Come funzionano i convertitori catalitici

Una grande pila di convertitori catalitici rivestiti di platino. Guarda altre foto di vita verde. James L. Amos / National Geographic / Getty Images

Ci sono milioni di auto in circolazione negli Stati Uniti e ognuna è fonte di inquinamento atmosferico. Soprattutto nelle grandi città, la quantità di inquinamento che tutte le auto producono insieme può creare grossi problemi.

Per risolvere questi problemi, le città, gli stati e il governo federale creano leggi sull'aria pulita che limitano la quantità di inquinamento che le automobili possono produrre. Nel corso degli anni, le case automobilistiche hanno apportato molti perfezionamenti ai motori delle auto e ai sistemi di alimentazione per stare al passo con queste leggi. Uno di questi cambiamenti è avvenuto nel 1975 con un interessante dispositivo chiamato a catalizzatore. Il compito del convertitore catalitico è convertire gli inquinanti nocivi in ​​emissioni meno nocive prima che escano dal sistema di scarico dell'auto.

I convertitori catalitici sono dispositivi incredibilmente semplici, quindi è incredibile vedere quanto grande impatto abbiano. In questo articolo imparerai quali inquinanti sono prodotti da un motore e come un convertitore catalitico tratta ciascuno di questi inquinanti per aiutare a ridurre le emissioni del veicolo.

Contenuti

1. Inquinanti prodotti da un motore di automobile
2. Come i convertitori catalitici riducono l'inquinamento
3. Controllo dell'inquinamento e miglioramento delle prestazioni

La posizione di un convertitore catalitico in un'auto.

Al fine di ridurre le emissioni, i motori delle auto moderne controllano attentamente la quantità di carburante che bruciano. Cercano di mantenere il rapporto aria / carburante molto vicino al stechiometrico punto, che è il rapporto ideale tra aria e carburante. Teoricamente, con questo rapporto, tutto il carburante verrà bruciato utilizzando tutto l'ossigeno presente nell'aria. Per la benzina, il rapporto stechiometrico è di circa 14,7: 1, il che significa che per ogni libbra di benzina verranno bruciate 14,7 libbre di aria. La miscela di carburante in realtà varia un po 'dal rapporto ideale durante la guida. A volte la miscela può essere magro (un rapporto aria / carburante superiore a 14,7), e altre volte la miscela può essere ricco (un rapporto aria / carburante inferiore a 14,7).

Le principali emissioni del motore di un'auto sono:

• Gas di azoto (N2) - L'aria è costituita dal 78% di azoto gassoso e la maggior parte di questo passa direttamente attraverso il motore dell'auto.
• Diossido di carbonio (CO2) - Questo è un prodotto della combustione. Il carbonio nel carburante si lega con l'ossigeno nell'aria.
• Vapore acqueo (H2O) - Questo è un altro prodotto della combustione. L'idrogeno nel carburante si lega con l'ossigeno nell'aria.

Queste emissioni sono per lo più benigne, anche se si ritiene che le emissioni di anidride carbonica contribuiscano al riscaldamento globale. Poiché il processo di combustione non è mai perfetto, nei motori delle automobili vengono prodotte anche quantità minori di emissioni più nocive. I convertitori catalitici sono progettati per ridurre tutti e tre:

• Monossido di carbonio (CO) è un gas velenoso incolore e inodore.
• Idrocarburi o composti organici volatili (COV) sono una componente importante dello smog prodotto principalmente da combustibile evaporato e incombusto.
• Ossido d'azoto (NO e NO2, insieme chiamati NOx) contribuiscono allo smog e alle piogge acide, che provocano anche irritazione alle mucose umane.

Nella prossima sezione, vedremo esattamente cosa succede all'interno del convertitore catalitico.

I prossimi sono i tosaerba?

Gallone per gallone, i nuovi motori dei tosaerba contribuiscono 93 volte più emissioni che formano lo smog rispetto alle nuove auto. Non c'è da meravigliarsi che l'EPA e le autorità di regolamentazione statale della California stiano cercando di ottenere convertitori catalitici delle dimensioni di una pallina da golf in tosaerba e altri piccoli motori. Tuttavia, proprio come negli anni '70, i legislatori incontrano una potente lobby. Briggs & Stratton, il principale produttore di piccoli motori, afferma che queste normative renderebbero un prodotto pericoloso che emette troppo calore. Quattro piccoli produttori di motori per tosaerba hanno confutato questa accusa. Briggs & Stratton sostiene inoltre che il surriscaldamento potrebbe causare incendi se i tosaerba vengono lasciati in funzione e fermi. I democratici della California e l'EPA pensano che abbia più a che fare con la linea di fondo. Le normative in sospeso proposte in California potrebbero ridurre le emissioni dell'equivalente di 800.000 auto al giorno [fonte: Barringer].

In chimica, a catalizzatore è una sostanza che provoca o accelera una reazione chimica senza che essa stessa ne sia influenzata. I catalizzatori partecipano alle reazioni, ma non sono né reagenti né prodotti della reazione che catalizzano. Nel corpo umano, gli enzimi sono catalizzatori naturali responsabili di molte reazioni biochimiche essenziali [fonte: Chemicool].

Nel convertitore catalitico, ci sono due diversi tipi di catalizzatore al lavoro, a catalizzatore di riduzione e un catalizzatore di ossidazione. Entrambi i tipi sono costituiti da una struttura in ceramica rivestita con un catalizzatore metallico, solitamente platino, rodio e / o palladio. L'idea è quella di creare una struttura che esponga la massima area superficiale del catalizzatore al flusso di scarico, riducendo al minimo la quantità di catalizzatore richiesta, poiché i materiali sono estremamente costosi. Alcuni dei convertitori più recenti hanno persino iniziato a utilizzare l'oro mescolato con i catalizzatori più tradizionali. L'oro è più economico degli altri materiali e potrebbe aumentare l'ossidazione, la reazione chimica che riduce gli inquinanti, fino al 40% [fonte: Kanellos].

La maggior parte delle auto moderne è dotata convertitori catalitici a tre vie. Si riferisce alle tre emissioni regolamentate che contribuisce a ridurre.

-Il catalizzatore di riduzione è il primo stadio del convertitore catalitico. Utilizza platino e rodio per ridurre le emissioni di NOx. Quando una molecola NO o NO2 entra in contatto con il catalizzatore, il catalizzatore strappa l'atomo di azoto dalla molecola e lo trattiene, liberando l'ossigeno sotto forma di O2. Gli atomi di azoto si legano con altri atomi di azoto che sono anch'essi attaccati al catalizzatore, formando N2. Per esempio:

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

2NO => N₂ + O₂ o 2NO₂ => N₂ + 2O₂

Catalizzatore in ceramica a nido d'ape.

Il catalizzatore di ossidazione è il secondo stadio del convertitore catalitico. Riduce gli idrocarburi incombusti e il monossido di carbonio bruciandoli (ossidandoli) su un catalizzatore di platino e palladio. Questo catalizzatore aiuta la reazione del CO e degli idrocarburi con l'ossigeno rimanente nel gas di scarico. Per esempio:

2CO + O₂ => 2CO₂

Esistono due tipi principali di strutture utilizzate nei convertitori catalitici -- Favo e perle di ceramica. La maggior parte delle auto oggi utilizza una struttura a nido d'ape.

Nella prossima sezione, esamineremo la terza fase del processo di conversione e come ottenere il massimo dal tuo convertitore catalitico.

La terza fase della conversione è a sistema di controllo che monitora il flusso di scarico e utilizza queste informazioni per controllare il sistema di iniezione del carburante. C'è un sensore di ossigeno montato a monte del convertitore catalitico, il che significa che è più vicino al motore rispetto al convertitore. Questo sensore indica al computer del motore la quantità di ossigeno presente nello scarico. Il computer del motore può aumentare o diminuire la quantità di ossigeno nello scarico regolando il rapporto aria-carburante. Questo schema di controllo consente al computer del motore di assicurarsi che il motore stia funzionando vicino al punto stechiometrico e anche di assicurarsi che ci sia abbastanza ossigeno nello scarico per consentire al catalizzatore di ossidazione di bruciare gli idrocarburi incombusti e la CO.

Il convertitore catalitico fa un ottimo lavoro nel ridurre l'inquinamento, ma può ancora essere migliorato sostanzialmente. Uno dei suoi maggiori difetti è che funziona solo a temperature abbastanza elevate. Quando si avvia la macchina a freddo, il convertitore catalitico non fa quasi nulla per ridurre l'inquinamento nello scarico.

Una semplice soluzione a questo problema è spostare il convertitore catalitico più vicino al motore. Ciò significa che i gas di scarico più caldi raggiungono il convertitore e questo si riscalda più velocemente, ma ciò può anche ridurre la durata del convertitore esponendolo a temperature estremamente elevate. La maggior parte delle case automobilistiche posiziona il convertitore sotto il sedile del passeggero anteriore, abbastanza lontano dal motore per mantenere la temperatura a livelli che non lo danneggino.

Preriscaldamento il convertitore catalitico è un buon modo per ridurre le emissioni. Il modo più semplice per preriscaldare il convertitore è utilizzare resistenze elettriche. Sfortunatamente, i sistemi elettrici a 12 volt sulla maggior parte delle auto non forniscono abbastanza energia o potenza per riscaldare il convertitore catalitico abbastanza velocemente. La maggior parte delle persone non aspetterebbe diversi minuti affinché il convertitore catalitico si riscaldi prima di avviare la propria auto. Le auto ibride con pacchi batteria grandi e ad alta tensione possono fornire energia sufficiente per riscaldare il convertitore catalitico molto rapidamente.

Convertitori catalitici in motori diesel non funzionano altrettanto bene nel ridurre gli NOx. Uno dei motivi è che i motori diesel funzionano più freddi dei motori standard e i convertitori funzionano meglio quando si riscaldano. Alcuni dei principali esperti di auto ambientali hanno escogitato un nuovo sistema che aiuta a combattere questo. Iniettano un urea soluzione nel tubo di scarico, prima che arrivi al convertitore, per evaporare e mescolarsi con lo scarico e creare una reazione chimica che ridurrà gli NOx. Urea, noto anche come carbammide, è un composto organico composto da carbonio, azoto, ossigeno e idrogeno. Si trova nelle urine di mammiferi e anfibi. L'urea reagisce con gli NOx per produrre azoto e vapore acqueo, smaltendo oltre il 90% degli ossidi di azoto nei gas di scarico [fonte: Rapporto sulle innovazioni].

Furto del convertitore catalitico

-In tutto il paese, SUV e camion stanno diventando obiettivi per gli opportunisti che cercano di incassare i preziosi metalli preziosi utilizzati all'interno dei convertitori catalitici. Un convertitore catalitico standard contiene diverse centinaia di dollari di platino, palladio e rodio. L'altezza da terra su camion e SUV consente un facile accesso ai convertitori, quindi tutto ciò di cui un ladro ha bisogno è una sega alternativa e circa 60 secondi. Questa tendenza ha messo la polizia all'erta in molte parti del paese dove questo tipo di furto è stato un problema. La polizia avvisa i conducenti di SUV e camion di parcheggiare in aree trafficate e ben illuminate.

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Altri ottimi link

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fonti

• Barringer, Felicity; Un modo più verde per tagliare l'erba si scontra con una potente lobby. New York Times
• Kanellos, Michael; Oro da spendere nei motori diesel. CNET News.com
• www.chemicool.com
• www.innovations-report.com