Hva gjør en 3-veis katalysator?

Hver bensinmotor produserer en blanding av gasser som ville være skadelige hvis de slippes direkte ut i luften. Sammen med karbondioksid og vanndamp skaper forbrenning også karbonmonoksid, uforbrente hydrokarboner og nitrogenoksider. En treveis katalysator sitter i eksosbanen, vanligvis like etter eksosmanifolden, og tvinger disse resterende gassene gjennom en kjemisk opprydding før de noen gang når enderøret.

De tre reaksjonene som gir den navnet

Inne i omformeren er et bikakeformet keramisk eller metallsubstrat belagt med et tynt lag av katalysatormetaller. Når eksosgassen passerer gjennom de tusenvis av smale kanalene, kommer den i kontakt med dette belegget og utløser tre forskjellige reaksjoner nesten umiddelbart.

Reduksjonsreaksjonen for nitrogenoksider er den vanskeligste av de tre, fordi den krever et oksygenfattig miljø, mens de to oksidasjonsreaksjonene trenger ekstra oksygen for å fortsette. Å få begge forholdene rett inne i én enhet er kjerneutfordringen bak denne teknologien, og den løses ved å nøye kontrollere forholdet mellom luft og drivstoff som kommer inn i motoren.

Hva er inne i omformeren

Kjernen i enheten er et keramisk honeycomb-substrat, noen ganger erstattet av en korrugert rustfritt stålmatte i ytelsesapplikasjoner. Dette substratet er vaskebelagt med et porøst lag av aluminiumoksid for å maksimere overflatearealet, deretter lastet med en liten mengde edelt metallkatalysator - vanligvis en kombinasjon av platina, palladium og rhodium.

• Platina og palladium drive oksidasjonsreaksjonene, bryte ned karbonmonoksid og hydrokarboner.
• Rhodium er primært ansvarlig for reduksjonsreaksjonen som omdanner nitrogenoksider tilbake til nitrogengass.
• Bikakestrukturen pakker en enorm mengde overflate i et lite hus — en omformer omtrent på størrelse med en stor kaffetermos kan utsette eksosgass for et areal tilsvarende flere fotballbaner.

Hvorfor luft-drivstoffforholdet må være nøyaktig

Treveis konverteringsprosessen fungerer bare effektivt innenfor et veldig smalt bånd av luft-drivstoff-forhold, sentrert på det som er kjent som det støkiometriske forholdet - omtrent 14,7 deler luft til 1 vektdel drivstoff for bensin. Dette vinduet kalles noen ganger katalysatorens drifts "vindu", og det er bare noen få tideler av en prosent bredt.

Hvis blandingen går for mager (for mye luft i forhold til drivstoff), er det nok oksygen til at oksidasjonsreaksjonene kan trives, men reduksjonsreaksjonen for nitrogenoksider bremses fordi det ikke er et oksygenfattig miljø som den kan oppstå i. Hvis blandingen blir for rik (for mye drivstoff), skjer det motsatte: nitrogenoksider går godt gjennom, men karbonmonoksyd omdannes godt.

For å holde motoren innenfor dette smale båndet, leser motorkontrollenheten et signal fra en oksygensensor plassert foran omformeren og justerer kontinuerlig drivstofftilførselen, ofte flere ganger per sekund. En andre oksygensensor plassert etter omformeren overvåker hvor godt reaksjonene forløper og mater disse dataene tilbake til kontrollsløyfen. Denne lukkede sløyfekontrollen er grunnen til at en sviktende oksygensensor nesten alltid viser seg som redusert omformereffektivitet, selv når selve omformeren er mekanisk fin.

Tegn på at omformeren ikke lenger gjør jobben sin

En omformer feiler vanligvis ikke på en gang. Effektiviteten synker gradvis ettersom katalysatorbelegget brytes ned, blir forurenset eller fysisk blokkert. Å se etter følgende symptomer kan fange et problem før det blir en kostbar reparasjon.

Hvor lenge en omformer vanligvis varer

Under normale driftsforhold, a treveis katalysator er bygget for å vare hele kjøretøyets levetid, ofte langt over 150 000 miles. Levetiden forkortes betydelig under noen få spesifikke forhold:

• Gjentatte motorfeil sende uforbrent drivstoff inn i omformeren, hvor det antennes og skaper ekstrem varme som kan smelte underlaget.
• Olje eller kjølevæske lekker inn i forbrenningskammeret belegger katalysatoroverflaten og blokkerer de kjemiske reaksjonene fra å finne sted.
• Blyholdig drivstoff eller visse drivstofftilsetningsstoffer kan forgifte katalysatorbelegget permanent, selv om dette stort sett er et ikke-problem i regioner der blyholdig bensin har blitt faset ut.
• Fysisk skade fra veiavfall eller kjøring over hindringer kan ta knekken på det keramiske underlaget selv om kjemien ellers er sunn.

Hvorfor regulatorer krever dem

Nitrogenoksider bidrar til smog og sur nedbør, karbonmonoksid er giftig i lukkede rom, og uforbrente hydrokarboner reagerer med sollys og danner bakkenivå ozon. Fordi en treveisomformer adresserer alle de tre forurensende stoffene i en enkelt passasje, ble den standard utslippskontrollenheten for bensinbiler når drivstoffinnsprøytning med lukket sløyfe gjorde nøyaktig luft-drivstoffkontroll mulig. Moderne omformere, sammen med elektronisk drivstoffinnsprøytning og sensortilbakemelding i sanntid, reduserer rutinemessig utslippet av disse tre forurensningene med 80 til 95 prosent sammenlignet med en motor uten etterbehandling i det hele tatt.

Dette er også grunnen til at enheten bare fungerer som den skal på bensinmotorer som kjører på eller nær det støkiometriske forholdet. Dieselmotorer, som går slanke av design, er avhengige av forskjellige etterbehandlingsteknologier som dieseloksidasjonskatalysatorer og selektive katalytiske reduksjonssystemer for å håndtere de samme kategoriene forurensninger.

Holde en omformer sunn

Fordi omformeren er helt avhengig av presis forbrenning og korrekt sensortilbakemelding, er den mest effektive måten å beskytte den på rutinemessig vedlikehold andre steder i motoren.

• Bytt tennplugger etter planen for å forhindre feiltenninger som dumper rådrivstoff inn i eksosen.
• Adresser eventuelle kontrollamper umiddelbart i stedet for å fortsette å kjøre med en aktiv feiltenning eller rik-løpende tilstand.
• Bruk drivstoff som oppfyller produsentens spesifikasjoner for å unngå avleiringer som kan tilgrise katalysatoroverflaten.
• Få testet oksygensensorer når et kjøretøy nærmer seg høyere kjørelengde, siden et tregt sensorsignal forringer luft-drivstoffkontrollsløyfen omformeren er avhengig av.

Godt behandlet er en treveis katalysator en av de få utslippskomponentene på et moderne kjøretøy som en sjåfør sjelden trenger å tenke på – den kjører stille tre separate kjemiske reaksjoner hvert sekund motoren går, og konverterer de fleste skadelige eksosgasser til nitrogen, karbondioksid og vann før de noen gang forlater utløpet.