haitalliset aineet vaarattomiksi; tässä tapauksessa katalyytti toimii kuin astinlauta, joka auttaa ihmistä ylittämään esteen ja luo kemiallisille reaktioille suotuisan ympäristön.
Useimmat bensiinimoottorit on varustettu kolmitiekatalysaattorilla. Kuten nimestä voi päätellä, kolmitiekatalysaattori puhdistaa kolme haitallista ainetta: hiilimonoksidia, hiilivetyjä ja typen oksideja. Nämä aineet muuttuvat vaarattomiksi aineiksi hapettumis- tai pelkistysreaktioiden kautta katalyytin pinnalla; hapettuminen viittaa reaktioon, jossa aine yhdistyy hapen kanssa, kun taas pelkistys viittaa reaktioon, jossa aine erottuu hapesta. Siksi hapettumisreaktiot tapahtuvat todennäköisemmin, kun happea on runsaasti, ja pelkistysreaktiot todennäköisemmin, kun happea on vähän.
Ongelmana on, että sekä hapetus- että pelkistysreaktiot ovat välttämättömiä kaikkien näiden kolmen haitallisen aineen puhdistamiseksi. Mikä on siis sopiva happipitoisuus pakokaasussa?
Pakokaasun happipitoisuus liittyy läheisesti moottorin sisällä vallitseviin ilman olosuhteisiin palamisen aikana. Kun ilman happi yhtyy polttoaineeseen palamista varten ja happea on liikaa polttoaineeseen nähden, sitoutumaton happi vapautuu yksinkertaisesti pakokaasuna. Tämä voidaan selittää ilman ja polttoaineen massasuhteella eli moottorin polttoaine-ilma-suhteella. Polttoaine-ilma-suhteen säätämiseksi moottoriin syötettävän polttoaineen määrää on säädettävä, ja bensiinimoottorissa polttoaineen syöttö on verrannollinen ajoneuvon vaatimaan vääntömomenttiin.
Vertailun vuoksi ajoneuvon vääntömomenttia voidaan pitää voimana, joka käyttää pyöriä. Riippumatta siitä, kuinka nopeasti pyörät pyörivät, jos vääntömomenttia ei ole riittävästi, ajoneuvolla on vaikeuksia kiivetä ylämäkeen. Kuljettaja vaihtaa vaihdetta ajo-olosuhteiden mukaan, ja vääntömomentti muuttuu vastaavasti. Kun syötetään tietty määrä polttoainetta, joka vastaa tiettyä vääntömomenttia, määritetään myös polttoaineen täydelliseen palamiseen tarvittavan ilman määrä; tätä kutsutaan stoikiometriseksi polttoaine-ilmasuhteeksi. Stökiometrinen polttoaine-ilmasuhde viittaa optimaaliseen ilman määrään – ei liikaa eikä liian vähän suhteessa polttoaineeseen. Jotta sekä hapetus- että pelkistysreaktiot tapahtuisivat, ilmansyöttö pyritään tyypillisesti pitämään lähellä stoikiometristä polttoaine-ilmasuhdetta.
Toinen tärkeä puhdistustehoon vaikuttava muuttuja on katalysaattorin lämpötila.
Katalysaattorin suorituskyky on erittäin herkkä lämpötilalle; lämpötilan noustessa konversiotehokkuus kasvaa jyrkästi tietyn pisteen jälkeen. Yleensä sen on saavutettava tietty lämpötila (jota yleisesti kutsutaan "sammutuslämpötilaksi") toimiakseen oikein. Jos lämpötila on tätä alhaisempi, hyötysuhde laskee, mikä johtaa suuriin haitallisten aineiden päästöihin. Tästä syystä moottorin käynnistäminen välittömästi ennen sen lämpenemistä johtaa suurempiin haitallisten aineiden päästöihin pakokaasussa. Lisäksi, vaikka lämpötila olisi korkea ja hyötysuhde hyvä, vaikutus on rajallinen, jos käynnistyshetkellä on jo päästetty merkittävä määrä saasteita. Tämän vuoksi käytetään erilaisia tekniikoita katalyytin lämpötilan nostamiseksi nopeasti haluttuun lämpötilaan. Kun lämpötilaehdot täyttyvät, katalysaattori voi saavuttaa yli 95 %:n puhdistustehokkuuden, mikä on varsin merkittävää.
Tähän mennessä olemme tutkineet bensiinikäyttöisissä ajoneuvoissa käytettävien katalysaattoreiden suorituskykyä happipitoisuuden ja lämpötilan suhteen. Vaikka useimmat auton ostajat eivät kiinnitä paljon huomiota pakokaasupäästöjen tekniikkaan, näiden päästöjen puhdistamiseen käytetään paljon teknistä tietoa ja teknologiaa. Lisäksi, jopa pelkästään katalysaattoria tarkasteltaessa on voitettavana monia teknisiä haasteita, ja ympäristösäännösten tiukentuessa tulevaisuudessa todennäköisesti otetaan käyttöön edistyneempiä teknologioita. Ehkä tulevaisuudessa voimme jopa odottaa laitteita, jotka ylittävät nykyisen 95 prosentin puhdistustehokkuuden itse ilman puhdistamisessa.
