U ovom blog postu objasnit ćemo ulogu i ključne čimbenike katalitičkog pretvarača, koji učinkovito pročišćava ispušne plinove u vozilima s benzinskim motorom.
Hladnoća se povlači, a duh proljeća postupno jača. Dok se proljeće općenito povezuje s pozitivnim slikama kao vrijeme novih početaka, Južna Koreja suočava se s neželjenim posjetiteljem: žutom prašinom. Ovaj nepozvani gost, koji remeti živahnu energiju prirode i uznemiruje naš duh, ima dalekosežne posljedice, uključujući povećanje žućkastosmeđe atmosferske prašine, pojavu respiratornih i očnih bolesti te štetu industriji i poljoprivredi. Sasvim je prirodno da ljudi obraćaju više pažnje i zanimaju se za kvalitetu zraka tijekom sezone žute prašine u travnju.
Iako se ne radi o žutoj prašini, postoji slučaj koji je podigao svijest o ekološkim problemima u sličnom kontekstu. U 1940-ima u Sjedinjenim Državama, smog - koji podsjeća na maglu - počeo se pojavljivati za vedrih dana, uzrokujući ozbiljne štete poput iritacije oka i neugodnih mirisa. Istrage su otkrile da su uzrok dušikovi oksidi i ugljikovodici koje ispuštaju automobili, što je potom dovelo do prve svjetske primjene propisa o ispušnim plinovima automobila.
Ispušni plinovi automobila nastaju sagorijevanjem goriva u motoru. Kako bi se zadovoljili standardi emisija, količina nastalih ispušnih plinova mora se od samog početka svesti na najmanju moguću mjeru ili se ispušni plinovi moraju pročistiti; to zahtijeva niz tehnologija. Štetne tvari otkrivene u ispušnim plinovima uključuju ugljikovodike (HC), ugljikov monoksid (CO), dušikove okside (NOx) i čestice (PM). Budući da se uzroci svake onečišćujuće tvari i metode njihovog pročišćavanja razlikuju, vozila su opremljena raznim uređajima za pročišćavanje prilagođenim njihovim specifičnim namjenama.
U ovom ćemo članku ispitati katalizator - ključnu komponentu u vozilima na benzinski pogon - među raznim tehnologijama koje se koriste za pročišćavanje ispušnih plinova automobila.
Katalitički pretvarač je uređaj koji pročišćava štetne komponente iz ispušnih plinova koje ispušta motor prije nego što prođu kroz ispušnu cijev i ispuste se u atmosferu. Koristi katalizator za pretvaranje štetnih tvari u ispušnim plinovima u bezopasne; ovdje katalizator djeluje poput odskočne daske koja pomaže osobi da preskoči prepreku, stvarajući okruženje pogodno za kemijske reakcije.
Većina benzinskih motora opremljena je trostrukim katalizatorom. Kao što i samo ime govori, trostruki katalizator pročišćava tri štetne tvari: ugljikov monoksid, ugljikovodike i dušikove okside. Ove se tvari pretvaraju u bezopasne tvari oksidacijskim ili redukcijskim reakcijama na površini katalizatora; oksidacija se odnosi na reakciju u kojoj se tvar spaja s kisikom, dok se redukcija odnosi na reakciju u kojoj se tvar odvaja od kisika. Stoga se oksidacijske reakcije vjerojatnije događaju kada ima puno kisika, a redukcijske reakcije kada ima malo kisika.
Problem je što su za pročišćavanje sve tri ove štetne tvari potrebne i reakcije oksidacije i redukcije. Dakle, koja je odgovarajuća razina kisika u ispušnim plinovima?
Sadržaj kisika u ispušnim plinovima usko je povezan s uvjetima zraka tijekom izgaranja unutar motora. Kada se kisik u zraku kombinira s gorivom i izgara, ako ima previše kisika u odnosu na gorivo, nesloženi kisik se jednostavno emitira kao ispušni plin. To se može objasniti masenim omjerom zraka i goriva, odnosno omjerom zraka i goriva u motoru. Za kontrolu omjera zraka i goriva, količina goriva koja se dovodi u motor mora se prilagoditi, a kod benzinskog motora dovod goriva proporcionalan je količini okretnog momenta koji je potreban vozilu.
Za referencu, okretni moment vozila može se shvatiti kao sila koja pokreće kotače. Bez obzira koliko se brzo kotači okreću, ako nema dovoljno okretnog momenta, vozilo će se teško penjati uzbrdo. Vozač mijenja brzine ovisno o uvjetima vožnje, a okretni moment se mijenja u skladu s tim. Kada se dovede određena količina goriva koja odgovara određenom okretnom momentu, određuje se i količina zraka potrebna za potpuno izgaranje tog goriva; to se naziva stehiometrijski omjer zraka i goriva. Stehiometrijski omjer zraka i goriva odnosi se na optimalnu količinu zraka - ni previše ni premalo u odnosu na gorivo. Kako bi se osiguralo odvijanje i oksidacijskih i redukcijskih reakcija, dovod zraka obično se usmjerava na vrijednost blisku stehiometrijskom omjeru zraka i goriva.
Druga važna varijabla koja utječe na performanse pročišćavanja je temperatura katalitičkog pretvarača.
Performanse katalitičkog pretvarača vrlo su osjetljive na temperaturu; kako temperatura raste, učinkovitost pretvorbe naglo raste iznad određene točke. Općenito, mora dosegnuti određenu temperaturu (obično nazvanu "temperaturom gašenja") da bi ispravno funkcionirao; ako je temperatura niža od toga, učinkovitost pada, što rezultira visokim emisijama štetnih tvari. Zbog toga pokretanje motora neposredno prije nego što se zagrije dovodi do većih emisija štetnih tvari u ispušnim plinovima. Nadalje, čak i ako je temperatura visoka, a učinkovitost dobra, učinak je ograničen ako je u trenutku pokretanja već emitirana značajna količina onečišćenja. Posljedično, primjenjuju se različite tehnologije za brzo podizanje katalizatora na željenu temperaturu. Nakon što se ispune temperaturni uvjeti, katalizator može postići učinkovitost pročišćavanja od preko 95%, što je prilično izvanredno.
Do sada smo ispitali performanse katalitičkih pretvarača koji se koriste u vozilima na benzinski pogon u smislu sadržaja kisika i temperature. Iako većina kupaca automobila ne obraća puno pažnje na tehnologiju ispušnih plinova, primjenjuje se mnogo inženjerskog znanja i tehnologije za pročišćavanje tih emisija. Nadalje, čak i kada se razmatra samo katalizator, postoje mnogi tehnički izazovi koje treba prevladati, a kako se propisi o zaštiti okoliša nastavljaju pooštravati, u budućnosti će se vjerojatno usvojiti naprednije tehnologije. Možda se u budućnosti možemo veseliti čak i uređajima koji nadilaze trenutnu učinkovitost pročišćavanja od 95% kako bi pročistili sam zrak.
