Как работи автомобилния катализатор?
Отработените газове, които автомобилите изхвърлят в околната среда по време на работата си са не само една от основните причини за замърсяването на въздуха, който дишаме, но и са сред основните причинители на много от заболяванията, от които като модерно общество страдаме.
Тези газове, които излизат от изпускателните системи на превозните средства са съставени от изключително вредни газове, но за щастие тези газове са образувани от относително безвредни атоми.
Казваме за щастие, тъй като има начин вредните молекули от отработените газове да се преобразуват в безвредни атоми, като тази „промяна” може да се осъществи, след като емисиите напуснат двигателя и преди да се освободят през изпускателната система. И точно това прави автомобилния катализатор!
Какво е катализатор (каталитичен конвертор)?
Каталитичният конвертор е вид механично устройство, чиято основна задача е да намалява вредните емисии от отработените газове на автомобилните двигатели. Като устройство, катализаторът не е много сложен. Най-общо казано представлява една метална кутия, която се закрепя към изпускателната система на колата. Към кутията има две тръби, които служат за „вход” и „изход”. „Входът” на конвертора е свързан с двигателя и през него влизат отработените газове, а „изходът” е свързан с тръбата на изпускателната система на автомобила.
Когато отработените газове от двигателя попаднат в катализатора, вътре в него протичат химични реакции. Тези химични реакции разграждат вредните газове и ги преобразуват в безвредни газове, които спокойно могат да се освободят в околната среда.
От какви елементи се състои каталитичния конвертор?
За да стане малко по-ясно как работи автомобилния катализатор, нека видим какви са неговите основни елементи. Без да задълбаваме излишно в детайли, само ще изброим основните елементи, от които е изградено.
Субстрат
Субстрат се нарича вътрешната структура на катализатора, върху която се нанасят катализаторното покритие и благородните метали. Има няколко типа субстрати, сред които тип „пелет” (изграден от керамични пелети), тип „медна пита” (най-популярния и използван керамичен субстрат), „метално фолио”, тип „керамична пяна” и други.
WASHCOAT
Това е вид покритие, което обикновено се състои от алуминиев диоксид и съединения като церий, цирконий, никел, барий, лантан и други. Целта на покритието е да разшири физическата повърхност на субстрата и да служи като повърхност, върху която се полагат благородните метали.
Благородни метали
Благородните метали, които се намират в каталитичния конвертор служат за провеждане на изключително важната каталитична реакция. Обикновено благородните метали, които се използват са платина, паладий и родий, но през последните години една немалка част от производителите започнаха да използват злато.
Корпус
Корпусът е външната обвивка на механичното устройство и в него се намират субстрата и другите елементи на катализатора. Материалът, от който обикновено се изработва корпусът е неръждаема стомана.
Тръби
Тръбите свързват автомобилния катализатор с изпускателната система на колата. Изработени са от неръждаема стомана.
Как работи автомобилният катализатор?
За да работи един автомобил с двигател с вътрешно горене, вътре в двигателя възниква контролирана среда на горене. По време на това горене обаче се произвеждат и вредни газове като въглероден оксид, азотни оксиди, въглеводороди и други.
Ако автомобилът няма катализатор, всички тези изключително вредни газове след отработване от двигателя ще преминат през изпускателната система и ще се освободят направо във въздуха, който дишаме.
Ако обаче превозното средство има каталитичен конвертор, отработените газове ще преминат от двигателя в катализатора, където ще преминат през медената пита на субстрата и ще реагират с благородните метали, които играят ролята на катализатор и ще се преобразуват в безвредни газове.
От часовете по химия знаем, че катализатор се нарича вещество, което причинява или ускорява химическата реакция, без самото то да бъде засегнато. Катализаторите участват в реакциите, но не са нито реагенти, нито продукти от каталитичната реакция.
Етапите, през които преминават вредните газове в катализатора са два: редукция и окисление.
Как става това?
Когато работната температура на катализатора достигне от 500 до 1200 градуса по Фаренхайт или 250 - 300 градуса по Целзий, се случват две неща: протича редукция и веднага след нея протича реакция на окисляване. Това звучи малко сложно, но всъщност означава, че молекулите едновременно губят и получават електрони.
Редукцията (отнемане на кислород), която протича в катализатора има за цел да преработи азотния оксид в безреден за околната среда газ.
Как работи автомобилния катализатор при етап редукция?
Когато азотния оксид от отработените газове на автомобила попадне в катализатора, платината и родия в него започват да работят по разпадането на молекулите на азотния оксид превръщайки вредния газ в напълно безвредните газове азот и кислород.
Какво се случва при етап окисляване?
Вторият етап, който протича в катализатора се нарича реакция на окисляване и при него чрез добавяне на кислород (окисляване) неизгорелите въглеводороди се превръщат във въглероден диоксид и вода.
Или да обобщим само с няколко думи…
Каталитичните реакции, които протичат в катализатора променят химическия състав на отработените газове, като пренареждат атомите, от които са съставени. Когато молекулите на вредните газове преминат от двигателя в катализатора, той разделя молекулите на техните атоми. Атомите от своя страна се рекомбинират в молекули в относително безвредни вещества като въглероден диоксид, азот и вода и се освобождават в околната среда през изпускателната система.
Основните типове каталитични конвертори, които се използват при бензиновите двигатели са два: двупосочен и трипътен.
Двукорпусният (двупосочен) катализатор изпълнява едновременно две задачи: окислява въглеродния оксид до въглероден диоксид и окислява въглеводородите (неизгорялото или частично изгорялото гориво) до въглероден диоксид и вода.
Този тип автомобилен катализатор се е използвал в дизеловите и бензиновите двигатели за намаляване на вредните емисии от въглеводород и въглероден оксид до 1981 г., но тъй като не може да преобразува азотните оксиди, след 81 - ва е заменен от трипътните катализатори.
Трипътен окислително - редукционен каталитичен конвертор
Този тип автомобилен катализатор, както стана ясно е въведен през 1981 година и днес всички съвременни автомобили разполагат с него. Трипътният катализатор изпълнява едновременно три задачи:
- редуцира азотния оксид до азот и кислород;
- окислява въглеродния оксид до въглероден диоксид;
- окислява неизгорелите въглеводороди до въглероден диоксид и вода.
Тъй като изпълнява и двата етапа на катализация - редуциране и оксидация, този тип каталитичен конвертор изпълнява задачата си с ефективност до 98%. А това означава, че ако автомобилът ви е снабден с такъв катализатор, вие няма да замърсявате околната среда с вредни емисии.
Типове катализатори при дизеловите двигатели
При автомобилите с дизелови двигатели един от най-често използваните до скоро каталитични конвертори е Diesel Oxidation Catalyst (DOC). Този катализатор използва кислород в потока отработени газове, за да преобразува въглеродния оксид във въглероден диоксид и въглеводородите във вода и въглероден диоксид. За съжаление този тип катализатори са ефективни едва на 90%, и успяват да премахнат миризмата на дизел и да намалят видимите частици, но не са ефективни за намаляването на емисиите от NO х.
Дизеловите двигатели отработват газове, които съдържат относително високи нива на прахови частици (сажди), които се състоят в голямата си част от елементарен въглерод, с който DOC катализаторите не могат да се справят, затова се налага частиците да се отстраняват с т. нар. филтър за твърди частици (DPF).
Сега знаете как работи автомобилния катализатор, но знаете ли как правилно да го поддържате?
За да нямате проблеми с катализатора е важно да знаете, че:
- средният живот на един катализатор е около 160 000 км. След като изминете тези километри, ще трябва да помислите за регенериране или смяна на конвертора.
- имате ли катализатор, не бива да карате автомобила си с оловно гориво, тъй като то намалява ефективността на катализатора. Единственото подходящо гориво в случая е безоловното гориво - не го забравяйте.
Безспорно ползите от тези устройства за околната среда и здравето ни са огромни, но освен предимства те имат и своите недостатъци.
Един от най-големите им недостатъци е, че работят само при високи температури. Казано по друг начин, когато стартирате колата си, катализатора не прави почти нищо, за да намали отработените газове. Той започва да работи ефективно едва след като отработените газове се нагорещят до 250 - 300 градуса по Целзий. Затова и някой от производителите на автомобили предприеха стъпки за решаването на този проблем, като изместиха катализатора по-близо до двигателя, което от една страна подобри работата на устройството, но пък намали живота му, тъй като близостта му до двигателя го излага на много високи температури и елементите му прегарят. Решението през последните години е катализаторът да се поставя под пътническата седалка, за да е на разстояние, което ще му позволи да работи по-ефективно, без да се излага на високите температури на двигателя.
Други недостатъци на катализаторите са честото запушване и прегаряне на питата. Прегарянето обикновено се дължи на попадането на неизгоряло гориво в изпускателната система, което попадайки там се възпламенява и повишава температурата в питата на катализатора. Запушването най-често се дължи на некачествен или неподходящ бензин, износване, стил на шофиране и т. н.
Това са много нищожни недостатъци на фона на огромната полза, която имаме от употребата на автомобилните катализатори. Благодарение на тези невероятни устройства, днес можем да сме по-спокойни, че можем да ограничим вредните емисии, освобождавани от автомобилите, които всекидневно шофираме по улиците на градовете си. Можем да бъдем по-спокойни, че децата ни няма да вдишват отровните газове, а въздухът в градовете от година на година ще става все по-чист.
Разбира се, винаги ще има критици като някой организации за опазване на околната среда, които да твърдят, че преработвайки и освобождавайки въглероден диоксид в атмосферата конверторите увеличават емисиите на парникови газове. Истината обаче е, че ако автомобила няма катализатор и изхвърля във въздуха въглеродният оксид, то този оксид ще се превърне сам във въглероден диоксид в атмосферата. Благодарение на катализаторите, в атмосферата се освобождава направо безвреден въглероден диоксид, с което само се подобрява качеството на въздуха.
На кого дължим благодарност, че е изобретил катализатора?
Въпреки, че катализаторите навлизат масово едва към края на 70 - те години на миналия век, историята им започва доста по-рано.
За баща на катализатора се смята френският инженер - химик Юджин Худри, който през 1954 г. патентова изобретението си „каталитичен конвертор за отработени газове”.
Преди това си изобретение Худри изобретява каталитичния крекинг, при който големи комплексни органични химикали се разделят на полезни продукти. След това той експериментира с различни видове горива, като целта му е да ги направи по-чисти.
Реалното въвеждане на катализаторите в автомобилите става в средата на 70 - те години на миналия век, когато се въвеждат по-строги правила за контрол на вредните емисии, които налагат премахването на оловото от повечето видове бензин.