Comment fonctionnent les convertisseurs catalytiques

Il y a des millions de voitures sur la route aux États-Unis, et chacune est une source de pollution atmosphérique. Surtout dans les grandes villes, la quantité de pollution que toutes les voitures produisent ensemble peut créer de gros problèmes.

Pour résoudre ces problèmes, les villes, les États et le gouvernement fédéral créent des lois sur l'air pur qui limitent la quantité de pollution que les voitures peuvent produire. Au fil des ans, les constructeurs automobiles ont apporté de nombreuses améliorations aux moteurs de voiture et aux systèmes d'alimentation en carburant pour se conformer à ces lois. L'un de ces changements est survenu en 1975 avec un appareil intéressant appelé un convertisseur catalytique. Le travail du convertisseur catalytique est de convertir les polluants nocifs en émissions moins nocives avant qu'ils ne quittent le système d'échappement de la voiture..

Les convertisseurs catalytiques sont des dispositifs incroyablement simples, il est donc incroyable de voir à quel point ils ont un impact important. Dans cet article, vous apprendrez quels polluants sont produits par un moteur et comment un convertisseur catalytique traite chacun de ces polluants pour aider à réduire les émissions des véhicules..

1. Polluants produits par un moteur de voiture
2. Comment les convertisseurs catalytiques réduisent la pollution
3. Contrôle de la pollution et amélioration des performances

Afin de réduire les émissions, les moteurs de voitures modernes contrôlent soigneusement la quantité de carburant qu'ils brûlent. Ils essaient de maintenir le rapport air / carburant très proche du stoechiométrique point, qui est le rapport idéal air / carburant. Théoriquement, à ce rapport, tout le carburant sera brûlé en utilisant tout l'oxygène de l'air. Pour l'essence, le rapport stoechiométrique est d'environ 14,7: 1, ce qui signifie que pour chaque livre d'essence, 14,7 livres d'air seront brûlées. Le mélange de carburant varie en fait un peu du rapport idéal pendant la conduite. Parfois, le mélange peut être maigre (un rapport air / carburant supérieur à 14,7), et d'autres fois le mélange peut être riches (un rapport air / carburant inférieur à 14,7).

Les principales émissions d'un moteur de voiture sont:

• Azote gazeux (N2) - L'air est constitué de 78% d'azote gazeux, et la plupart de celui-ci passe directement par le moteur de la voiture.
• Gaz carbonique (CO2) - C'est un produit de la combustion. Le carbone contenu dans le carburant se lie à l'oxygène de l'air.
• Vapeur d'eau (H2O) - Ceci est un autre produit de la combustion. L'hydrogène contenu dans le carburant se lie à l'oxygène de l'air.

Ces émissions sont pour la plupart bénignes, bien que les émissions de dioxyde de carbone contribuent au réchauffement climatique. Parce que le processus de combustion n'est jamais parfait, de plus petites quantités d'émissions plus nocives sont également produites dans les moteurs de voiture. Les convertisseurs catalytiques sont conçus pour réduire les trois:

• Monoxyde de carbone (CO) est un gaz toxique incolore et inodore.
• Les hydrocarbures ou les composés organiques volatils (COV) sont une composante majeure du smog produit principalement à partir de combustibles évaporés et non brûlés..
• Oxydes d'azote (NO et NO2, appelés ensemble NOx) contribuent au smog et aux pluies acides, qui provoquent également une irritation des muqueuses humaines.

Dans la section suivante, nous verrons exactement ce qui se passe à l'intérieur du convertisseur catalytique.

Gallon pour gallon, les nouveaux moteurs de tondeuse à gazon produisent 93 fois plus d'émissions génératrices de smog que les voitures neuves. Il n'est pas étonnant que l'EPA et les régulateurs de l'État de Californie s'efforcent de transformer des convertisseurs catalytiques de la taille d'une balle de golf en tondeuse à gazon et autres petits moteurs. Cependant, tout comme dans les années 1970, les législateurs sont confrontés à un lobby puissant. Briggs & Stratton, le principal fabricant de petits moteurs, affirme que ces réglementations créeraient un produit dangereux qui émet trop de chaleur. Quatre petits fabricants de moteurs de tondeuses à gazon ont réfuté cette accusation. Briggs & Stratton soutient également que la surchauffe pourrait provoquer des incendies de broussailles si les tondeuses sont laissées en marche et immobiles. Les démocrates californiens et l'EPA pensent que cela a plus à voir avec le résultat net. Les règlements en cours proposés en Californie pourraient réduire les émissions de l'équivalent de 800 000 voitures par jour [source: Barringer].

En chimie, un catalyseur est une substance qui provoque ou accélère une réaction chimique sans elle-même être affectée. Les catalyseurs participent aux réactions, mais ne sont ni des réactifs ni des produits de la réaction qu'ils catalysent. Dans le corps humain, les enzymes sont des catalyseurs naturels responsables de nombreuses réactions biochimiques essentielles [source: Chemicool].

Dans le convertisseur catalytique, il existe deux types de catalyseurs différents à l'œuvre, un catalyseur de réduction Et un catalyseur d'oxydation. Les deux types consistent en une structure céramique revêtue d'un catalyseur métallique, généralement du platine, du rhodium et / ou du palladium. L'idée est de créer une structure qui expose la surface maximale du catalyseur au flux d'échappement, tout en minimisant la quantité de catalyseur nécessaire, car les matériaux sont extrêmement coûteux. Certains des plus récents convertisseurs ont même commencé à utiliser de l'or mélangé à des catalyseurs plus traditionnels. L'or est moins cher que les autres matériaux et pourrait augmenter l'oxydation, la réaction chimique qui réduit les polluants, jusqu'à 40 pour cent [source: Kanellos].

La plupart des voitures modernes sont équipées de convertisseurs catalytiques à trois voies. Il s'agit des trois émissions réglementées qu'il contribue à réduire.

-le catalyseur de réduction est le premier étage du convertisseur catalytique. Il utilise du platine et du rhodium pour aider à réduire les émissions de NOx. Lorsqu'une molécule de NO ou de NO2 entre en contact avec le catalyseur, le catalyseur arrache l'atome d'azote de la molécule et s'y accroche, libérant l'oxygène sous forme d'O2. Les atomes d'azote se lient avec d'autres atomes d'azote qui sont également collés au catalyseur, formant du N2. Par exemple:

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

2NO => N₂ + O₂ ou 2NON₂ => N₂ + 2O₂

le catalyseur d'oxydation est le deuxième étage du convertisseur catalytique. Il réduit les hydrocarbures imbrûlés et le monoxyde de carbone en les brûlant (oxydant) sur un catalyseur au platine et au palladium. Ce catalyseur facilite la réaction du CO et des hydrocarbures avec l'oxygène restant dans les gaz d'échappement. Par exemple:

2CO + O₂ => 2CO₂

Il existe deux principaux types de structures utilisées dans les pots catalytiques -- rayon de miel et perles en céramique. La plupart des voitures utilisent aujourd'hui une structure en nid d'abeille.

Dans la section suivante, nous examinerons la troisième étape du processus de conversion et comment vous pouvez tirer le meilleur parti de votre convertisseur catalytique.

La troisième étape de la conversion est un Système de contrôle qui surveille le flux d'échappement et utilise ces informations pour contrôler le système d'injection de carburant. Un capteur d'oxygène est monté en amont du convertisseur catalytique, ce qui signifie qu'il est plus proche du moteur que du convertisseur. Ce capteur indique à l'ordinateur du moteur la quantité d'oxygène dans l'échappement. L'ordinateur du moteur peut augmenter ou diminuer la quantité d'oxygène dans l'échappement en ajustant le rapport air / carburant. Ce schéma de contrôle permet à l'ordinateur du moteur de s'assurer que le moteur tourne à proximité du point stoechiométrique, et également de s'assurer qu'il y a suffisamment d'oxygène dans l'échappement pour permettre au catalyseur d'oxydation de brûler les hydrocarbures non brûlés et le CO.

Le convertisseur catalytique fait un excellent travail pour réduire la pollution, mais il peut encore être considérablement amélioré. L'un de ses plus gros défauts est qu'il ne fonctionne qu'à une température assez élevée. Lorsque vous démarrez votre voiture à froid, le pot catalytique ne fait presque rien pour réduire la pollution de votre échappement.

Une solution simple à ce problème consiste à rapprocher le convertisseur catalytique du moteur. Cela signifie que des gaz d'échappement plus chauds atteignent le convertisseur et qu'il se réchauffe plus rapidement, mais cela peut également réduire la durée de vie du convertisseur en l'exposant à des températures extrêmement élevées. La plupart des constructeurs automobiles placent le convertisseur sous le siège du passager avant, suffisamment loin du moteur pour maintenir la température à des niveaux qui ne lui nuiront pas.

Préchauffage le pot catalytique est un bon moyen de réduire les émissions. Le moyen le plus simple de préchauffer le convertisseur est d'utiliser des résistances électriques. Malheureusement, les systèmes électriques 12 volts de la plupart des voitures ne fournissent pas assez d'énergie ou de puissance pour chauffer le convertisseur catalytique assez rapidement. La plupart des gens n'attendraient pas plusieurs minutes que le convertisseur catalytique se réchauffe avant de démarrer leur voiture. Les voitures hybrides équipées de gros blocs-batteries haute tension peuvent fournir suffisamment d'énergie pour chauffer très rapidement le convertisseur catalytique.

Convertisseurs catalytiques en moteurs diesel ne fonctionnent pas aussi bien pour réduire les NOx. L'une des raisons est que les moteurs diesel fonctionnent plus froid que les moteurs standard et que les convertisseurs fonctionnent mieux lorsqu'ils chauffent. Certains des principaux experts de l'automobile en environnement ont mis au point un nouveau système qui aide à lutter contre cela. Ils injectent un urée solution dans le tuyau d'échappement, avant d'arriver au convertisseur, pour s'évaporer et se mélanger avec l'échappement et créer une réaction chimique qui réduira les NOx. Urée, également connue sous le nom de carbamide, est un composé organique composé de carbone, d'azote, d'oxygène et d'hydrogène. On le trouve dans l'urine des mammifères et des amphibiens. L'urée réagit avec les NOx pour produire de l'azote et de la vapeur d'eau, éliminant plus de 90 pour cent des oxydes d'azote dans les gaz d'échappement [source: Innovations Report].

-Partout dans le pays, les SUV et les camions deviennent des cibles pour les opportunistes qui cherchent à tirer profit des précieux métaux précieux utilisés dans les convertisseurs catalytiques. Un convertisseur catalytique standard contient plusieurs centaines de dollars de platine, de palladium et de rhodium. La garde au sol des camions et des VUS facilite l'accès aux convertisseurs, de sorte qu'un voleur n'a besoin que d'une scie alternative et d'environ 60 secondes. Cette tendance a conduit la police à l'affût dans de nombreuses régions du pays où ce type de vol a posé problème. La police avertit les chauffeurs de SUV et de camion de se garer dans des zones achalandées et bien éclairées.

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Plus de liens intéressants

• MisterFixIt.com: Pot catalytique bouché?
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Sources

• Barringer, Felicity; Une façon plus verte de couper l'herbe se heurte à un lobby puissant. New York Times
• Kanellos, Michael; De l'or pour les moteurs diesel. CNET News.com
• www.chemicool.com
• www.innovations-report.com