Penukar Pemangkin Dua Hala lwn Tiga Hala: Fungsi & Perbezaan

1. Pengenalan kepada Catalytic Converters

Kawalan pelepasan automotif mewakili persimpangan kritikal sains alam sekitar, kejuruteraan kimia dan kesihatan awam. Di tengah-tengah sistem pengurangan pelepasan kenderaan moden terletak penukar pemangkin, peranti yang direka bentuk untuk mengubah bahan pencemar berbahaya yang dijana semasa pembakaran dalaman kepada bahan yang kurang berbahaya. Genesis teknologi ini boleh dikesan kembali kepada kesedaran awam yang semakin meningkat tentang pencemaran udara, terutamanya asap fotokimia dan ozon tahap rendah, yang semakin berleluasa di bandar-bandar utama pada tahun 1940-an disebabkan oleh lonjakan penggunaan kereta. 1.

Inisiatif penyelidikan awal pada tahun 1960-an, didorong oleh kebimbangan alam sekitar ini, mencari penyelesaian untuk mengurangkan tahap peningkatan karbon monoksida (CO), hidrokarbon (HC), dan nitrogen oksida (NOx) yang dikeluarkan oleh kenderaan. 3. Tokoh penting dalam perkembangan awal ini ialah jurutera Perancis Eugene Houdry, yang pada tahun 1952 dan 1973, membangunkan penukar pemangkin praktikal pertama untuk kereta. 4. Kerja perintisnya meletakkan asas untuk menggunakan pemangkin untuk menukar bahan pencemar kepada sebatian yang kurang berbahaya, pada mulanya memfokuskan pada aplikasi untuk cerobong asap dan forklift gudang sebelum penyepaduan automotif 4.

Landskap kawalan pelepasan automotif secara asasnya dibentuk semula oleh tindakan perundangan, terutamanya Akta Udara Bersih AS 1970. Perundangan penting ini menetapkan piawaian pelepasan yang ketat, menuntut pengurangan 90% dalam pelepasan kenderaan dalam tempoh lima tahun, sekali gus memaksa pengeluar automotif untuk menggunakan teknologi kawalan termaju 1. Menjelang 1975, Akta Udara Bersih mewajibkan pemasangan penukar pemangkin dalam semua kereta baharu yang dijual di AS, menandakan titik perubahan penting dalam peraturan alam sekitar dan reka bentuk automotif 1.

Pada mulanya, penukar pemangkin yang diperkenalkan ialah penukar pengoksidaan "dua hala". Reka bentuk awal ini mampu menangani karbon monoksida dan hidrokarbon yang tidak terbakar tetapi mempunyai batasan yang wujud dalam keupayaan mereka untuk mengurangkan nitrogen oksida 4. Evolusi seterusnya membawa kepada pembangunan penukar pemangkin "tiga hala", yang muncul pada tahun 1980-an dan merevolusikan kawalan pelepasan dengan mensasarkan secara serentak ketiga-tiga bahan pencemar utama: CO, HC, dan NOx 5. Laporan ini akan menyelidiki prinsip, fungsi, inovasi struktur dan pemacu kawal selia yang berbeza yang membezakan kedua-dua jenis penukar pemangkin asas ini.

2. Penukar Pemangkin Dua Hala: Prinsip dan Had

Penukar pemangkin dua hala, juga dikenali sebagai pemangkin pengoksidaan, mewakili langkah awal ke dalam rawatan ekzos automotif yang meluas. Fungsi utamanya adalah untuk memudahkan tindak balas pengoksidaan tertentu, menukar dua daripada gas ekzos berbahaya yang paling lazim kepada bentuk yang kurang toksik.

2.1. Prinsip dan Tindak Balas Kimia

Proses kimia teras dalam penukar dua hala melibatkan gabungan oksigen dengan karbon monoksida dan hidrokarbon tidak terbakar. Reaksi utama adalah:

• Pengoksidaan Karbon Monoksida (CO): Karbon monoksida, gas toksik, dioksidakan kepada karbon dioksida (CO2), gas rumah hijau yang agak tidak berbahaya.2CO+O2→2CO22CO+THE2​→2CTHE2
• Pengoksidaan Hidrokarbon (HC): Hidrokarbon yang tidak terbakar, yang menyumbang kepada asap dan merupakan sebatian organik yang meruap, dioksidakan kepada karbon dioksida dan air (H2O). Tindak balas umum untuk hidrokarbon (CxHy) ialah:CxHy+(x+y4)O2→xCO2+y2H2OCx,Hdan+(x+4dan)THE2​→xCTHE2+2dan,H2THE

Tindak balas ini adalah eksotermik, bermakna ia membebaskan haba, yang menyebabkan gas ekzos meningkat dalam suhu apabila ia melalui penukar, memerlukan penggunaan pelindung haba 6.

2.2. Bahan Pemangkin dan Keadaan Operasi

Penukar dua hala biasanya menggunakan logam berharga seperti platinum (Pt) dan palladium (Pd) sebagai bahan pemangkin utama 6. Logam ini sangat berkesan dalam menggalakkan tindak balas pengoksidaan yang diterangkan di atas. Penukar beroperasi dengan cekap dengan campuran bahan api yang agak kurus, bermakna terdapat lebihan oksigen dalam gas ekzos untuk memudahkan proses pengoksidaan 6.

2.3. Batasan yang wujud

Walaupun keberkesanannya dalam mengurangkan CO dan HC, had asas penukar pemangkin dua hala ialah ketidakupayaan untuk mengurangkan nitrogen oksida (NOx) 6. Sebatian NOx terbentuk pada suhu pembakaran yang tinggi dan merupakan penyumbang penting kepada hujan asid dan asap fotokimia. Persekitaran kimia yang diperlukan untuk pengurangan NOx (suasana pengurangan, atau kekurangan oksigen berlebihan) adalah bertentangan dengan persekitaran pengoksidaan yang diperlukan untuk penukaran CO dan HC. Kekangan reka bentuk yang wujud ini bermakna penukar dua hala hanya boleh menangani dua daripada tiga bahan pencemar terkawal utama.

2.4. Permohonan dan Fasa Keluar

Penukar dua hala digunakan secara meluas pada kereta petrol dari pertengahan 1970-an, berikutan mandat Akta Udara Bersih 6. Walau bagaimanapun, ketidakupayaan mereka untuk mengawal pelepasan NOx dengan cepat membawa kepada keusangan mereka dalam kenderaan petrol kerana peraturan pelepasan menjadi lebih ketat 6.

Menariknya, penukar pemangkin dua hala, sering dirujuk sebagai Pemangkin Pengoksidaan Diesel (DOC), masih digunakan dalam enjin diesel 7. Ini kerana ekzos diesel sememangnya kaya dengan oksigen, menjadikan pemangkin tiga hala tidak sesuai. DOC dalam aplikasi diesel mengoksidakan CO, HC, dan juga memudahkan pengoksidaan nitrik oksida (NO) kepada nitrogen dioksida (NO2), dan boleh mengurangkan jisim pelepasan zarah diesel dengan mengoksidakan hidrokarbon yang terjerap pada zarah karbon. 7. Walaupun jarang berlaku pada kereta petrol moden di kawasan yang mempunyai piawaian pelepasan yang ketat, penukar dua hala masih boleh ditemui di pasaran yang kurang dikawal, serta pada bas CNG, motosikal dan enjin petrol kecil (cth, strimmers) 7.

3. Penukar Pemangkin Tiga Hala: Kimia dan Kefungsian Lanjutan

Kemunculan penukar pemangkin tiga hala (TWC) menandakan lonjakan ketara dalam kawalan pelepasan automotif, menangani had kritikal pendahulu dua hala mereka dengan mengurangkan oksida nitrogen (NOx) secara serentak bersama pengoksidaan karbon monoksida (CO) dan hidrokarbon (HC). Kefungsian lanjutan ini dicapai melalui interaksi kompleks tindak balas redoks dan kawalan enjin yang tepat.

3.1. Tindak balas Redoks Serentak

Penukar pemangkin tiga hala direka untuk memudahkan tiga tindak balas kimia yang berbeza secara serentak:

• Pengoksidaan Karbon Monoksida (CO):2CO+O2→2CO22CO+THE2​→2CTHE2
• Pengoksidaan Hidrokarbon (HC):CxHy+(x+y4)O2→xCO2+y2H2OCx,Hdan+(x+4dan)THE2​→xCTHE2+2dan,H2THE
• Pengurangan Nitrogen Oksida (NOx): Nitrogen oksida dikurangkan kepada molekul nitrogen (N2) dan oksigen (O2) yang tidak berbahaya.2NOx→N2+xO22NTHEx→N2+xTHE2

Keupayaan untuk melakukan kedua-dua tindak balas pengoksidaan dan pengurangan secara serentak dalam satu peranti adalah ciri yang menentukan dan kelebihan utama penukar tiga hala.

3.2. Peranan Kritikal Kawalan Nisbah Udara-Bahan Api Stoikiometri

Kecekapan serentak ketiga-tiga tindak balas ini sangat bergantung pada mengekalkan ketepatan nisbah udara-bahan api stoikiometri (λ = 1) dalam proses pembakaran enjin 1. Untuk petrol, nisbah ini adalah kira-kira 14.7 bahagian udara kepada 1 bahagian bahan api mengikut jisim.

• Keadaan Stoikiometri (λ = 1): Pada nisbah ideal ini, terdapat oksigen yang cukup untuk mengoksidakan CO dan HC sepenuhnya, sambil juga mewujudkan persekitaran kekurangan oksigen (mengurangkan) yang diperlukan untuk pengurangan NOx. Tingkap operasi yang sempit ini adalah tempat TWC mencapai kecekapan puncaknya, selalunya mencapai 95% atau penyingkiran bahan pencemar yang lebih tinggi 26.
• Keadaan Kaya (λ Jika campuran terlalu kaya (bahan api berlebihan), oksigen tidak mencukupi untuk pengoksidaan lengkap CO dan HC, yang membawa kepada peningkatan pelepasan bahan pencemar ini. Walau bagaimanapun, pengurangan NOx diutamakan di bawah keadaan ini kerana persekitaran yang berkurangan.
• Keadaan Kurus (λ > 1): Jika campuran terlalu kurus (oksigen berlebihan), pengurangan NOx terhalang kerana oksigen berlebihan bersaing dengan NOx untuk tapak aktif pada permukaan mangkin. Sebaliknya, pengoksidaan CO dan HC dipertingkatkan kerana oksigen yang banyak.

3.3. Kapasiti Penyimpanan Oksigen (OSC) dan Kawalan Maklum Balas

Untuk mengekalkan keseimbangan halus yang diperlukan untuk operasi TWC yang optimum, sistem moden menggabungkan mekanisme kawalan yang canggih:

• Kapasiti Penyimpanan Oksigen (OSC): Baju cuci pemangkin, biasanya mengandungi serium oksida (CeO2), memainkan peranan penting dalam menampan turun naik kecil dalam nisbah udara-bahan api 1. CeO2 boleh bertukar secara balik antara keadaan teroksida (CeO2) dan terkurang (Ce2O3), menyimpan oksigen apabila ekzos condong sedikit dan melepaskannya apabila ekzos agak kaya. Keupayaan penimbalan oksigen ini dengan ketara meningkatkan kecekapan penukar, terutamanya semasa operasi enjin sementara 1.
• Maklum balas Sensor Oksigen (Lambda Sensor): Sensor oksigen (selalunya sensor zirkonia atau titania), diletakkan dalam aliran ekzos di hulu penukar pemangkin, memantau kandungan oksigen secara berterusan 1. Sensor ini menjana isyarat voltan yang berkadar terus dengan kepekatan oksigen.
• Gelung Kawalan Unit Kawalan Enjin (ECU): Isyarat daripada sensor oksigen disalurkan semula ke Unit Kawalan Enjin (ECU). ECU menggunakan maklumat masa nyata ini untuk melaraskan dengan tepat jumlah bahan api yang disuntik ke dalam enjin, dengan itu mengekalkan nisbah udara-ke-bahan api sehampir mungkin dengan stoikiometri. Sistem kawalan gelung tertutup ini adalah asas kepada operasi berkesan penukar pemangkin tiga hala 1.

3.4. Komposisi Pemangkin dan Suhu Mati Cahaya

Pemangkin TWC biasa terdiri daripada gabungan platinum (Pt), paladium (Pd), dan rhodium (Rh) tersebar pada bahan sokongan kawasan permukaan tinggi, paling biasa alumina (Al2O3) 1.

• Platinum (Pt) dan Palladium (Pd): Logam ini terutamanya menggalakkan tindak balas pengoksidaan CO dan HC 13.
• Rhodium (Rh): Rhodium amat berkesan untuk pengurangan NOx kepada nitrogen molekul, walaupun dengan kehadiran oksigen atau sulfur dioksida 13. Ia merupakan komponen kritikal yang membezakan penukar tiga hala daripada dua hala 18. Rhodium juga kurang dihalang oleh CO berbanding Pt, walaupun ia tidak boleh menukar ketiga-tiga komponen secara berkesan sahaja 13.
• Suhu padam: Penukar pemangkin memerlukan suhu minimum, yang dikenali sebagai suhu padam cahaya (biasanya sekitar 250-300°C), untuk memulakan dan mengekalkan tindak balas pemangkin 1. Di bawah suhu ini, pemangkin sebahagian besarnya tidak aktif, membawa kepada pelepasan yang lebih tinggi, terutamanya semasa permulaan sejuk 20.

3.5. Mekanisme Penyahaktifan Mangkin

Prestasi jangka panjang TWC boleh dipengaruhi oleh beberapa mekanisme penyahaktifan:

• Keracunan sulfur: Sebatian sulfur yang terdapat dalam bahan api boleh meracuni mangkin dengan menyekat tapak aktif pada permukaan mangkin, dengan itu mengurangkan aktivitinya 1. Walaupun logam mulia secara amnya tahan terhadap sulfatasi pukal, sulfur oksida (SOx) masih boleh menghalang tindak balas redoks 13.
• Penuaan Terma (Sintering): Pendedahan berpanjangan kepada suhu tinggi (cth, melebihi 800°C, kadangkala mencecah 1000°C) boleh menyebabkan zarah logam berharga menggumpal dan membesar (pensinteran), mengurangkan luas permukaan aktif dan kecekapan pemangkin. 1. Ini adalah penyahaktifan kekal 20.
• Fouling: Pemendapan karbon (jelaga) atau bahan cemar lain daripada aliran ekzos boleh menyekat tapak aktif pemangkin secara fizikal 1.
• Penyahaktifan kimia: Interaksi suhu tinggi antara logam berharga dan oksida kot (Al, Ce, Zr) juga boleh menyebabkan penyahaktifan 13.

4. Inovasi Struktur dan Bahan

Keberkesanan penukar pemangkin, sama ada dua hala atau tiga hala, sangat dipengaruhi oleh struktur dalaman mereka dan sains bahan yang canggih di sebalik reka bentuknya. Walaupun kedua-dua jenis berkongsi elemen struktur asas, formulasi dan susunan khusus berbeza untuk membolehkan kefungsian kimia masing-masing.

4.1. Reka Bentuk dan Bahan Substrat

Penukar pemangkin moden digunakan secara universal sokongan aliran melalui monolitik, dicirikan oleh a honeycomb structure 14. Reka bentuk ini memaksimumkan kawasan permukaan yang terdedah kepada gas ekzos sambil meminimumkan penurunan tekanan.

• Substrat seramik: Bahan yang paling biasa untuk penyokong monolit berliang ini ialah cordierite 14. Substrat seramik digemari kerana kestabilan haba dan keberkesanan kosnya. Pada halaju gas ekzos yang lebih rendah, substrat seramik mungkin menawarkan kecekapan penukaran yang lebih baik untuk HC dan CO disebabkan oleh kekonduksian terma yang lebih rendah, yang membantu mengekalkan suhu yang diperlukan untuk tindak balas pemangkin. 19.
• Substrat logam: Substrat logam juga digunakan, menawarkan kelebihan seperti kekuatan mekanikal yang lebih tinggi, rintangan kejutan haba yang lebih baik, dan dinding sel yang lebih nipis, yang boleh membawa kepada luas permukaan geometri yang lebih besar 14. Pada halaju gas ekzos yang lebih tinggi, substrat logam boleh memberikan kadar penukaran yang lebih baik disebabkan oleh luas permukaan yang lebih besar ini 19.
• Ketumpatan Sel: Struktur sarang lebah ditakrifkan oleh ketumpatan selnya, yang boleh setinggi 62 sel/cm² 12. Ketumpatan sel yang lebih tinggi meningkatkan luas permukaan tetapi juga boleh meningkatkan tekanan belakang.
• Geometri yang Diubah Suai: Penyelidikan diteruskan untuk mengubah suai geometri penukar untuk meningkatkan kecekapan penukaran dan mengurangkan penurunan tekanan, contohnya, dengan mengoptimumkan zon peredaran semula 11.

4.2. Komposisi dan Fungsi Baju Cuci

The baju basuh ialah komponen kritikal, menyediakan kawasan permukaan tinggi yang diperlukan untuk penyebaran pemangkin logam berharga dan memudahkan tindak balas kimia. Ia biasanya digunakan sebagai buburan akueus berasid ke substrat, diikuti dengan pengeringan dan pengkalsinan. 14.

• Bahan Kot Basuh Utama: Aluminium oksida (Al2O3) ialah bahan baju cuci yang paling biasa kerana luas permukaannya yang tinggi (biasanya 100-200 m²/g) dan kestabilan haba 14.
• Penggalak dan Penstabil: Bahan lain dimasukkan ke dalam kot basuh untuk meningkatkan prestasi, bertindak sebagai penggalak, atau menstabilkan pemangkin terhadap degradasi haba dan keracunan. Ini termasuk:
  • Serium dioksida (CeO2): Penting untuk kapasiti penyimpanan oksigen (OSC) dalam penukar tiga hala, menampan turun naik nisbah udara-bahan api 1.
  • Zirkonium oksida (ZrO2): Selalunya digunakan bersama-sama dengan ceria untuk meningkatkan kestabilan haba dan sifat penyimpanan oksigen 14.
  • Titanium dioksida (TiO2) dan Silikon oksida (SiO2): Boleh digunakan sebagai pembawa pemangkin atau untuk mengubah suai sifat kot 14.
  • Zeolit: Boleh digabungkan, terutamanya dalam sistem canggih, untuk sifat penjerapan dan aktiviti pemangkinnya 15.
• Pemuatan dan Ketebalan Kot Basuh: Pemuatan baju jahit biasanya berjulat daripada 100 g/dm³ pada substrat 200 cpsi (sel per inci persegi) hingga 200 g/dm³ pada substrat 400 cpsi 14. Lapisan baju basuh itu sendiri boleh mempunyai ketebalan 20-100 μm 11. Untuk aplikasi khusus, seperti yang melibatkan zeolit, lapisan washcoat boleh berkisar antara 25 g/l hingga 90 g/l, dengan lapisan zarah aktif secara pemangkin dari 50 g/l hingga 250 g/l 15.

4.3. Formulasi Pemangkin Logam Berharga

Pilihan dan pemuatan logam berharga adalah penting untuk fungsi penukar. Ini secara kolektif dikenali sebagai Logam Kumpulan Platinum (PGM).

• Penukar Dua Hala: Terutamanya digunakan platinum (Pt) dan palladium (Pd) 6. Logam ini sangat berkesan untuk pengoksidaan CO dan HC.
• Penukar Tiga Hala: Gunakan gabungan platinum (Pt), paladium (Pd), dan rhodium (Rh)1.
  • Pt dan Pd: Teruskan berfungsi sebagai pemangkin utama untuk tindak balas pengoksidaan 13.
  • Rh (Rhodium): Adalah tambahan utama, khusus untuk pengurangan NOx kepada nitrogen molekul 13. Rhodium kurang dihalang oleh CO berbanding Pt dan kurang terdedah kepada keracunan sulfur, walaupun ia diracuni teruk oleh sebatian plumbum 13.
• Pemuatan Logam Berharga: Pemuatan PGM biasanya berbeza dari 1.0 hingga 1.8 g/dm³ (30 hingga 50 g/ft³), mewakili kira-kira 0.1 hingga 0.15% mengikut berat monolit 13. Nisbah khusus Pt/Pd/Rh dioptimumkan dengan teliti berdasarkan pelepasan sasaran dan keadaan operasi. Sebagai contoh, sesetengah kenderaan mungkin menggunakan pemangkin paladium sahaja sebagai pemangkin "mati" (berdekatan dengan enjin untuk pemanasan pantas) dan pemangkin Pd/Rh di hiliran. 13.
• Kos dan Ketersediaan: Pemilihan pemuatan logam mulia juga dipengaruhi oleh kos dan ketersediaannya, dengan rhodium sangat jarang dan mahal 13.

4.4. Proses Pengilangan

Pembuatan penukar pemangkin melibatkan teknik salutan yang tepat:

• salutan basuh: Buburan kot basuh digunakan pada substrat. Ini boleh dilakukan dengan menggunakan radas salutan berterusan di mana substrat bergerak di bawah "air terjun" buburan 14.
• Impregnasi: Secara tradisinya, selepas salutan basuh, logam berharga diperkenalkan dalam langkah impregnasi yang berasingan. Ini melibatkan merendam bahagian bersalut basuh dalam larutan akueus prekursor mangkin, mengeluarkan larutan yang berlebihan, dan kemudian mengeringkan dan mengkalsinkan. 14. Dalam proses moden, logam berharga juga boleh dimasukkan terus ke dalam buburan baju basuh 14.

4.5. Inovasi Penuaan dan Ketahanan Pemangkin

Prestasi pemangkin merosot dari semasa ke semasa disebabkan oleh pelbagai faktor, termasuk penuaan haba (pensinteran zarah logam), keracunan kimia (cth, oleh sebatian sulfur, plumbum), dan kekotoran. 1. Inovasi bertujuan untuk mengurangkan kesan ini:

• Suhu Mati Cahaya Dikurangkan: Formulasi pemangkin dan washcoat baharu sedang dibangunkan untuk mencapai suhu pemadaman cahaya yang berkurangan dengan ketara, walaupun selepas penuaan yang meluas, berbanding kaedah kimia basah yang lebih lama. 15. Ini penting untuk mengurangkan pelepasan permulaan sejuk.
• Kestabilan Terma: Penyelidikan menumpukan pada membangunkan lebih banyak pemangkin tahan haba yang boleh menahan suhu tinggi (sekitar 1000°C), membolehkan ia dipasang lebih dekat dengan enjin untuk pemadaman cahaya yang lebih cepat dan jangka hayat yang lebih lama. 7. Ini memerlukan kristalit yang stabil dan bahan baju cuci yang mengekalkan kawasan permukaan yang tinggi 7.
• Pengurangan Kesan Penuaan: Usaha berterusan dilakukan untuk mengurangkan kesan penuaan untuk memanjangkan keberkesanan penukar pemangkin untuk mengawal pelepasan 15.

5. Kecekapan Pengurangan Pelepasan Perbandingan dan Ciri-ciri Operasi

Perbezaan asas antara penukar pemangkin dua hala dan tiga hala terletak pada skop pengurangan pelepasan dan parameter operasi yang diperlukan untuk mencapainya. Bahagian ini menyediakan perbandingan terperinci prestasi mereka merentas pelbagai bahan pencemar, julat operasi dan aspek ketahanan.

5.1. Prestasi Pengurangan Emisi

• Penukar Pemangkin Dua Hala: Penukar ini terutamanya menyasarkan carbon monoxide (CO) dan hydrocarbons (HC). Mereka mencapai ini melalui tindak balas pengoksidaan, menukar CO kepada CO2 dan HC kepada CO2 dan H2O 6. Kecekapan mereka dalam mengurangkan bahan pencemar ini adalah tinggi apabila beroperasi dengan campuran bahan api tanpa lemak 6. Walau bagaimanapun, had kritikal mereka adalah mereka ketidakupayaan untuk mengurangkan nitrogen oksida (NOx), yang merupakan penyumbang penting kepada pencemaran udara 6.
• Penukar Pemangkin Tiga Hala: Ini mewakili kemajuan yang ketara, mampu mengurangkan secara serentak CO, HC, dan NOx 16. Penukar tiga hala moden, apabila beroperasi dalam keadaan optimum (iaitu, kawalan nisbah udara-bahan api stoikiometri yang tepat), boleh mencapai kecekapan penyingkiran bahan pencemar yang luar biasa, selalunya mencapai kira-kira 95% untuk CO, HC, dan NOx 19. Sesetengah sumber malah memetik kecekapan setinggi 99% sebaik sahaja penukar mencapai suhu operasinya 26.

5.2. Julat Suhu Operasi dan Waktu Mati Cahaya

Kedua-dua jenis penukar memerlukan suhu minimum untuk menjadi aktif, dikenali sebagai suhu padam cahaya.

• Suhu Mati: Untuk pemangkin baharu, suhu pemadaman cahaya biasanya ada 250°C 20. Di bawah suhu ini, pemangkin sebahagian besarnya tidak aktif, membawa kepada pelepasan yang ketara, terutamanya semasa permulaan sejuk 26. Apabila penukar semakin tua, suhu pemadaman cahaya ini cenderung meningkat, mengurangkan keberkesanannya dari semasa ke semasa 20.
• Suhu Operasi: Setelah aktif, penukar pemangkin beroperasi dengan berkesan dalam julat 400°C hingga 800°C 12. Tindak balas eksotermik dalam penukar menyebabkan suhu gas ekzos meningkat apabila ia melalui 6.
• Pelepasan Mula Sejuk: Pelepasan semasa permulaan sejuk merupakan cabaran utama bagi kedua-dua jenis penukar, kerana pemangkin mengambil masa untuk mencapai suhu pemadamannya. 26. Tempoh ini, sering dilanjutkan dalam kitaran pemanduan dunia sebenar berbanding ujian piawai, menghasilkan ekzos yang tidak dirawat 28. Strategi seperti pemangkin gandingan rapat (pemangkin kecil "menyalakan" diletakkan berhampiran port ekzos enjin) digunakan untuk mempercepatkan pemanasan dan mengurangkan pelepasan permulaan sejuk 18.

5.3. Ketahanan dan Kemerosotan Sistem

Prestasi jangka panjang dan ketahanan penukar pemangkin dipengaruhi oleh beberapa faktor:

• Kesan Terma: Suhu tinggi boleh menyebabkan pensinteran zarah logam berharga, mengurangkan luas permukaan aktif dan kecekapan pemangkin 20. Lebih banyak pemangkin tahan haba sedang dibangunkan untuk menahan suhu sehingga 1000°C, membolehkan pemasangan lebih dekat pada enjin dan jangka hayat 7.
• Kesan Kimia (Keracunan):
  • Keracunan plumbum: Dari segi sejarah, plumbum dalam petrol adalah punca utama penyahaktifan mangkin, kerana ia menyalut pemangkin dan menghalangnya daripada berfungsi 1. Pengharaman petrol berplumbum pada tahun 1990-an adalah penting untuk penggunaan meluas dan jangka hayat penukar pemangkin 1.
  • Keracunan sulfur: Sebatian sulfur dalam bahan api juga boleh meracuni mangkin dengan menyekat tapak aktif 1. Walaupun logam mulia secara amnya tahan terhadap sulfatasi pukal, oksida sulfur masih boleh menghalang tindak balas redoks 13.
  • Racun lain: Zink dan fosforus daripada bahan tambahan minyak enjin juga boleh menyumbang kepada keracunan 20.
• Kesan Mekanikal: Kerosakan fizikal, seperti hentaman atau getaran, boleh merosakkan struktur sarang lebah yang rapuh 20.
• Boleh Balik lwn. Penyahaktifan Kekal: Sesetengah kesan kimia, seperti storan HC dan CO akibat kerosakan sensor atau enjin yang tidak berfungsi, boleh menyebabkan pengurangan kecekapan boleh balik. Walau bagaimanapun, keracunan oleh plumbum, sulfur atau zink, dan kesan haba seperti pensinteran, membawa kepada penyahaktifan kekal 20.
• Perkembangan Penyahaktifan Bahan Kimia: Penyahaktifan kimia selalunya bermula di pintu masuk penukar dan secara beransur-ansur maju ke arah pintu keluar 20.
• Penyongsangan Pemasangan (Penyelesaian Spekulatif): Satu idea yang menarik, walaupun spekulatif, untuk memanjangkan hayat penukar apabila ia menghampiri hadnya ialah menyongsangkan pelekapnya. Ini akan menggunakan bahagian yang kurang aktif secara kimia (yang sebelum ini merupakan saluran keluar) sebagai saluran masuk baharu. Kajian telah menunjukkan potensi manfaat, seperti pengurangan 28% dalam pelepasan CO dengan penukar songsang dipasang pada 3000 rpm di bawah keadaan beban penuh 20. Ini menunjukkan bahawa mengoptimumkan pengagihan aliran dan menggunakan bahagian yang kurang terdegradasi boleh menawarkan lanjutan hayat sementara.

5.4. Pelepasan dan Ujian Dunia Sebenar

Keadaan pemanduan dunia sebenar selalunya memberikan persekitaran yang lebih mencabar untuk penukar pemangkin daripada kitaran ujian makmal piawai (cth, NEDC, USFTP).

• Pelepasan Dunia Sebenar yang Lebih Tinggi: Pelepasan yang diukur dalam trafik dunia sebenar selalunya jauh lebih tinggi daripada yang diperoleh semasa ujian standard. Sebagai contoh, pelepasan NOx boleh 2 hingga 4 kali lebih tinggi dalam keadaan dunia sebenar berbanding pengukuran NEDC 28.
• Kesan Dinamik Pemanduan: Pecutan dan nyahpecutan yang lebih besar dalam pemanduan dunia sebenar boleh menjejaskan ketepatan kawalan stoikiometri (λ=1) TWC 26. Peristiwa henti/mulakan dan pecutan keras membawa kepada pelepasan NOx yang lebih tinggi disebabkan oleh perkadaran antara NOx dan kadar kuasa/pecutan 28.
• Isu Ketahanan dan Penyelenggaraan: Pelepasan NOx dunia sebenar yang melebihi had kelulusan jenis, terutamanya dalam sesetengah kereta petrol China 4 dan China 5, telah dikaitkan dengan gangguan yang sedang digunakan, ketahanan yang lemah dan penyelenggaraan penukar pemangkin tiga hala yang tidak mencukupi 29. Begitu juga, kenderaan tugas berat di China telah menunjukkan peningkatan terhad dalam pelepasan NOx dunia sebenar walaupun terdapat piawaian yang lebih ketat, mungkin disebabkan oleh isu seperti kegagalan mengisi semula tangki urea atau penyingkiran sistem Pengurangan Katalitik Selektif (SCR) 29.
• Pelepasan Hasil sampingan: Walaupun berkesan dalam mengurangkan bahan pencemar primer, sistem rawatan selepas lanjutan seperti TWC, SCR, dan Pemangkin Penyimpanan NOx (NSC) boleh menyebabkan pelepasan produk sampingan seperti ammonia (NH3) dan asid isosianik (HNCO) 30. Kenderaan diesel dengan SCR malah boleh mempunyai faktor pelepasan NH3 yang setanding dengan kenderaan petrol 30.

5.5. Implikasi Ekonomi Ketahanan dan Penggantian

Jangka hayat dan kos penggantian penukar pemangkin mempunyai implikasi ekonomi yang ketara untuk pemilik kenderaan dan industri automotif.

• Penunjuk Jangka Hayat: Tanda-tanda penukar pemangkin yang gagal termasuk kehilangan kuasa enjin, penjimatan bahan api yang berkurangan, enjin tidak berfungsi, kesukaran dihidupkan, bunyi berderit, lampu enjin semak (selalunya kod P0420) dan bau telur busuk dari ekzos 31.
• Kos Penggantian: Kos penggantian purata untuk penukar pemangkin boleh berjulat dengan ketara, daripada 450 hingga 450tyang4200, termasuk bahagian dan buruh 31. Faktor yang mempengaruhi kos ini termasuk pembuatan dan model kenderaan (kenderaan mewah dan import selalunya mempunyai kos yang lebih tinggi), saiz enjin (enjin yang lebih besar memerlukan lebih banyak logam berharga), jenis komponen (muatan langsung vs. universal), dan piawaian pematuhan (penukar yang mematuhi CARB lebih mahal daripada yang mematuhi EPA) 31.
• Nilai dan Kecurian Logam Berharga: Kos yang tinggi disebabkan terutamanya oleh logam berharga (platinum, paladium, rhodium) yang terkandung di dalamnya. 31. Rhodium, sebagai contoh, boleh menjadi lebih berharga daripada emas 31. Nilai tinggi ini menjadikan penukar pemangkin sasaran yang kerap untuk kecurian, membawa kepada kos pembaikan tambahan untuk pemilik kenderaan 31.
• Nilai Kitar Semula: Logam berharga dalam penukar pemangkin boleh dikitar semula, memberikan insentif ekonomi untuk pelupusan dan pemulihan yang betul 31. Tambahan pula, platinum yang diperoleh semula daripada kenderaan petrol dan diesel akhir hayat berpotensi membekalkan sebahagian besar platinum yang diperlukan untuk kenderaan sel bahan api dan hibrid masa hadapan, yang menonjolkan aspek ekonomi bulat 34.

6. Evolusi Kawal Selia dan Penerimaan Global

Penggunaan meluas penukar pemangkin, terutamanya peralihan daripada reka bentuk dua hala kepada tiga hala, telah didorong oleh peraturan pelepasan global yang semakin ketat. Peraturan-peraturan ini telah berfungsi sebagai mekanisme "memaksa teknologi" yang berkuasa, memaksa pengeluar automotif untuk berinovasi dan melaksanakan sistem kawalan pelepasan termaju.

6.1. Akta Udara Bersih AS: Satu Preseden Global

The Akta Udara Bersih AS 1970 berdiri sebagai sekeping perundangan yang secara asasnya membentuk semula kejuruteraan automotif 21. Ia memberi mandat yang drastik 90% pengurangan dalam pelepasan daripada kereta baharu menjelang 1975, piawaian yang tidak dapat dipenuhi dengan teknologi sedia ada pada kos yang boleh diterima 21. Pendekatan "memaksa teknologi" ini memaksa industri automotif untuk membangunkan dan menyepadukan penyelesaian kawalan pelepasan baharu dengan pantas.

• Mandat 1975: Sebagai akibat langsung dari Akta Udara Bersih, penukar pemangkin menjadi peralatan wajib pada semua kereta baru yang dijual di AS mulai tahun 1975 21. EPA memainkan peranan penting dalam menguatkuasakan piawaian ini, malah memberikan kelewatan satu tahun untuk piawaian HC dan CO 1975 tetapi menetapkan had sementara yang masih memerlukan pemasangan penukar pemangkin 21.
• Pengaruh California: California, selalunya peneraju dalam peraturan alam sekitar, mengenakan standard interim yang lebih ketat untuk HC dan CO, mempercepatkan lagi penggunaan penukar pemangkin 21.
• 1981: Revolusi Tiga Hala: Ketidakcukupan penukar dua hala dalam mengawal pelepasan NOx menjadi jelas apabila peraturan diperketatkan. Oleh 1981, apabila peraturan kawalan pelepasan persekutuan AS mula memerlukan kawalan ketat NOx, kebanyakan pembuat kereta beralih kepada penukar pemangkin tiga hala dan sistem kawalan enjin yang berkaitan 4. Ini menandakan pengkomersilan meluas teknologi tiga hala, dengan Volvo terutamanya memperkenalkannya pada kereta spesifikasi California 1977 240. 4.
• Pindaan 1990: The 1990 pindaan kepada Akta Udara Bersih memperketatkan lagi piawaian pelepasan untuk HC, CO, NOx, dan bahan zarahan (PM), memperkenalkan piawaian paip ekor yang lebih rendah, dan memperluaskan program Pemeriksaan dan Penyelenggaraan (I/M) di kawasan yang mempunyai masalah pencemaran udara 23.
• Piawaian Tahap 3 (2017): EPA terus mengembangkan peraturannya, memuktamadkan Piawaian Tahap 3 pada 2017. Piawaian ini menetapkan had pelepasan kenderaan baharu dan, yang penting, menurunkan kandungan sulfur petrol, merawat kenderaan dan bahan api sebagai sistem bersepadu untuk mengoptimumkan kawalan pelepasan 23.

6.2. Kesatuan Eropah: Piawaian Pelepasan Euro

Mengikuti peneraju AS, Kesatuan Eropah melaksanakan set peraturan komprehensifnya sendiri yang dikenali sebagai Piawaian Pelepasan Euro.

• Euro 1 (1993): Penukar pemangkin menjadi wajib pada semua kereta petrol baharu yang dijual di Kesatuan Eropah bermula 1 Januari 1993, untuk mematuhi Piawaian pelepasan Euro 1 22. Ini menandakan peralihan ketara dalam pasaran automotif Eropah ke arah kawalan pelepasan termaju.
• Ketegangan Progresif: Piawaian Euro secara beransur-ansur menjadi lebih ketat dari semasa ke semasa, mentakrifkan had yang boleh diterima untuk pelepasan ekzos kenderaan ringan baharu yang dijual di seluruh negara anggota EU dan EEA 24.
• Euro 6 (2014): Standard pelepasan ekzos terkini untuk kereta baharu, Euro 6, diperkenalkan pada 2014, dengan kemas kini terbaharunya, Euro 6d, menjadi keperluan pada Januari 2021 24. Piawaian ini terus memacu inovasi dalam teknologi rawatan selepas.
• Piawaian Prestasi Pelepasan CO2 (2020): Selain daripada bahan pencemar tradisional, Suruhanjaya Eropah juga melaksanakan Peraturan (EU) 2019/631 pada 1 Januari 2020, menetapkan Piawaian prestasi pelepasan CO2 untuk kereta dan van penumpang baharu, seterusnya mempengaruhi reka bentuk kenderaan dan pilihan rangkaian kuasa 24.

6.3. Pengharmonian Global dan Ekonomi Baru Muncul

Desakan kawal selia untuk kenderaan yang lebih bersih telah diperluaskan secara global, dengan banyak negara mengguna pakai piawaian yang sama atau membangunkan piawaian mereka sendiri.

• Peraturan CO2 Global: Menjelang 2013, lebih 70% daripada pasaran global untuk kereta penumpang tertakluk kepada peraturan CO2 automotif, terutamanya di negara maju dari segi ekonomi. 25.
• Ekonomi Membangun: Ekonomi sedang pesat membangun, termasuk China, Mexico dan India, juga telah melaksanakan dasar peraturan CO2. Sebagai contoh, India memuktamadkan piawaian ekonomi bahan api kenderaan penumpang pertamanya pada 2014, berkuat kuasa dari April 2016 25.
• Melangkaui Peraturan Langsung: Sesetengah negara melengkapkan peraturan pelepasan langsung dengan insentif fiskal atau langkah kawalan trafik untuk menggalakkan penggunaan kenderaan yang lebih bersih 25.

6.4. Kesan terhadap Teknologi dan Tinjauan Masa Depan

Pengetatan berterusan peraturan pelepasan telah menjadi pemangkin utama untuk kemajuan dalam teknologi penukar pemangkin.

• Bahan Pemangkin Termaju: Peraturan telah memacu pembangunan bahan pemangkin termaju, termasuk formulasi kawasan permukaan tinggi dengan nisbah optimum platinum, paladium dan rhodium, untuk meningkatkan aktiviti pemangkin dan ketahanan 22.
• Penambahbaikan Ketahanan: Peralihan kepada bahan substrat termaju seperti sarang lebah seramik dan logam telah meningkatkan rintangan haba dan ketahanan mekanikal penukar pemangkin, membolehkan mereka memenuhi tempoh jaminan lanjutan yang dimandatkan oleh peraturan 22.
• Teknologi Rawatan Selepas Masa Depan: Pengejaran berterusan terhadap pelepasan ultra-rendah, terutamanya untuk permulaan sejuk dan pemanduan dunia sebenar, terus menolak sempadan reka bentuk penukar pemangkin. Ini termasuk penyelidikan ke dalam bahan pemangkin alternatif (cth, perovskit, oksida logam campuran) untuk meningkatkan prestasi, mengurangkan kos dan meningkatkan daya tahan terhadap keracunan 1. Tambahan pula, pembangunan penukar pemangkin "empat hala" yang direka untuk mengeluarkan zarah daripada ekzos enjin, dan sistem rawatan selepas termaju lain seperti Lean NOx Traps (LNTs) dan Selective Catalytic Reduction (SCR) untuk enjin lean-burn, adalah tindak balas langsung kepada permintaan kawal selia yang berkembang. 4.

Perjalanan daripada kebimbangan awal pencemaran udara kepada penukar pemangkin tiga hala yang canggih pada masa kini menggariskan kejayaan luar biasa dalam kejuruteraan dan pandangan jauh kawal selia dalam menangani cabaran alam sekitar yang kritikal.

flowchart TD subgraph Engine Combustion A[Fuel + Air] –> B(Combustion) end B –> C{Exhaust Gases} subgraph Two-Way Catalytic Converter C –> D[Two-Way Converter] D — Pt, Pd –> E{Oxidation Reactions} E –> F[CO + HC] F –> G[CO2 + H2O] G –> H[Cleaned Exhaust (No NOx Reduction)] end subgraph Three-Way Catalytic Converter C –> I{Oxygen Sensor Feedback} I — Signal to ECU –> J[ECU Adjusts Fuel Injection] J –> B C –> K[Three-Way Converter] K — Pt, Pd, Rh, CeO2 –> L{Redox Reactions} L –> M[CO + HC + NOx] M –> N[CO2 + H2O + N2] N –> O[Cleaned Exhaust (All Three Pollutants Reduced)] end style D fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px style K fill:#9f9,stroke:#333,stroke-width:2px style H fill:#add8e6,stroke:#333,stroke-width:2px style O fill:#add8e6,stroke:#333,stroke-width:2px