미국의 도로에는 수백만 대의 자동차가 있으며 각 자동차는 대기 오염의 원인입니다. 특히 대도시에서는 모든 자동차가 함께 생산하는 오염의 양이 큰 문제를 일으킬 수 있습니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 도시, 주 및 연방 정부는 자동차가 생성할 수 있는 오염의 양을 제한하는 청정 공기 법률을 만듭니다. 수년에 걸쳐 자동차 제조업체는 이러한 법률을 준수하기 위해 자동차 엔진 및 연료 시스템을 많이 개선했습니다. 이러한 변화 중 하나는 1975년 촉매 변환기라는 흥미로운 장치로 이루어졌습니다. . 촉매 변환기의 역할은 유해한 오염 물질이 자동차의 배기 시스템을 떠나기 전에 덜 유해한 배출물로 변환하는 것입니다.
촉매 변환기는 놀라울 정도로 단순한 장치이므로 이것이 얼마나 큰 영향을 미치는지 보는 것은 놀라운 일입니다. 이 기사에서는 엔진에서 생성되는 오염 물질과 촉매 변환기가 이러한 각 오염 물질을 처리하여 차량 배기 가스를 줄이는 방법을 배우게 됩니다.
콘텐츠배기 가스를 줄이기 위해 현대 자동차 엔진은 연소되는 연료의 양을 신중하게 제어합니다. 그들은 공연비를 화학량론적에 매우 가깝게 유지하려고 노력합니다. 이는 공기 대 연료의 이상적인 비율입니다. 이론적으로 이 비율에서 모든 연료는 공기 중의 모든 산소를 사용하여 연소됩니다. 가솔린의 경우 화학양론적 비율은 약 14.7:1이며, 이는 가솔린 1파운드당 14.7파운드의 공기가 연소된다는 것을 의미합니다. 연료 혼합물은 실제로 운전하는 동안 이상적인 비율과 상당히 다릅니다. 때때로 혼합물이 희박할 수 있습니다. (14.7보다 높은 공연비), 다른 경우에는 혼합물이 풍부될 수 있습니다. (14.7보다 낮은 공연비).
자동차 엔진의 주요 배출량은 다음과 같습니다.
이산화탄소 배출이 지구 온난화에 기여하는 것으로 믿어지지만 이러한 배출은 대부분 양성입니다. 연소 과정은 결코 완벽하지 않기 때문에 더 적은 양의 더 유해한 배기 가스가 자동차 엔진에서도 생성됩니다. 촉매 변환기는 다음 세 가지를 모두 줄이도록 설계되었습니다.
다음 섹션에서는 촉매 변환기 내부에서 정확히 어떤 일이 일어나는지 살펴보겠습니다.
다음은 잔디 깎는 기계인가?갤런당 갤런, 새 잔디 깎는 기계 엔진은 새 차보다 93배 더 많은 스모그 형성 배출량을 기여합니다. EPA와 캘리포니아 주 규제 당국이 골프공 크기의 촉매 변환기를 잔디 깎는 기계 및 기타 소형 엔진에 장착하기 위해 열심히 노력하고 있는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 그러나 1970년대와 마찬가지로 국회의원들은 강력한 로비를 마주하고 있다. 소형 엔진의 선두 제조업체인 Briggs &Stratton은 이러한 규정이 너무 많은 열을 방출하는 안전하지 않은 제품을 만들 것이라고 말합니다. 4개의 소규모 잔디 깎는 기계 엔진 제조업체가 이 혐의를 반박했습니다. Briggs &Stratton은 잔디 깎는 기계가 계속 작동하고 가만히 있으면 과열로 인해 덤불이 발생할 수 있다고 주장합니다. 캘리포니아 민주당원과 EPA는 이것이 수익과 더 관련이 있다고 생각합니다. 캘리포니아에서 제안된 보류 중인 규정은 하루 800,000대의 자동차에 해당하는 배출량을 줄일 수 있습니다[출처:Barringer].
화학에서 촉매 자체적으로 영향을 받지 않고 화학 반응을 일으키거나 촉진하는 물질입니다. 촉매는 반응에 참여하지만 촉매가 촉매하는 반응의 반응물이나 생성물이 아닙니다. 인체에서 효소는 많은 필수 생화학 반응을 담당하는 자연 발생 촉매입니다[출처:Chemicool].
촉매 변환기에는 환원 촉매라는 두 가지 다른 유형의 촉매가 작동합니다. 및 산화 촉매 . 두 유형 모두 금속 촉매, 일반적으로 백금, 로듐 및/또는 팔라듐으로 코팅된 세라믹 구조로 구성됩니다. 아이디어는 촉매의 최대 표면적을 배기 스트림에 노출시키는 구조를 만드는 동시에 재료가 매우 비싸기 때문에 필요한 촉매의 양을 최소화하는 것입니다. 최신 변환기 중 일부는 보다 전통적인 촉매와 혼합된 금을 사용하기 시작했습니다. 금은 다른 재료보다 저렴하며 오염 물질을 줄이는 화학 반응인 산화를 최대 40%까지 증가시킬 수 있습니다[출처:Kanellos].
대부분의 최신 자동차에는 3원 촉매 변환기가 장착되어 있습니다. . 이는 감소에 도움이 되는 세 가지 규제된 배출량을 나타냅니다.
환원 촉매 촉매 변환기의 첫 번째 단계입니다. NOx 배출량을 줄이기 위해 백금과 로듐을 사용합니다. NO 또는 NO2 분자가 촉매와 접촉할 때, 촉매는 분자에서 질소 원자를 떼어내고 이를 붙잡아 산소를 O2 형태로 방출합니다. 질소 원자는 촉매에 붙어 있는 다른 질소 원자와 결합하여 N2를 형성합니다. 예:
2아니요 => 아니요 2 + O 2 또는 2아니요 2 => 아니오 2 + 2O 2
산화 촉매 촉매 변환기의 두 번째 단계입니다. 백금과 팔라듐 촉매 위에서 연소(산화)하여 미연 탄화수소와 일산화탄소를 줄입니다. 이 촉매는 배기 가스에 남아 있는 산소와 CO 및 탄화수소의 반응을 돕습니다. 예:
2CO + O2 => 2CO2
촉매 변환기에 사용되는 구조에는 두 가지 주요 유형이 있습니다 -- 벌집 및 세라믹 비즈 . 오늘날 대부분의 자동차는 벌집 구조를 사용합니다.
다음 섹션에서는 전환 과정의 세 번째 단계와 촉매 변환기를 최대한 활용하는 방법을 살펴보겠습니다.
변환의 세 번째 단계는 제어 시스템입니다. 배기 스트림을 모니터링하고 이 정보를 사용하여 연료 분사 시스템을 제어합니다. 촉매 변환기의 상류에 장착된 산소 센서가 있어 변환기보다 엔진에 더 가깝습니다. 이 센서는 배기 가스에 얼마나 많은 산소가 있는지 엔진 컴퓨터에 알려줍니다. 엔진 컴퓨터는 공연비를 조정하여 배기 가스의 산소 양을 늘리거나 줄일 수 있습니다. 이 제어 방식을 통해 엔진 컴퓨터는 엔진이 화학량론적 지점에 가깝게 작동하는지 확인하고, 산화 촉매가 미연소 탄화수소와 CO를 연소할 수 있도록 배기 가스에 충분한 산소가 있는지 확인할 수 있습니다.
촉매 변환기는 오염을 줄이는 데 큰 역할을 하지만 여전히 상당히 개선될 수 있습니다. 가장 큰 단점 중 하나는 상당히 높은 온도에서만 작동한다는 것입니다. 차를 차갑게 시동하면 촉매 변환기는 배기 가스의 오염 물질을 줄이는 데 거의 아무 역할도 하지 않습니다.
이 문제에 대한 한 가지 간단한 해결책은 촉매 변환기를 엔진에 더 가깝게 옮기는 것입니다. 이것은 더 뜨거운 배기 가스가 변환기에 도달하고 더 빨리 가열된다는 것을 의미하지만, 이는 또한 변환기를 극도로 높은 온도에 노출시켜 변환기의 수명을 단축시킬 수 있습니다. 대부분의 자동차 제조업체는 온도를 손상시키지 않는 수준으로 온도를 유지하기 위해 엔진에서 충분히 멀리 떨어진 조수석 아래에 컨버터를 배치합니다.
예열 촉매 변환기는 배출량을 줄이는 좋은 방법입니다. 변환기를 예열하는 가장 쉬운 방법은 전기 저항 히터를 사용하는 것입니다. 불행히도, 대부분의 자동차에 있는 12볼트 전기 시스템은 촉매 변환기를 충분히 빠르게 가열하기에 충분한 에너지나 전력을 제공하지 않습니다. 대부분의 사람들은 자동차 시동을 걸기 전에 촉매 변환기가 가열될 때까지 몇 분 정도 기다리지 않을 것입니다. 대형 고전압 배터리 팩이 장착된 하이브리드 자동차는 촉매 변환기를 매우 빠르게 가열하기에 충분한 전력을 제공할 수 있습니다.
디젤 엔진의 촉매 변환기 NOx 감소에도 효과가 없습니다. 한 가지 이유는 디젤 엔진이 표준 엔진보다 더 차갑게 작동하고 컨버터가 가열될 때 더 잘 작동하기 때문입니다. 주요 환경 자동차 전문가 중 일부는 이를 해결하는 데 도움이 되는 새로운 시스템을 고안했습니다. 그들은 요소를 주입합니다. 배기 파이프의 용액은 컨버터에 도달하기 전에 증발하고 배기 가스와 혼합되어 NOx를 감소시키는 화학 반응을 생성합니다. 카바마이드라고도 하는 요소 는 탄소, 질소, 산소 및 수소로 이루어진 유기 화합물입니다. 포유류와 양서류의 소변에서 발견됩니다. 요소는 NOx와 반응하여 질소와 수증기를 생성하여 배기 가스에 포함된 질소 산화물의 90% 이상을 처리합니다[출처:Innovations Report].
촉매 변환기 도난전국적으로 SUV와 트럭은 촉매 변환기 내부에 사용되는 귀중한 귀금속으로 돈을 벌려는 기회주의자들의 표적이 되고 있습니다. 표준 촉매 변환기에는 수백 달러 가치의 백금, 팔라듐 및 로듐이 포함되어 있습니다. 트럭과 SUV의 지상고는 컨버터에 쉽게 접근할 수 있도록 하므로 도둑에게 필요한 모든 것은 왕복 톱과 약 60초입니다. 이러한 경향으로 인해 경찰은 이러한 종류의 도난이 문제가 된 국가의 많은 지역에서 경계하고 있습니다. 경찰은 SUV와 트럭 운전자에게 번잡하고 조명이 밝은 곳에 주차하라고 경고합니다.
최초 발행일:2000년 11월 8일
