Er bevinden zich miljoenen wagens op de straten in de Verenigde Staten, en elk ervan is een potentiële bron van luchtverontreiniging.
Voornamelijk in grote steden, kan de hoeveelheid verontreiniging die alle wagens samen produceren ernstige problemen veroorzaken.
Teneinde deze problemen op te lossen, stellen steden, staten en de federale overheid wetten op voor schone lucht, en vele wetten
werden verheven die de hoeveelheid verontreiniging die wagens kunnen produceren beperkt. Om aan deze wetten te voldoen, hebben
autofabrikanten verschillende verfijningen toegepast op automotoren en brandstofsystemen. Om de emissies verder te helpen verminderen,
ontwikkelden ze een interessant toestel, katalysator genaamd, die het uitlaatgas behandelt voor het de wagen verlaat en een groot deel
van de verontreiniging verwijdert.
Plaatsing van de katalysator in de wagen
In dit artikel zal u vernemen welke verontreinigende stoffen door een motor worden geproduceerd en waarom, en hoe een katalysator elk
van deze verontreinigende stoffen behandelt. Katalysatoren zijn verbazingwekkend eenvoudige toestellen, en hebben een ongelooflijk
grote impact!
Verontreinigende Stoffen geproduceerd door een Automotor
Teneinde emissies te verminderen, controleren moderne automotoren zorgvuldig de hoeveelheid brandstof die zij verbranden. Ze proberen
de verhouding lucht-brandstof zeer dicht bij het stoëchiometrisch punt te houden, dit is de berekende ideale verhouding van lucht
tot brandstof. Theoretisch gezien, zal bij deze verhouding de volledige brandstof opbranden en alle zuurstof in de lucht worden
opgebruikt. Voor benzine is de stoëchiometrische verhouding ongeveer 14.7:1, wat betekent dat voor elke liter bezine, 14.7 pond
lucht zal worden opgebrand. Het brandstofmengsel wijkt tijdens het rijden echter heel wat af van de ideale verhouding. Soms kan
het mengsel arm zijn (een verhouding lucht-brandstof hoger dan 14.7), en soms kan het mengsel rijk zijn (een verhouding lucht-brandstof
lager dan 14.7). De voornaamste emissies van een automotor zijn:
- Stikstofgas (N2) – Lucht bestaat voor 78 procent uit stikstofgas, en het grootste deel hiervan gaat dwars door de automotor heen.
- Koolstofdioxide (CO2) – Dit is een verbrandingsproduct. De koolstof in de brandstof mengt zich met de zuurstof in de lucht.
- Waterdamp (H2O) – Dit is een ander verbrandingsproduct. De waterstof in de brandstof mengt zich met de zuurstof in de lucht.
Deze emissies zijn meestal schadeloos (hoewel koolstofdioxide-emissies waarschijnlijk bijdragen tot de opwarming van de aarde). Maar
aangezien het verbrandingsproces nooit perfect is, worden kleinere hoeveelheden van meer schadelijke emissies in automotoren geproduceerd:
- Koolmonoxide (CO) – een giftig gas dat kleurloos en reukloos is
- Koolwaterstoffen of vluchtige organische verbindingen (VOCs) – die meestal geproduceerd worden door onverbrande brandstof die
verdampt. Het zonlicht breekt deze af om oxiderende stoffen te vormen, die in reactie treden met stikstofoxiden en zo ozon (O3)
veroorzaken op grondniveau, een hoofdbestanddeel van smog.
- Stikstofoxiden (NO en NO2, samen NOx genaamd) - dragen bij tot smog en zure regen, en veroorzaken ook irritatie aan
menselijke slijmvliezen
Dit zijn de drie voornaamste gereguleerde emissies, en zijn ook de oorzaak waarom katalysatoren werden ontworpen om deze te verminderen.
Hoe Katalysatoren Verontreiniging Verminderen
De meeste moderne wagens zijn voorzien van
driewegkatalysatoren. "Drieweg" verwijst naar de drie gereguleerde emissies die ze helpen verminderen -- koolmonoxide, VOVs en
NOx-moleculen. De converter maakt gebruikt van twee verschillende soorten katalysatoren, een reduktiekatalysator en een oxidatiekatalysator.
Beide soorten bestaan uit een keramische structuur bekleed met een metalen katalysator, meestal platina, rodium en/of palladium.
De idee is om een structuur te creëren die het maximale oppervlak van de katalysator blootstelt aan de uitlaatstroom, en eveneens
de vereiste hoeveelheid katalysator minimaliseert (deze zijn heel duur).
  
Een driewegkatalysator: let op de twee afzonderlijke katalysatoren
Er zijn twee voornaamste structuursoorten die worden gebruikt in katalysatoren -- honingraat en keramische dragers. Tegenwoordig gebruiken de meeste wagens een honingraat-structuur.
Keramische honingraat-structuur katalysator
De Reduktiekatalysator
De reduktiekatalysator is de eerste fase van de katalysator. Deze maakt gebruik van platina en rodium om de NOx-emissies te helpen verminderen. Wanneer een NO- of NO2-molecule in contact treedt met de katalysator, splijt de katalysator de stikstofatoom uit de molecule en houdt deze vast, zuurstof vrijmakend in de vorm van O2. De stikstofatomen mengen zich met andere stikstofatomen die ook vastzitten aan de katalysator, en zo N2 vormen. Bijvoorbeeld:
2NO => N2 + O2 oder 2NO2 => N2 + 2O2
De Oxidatiekatalysator
De oxidatiekatalysator is de tweede fase van de katalysator. Deze vermindert de onverbrande koolwaterstoffen en koolmonoxide door deze te verbranden (oxideren) over een platina- en palladiumkatalysator. Deze katalysator helpt de reactie van de CO en koolwaterstoffen met de overblijvende zuurstof in het uitlaatgas. Bijvoorbeeld:
2CO + O2 => 2CO2
Maar waar komt deze zuurstof vandaan?
Het Controlesysteem
De derde fase is een controlesysteem dat de uitlaatstroom monitort en deze informatie gebruikt om het brandstofinjectiesysteem te controleren. Er is een zuurstofsensor bovenstrooms op de katalysator gemonteerd, dit betekent dat deze zich dichter bij de motor bevindt dan bij de converter. Deze sensor vertelt de motorcomputer hoeveel zuurstof er in de uitlaat is. De motorcomputer kan de hoeveelheid zuurstof in de uitlaat vermeerderen of verminderen door de verhouding lucht-brandstof aan te passen. Dit controleschema laat de motorcomputer toe zich ervan te verzekeren dat de motor dicht bij het stoëchiometrisch punt draait, en ook om zich ervan te verzekeren dat er net voldoende zuurstof in de uitlaat is om de oxidatiekatalysator in staat te stellen de onverbrande koolwaterstoffen en CO te verbranden.
Andere manieren om Verontreiniging te Verminderen
De katalysator levert goede resultaten bij het verminderen van de verontreiniging, maar dit kan in wezen nog verbeterd worden. Een van de grootste tekortkomingen ervan is dat deze enkel werkt bij een tamelijk hoge temperatuur. Bij het koudstarten van uw wagen, doet de katalysator haast niets om de verontreiniging in uw uitlaat te verminderen.
Een eenvoudige oplossing voor dit probleem is de katalysator dichter bij de motor te plaatsen. Dit betekent dat hetere uitlaatgassen de converter bereiken en deze sneller opwarmen, maar dit kan ook de levensduur van de converter inkorten door deze bloot te stellen aan extreem hoge temperaturen. De meeste autofabrikanten plaatsen de converter vooraan onder de passagiersstoel, op voldoende afstand van de motor om de temperatuur op een voldoende laag niveau te houden en zodoende wordt deze niet aangetast.
De katalysator voorverwarmen is een goede manier om emissies te verminderen. De meest eenvoudige manier voor het voorverwarmen van de converter is het gebruiken van verhitters met elektrische weerstand. Jammer genoeg, verschaffen de 12 volt elektrische systemen op de meeste wagens niet voldoende energie of kracht om de katalysator snel genoeg op te warmen. De meeste mensen wachten niet een paar minuten om de katalysator op te warmen alvorens hun wagen te starten. Hybride wagens die grote batterijen met een hoog voltage bevatten, kunnen voldoende energie verschaffen om de katalysator zeer snel op te warmen.
|
