촉매변환기

촉매변환기는 내연기관에서 나오는 유독가스와 배기가스의 오염물질을 재독성 반응을 촉매해 독성이 낮은 오염물질로 변환하는 배기배출량 제어장치다. 촉매변환기는 보통 희박 연소 엔진을 포함하여 가솔린이나 디젤에 의해 연료가 공급되는 내연기관, 때로는 등유 가열기와 난로에 사용된다.

촉매변환기가 처음으로 널리 보급된 것은 미국 자동차 시장에 있었다. 자동차 산업은 1953년부터 1969년 사이에 스모그가 도시 중심부의 대기질을 황폐화시키는 동안 이 기술을 보류하기 위해 담합한 혐의로 미국 법무부에 의해 음모로 기소되었다.^[1] 미국 환경보호청의 배기 가스 배출 규제 강화에 따르기 위해 1975년 모델부터 시작하는 대부분의 가솔린 엔진 차량에는 촉매변환기가 장착돼 있다.^[2][3][4][5] 이들 '양방향' 변환기는 산소와 일산화탄소(CO), 미연소 탄화수소(CH_nn)를 결합해 이산화탄소(CO₂)와 물(HO₂)을 생산한다. 1981년에는 질소산화물(NO
x )을 감소시키는 "3원" 변환기에 의해 2원 촉매변환기가 폐기되었지만,^[2] 2원 변환기는 여전히 희박 연소 엔진에 사용된다. 왜냐하면 3원 변환기는 NO
x 를 성공적으로 줄이기 위해 농후한 연소를 요구하기 때문이다.

촉매변환기는 자동차 배기가스 시스템에 가장 일반적으로 적용되지만 발전기, 지게차, 채굴장비, 트럭, 버스, 기관차, 오토바이, 선박에도 사용된다. 그것들은 심지어 배기가스를 조절하기 위해 몇몇 나무 난로에도 사용된다.^[6] 이것은 대개 직접적인 환경 규제를 통해서나 보건 안전 규제를 통해서 정부 규제에 대응한다.

역사

촉매변환기 프로토타입은 19세기 말 프랑스에서 처음 설계되었는데, 당시 이 프로토타입들은 백금, 이리듐, 팔라듐으로 코팅된 불활성 물질로 이중 금속 실린더에 밀봉되어 있었다.^[7]

수십 년 후, 촉매변환기는 1930년 미국으로 이주한 프랑스의 기계 엔지니어 겸 촉매유정 전문가인 유진 후드리(Eugene Houudry)에 의해 특허를 받았다.^[8] 후드리는 로스앤젤레스 스모그에 대한 초기 연구 결과가 발표되자 대기오염에서 굴뚝 배기가스와 자동차 배기가스의 역할을 우려해 옥시 촉매라는 회사를 설립했다. Houdry는 처음에는 단기용 "캣츠"라고 불리는 굴뚝용 촉매변환기를 개발했고, 나중에는 저급 무연 휘발유를 사용하는 창고용 포크리프트용 촉매변환기를 개발했다.^[9] 1950년대 중반, 그는 자동차에 사용되는 가솔린 엔진의 촉매변환기를 개발하기 위한 연구를 시작했다. 그는 그의 업적으로 미국 특허 2,742,437을 받았다.^[10]

촉매변환기는 Carl D를 포함한 일련의 기술자들에 의해 더욱 발전되었다. 키이스, 존 J. 무니, 안토니오 엘르아자르, 필립 메시나 등이 엥겔하드 사에서 1973년 첫 생산 촉매변환기를 만들었다.^[11][12][13]

촉매변환기가 처음으로 널리 보급된 것은 미국 자동차 시장에 있었다. 미국 환경보호청의 새로운 배기 가스 배출 규제에 따르기 위해 1975년 모델부터 시작되는 대부분의 가솔린 엔진 차량에는 촉매변환기가 장착돼 있다. 이들 '양방향' 변환기는 산소와 일산화탄소(CO), 미연소 탄화수소(CH_nn)를 결합해 이산화탄소(CO₂)와 물(HO₂)을 생산한다.^[2][3][4][5] 이러한 엄격한 배출가스 통제 규제로 인해 자동차 가솔린에서 안티크노크제 테트라에틸 납을 제거하여 공기 중의 납을 감소시켰다. 납은 촉매 독물질이며 촉매 표면을 코팅하여 촉매변환기를 효과적으로 파괴할 수 있다. 납 제거를 요구하면 촉매변환기를 사용하여 규정의 다른 배출 기준을 충족할 수 있었다.^[14]

윌리엄 C. 피페펠레는 1970년대 초 가스 터빈을 위한 촉매 가연체를 개발해 질소산화물과 일산화탄소가 크게 형성되지 않고도 연소가 가능했다.^[15][16]

건설

촉매변환기의 구조는 다음과 같다.

1. 촉매 지지대 또는 기질. 자동차 촉매변환기의 경우 코어는 보통 벌집형 구조(일반적으로 사각형, 육각형이 아닌 사각형)를 가진 세라믹 단석이다. (1980년대 중반 이전부터 촉매 물질은 GM 초기 적용 시 알루미나 펠릿으로 포장된 침대에 침전되었다.) 칸탈(FeCrAl)^[17]로 만든 금속 호일 모노리스석은 특히 높은 내열성이 요구되는 용도에 사용된다.^[17] 기질은 넓은 표면적을 생산하도록 구성된다. 대부분의 촉매변환기에 사용되는 코디얼라이트 세라믹 기질은 코닝 글라스의 로드니 배글리, 어윈 래치먼, 로널드 루이스에 의해 발명되었으며, 이 기질은 2002년 미국 발명가 명예의 전당에 헌액되었다.^[2]
2. 세탁코트. 와셔 코트는 촉매 물질의 캐리어로서, 넓은 표면적에 물질을 분산시키는 데 사용된다. 산화알루미늄, 이산화티타늄, 이산화규소, 또는 실리카와 알루미나 혼합물을 사용할 수 있다. 촉매 물질은 코어에 도포하기 전에 워셔코트에 매달려 있다. 워시코트 소재를 선택하여 거칠고 불규칙한 표면을 형성하여 맨 기질의 매끄러운 표면에 비해 표면적이 증가한다.^[18]
3. Ceria 또는 Ceria-Zirconia. 이 산화물들은 주로 산소 저장 촉진제로 첨가된다.^[19]
4. 촉매 자체는 대부분 백금 그룹에서 나온 귀금속의 혼합물이다. 플래티넘은 가장 활동적인 촉매로 널리 사용되지만 원치 않는 추가 반응과 높은 비용 때문에 모든 용도에 적합한 것은 아니다. 팔라듐과 로듐은 다른 두 가지 귀금속이다. 로듐은 환원촉매로, 팔라듐은 산화촉매로, 백금은 환원촉매와 산화촉매용으로 모두 쓰인다. 세륨, 철, 망간, 니켈도 각각은 한계가 있지만 사용된다. 니켈은 독성 니켈 테트라카르보닐에 대한 일산화탄소 반응 때문에 유럽연합에서 사용하기에 합법적이지 않다.^{[citation needed]} 구리는 일본을 제외한 모든 곳에서 사용할 수 있다.^{[clarification needed]}

고장 시 촉매변환기는 고철로 재활용할 수 있다. 백금, 팔라듐, 로듐 등 컨버터 내부의 귀금속을 추출한다.

촉매변환기 배치

촉매변환기는 효과적으로 작동하기 위해 400 °C(752 °F)의 온도가 필요하다. 따라서 엔진에 최대한 가깝게 배치하거나 배기 매니폴드 직후에 하나 이상의 작은 촉매변환기("프리캣")를 배치한다.

종류들

양방향

2방향(또는 "산화"라고도 함) 촉매변환기에는 두 가지 동시 작업이 있다.

1. 일산화탄소와 이산화탄소의 산화 : 2 CO + O₂ → 2 CO₂
2. 탄화수소(연소되지 않은 연료 및 부분 연소된 연료)를 이산화탄소와 물로 산화: CH_x2x+2 + [(3x+1)/2] O → x₂ CO₂ + (x+1) HO₂ (연소 반응)

이런 유형의 촉매변환기는 탄화수소와 일산화탄소 배출을 줄이기 위해 디젤 엔진에 널리 사용된다. 1981년까지 미국 및 캐나다 시장용 자동차의 가솔린 엔진에도 사용되었다. 질소산화물을 통제할 수 없기 때문에, 그것들은 3방향 변환기로 대체되었다.

삼길

3방향 촉매변환기는 산화질소(NO)와 이산화질소(NO₂)의 배출을 조절할 수 있는 추가적인 장점이 있다(둘 다 NO
x로 축약되며 산성비와 스모그의 전구체인 아산화질소(NO₂)와 혼동되지 않는다).^[20]

1981년 이후 미국과 캐나다의 차량 배기 가스 배출 제어 시스템에 "3방향"(산소 저감) 촉매변환기가 사용되어 왔으며, 다른 많은 국가들도 가솔린 차량에 대해 3방향 변환기가 실제로 필요한 엄격한 차량 배출 규제를 채택하고 있다. 환원 및 산화 촉매는 일반적으로 공통 하우징에 포함되지만, 경우에 따라 별도로 수용될 수도 있다. 3방향 촉매변환기에는 세 가지 동시 작업이 있다.^[20]

질소산화물의 질소(N₂)로 감소

• ${\displaystyle {\text{C}+2{\text}NO}}_{2}\,\오른쪽 화살표 \,{\text{CO}}_{2}+2{\text{NO}}$
• ${\displaystyle {\text{CO}}+{\text{NO}}\\\오른쪽 화살표 \,{\text{CO}}_{2}+{\frac {1}{1}:{2}}{\text{N}}_{2}}:$
• ${\displaystyle 2{\text}CO}}+{\text{NO}}_{2}\,\오른쪽 화살표 \,2{\text{CO}}_{2}+{\frac {1}{1}:{2}}{\text{N}}_{2}}:$
• ${\displaystyle {\text{H}}_{2}+{\text{NO}}\\\오른쪽 화살표 \,{\text{H}_{2}{\text{O}+{\frac{1}{2}}:{\text{N}}_{2}}:$

이산화탄소에 대한 탄소, 탄화수소, 일산화탄소의 산화

• ${\displaystyle {\text{C}+{\text{O}_{2}\,\오른쪽 화살표 \,{\text{CO}}}_{2}}:$
• ${\displaystyle {\text{CO}}+{\frac{1}{2}}:{\text{O}_{2}\,\오른쪽 화살표 \,{\text{CO}}}_{2}}:$
• ${\displaystyle a\,{\text}C}_{x}{\text{H}}_{y}+b\,{\text{O}_{2}\,\오른쪽 화살표 \,c\,{\text{CO}}_{2}+d\,{\text{H}_{2}{\text{O}\\qquad a,\,b,\,c,\,d,\,x,\,y\in \mathb {Z}}$

이 세 가지 반응은 촉매변환기가 계량기 지점보다 약간 높게 작동하는 엔진으로부터 배기를 받을 때 가장 효율적으로 발생한다. 가솔린 연소의 경우 이 비율은 중량 기준으로 공기 대 연료 14.6 - 14.8이다. 자동차(또는 액화석유가스 LPG), 천연가스 및 에탄올 연료의 비율은 각 연료별로 크게 다를 수 있으며, 특히 산소 또는 알코올 기반 연료의 경우 e85는 연료가 34% 더 필요하며, 연료 사용 시 변경된 연료 시스템 튜닝 및 구성품이 필요하다. 일반적으로 3방향 촉매변환기가 장착된 엔진은 하나 이상의 산소 센서를 사용하여 전산화된 폐쇄 루프 피드백 연료 분사 시스템을 갖추고 있지만,^{[citation needed]} 3방향 변환기의 전개 초기에는 피드백 혼합 제어장치가 장착된 카뷰레터가 사용되었다.

3방향 변환기는 배기 가스 조성이 농후(과잉 연료)와 희박(과잉 산소) 사이에서 진동하는 등 계량기 지점 부근의 좁은 공기 연료 비율 대역 내에서 엔진을 작동할 때 효과적이다. 엔진을 이 대역 밖에서 작동시키면 변환 효율이 매우 빠르게 떨어진다. 희박 엔진 작동에서는 배기 가스가 과잉 산소를 포함하고 NO
x의 감소를 선호하지 않는다. 풍부한 조건에서 과잉 연료는 촉매 이전에 사용 가능한 모든 산소를 소비하여 촉매에 저장된 산소만 산화 기능에 사용할 수 있게 된다.

효과적인 NO
x 감소와 HC 산화에 필요한 연속적인 밸런싱 때문에 3방향 촉매변환기의 효과적인 작동을 위해서는 폐쇄 루프 엔진 제어 시스템이 필요하다. 이 제어 시스템은
NO x 감소 촉매가 완전히 산화되는 것을 방지하면서도 산소 저장 물질을 보충하여 산화 촉매로서의 기능을 유지하도록 하기 위한 것이다.

3방향 촉매변환기는 보통 공기-연료비가 희박해질 때 배기 가스 흐름에서 나오는 산소를 저장할 수 있다.^[21] 배기 스트림에서 충분한 산소를 사용할 수 없는 경우 저장된 산소를 방출하고 소비한다(cerium() 참조).IV) 산화물). 충분한 산소의 부족은
NO x 감소에서 파생된 산소를 사용할 수 없거나 경가속과 같은 특정 기동이 변환기의 산소 공급 능력을 넘어 혼합물을 농축할 때 발생한다.

원치 않는 반응

원치 않는 반응은 촉매에 독이 되는 황화수소와 암모니아를 형성한다. 니켈이나 망간은 때때로 워셔코트에 첨가되어 수소-황화물 배출을 제한한다.^{[citation needed]} 무황 또는 저황 연료는 황화수소의 문제를 제거하거나 최소화한다.

디젤엔진

압축 점화(즉, 디젤) 엔진의 경우 가장 일반적으로 사용되는 촉매변환기는 디젤 산화 촉매(DOC)이다. DOCs는 팔라듐 및/또는 알루미나에서 지원되는 백금을 포함한다. 이 촉매는 입자 물질(PM), 탄화수소, 일산화탄소를 이산화탄소와 물로 변환시킨다. 이러한 변환기는 종종 90%의 효율로 작동하며, 사실상 디젤 냄새를 제거하고 가시적인 입자를 줄이는 데 도움을 준다. 이러한 촉매들은 NO
x 에 대해 비효율적이기 때문에 디젤 엔진에서 배출되는
NO x는 배기 가스 재순환(EGR)에 의해 제어된다.

2010년 미국의 대부분의 경량 디젤 제조업체들은 연방 배출가스 요건을 충족하기 위해 차량에 촉매 시스템을 추가했다. 희박 배기 조건에서 NO
x 배출의 촉매 감소를 위한 두 가지 기법이 개발되었다. 선택적 촉매 감소(SCR)와 NO
x 흡착기.

대부분의 제조사는 귀금속
함유 NO x 흡수제 대신 암모니아 등 시약을 사용해 NO
x를 질소와 물로 줄이는 베이스메탈 SCR 시스템을 선택했다.^[22] 암모니아는 배기에 요소 주입에 의해 촉매 시스템에 공급되며, 그 다음 암모니아로 열분해와 가수분해를 겪는다. 요소 용액을 디젤 배기액(DEF)이라고도 한다.

디젤 배기는 상대적으로 높은 수준의 입자 물질을 함유하고 있다. 촉매변환기는 PM의 20~40%만 제거하므로 그을음 트랩 또는 디젤 미립자 필터(DPF)로 미립자를 청소한다. 미국의 경우 2007년 1월 1일 이후 제작된 모든 온로드 라이트, 중형, 중형 디젤엔진 차량은 디젤 미립자 배출 한도를 적용받아 2방향 촉매변환기와 디젤 미립자 필터가 장착돼 있다.^{[citation needed]} 2007년 1월 1일 이전에 엔진이 제조된 한, 차량에 DPF 시스템이 필요하지 않다.^{[citation needed]} 이로 인해 2006년 말 엔진 제조업체들이 재고 조사를 완료하여 2007년까지 DPF 이전 차량을 계속 판매할 수 있게 되었다.^[23]

희박 연소 스파크 점화 엔진

희박 연소 스파크 점화 엔진의 경우, 산화 촉매를 디젤 엔진과 동일한 방식으로 사용한다. 희박 연소 스파크 점화 엔진의 배출은 디젤 압축 점화 엔진의 배출과 매우 유사하다.

설치

많은 차량에는 엔진의 배기 매니폴드 근처에 근접 결합 촉매변환기가 있다. 변환기는 매우 뜨거운 배기 가스에 노출되기 때문에 빠르게 가열되어 엔진 예열 기간 동안 바람직하지 않은 배기 가스를 줄일 수 있다. 이는 냉간 시동 시 필요한 초과 농도의 혼합물에서 발생하는 초과 탄화수소를 연소시킴으로써 달성된다.

촉매변환기가 처음 도입되었을 때 대부분의 차량은 비교적 높은 공기 연료비를 제공하는 카뷰레터를 사용했다. 따라서 배기 스트림의 산소(O₂) 수준은 일반적으로 촉매 반응이 효율적으로 발생하기에 불충분했다. 따라서 당시의 대부분의 설계에는 배기 스트림에 공기를 주입하는 2차 공기 주입이 포함되었다. 이것은 사용 가능한 산소를 증가시켜 촉매가 의도한 대로 작동할 수 있게 했다.

일부 3방향 촉매변환기 시스템에는 1단계(NO x
감소)와 2단계(HC 및 CO 산화) 사이에 공기가 분사되는 공기 분사 시스템이 있다. 양방향 변환기에서처럼, 이 주입된 공기는 산화 반응에 산소를 공급한다. 촉매변환기 앞에 있는 업스트림 공기 분사 지점도 엔진 예열 기간에만 추가 산소를 공급하기 위해 존재하는 경우가 있다. 이로 인해 미연소 연료가 배기구에서 점화되어 촉매변환기에 전혀 도달하지 못하게 된다. 이 기법은 촉매변환기가 "불 꺼짐" 또는 작동 온도에 도달하는 데 필요한 엔진 런타임을 감소시킨다.

대부분의 신형 차량은 전자 연료 분사 시스템을 갖추고 있으며, 배기 시스템에 공기 분사 시스템이 필요하지 않다. 대신, 그것들은 희박하고 풍부한 연소 사이에서 빠르고 지속적으로 순환하는 정밀하게 제어되는 공기 연료 혼합물을 제공한다. 산소 센서는 촉매변환기 전후의 배기 산소 함량을 모니터링하며, 엔진 컨트롤 유닛은 이 정보를 사용하여 첫 번째(NO
x 감소) 촉매가 산소 부하가 되지 않도록 연료 분사를 조정하는 동시에 두 번째(HC 및 CO 산화) 촉매의 산소 공급을 충분히 보장한다.포화 상태의

피해

촉매 중독은 촉매변환기가 작동면을 코팅하는 물질이 함유된 배기에 노출되어 배기가스와 접촉하고 반응하지 않을 때 발생한다. 가장 눈에 띄는 오염물질은 납이기 때문에 촉매변환기가 장착된 차량은 무연 연료로만 주행할 수 있다. 다른 공통 촉매 독으로는 황, 망간(주로 가솔린 첨가제 MMT에서 유래), 실리콘 등이 있는데, 엔진에 냉각수가 연소실로 들어갈 수 있는 누출이 있을 경우 배기 스트림에 들어갈 수 있다. 인은 또 다른 촉매 오염 물질이다. 인은 더 이상 가솔린에서 사용되지 않지만, 인(그리고 또 다른 낮은 수준의 촉매 오염물질인 아연)은 아연 디티오포스파이트(ZDDP)와 같은 엔진 오일 안티웨어 첨가제에 널리 사용되었다. 2004년부터는 API SM과 ILSAC GF-4 규격에서 엔진오일의 인 농도 제한이 채택되었다.

오염 물질에 따라 촉매 중독은 매우 무거운 부하로 장시간 엔진을 작동시켜 역전될 수 있다.^{[citation needed]} 증가한 배기 온도는 때때로 오염 물질을 증발시키거나 승화시켜 촉매 표면에서 제거할 수 있다.^{[citation needed]} 단, 납의 끓는점이 높기 때문에 이러한 방법으로 납 침전물을 제거하는 것은 일반적으로 불가능하다.^{[citation needed]}

비정상적으로 높은 수준의 미연소 탄화수소(원시 또는 부분적으로 연소된 연료 또는 오일)가 컨버터에 도달하게 하는 모든 상태는 온도를 크게 상승시켜 기질이 용융되고 결과적으로 촉매 비활성화 및 심각한 배기 제한의 위험을 초래하는 경향이 있다. 이러한 조건에는 배기 시스템의 업스트림 구성 요소(매니폴드/헤더 어셈블리 및/또는 관련 클램프에 녹/부식 및/또는 피로(예: 반복적인 열 순환 후 배기 매니폴드 스플라인터), 점화 시스템(예: 코일 팩 및/또는 기본 점화 구성 요소(예: 배전기 캡, 와이어, 점화 코일 및 스파크 플러그) 및/또는 손상된 연료 시스템 구성 요소(연료 인젝터, 연료 압력 조절기 및 관련 센서) 헤드 개스킷 누출로 인한 오일 및/또는 냉각수 누출은 또한 높은 미연소 탄화수소를 유발할 수 있다.

규정

이 섹션은 검증을 위해 추가 인용구가 필요하다. 신뢰할 수 있는 출처에 인용문을 추가하여 이 기사를 개선할 수 있도록 도와주십시오. 공급되지 않은 재료는 도전하여 제거할 수 있다. (2017년 1월) (이 템플릿 메시지를 제거하는 방법과 시기 알아보기)

배출 규제는 관할구역마다 상당히 다르다. 북미의 대부분의 자동차 스파크 점화 엔진은 1975년부터 촉매변환기를 장착해 왔으며,^[2][3][4][5] 비자동차 응용에 사용되는 기술은 일반적으로 자동차 기술에 기초하고 있다. 많은 관할구역에서 촉매변환기를 직접 또는 즉시 교체하는 것 이외의 이유로 제거하거나 비활성화하는 것은 불법이다. 그럼에도 불구하고 일부 차량 소유자는 차량의 촉매변환기를 제거하거나 "굿"한다.^[24][25] 이 경우 컨버터를 일반 파이프의 용접된 부분 또는 플랜지 "시험 파이프"로 교체할 수 있으며 표면적으로는 컨버터가 어떻게 작동하는지 비교함으로써 컨버터가 막혔는지 점검하기 위한 것이다. 이는 배출 시험을 통과하기 위해 컨버터의 임시 재설치를 용이하게 한다.^[26]

미국에서 1990년 개정하였다 대기 오염 방지 법의 차량 수리 가게는 차량에서 또는 변환기는 차량에서 주문 203(를)(3)(B)을 불법으로 규정은 어떤 사람이나 설치에 판매하는 또 다른 converter,[27]및 섹션으로 바꾸에서 제외하고 제거되도록 유발한 변환기 제거하는 섹션 203(를)(3)(A)의, 이는 인권 침해이다. 어떤 배기 제어 시스템, 장치 또는 설계 요소를 우회, 파괴 또는 작동 불능으로 만드는 부품. 촉매변환기가 작동하지 않는 차량은 일반적으로 배기 가스 검사에 실패한다. 자동차 애프터마켓은 업그레이드된 엔진을 장착하거나 소유주가 재고보다 용량이 큰 배기 시스템을 선호하는 차량을 위해 높은 흐름의 컨버터를 공급한다.^[28]

배기 흐름에 미치는 영향

결함이 있는 촉매변환기와 손상되지 않은 초기 유형의 변환기는 배기 가스 흐름을 제한할 수 있으며, 이는 차량 성능과 연비에 부정적인 영향을 미친다.^[24] 현대의 촉매변환기는 배기 흐름을 크게 제한하지 않는다. 예를 들어 1999년 Honda Civic에 대한 2006년 테스트에서는 스톡 촉매변환기를 제거하면 최대 마력이 3% 증가하는 데 그쳤다는 것을 보여주었다; 새로운 금속 코어 변환기는 변환기가 없는 것에 비해 자동차에는 1% 마력밖에 들지 않았다.^[26]

위험들

피드백 연료-공기 혼합물 제어 장치가 없는 1981년 이전 차량의 카뷰레터는 엔진에 너무 많은 연료를 쉽게 공급할 수 있으며, 이는 촉매변환기를 과열시키고 자동차 아래에서 잠재적으로 인화성 물질에 점화시킬 수 있다.^[29]

워밍업 기간

촉매변환기가 장착된 차량은 예를 들어, 촉매변환기가 완전히 효과적일 정도로 충분히 예열되기 전에 엔진 작동 후 처음 5분 동안 전체 오염의 대부분을 배출한다.^[30]

2000년대 초반에는 훨씬 더 빠른 예열을 위해 엔진에 가까운 배기 매니폴드 바로 옆에 촉매변환기를 두는 것이 일반화되었다. 1995년 알피나는 전기 가열 촉매를 도입했다. "E-KAT"라고 불리는 이 차는 BMW 750i를 기반으로 한 알피나의 B12 5,7 E-KAT에서 사용되었다.^[31] 촉매변환기 어셈블리 내부의 가열 코일은 엔진 시동 직후 전기가 공급되어 촉매를 매우 빠르게 작동 온도로 끌어올려 차량의 저배출 차량(LEV) 지정을 검증한다.^[32] 이후 BMW는 1999년 750i에서 에미텍, 알피나, BMW가 공동 개발한 동일한 가열 촉매를 선보였다.^[31][32]

일부 차량에는 주 촉매변환기의 업스트림인 프리캣(pre-cat)이 내장되어 있어 차량 시동 시 더 빨리 가열되어 콜드 스타트 관련 배기 가스가 감소한다. 프리캣은 자동차 제조업체가 도요타 MR2 로드스터와 같이 ULEV(Ultra Low Discovery Vehicle) 등급을 획득하려고 할 때 가장 일반적으로 사용된다.^[33]

환경영향

촉매변환기는 유해한 테일파이프 배출을 줄이는 데 안정적이고 효과적인 것으로 입증되었다. 그러나 이러한 제품들은 사용상의 일부 단점도 가지고 있으며 생산에 있어 환경적 영향에도 악영향을 미친다.

• 3방향 촉매가 장착된 엔진은 반드시 스토이치계 지점에서 작동해야 하는데, 이는 연료가 희박하게 연소된 엔진에서보다 더 많이 소비된다는 것을 의미한다. 이는₂ 차량에서 발생하는 CO 배출량이 약 10% 더 많다는 것을 의미한다.
• 촉매변환기 생산에는 팔라듐이나 백금이 필요하다. 이러한 귀금속의 세계 공급의 일부는 러시아 노릴스크 근방에서 생산되는데, 그 산업은 노릴스크를 타임지의 가장 오염이 심한 곳 목록에 추가시켰다.^[34]
• 변환기의 극심한 열은 특히 건조한 지역에서 산불을 일으킬 수 있다.^{[35][36][37][38]}

절도

외부 위치와 백금, 팔라듐, 로듐 등 귀중한 귀금속을 사용하기 때문에 촉매변환기가 도둑의 표적이 되고 있다. 이 문제는 지반 간극이 높고 볼트 온 촉매변환기를 쉽게 제거하기 때문에 후발 트럭과 SUV 사이에서 특히 흔하다. 용접온 컨버터도 쉽게 끊길 수 있어 도난 위험이 있다.^[39][40][41] 파이프커터는 흔히 컨버터를^[42][43] 조용히 제거하기 위해 사용되지만 휴대용 왕복 톱과 같은 다른 도구는 교류발전기, 배선 또는 연료관과 같은 차량의 다른 구성 요소를 손상시켜 잠재적으로 위험한 결과를 초래할 수 있다. 2000년대 상품 호황기 동안 미국의 금속 가격 상승은 컨버터 절도 현상으로 이어졌다. 촉매변환기는 교체하는 데 1,000달러 이상의 비용이 들 수 있으며, 도난 중에 차량이 손상된 경우 더 많은 비용이 들 수 있다.^[44][45][46]

2019~2020년부터 영국의 절도범들은 신형 차량보다 귀금속을 더 많이, 때로는 자동차의 가치보다 더 큰 가치를 지닌 구형 하이브리드 자동차를 겨냥하여 희소성과 교체 지연을 초래했다.^[47]

2021년 콩고민주공화국에서 마약 생산에 사용할 목적으로 촉매변환기를 도난당한 추세가 나타났다.^[48]

진단

이제 다양한 관할구역에서 촉매변환기를 포함한 배출물 제어 시스템의 기능과 상태를 모니터링하기 위한 현장 진단이 필요하다. OBD-II 진단 시스템이 장착된 차량은 대시보드의 "체크 엔진" 표시등을 켜거나 현재 실화 상태가 촉매변환기를 손상시킬 수 있을 정도로 심각할 경우 이를 깜박이는 방법으로 운전자에게 실화 상태를 알리도록 설계되어 있다.^{[citation needed]}

온보드 진단 시스템은 몇 가지 형태를 취한다.

온도 센서는 두 가지 목적으로 사용된다. 첫 번째는 경고 시스템으로서, 일반적으로 LPG 포크리프트에 사용되는 것과 같은 양방향 촉매변환기의 경우 입니다. 이 센서의 기능은 촉매변환기 온도가 안전제한치인 750°C(1,380°F) 이상임을 경고하는 것이다. 현대의 촉매 변환기 설계는 온도 손상에 취약하지 않으며 900 °C(1,650 °F)의 지속적인 온도를 견딜 수 있다.^{[citation needed]} 온도 센서는 촉매 기능을 모니터링하는 데도 사용된다. 일반적으로 두 개의 센서가 장착되며, 하나는 촉매 전에, 하나는 촉매 변환기 코어의 온도 상승을 모니터링하기 위해 장착된다.^{[citation needed]}

산소 센서는 점화식 리치 연소 엔진의 폐쇄 루프 제어 시스템의 기본이지만 진단에도 사용된다. OBD II 장착 차량에서는 촉매변환기 다음에 두 번째 산소 센서가 장착되어 O 레벨을₂ 모니터링한다. O레벨은₂ 화상 프로세스의 효율성을 확인하기 위해 모니터링된다. 온보드 컴퓨터는 두 센서의 판독값을 비교한다. 판독값은 전압 측정에 의해 측정된다. 두 센서의 출력이 같거나 리어 O가₂ "전환"되는 경우 컴퓨터는 촉매변환기가 작동하지 않거나 제거된 것을 인식하고 오작동 표시등을 작동시켜 엔진 성능에 영향을 준다. 간단한 "산소 센서 시뮬레이터"는 인터넷에서 사용할 수 있는 계획과 사전 조립된 장치로 촉매변환기의 변화를 시뮬레이션함으로써 이 문제를 회피하기 위해 개발되었다. 이는 온로드 이용에는 합법적이지 않지만, 혼재된 결과로 이용되어 왔다.^[49] 유사한 장치가 센서 신호에 오프셋을 적용하여 엔진은 엔진이나 촉매변환기를 손상시킬 수 있는 보다 연비적인 연비를 낼 수 있다.^[50]

NO
x 센서는 매우 비싸며 일반적으로 압축 점화 엔진에 선택적 촉매 저감(SCR) 컨버터 또는 피드백 시스템의 NO
x 흡수기가 장착된 경우에만 사용된다. SCR 시스템에 장착할 경우 센서가 하나 또는 두 개 있을 수 있다. 한 센서가 장착되면 전방 촉매로, 두 센서가 장착되면 두 번째 센서가 후방 촉매로 장착된다. 그것들은 산소 센서와 같은 방식으로 동일한 이유로 사용된다. 유일한 차이점은 모니터링되는 물질이다.^{[citation needed]}

참고 항목

• 촉매 히터
• 세륨(III) 산화물
• 흡착기 없음
  
• 도로공기분산 모델링

참조

추가 읽기

• 키스, C.D. 외 미국 특허 3,441,381: "내연기관 배기가스 정화용 부속서" 1969년 4월 29일
• 라흐만, I. M. 외 미국 특허 3,885,977: "비등방성 코디에라이트 모노리스"(세라믹 기질) 1973년 11월 5일
• 찰스 H. 베일리 미국 특허 4,094,645: "배압이 낮은 결합 머플러와 촉매변환기" 1978년 6월 13일
• 찰스 H. 베일리 미국 특허 4,250,146: '캐슬리스 단일 촉매변환기' 1981년 2월 10일
• 스리니바산 고팔락리쉬난. GB 2397782 : "물질의 분자공학을 위한 프로세스와 신시사이저". 2002년 3월 13일.

외부 링크

• HowStuffWorks의 촉매변환기
• 고온 절연 울의 자동차 응용
• 촉매변환기 사진
• 촉매변환기 재활용 정보
• 촉매변환기 가격 가이드