Каталитический нейтрализатор

Каталитический нейтрализатор

Каталитический нейтрализатор (обиходное название – катализатор) в составе выпускной системы предназначен для снижения выброса вредных веществ в атмосферу с отработавшими газами за счет их преобразования в безвредные компоненты. Каталитический нейтрализатор применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях.

Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор

Применяется в бензиновых двигателях, работающих на стехиометрическом составе смеси (смесь обеспечивает полное сгорание топлива). Конструкция трехкомпонентного каталитического нейтрализатора включает блок-носитель, теплоизоляцию и корпус.

Основным элементом каталитического нейтрализатора является блок-носитель, который служит основанием для катализаторов. Блок-носитель изготавливается из специальной огнеупорной керамики. Конструктивно блок-носитель состоит из множества продольных сот-ячеек, которые значительно увеличивают площадь соприкосновения с отработавшими газами.

На поверхность сот-ячеек тонким слоем наносятся вещества-катализаторы, которые включают три компонента: платину, палладий и родий. Катализаторы ускоряют протекание химических реакций в нейтрализаторе.

Платина и палладий относятся к окислительным катализаторам. Они способствуют окислению несгоревших углеводородов (СН) в водяной пар, оксида углерода (угарный газ, СО) в углекислый газ. Родий является восстановительным катализатором. Он восстанавливает оксиды азота (NOx) в безвредный азот. Таким образом, три катализатора снижают содержание в отработавших газах трех вредных веществ.

Блок-носитель помещается в металлический корпус. Между ними обычно располагается слой теплоизоляции. В корпусе нейтрализатора устанавливается кислородный датчик.

Условием начала работы каталитического нейтрализатора, является достижение температуры 300°С. Идеальный температурный промежуток от 400 до 800°С. При этой температуре задерживается 90% вредных веществ. Температура свыше 800°С вызывает спекание металлов-катализаторов и сот-ячеек блока-носителя.

Каталитический нейтрализатор обычно устанавливается непосредственно за выпускным коллектором или перед глушителем. Первая схема установки нейтрализатора способствует его быстрому прогреву, но затем устройство подвергается большим тепловым нагрузкам. Во втором случае требуются дополнительные мероприятия для быстрого прогрева нейтрализатора, повышающие температуру отработавших газов:

• регулирование момента зажигания в сторону запаздывания;
• увеличение оборотов холостого хода;
• регулирование фаз газораспределения;
• несколько впрысков топлива за один такт;
• подача воздуха в выпускную систему.

Для повышения эффективности применяется схема установки трехкомпонентного каталитического катализатора, разделенного на две части: первичный нейтрализатор (располагается за выпускным коллектором), главный нейтрализатор (располагается под днищем автомобиля).

Каталитический нейтрализатор дизельного двигателя

Катализатор дизельного двигателя (diesel oxidation catalyst, DOC) обеспечивает окисление отдельных компонентов отработавших газов кислородом, который в достаточном количестве присутствует в выхлопе дизеля.

При прохождении через каталитический нейтрализатор вредные вещества (оксид углерода, углеводороды) окисляются до безобидных продуктов (углекислого газа и водяного пара). Кроме этого, катализатор почти полностью устраняет неприятный запах отработавших газов дизеля.

Окислительные реакции в катализаторе также создают и нежелательные продукты. Так, диоксид серы окисляется до триоксида серы с последующим образованием серной кислоты. Газообразная серная кислота соединяется с молекулами воды, в результате которого образуются твердые частицы – сульфаты. Они накапливаются в нейтрализаторе и снижают его работоспособность.

Для удаления сульфатов из нейтрализатора система управления двигателем запускает процесс десульфатации, при котором каталитический нейтрализатор нагревается до температуры свыше 650°С и продувается богатыми отработавшими газами (с недостатком воздуха, вплоть до его полного отсутствия).

Каталитический нейтрализатор дизельного двигателя не используется для снижения выбросов оксидов азота в отработавших газах. Эту функцию в дизельном двигателе выполняет система рециркуляции отработавших газов или более продвинутая система избирательной каталитической нейтрализации.

Как работает каталитический нейтрализатор отработавших газов?

Каталитический нейтрализатор отработавших газов позволяет снизить содержание вредных веществ в выхлопных газах бензиновых и дизельных двигателей внутреннего сгорания. Причем катализаторы устанавливают не только на ДВС автомобилей, тепловозов, и другого транспорта, но и на двигатели генераторных станций, газовых, дизельных установок, энергетических машин.

При нейтрализации содержание углекислого газа (СО) снижается на 70. 90 %, а С_Н_ – на 50. 80 %. Попробуем разобраться как они работают.

При использовании нейтрализаторов газов происходит процесс дожигания углекислого газа и разложения оксидов азота. Рабочий процесс заключается в окислении вредных газов, которое происходит без образования пламени. Для ускорения химической реакции используется специальный катализатор. Окисление происходит при прохождении выхлопных газов через инертный носитель с нанесенным слоем катализатора.

Наиболее распространены монолитные (блочные) и гранулированные носители с размером гранул 3 — 5 мм. Монолитные носители состоят из спеченых в единый блок частиц, они компактны, а гранулированные легко заменяются при обслуживании. Активные компоненты могут изготавливаться из палладия, платины, а также оксидов металлов:

• меди,
• никеля,
• кобальта,
• ванадия,
• марганца.

Одним из главных параметров, определяемых при проектировании и подборе каталитического нейтрализатора отработавших газов — длина слоя. Для определения этого параметра рассматривается процесс массопередачи, то есть учитывается количество (расход) выхлопного газа, а также степень его загрязненности. Определяющим фактором является диффузия, а скоростью кинетических превращений можно пренебречь, по причине высокой скорости реакции, при относительно малых концентрациях о оксида углерода.

Схема установки в выхлопной системе

Нейтрализатор устанавливается в выхлопной системе двигателя внутреннего сгорания. Выхлопные газы от выпускного коллектора двигателя по трубе подводятся к каталитическому нейтрализатору, очищенный газ отправляются в атмосферу.

Электронный блок позволяет контролировать и управлять работой установки, с помощью него осуществляется управление температурой в нейтрализатора. Электронный блок может изменять настройку клапана, и тем самым изменять количество воздуха поступающее в систему из вне.

Для дополнительной очистки в систему могут устанавливаться механические фильтры. Его фильтроэлемент представляет собой сотовую конструкцию, состоящую из ячеек или пористый материал. Он имеет очень большую площадь контакта, что позволяет ему задерживать загрязняющие частицы, в том числе сажу. Для повышения эффективности фильтр может содержать несколько пористых перегородок.

Плюсы и минусы применения

Главным достоинством является высокая степень очистки газа, и, как следствие, снижение его токсичности. Недостатками являются недопустимость использования этилированных бензинов и высокая стоимость. Однако дороговизна будет окуплена сполна повышением экологичности, а значит отсутствием штрафов, и чувством удовлетворённости от осознания того факта, что ваша установка не наносит вреда окружающей среде.

Устройство автомобилей

Нейтрализаторы отработавших газов

Нейтрализаторы служат для снижения концентрации в отработавших газах токсичных компонентов. Основными токсичными веществами в отработавших газах являются оксид углерода (СО), группа оксидов азота (NO_x, основной из них NO₂) и углеводороды (C_mH_n).

Различают термические и каталитические нейтрализаторы.

В термических нейтрализаторах происходит полное восстановление СО в СО₂ и догорании СН. Оксид углерода (СО) обладает значительной теплотой сгорания, но горит при температуре выше 700 ˚С.
Для сжигания оксида углерода отработавшие газы подогревают (при необходимости) в термоизолированной камере и подают в нее дополнительную порцию воздуха. Применение дополнительной подачи топлива для подогрева газов и нагнетание воздуха приводят к увеличению расхода топлива до 15 %.

Наиболее распространены каталитические нейтрализаторы. Их действие основано на понижении энергии, выделяющейся при химических процессах окисления токсических веществ, путем применения катализаторов (платины, палладия, родия).

Каталитические нейтрализаторы делятся по типу на окислительные (переводят СО в СО₂) и восстановительные (расщепляют NO_x на свободный азот и кислород), а также трехкомпонентные (нейтрализуют все три токсина – СО, СН и NO_x, т. е. являются окислительно-восстановительными).

Каталитические нейтрализаторы могут быть однокамерными и двухкамерными. Носитель может быть керамический или металлический.

Чаще всего применяют трехкомпонентные нейтрализаторы. Наиболее эффективно они работают в сочетании с λ-зондами, однако и без них способны снизить выбросы токсинов на 50 %.
λ-зонд представляет собой датчик определения количества свободного кислорода в отработавших газах. По полученным от датчика данным электронный микропроцессор определяет коэффициент избытка воздуха α, корректируя после этого количество подаваемого в цилиндры топлива.

Эффективная работа каталитического нейтрализатора соответствует очень узкому диапазону значений коэффициента избытка воздуха (0,98≤α≤1). При отклонении состава горючей смеси от указанных значений эффективность действия катализатора резко падает.
Использование микропроцессора совместно с λ-зондом позволяет поддерживать состав смеси с точностью ±1 %.

Устройство каталитического нейтрализатора

Каталитический нейтрализатор состоит из металлического корпуса ( Рис. 7 ), в котором находится носитель 2, покрытый активным каталитическим слоем.
Носитель может быть насыпной или монолитный, керамический или металлический. Чаще применяют монолитные нейтрализаторы из термостойкой керамики. В их корпусе выполнены каналы квадратного сечения. Поверхности каналов покрыты тонкой пленкой катализатора – платиной, палладием, родием (в соотношении 1:16:1). На один нейтрализатор требуется 1,5…3 г благородных металлов. Платина способствует окислительным процессам, родий – восстановительным.
Слоем благородных металлов покрывают предварительно нанесенный на керамику слой оксида алюминия, который увеличивает активную поверхность катализатора и стимулирует ускорение реакций.

Чтобы повысить сопротивление керамики ударным нагрузкам и компенсировать термическое расширение металлических деталей, между корпусом и перегородками помещают набивку из высоколегированной проволоки. Нормальная работа каталитических нейтрализаторов протекает при температуре 250 ˚С, т. е. после значительного прогрева двигателя. Наиболее эффективно они работают при температуре 400…800 ˚С, т. е. в оптимальном тепловом режиме двигателя. При более высокой температуре происходит спекание промежуточного слоя с катализатором, эффективность работы нейтрализатора снижается, и он преждевременно теряет работоспособность.

Причины выхода из строя катализаторов

В нормальных условиях автомобильный катализатор может выйти из строя после сгорания каталитического слоя — из-за уменьшения его площади катализатор не в состоянии дожигать до конца выхлопные газы и поэтому количество вредных веществ на выходе из глушителя увеличивается.

Наиболее часто катализаторы приходят в негодность из-за неисправности системы смесеобразования или системы зажигания. В этом случае соты забиваются и не дают возможности катализатору окислять смесь.
Повреждение автомобильного катализатора может произойти и из-за плохого качества бензина, в составе которого для искусственного увеличения октанового числа содержится большое количество тетраэтилсвинца. Тетраэтилсвинец покрывает часть каталитического слоя и не дает устройству полноценно выполнять свои функции.
Кроме того, причиной выхода катализатора из строя может быть попадание в камеру сгорания масла или антифриза, либо попадание воды на катализатор. Вредное влияние на долговечность катализаторов оказывает длительная работа двигателя на холостом ходу.

Устройство и принцип работы каталитического нейтрализатора

В составе выхлопных газов автомобиля содержится довольно много токсичных веществ. Для предотвращения их попадания в атмосферу используется специальное устройство, получившее название “каталитический нейтрализатор” (более известный как “катализатор”). Он устанавливается на автомобилях, оснащенных двигателями внутреннего сгорания, работающих как на бензине, так и на дизельном топливе. Зная принцип работы катализатора, вы сможете понять важность его работы и оценить последствия, которые может вызвать его удаление.

1. Конструкция и функции каталитического нейтрализатора
2. Принцип действия катализатора
3. Срок службы катализатора
4. Можно ли удалить катализатор

Конструкция и функции каталитического нейтрализатора

Нейтрализатор является частью системы выхлопа. Он располагается сразу за выпускным коллектором двигателя. Катализатор состоит из:

• Металлический корпус (монтажный мат), имеющий входной и выходной патрубки.
• Керамический блок (монолит). Представляет собой пористую структуру с множеством ячеек, которые увеличивают площадь соприкосновения выхлопных газов с рабочей поверхностью.
• Каталитический слой – специальное напыление на поверхностях ячеек керамического блока, состоящее из платины, палладия и родия. В последних моделях для напыления иногда используется золото – драгоценный металл, который имеет более низкую стоимость.
• Металлический кожух. Выполняет функции теплоизоляции и защиты катализатора от механических повреждений.

Главная функция каталитического нейтрализатора – это нейтрализация трех основных токсических компонентов отработавших газов, поэтому он получил свое название – трехкомпонентный. Вот эти нейтрализуемые компоненты:

• Окислы азота NOx – компонент смога, причина кислотных дождей, ядовиты для человека.
• Угарный газ СО – смертельно опасен для человека при концентрации в воздухе от 0,1%.
• Углеводороды CH – компонент смога, отдельные соединения канцерогены.

Принцип действия катализатора

На практике трехкомпонентный каталитический нейтрализатор имеет следующий принцип действия:

• Выхлопные газы из двигателя попадают внутрь керамических блоков, где проникают в ячейки, полностью заполняя их.
• Металлы-катализаторы палладий и платина провоцируют реакцию окисления, в результате которой несгоревшие углеводороды СН преобразуются в водяной пар, а угарный газ СО в углекислый.
• Восстановительный металл-катализатор родий преобразует NOx (оксид азота) в обычный безвредный азот.
• В атмосферу выпускаются очищенные отработавшие газы.

Если в автомобиле установлен дизельный двигатель, то возле катализатора всегда находится сажевый фильтр. Иногда эти два элемента могут быть совмещены в единую конструкцию.

Рабочая температура катализатора играет решающую роль в эффективности процесса нейтрализации токсичных компонентов. Реальное преобразование начинается только после достижения 300°С. Идеальной, с точки зрения эффективности и срока службы, считается температура от 400 до 800°С. В диапазоне температур от 800 до 1000°С наблюдается ускоренное старение нейтрализатора. Длительная работа при температуре свыше 1000°С оказывает губительное воздействие на катализатор. Альтернативой керамике, выдерживающей высокие температуры, является металлическая матрица из гофрированной фольги. Катализаторами в такой конструкции выступают платина и палладий.

Срок службы катализатора

Средний ресурс катализатора составляет 100 тыс. километров пробега, но при правильной эксплуатации он может исправно функционировать и до 200 тыс. километров. Основные причины раннего износа – неисправность двигателя и качество топлива (топливовоздушной смеси). При наличии обедненной смеси происходит перегрев, а при слишком богатой возникает засорение пористого блока остатками несгоревшего топлива, что препятствует протеканию необходимых химических процессов. Это приводит к тому, что срок службы каталитического нейтрализатора существенно снижается.

Еще одной распространенной причиной неисправности керамического катализатора являются механические повреждения (трещины), возникающие при механических воздействиях. Они провоцируют быстрое разрушение блоков.

При возникновении неисправностей работа каталитического нейтрализатора ухудшается, что фиксируется при помощи второго лямбда-зонда. В этом случае электронный блок управления сообщит о неисправности, выдав на приборной панели ошибку «CHECK ENGINE». Также признаками выхода из строя являются дребезжание, увеличение расхода топлива и ухудшение динамики. В этом случае его меняют на новый (оригинального производства или универсальный). Почистить или восстановить катализаторы невозможно, а поскольку это устройство имеет высокую цену, многие автомобилисты предпочитают просто удалить его.

Можно ли удалить катализатор

При удалении катализатора его очень часто заменяют на пламегаситель. Последний выравнивает поток выхлопных газов. Его установка рекомендуется для устранения неприятных шумов, которые возникают при удалении катализатора. При этом, если вы выбрали именно удаление, лучше полностью снять устройство и не прибегать к рекомендациям некоторых автомобилистов пробить в нем отверстие. Подобная процедура улучшит ситуацию только на время.

В автомобилях, соответствующих экологическим стандартам Евро-3, помимо удаления катализатора необходима перепрошивка электронного блока управления. Ее обновляют до версии, в которой отсутствует каталитический нейтрализатор. Также можно установить эмулятор сигнала кислородного датчика, который избавит от необходимости перепрошивать ЭБУ.

Наилучшим решением при поломке каталитического нейтрализатора будет его замена на оригинальную деталь в специализированном сервисе. Таким образом будет исключено вмешательство в конструкцию автомобиля, а его экологический класс будет соответствовать заявленному производителем.

Устройство автомобильного катализатора (каталитического нейтрализатора отработавших газов)

Катализатор, он же каталитический нейтрализатор, каталитический преобразователь или каталитический конвертер — это устройство в выхлопной системе автомобиля направленное на снижение токсичных выбросов в атмосферу путем восстановления оксидов азота и дожига угарного газа и недогоревших углеводородов. В химии катализатор — это вещество ускоряющее или вызывающее химическую реакцию, но само не входящее в эту реакцию. Такими веществами являются медь, никель, золото, палладий, родий, хром. Принцип работы автомобильного катализатора как раз и основан на способности веществ-катализаторов к ускорению реакции. Чаще всего расположен катализатор сразу после приемной трубы, однако иногда его устанавливают прямо на приемной трубе. Делают это для более быстрого прогрева, так как эффективно работает он только при температуре свыше 300 о С. Однако большой минус такого расположения слишком высокие температуры и, следовательно, маленький срок службы катализатора.

Основные вещества, вырабатываемые при работе двигателя, являются безвредными. Ими являются:

• азот (N₂)- воздух состоит на 78% из азота;
• вода (H₂O);
• углекислый газ (CO₂) — сам по себе безвреден, однако считается, что его переизбыток ведет к глобальному потеплению;

Однако процесс горения не совершенен и помимо безвредных веществ при работе двигателя выделяются токсичные и вредные вещества. Этими веществами являются:

• углеводороды (CH_x) — основной компонент смога;
• оксиды азота (NO_x) — еще один компонент смога;
• окись углерода (CO) — ядовитый газ без цвета и запаха;

Современные катализаторы являются трехкомпонентными, т.е. оснащены тремя каталитическими преобразователями, по одному на каждое вещество, которое необходимо снизить. Трехкомпонентный катализатор представляет собой металлический корпус из нержавеющей стали, в котором находится «сотовая» конструкция или реже конструкция типа «керамические бусины». Сотовая конструкция бывает металлической или керамической и покрыта веществами-катализаторами, обычно это платина, родий или палладий (в последнее время на некоторых моделях начинают применять золото, так как оно дешевле других металлов-катализаторов). Керамическая конструкция более распространена, так как дешевле, однако у такой конструкции есть большой минус — хрупкость. Достаточно небольшого удара, чтобы керамические соты осыпались. В каталитических преобразователях используются два вида катализаторов: восстанавливающий и окислительный.

Восстанавливающий катализатор использует платину и родий, чтобы уменьшить выбросы оксидов азота. Когда молекула оксида или двуокиси азота встречается с молекулами катализатора, от нее отделяется атом азота, высвобождая кислород. Атом азота же связывается с другим атомом азота, образуя газообразный азот.

Окислительный катализатор уменьшает количество несгоревшего топлива и окиси углерода путем их сжигания (окисления) с помощью платины и палладия. Этот катализатор также помогает оксиду углерода вступить в реакцию с несгоревшим кислородом, образуя углекислый газ. В упрощенном виде эти химические реакции выглядят следующим образом:

Вследствие этих реакций токсичные, вредные вещества CO, CH_x и NO_x восстанавливаются или окисляются в безвредную воду H₂O, азот N₂ и углекислый газ CO₂

Причины выхода катализатора из строя

Для керамических катализаторов:

• Удар, например, о камень (достаточно небольшого удара, чтобы керамические соты рассыпались);
• Попадание воды на раскаленный катализатор, например, если заехать в лужу на прогретой машине (также может привести к тому, что соты рассыпятся);
• Неисправность в системе зажигания. Если при пуске двигателя не происходит воспламенение, то топливо может попасть в приемную трубу, а затем и в катализатор и при пуске двигателя бензин может взорваться в катализаторе (что также может привести к тому, что соты рассыпятся);

Для всех катализаторов:

• некачественный и этилированный бензин;
• плохое состояние маслосъемных колпачков (попадание масла в катализатор);
• попадание в катализатор антифриза или «левых» технических жидкостей для промывки топливной системы;
• переобогощенная топливно-воздушная смесь;
• долгая работа двигателя на холостом ходу.

Признаки неисправного катализатора

• Автомобиль начинает «тупить», ухудшаются динамические характеристики, автомобиль перестает «тянуть», плавают обороты на холостом ходу, катализатор может раскалиться докрасна (катализатор забился, т.е. снижена пропускная способность отработавших газов);
• Характерный звон и дребезжание (соты катализатора рассыпались).

Катализаторы не подлежат ремонту, а только замене на «родной», либо на универсальный аналог. Также возможна замена катализатора на пламегаситель.