Сжигание ископаемого топлива в автомобильных двигателях является важным источником загрязнения воздуха и наиболее важным фактором, негативно влияющим на чистоту воздуха в крупных городах. Кроме углекислого газа (CO2) и воды, которые являются продуктами бензина или дизельного топлива, в выхлопных газах автомобилей, могут содержать продукты неполного сгорания, такие как сажа, углеводороды и токсичный монооксид углерода (CO), а также побочные продукты процесса горения – оксиды азота, образующиеся в результате реакции между азотом и кислородом при высокой температуре.
Удаление этих загрязнений из выхлопных газов осуществляется с помощью автомобильного катализатора, который помещается в выхлопную систему автомобиля, недалеко от двигателя. Он имеет форму камеры, заполненной плотной стальной решеткой, покрытой керамическим материалом, на котором осаждается слой каталитического вещества. Заполнение камеры спроектировано (решетка и энергичный материал) таким образом, чтобы проходящие выхлопные газы имели максимально эффективный контакт с катализатором (чтобы минимизировать необходимое количество дорогостоящего каталитического вещества). Когда высокотемпературные выхлопные газы проходят через систему, каталитическое вещество ускоряет реакции разложения вредных побочных продуктов.
Принцип действия
Катализаторы более старого типа (так называемые окислительные или бифункциональные) катализировали только реакции окисления: сжигание остатков углеводородов и окисление CO2. В настоящее время используются так называемые трехфункциональные катализаторы, которые, помимо воспламенения топлива и окисления CO, также катализируют разложение оксидов азота. Двухфункциональный катализатор был цельным, он имел только так называемую окислительную часть, в то время как трехфункциональный катализатор состоит из двух частей, восстановительной и окислительной. Сначала выхлопные газы попадают в восстановительную часть, где происходит разложение оксидов азота путем каталитической реакции с недокуренным топливом, а затем в окислительную часть, где сжигаются остатки топлива и окисляется окись углерода. Эффективная работа трехфакторного катализатора требует наличия в выхлопных газах недогоревшего топлива, необходимого для реакции в восстановительной части, поэтому современные двигатели должны работать в условиях неполного сгорания. Для этого в выхлопную систему автомобилей устанавливают так называемые лямбда-зонды, измеряющие количество не сгоревшего кислорода в выхлопе. Лямбда-зонд передает данные о концентрации кислорода в контроллер двигателя, который управляет составом топливно-воздушной смеси.
В качестве каталитических веществ обычно используются сплавы или химические соединения таких металлов, как палладий, родий или платина, что определяет высокую цену производства катализатора.