Каталитические нейтрализаторы — Что такое Каталитические нейтрализаторы?

AИ-95

0

AИ-98

0

18 июня 2012 в 16:47

24294

Каталитический нейтрализатор (обиходное название – катализатор) предназначен для снижения токсичности отработавших газов

Нейтрализатор — устройство в выхлопной системе, предназначенное для снижения токсичности отработавших газов посредством восстановления оксидов азота и использования полученного кислорода для дожига угарного газа и недогоревших углеводородов. 

Основным требованием к успешной работе катализатора является стехиометрическое соотношение топлива и кислорода.

Задачей автомобильного каталитического нейтрализатора является снижение количества вредных веществ в выхлопных газах.

Среди них:

• окись углерода (СО) — ядовитый газ без цвета и запаха;

• углеводороды (CH), также известные как летучие органические соединения — один из главных компонентов смога, образуется за счет неполного сгорания топлива;

• оксиды азота (NO и NO2, которые часто объединяют под обозначением NOx) ­­­­­­- также являются компонентом смога, а также кислотных дождей, оказывают влияние на слизистую человека.

Принцип работы

Каталитический нейтрализатор расположен либо на приемной трубе, либо сразу после нее.

Внутри корпуса каталитического нейтрализатора находится керамическая сотовая конструкция.

Соты нужны, чтобы увеличить площадь контакта выхлопных газов с поверхностью, на которую нанесен тонкий слой платиноиридиевого сплава.

Недогоревшие остатки (CO, CH, NO) касаясь поверхности каталитического слоя, окисляются до конца кислородом, присутствующим также в выхлопных газах.

В результате реакции выделяется тепло, разогревающее катализатор и, тем самым, активизируется реакция окисления.

В конечном итоге на выходе из катализатора (исправного) выхлопные газы содержат в основном N₂ и СО₂.

Катализаторы в дизельных двигателях

Каталитические преобразователи дизельных двигателей плохо справляются с сокращением выбросов NOx.

Одна из причин в том, что дизельные двигатели сами по себе функционируют в более низком температурном режиме, чем бензиновые, а преобразователи работают лучше при нагреве.

Некоторые ведущие эксперты в области «зеленого» автомобилестроения придумали новую выхлопную систему, которая помогает исправить этот недостаток.

Они впрыскивают водный раствор мочевины в выхлопную трубу до того, как газы достигнут преобразователя.

При этом возникает химическая реакция, которая уменьшает количество NOx.

Карбамид, также известный как мочевина — органическое соединение углерода, азота, кислорода и водорода.

Его можно обнаружить в моче млекопитающих и земноводных, что и объясняет такое название.

Мочевина реагирует с NOx с получением азота и водяного пара, снижая количество оксидов азота в выхлопных газах более чем на 90%.

Последние новости

Новости СМИ2

Произвольные записи из технической библиотеки

Используя данный сайт, вы даете согласие на использование файлов cookie, помогающих нам сделать его удобнее для вас. Подробнее.

Назначение и расположение катализатора в автомобиле

Практически с самого начала создания автомобиля и до сегодня у конструкторов стоит несколько вопросов, над которыми они постоянно «бьются». Один из этих вопросов – максимальное снижение выбросов вредных веществ в атмосферу, ведь при сгорании топлива в цилиндрах двигателя появляется отработанные газы, которые в своем составе имеют ядовитые элементы. А поскольку эти газы отводятся во внешнюю среду – значит, отравляющие вещества выходят из силовой установки авто постоянно, пока она работает.

Одним из самых действенных способов снижения вредных выбросов авто, который является вполне распространенным – использование каталитического нейтрализатора, в народе называющийся сокращенно катализатором.

Для того чтобы понять, для чего нужен этот нейтрализатор, упомянем немного теории.

Теоретическая часть

Устройство автомобильного катализатора

Выхлопной газ, выходящий из цилиндров силового агрегата состоит из многих элементов, выделившихся в результате химической реакции, которой и является горение. Некоторые из этих элементов вполне безвредны, а вот такие как окись углерода (СО), углеводороды (СН) и оксиды азота (NO и NO2) являются достаточно опасными. Чтобы уменьшить их содержание в выхлопе двигателя, ученые решили эти химические соединения еще раз подвергнуть хим. реакции. Для этого им пришлось использовать дорогостоящие металлы — платиноиридиевый сплав, палладий, родий. Вступая с ними в реакцию, вредные химические элементы окисляются, из-за чего после реакции на выходе получаются углекислый газ (CO2) и азот (N2) – вещества вполне безвредные. Конечно, полностью ядовитые элементы катализатор удалить не способен, но значительно уменьшить их – вполне.

Даже стандарты ЕВРО, постоянно ожесточающиеся, подразумевают определенное наличие опасных веществ, которые автомобили не должны превышать. В некоторых странах за экологией следят очень серьезно, поэтому авто, не соответствующие определенным нормам ЕВРО, и не оснащенные катализаторами, продавать и использовать запрещено.

Несколько слов о металлах, которые выступают нейтрализаторами. Они отличаются по химической реакции с вредными веществами. Так, палладий и сплав на основе платины являются окислительными, то есть, при вступлении в реакцию с вредными веществами, они их окисляют, разделяя на безвредные вещества.

Родий же является нейтрализатором восстановительным. Он при реакции оксиды азота восстанавливает до обычного безвредного азота.

На деле все происходит так: выхлопные газы и выпускного коллектора подаются в емкость, где находится специальная бобина с нейтрализующим металлом, проходя через которую, часть вредных веществ химически нейтрализуется, а затем уже выхлопной газ идет дальше – в резонатор и глушитель.

Сейчас все чаще применяются все три металла в одном катализаторе на авто – для улучшенной очистки отработанных газов. То есть, внутри катализатора размещаются одна за другой три бобины, каждая со своим металлом.

Конструкция катализатора

А теперь более подробно об устройстве катализатора. Располагается он зачастую за выпускным коллектором. Состоит он из корпуса, утеплителя и блок-носителя – той самой бобины.

О корпусе особо говорить нечего – герметичная жестяная емкость с двумя выходами для установки ее в систему отвода выхлопных газов. Утеплитель предотвращает просачивание газов мимо блок-носителя. Помимо этого, он сохраняет температуру, необходимую для протекания реакций. Дело в том, что быстрее всего реакции, при которых нейтрализуются вредные вещества проходят при температуре не менее 300 град. Поэтому зачастую нейтрализатор и располагается сразу за коллектором.

Принцип работы катализатора

А вот сами блок-носители по конструкции довольно интересны. Указанные металлы являются очень дорогостоящими, поэтому сделать один блок-носитель полностью из этого металла – удовольствие невыгодное. Поэтому основой для блок-носителя выступает керамика, сделанная в виде сотов. На поверхность этих сотов и наносится слой нейтрализующих металлов. Такая конструкция позволяет не только снизить расход дорогих металлов, но еще и по максимуму увеличить площадь контакта металла с газами.

Некоторые блок-носители состоят из свернутой в рулон керамической ленты с сотами, поэтому в разрезе она похожа на бобину. Но это не всегда так, есть и блок-носители, похожий на сигаретный фильтр, но только значительно увеличенный в размерах.

Работа катализатора

Одной из особенностей использования катализатора на авто является то, что бортовой компьютер следит за его работой. Для этого в систему отвода включены лямбда-зонды. В авто, которое не оснащено катализатором, данный зонд только один и нужен он для определения количества остаточного кислорода в отработанных газах для коррекции работы системы питания.

Расположение катализатора в выхлопной системе. Кислородные датчики — это и есть лямбда-зонды

А вот в машине с каталитическим нейтрализатором таких лямбда-зондов два, первый установлен перед и катализатором и он определяет состав выхлопных газов для системы питания. Второй располагается за катализатором и определяет он состав выхлопных газов уже прошедших дополнительную очистку. После бортовой компьютер сравнивает показания двух зондов.

Если значения будут выравниваться, это укажет на выход из строя катализатора, о чем просигнализирует индикатор «Check engine».

Неисправности каталитического нейтрализатора

Все дело в том, что катализатор не вечен и со временем выходит из строя. Средний срок службы его составляет около 100 тыс. км. Если авто прошло такой километраж, и возникли проблемы с катализатором – это укажет на естественный износ. В таком случае слой нейтрализующих металлов с поверхности керамических сотов выгорел и выхлопные газы уже не очищаются.

Видео: Как пробить катализатор

Однако проблемы с катализатором могут возникнуть и значительно раньше. Виной тому может стать нарушенная работа системы зажигания или питания. По их вине может пройти засорение сотов сажей и другими продуктами горения, после чего работа катализатора нарушается.

Еще причиной поломки катализатора может стать некачественный бензин, особенно это проблема актуальна у нас. Часто для повышения октанового числа в бензин добавляется тетраметилсвинец. Октан он хоть и повышает, но в цилиндрах полностью не сгорает, а выходя из цилиндров – оседает на поверхности сотов блок-носителя, после чего катализатор перестает действовать.

Устранение проблем в работе

Решений проблем, возникших с каталитическим нейтрализатором – несколько. Первая и самая простая – замена катализатора на оригинальный. То есть, обращаетесь к официальным дилерам, они заказывают новый элемент, заменяют его и авто продолжает эксплуатироваться дальше. Но в этом есть одна значительная проблема – стоимость. Сейчас производители авто поступают по-хитрому – зачастую выпускной коллектор выполнен заодно с катализатором. А поскольку сам катализатор – не дешевый, а еще если и добавить коллектор, то и вовсе сумма за ремонт может выйти приличной.

Вторым способом решения проблемы является установка универсального катализатора. При этом восстановление работоспособности авто может обойтись значительно дешевле. Для авто подбирается определенная модель катализатора, подходящая по параметрам автомобиля. Далее неисправный катализатор вырезается из системы отвода выхлопных газов, на его место вваривается новый – универсальный.

Видео: Катализатор и пламегаситель, сравнение до и после, 0-100(120) км\ч Nissan Almera N16 QG15DE

И последний способ восстановления – замена катализатора на пламегаситель. Это самый «варварский» способ. Катализатор с выхлопной трубы вырезается, на его место вваривается пламегаситель, он же предварительный резонатор, который стабилизирует поток выхлопных газов при прохождении через него, но он никаких очистных работ не проводит. После производится перепрошивка бортового компьютера, и проблем с катализатором больше не возникает.

Понимание важности каталитических нейтрализаторов

Понимание того, как работают каталитические нейтрализаторы, а также как устранять неполадки и ремонтировать эти невероятно полезные и новаторские компоненты, является обязательным навыком, которым должен обладать моторист. В этом месяце наша команда подробно расскажет о работе, сроке службы и наиболее распространенных неисправностях каталитического нейтрализатора.

Как работают каталитические нейтрализаторы?

Основной функцией каталитического нейтрализатора является преобразование вредных выбросов двигателя, таких как окись углерода и различные оксиды азота, в менее токсичные газы, такие как двуокись углерода и водяной пар, посредством мощных химических реакций.

В каталитических нейтрализаторах используются катализаторы – драгоценные металлы, такие как платина, палладий и родий, – которые работают при высокой температуре и ускоряют химические реакции.

Эти катализаторы покрыты внутри сотовой структуры каталитического нейтрализатора для увеличения площади поверхности. Когда выхлопные газы вступают в контакт, они инициируют химическую реакцию, чтобы расщепить вредные газы и преобразовать их в менее токсичные формы.

Количество каталитических нейтрализаторов, используемых в каждом автомобиле, зависит от типа автомобиля и количества имеющихся выхлопных труб.

В дорогих автомобилях, например, используются два последовательных каталитических нейтрализатора для минимизации вредных выбросов, в то время как в автомобилях с более чем одной выхлопной трубой используется несколько нейтрализаторов параллельно — по одному на каждую выхлопную трубу.

Тем не менее, в большинстве автомобилей в выхлопной системе используется только один каталитический нейтрализатор.

Как автомеханики обнаруживают неисправный каталитический нейтрализатор?

Срок службы этих компонентов обычно составляет до 10 лет, и большинству владельцев транспортных средств может никогда не понадобиться ремонт или замена своих узлов в течение всего срока службы.

Тем не менее, каталитические нейтрализаторы могут быть повреждены или стать менее эффективными по нескольким причинам, в том числе из-за неэффективных топливно-воздушных смесей, неисправных свечей зажигания и кислородных датчиков, а также из-за неправильных фаз газораспределения.

В большинстве таких случаев блоки преобразователя перегреваются и расплавляют внутреннюю сотовую структуру, снижая эффективность их работы.

Каталитические нейтрализаторы также могут полностью или частично забиваться из-за утечек антифриза и масла, вызванных неисправными прокладками, поврежденными уплотнениями клапанов и изношенными поршнями.

Сегодня есть несколько явных признаков неисправных каталитических нейтрализаторов, на которые вы можете обратить внимание для более эффективной и точной диагностики.

Отсутствие ускорения

Работа двигателя на оптимальном уровне зависит от эффективного потока выхлопных газов. Блоки каталитического нейтрализатора могут ограничивать поток выхлопных газов, снижая производительность двигателя.

Высокий расход топлива

Высокий расход топлива является побочным эффектом плохого ускорения: чтобы получить большее ускорение, двигатель впрыскивает в поршни больше топлива, чем обычно, что приводит к снижению эффективности использования топлива.

Дребезжащие звуки

Автомеханики могут заметить дребезжащий шум, когда данное транспортное средство находится на холостом ходу или движется из-за сломанного каталитического нейтрализатора. Выбитые металлические части сотовой конструкции могут попасть в двигатель через глушитель, что приведет к остановке автомобиля.

Загорится индикатор проверки двигателя

Большинство современных автомобилей оснащены кислородными датчиками, которые контролируют эффективность каталитического нейтрализатора. Датчик активирует контрольную лампу двигателя, если каталитический нейтрализатор поврежден или работает ниже оптимального уровня.

Запах тухлых яиц в выхлопных газах

Бензин обычно содержит следовые количества серы, которые в процессе сгорания превращаются в сульфид и имеют запах тухлых яиц. Каталитические нейтрализаторы маскируют этот запах, превращая сульфид в диоксид серы без запаха. Неисправные блоки не проходят процесс преобразования.

Каков наилучший способ решения проблем, связанных с каталитическими нейтрализаторами?

Лучший способ устранения неполадок, связанных с каталитическими нейтрализаторами, — заменить старые агрегаты новыми. Тем не менее, если каталитический нейтрализатор физически не поврежден, очистка устройства может восстановить его эффективность.

Техники также могут посоветовать своим клиентам использовать бессвинцовое топливо, повышающее эффективность процесса катализа.

Оптимизация использования каталитических нейтрализаторов имеет решающее значение в нашей борьбе с изменением климата

Когда речь идет о современных автомобилях, каталитические нейтрализаторы играют решающую роль в обеспечении соответствия транспортных средств стандартам выбросов и минимизации воздействия транспортной отрасли на окружающую среду на планету .

Таким образом, устранение неполадок и ремонт каталитических нейтрализаторов — это навыки, которые автомеханики могут улучшить, чтобы внести свой вклад в обеспечение максимально устойчивого функционирования отрасли.

Функция и назначение каталитического нейтрализатора – журнал Auto Trends

Благодаря строгим нормам загрязнения окружающей среды, действующим во всем мире, каталитические нейтрализаторы стали обязательными. Это потому, что каталитический нейтрализатор может превращать очень вредные газы в приятные соединения благодаря разумному использованию драгоценных металлов и химии.

Платина, родий и палладий способствуют протеканию химической реакции, работая как катализатор, грубо говоря, как ускоритель.

Содержание

Преобразование ядов в управляемые соединения

Эти преобразователи объединяют пригодный для дыхания кислород, ядовитую окись углерода, вредные для озона несгоревшие углеводороды и вредные оксиды азота в управляемые соединения. И наоборот, эти соединения представляют собой воду, азот и углекислый газ, газ, который мы также выделяем, но он также является одним из ведущих парниковых газов.

Этот выбор был сделан, чтобы очистить города, в которых находятся сотни тысяч моторизованных транспортных средств, предпочтя защитить легкие горожан от болезней, а города — от опасного смога. Компромисс, если хотите, и тот, который человечество должно было осуществить.

Французское изобретение. Каталитический нейтрализатор был разработан инженером-механиком Юджином Удри в середине 1950-х годов для установки на бензиновые двигатели. Его рассуждения были вызваны опасениями по поводу дыма из дымохода и выхлопных газов и того, как они влияют на загрязнение воздуха.

Следовательно, его первый каталитический нейтрализатор был установлен на дымоходах, за ним последовали вилочные погрузчики, работающие на неэтилированном бензине, и, наконец, обычные автомобили (1).

См. также – Почему появляется белый дым из выхлопных газов?

Управление вредными соединениями

Когда выхлопные газы выходят из каждого цилиндра, они встречаются с выхлопными коллекторами и, таким образом, с выхлопной трубой. Таким образом, каталитический нейтрализатор устанавливается на выхлопной трубе как можно ближе к двигателю.

Эти выхлопные газы представляют собой именно те вредные соединения, о которых говорилось выше: окись углерода, несгоревшие углеводороды, несгоревшее или частично сгоревшее топливо и оксиды азота.

Когда эти газы попадают в каталитический нейтрализатор, они сгорают дальше и подвергаются процессу окисления, который должен происходить за доли секунды. В противном случае эти загрязняющие вещества просто вылились бы из выхлопной трубы. Более того, для этой окислительной реакции обычно требуется некоторое время, и именно здесь на помощь приходит катализатор (2).

Химические реакции

В форме платины, родия и палладия этот катализатор дает толчок реакции окисления, чтобы облегчить процесс реакции. Это работает, поскольку соединения, которые мы хотим создать, такие как вода или углекислый газ, более стабильны, и все эти атомы предпочли бы принять более стабильную форму.

Со временем эти реакции могут происходить естественным образом, но это займет слишком много времени. Такой предмет, с которым вы, возможно, знакомы, — это перекись водорода, используемая для лечения и дезинфекции ран. Если вы оставите бутылку с перекисью водорода без крышки, она скорее превратится в воду и кислород, чем останется перекисью водорода.

Однако этот процесс займет некоторое время. Поэтому в нашем случае мы сжигаем вредные продукты, чтобы реакции шли быстрее, и даже в этом случае этого недостаточно.

Таким образом, у нас также есть эти реакции, происходящие вокруг этих драгоценных металлов, видя, как они позволяют им происходить с меньшими затратами энергии. Но это еще не все, эти металлы также способствуют реакции восстановления, которая берет существующие соединения, в нашем случае оксиды азота, и расщепляет их на азот и кислород (3).

Конструкция каталитического нейтрализатора

Каталитический нейтрализатор имеет форму сплющенной бочки, и если разрезать его поперек, в его разрезе будет видна очень мелкая сетка. Эта сетка помогает из-за множества факторов. Сетка имеет большую площадь поверхности, что позволяет быстро движущемуся воздуху нагреваться быстрее.

Кроме того, соты легче нагреваются и охлаждаются, что имеет первостепенное значение для правильной работы каталитического нейтрализатора. Кроме того, эта сетка позволяет нам равномерно распределять эти благородные металлы по конвертеру, обеспечивая протекание каждой реакции как можно ближе к катализатору.

CC Порог температуры

Однако каталитический нейтрализатор довольно привередлив, учитывая, что для его правильной работы температура внутри должна поддерживаться выше определенного значения, а соотношение воздух-топливо должно соответствовать определенному порогу. Без них каталитический нейтрализатор — не что иное, как дроссель выхлопа.

Эти окислительно-восстановительные реакции (называемые окислительно-восстановительными реакциями) гранично эффективны при температуре около 700 градусов по Фаренгейту, но неисправный нейтрализатор или машина, которая работала и стояла часами, может нагреваться до 1400F.

Все, что ниже 700F, означает, что реакции протекают слишком медленно, и, следовательно, в атмосферу попадает несметное количество загрязняющих веществ. Таким образом, максимально быстро довести каталитический нейтрализатор до требуемой температуры имеет первостепенное значение для инженера-автомобилестроителя, работающего с картами двигателя.

Кроме того, соотношение воздух-топливо должно поддерживаться около стехиометрического значения, которое должно составлять около 14,7 частей воздуха на 1 часть топлива для бензина. Это значение является довольно строгим, допуская отклонение только на 3 процента больше/меньше.

В противном случае двигатель будет производить слишком много одного загрязняющего вещества, и в результате у него не будет всех необходимых компонентов для хорошего разделения.

Соотношение воздух-топливо можно рассматривать как значение лямбда со стехиометрическим значением 1, рассчитанное как использованный воздух по сравнению с воздухом, который должен был использоваться для получения стехиометрического значения. Если они равны, то количество является стехиометрическим, если используется больше воздуха, то смесь обедняется топливом, а если используется меньше воздуха, смесь богата топливом.

Датчики кислорода… Датчики кислорода

Датчики кислорода обычно называют датчиками кислорода. Они имеют первостепенное значение для соотношения воздух-топливо в двигателе. Они работают, измеряя кислород вокруг каталитического нейтрализатора и возвращая значение после некоторых сложных математических вычислений. Стехиометрическое соотношение указывает на то, что топливо сожгло весь доступный кислород, и, следовательно, лямбда-зонд может легко определить, так ли это.

Если это не так, он может отправить команду на ЭБУ и изменить смесь так, чтобы она максимально приблизилась к 1. Лямбда-зонды также работают при определенных температурах, около 600F. Более того, видя, как каталитический нейтрализатор работает только при значении лямбда, равном 1, каталитический нейтрализатор не может работать без лямбда-зондов, поскольку без них вы не можете контролировать это значение (4).

Каталитические нейтрализаторы теперь используют только окислительно-восстановительные реакции, а это означает, что мы также заботимся об оксидах азота. Их называют трехкомпонентными каталитическими нейтрализаторами, и они не были нормой. До них мы использовали только двухкомпонентные каталитические нейтрализаторы, которые окисляли только углеводороды и окись углерода, но в настоящее время они становятся редкостью.

Отсутствующий или поврежденный CC

Если каталитический нейтрализатор не работает, разрезанный, украденный или пробитый, то в двигателе возникнет множество проблем. Засоренный каталитический нейтрализатор, по сути, забивает весь выхлоп, что приводит к значительной потере мощности или стабильности.

Если каталитический нейтрализатор неисправен, вы столкнетесь с большими проблемами с эффективностью использования топлива, потому что лямбда-зонды изменят соотношение воздух-топливо до абсурда.

Если лямбда-зонд неисправен, вы также можете наслаждаться низкой эффективностью использования топлива или низкой мощностью, а также, скорее всего, разрушить свой каталитический нейтрализатор в процессе. Более того, плохой преобразователь, безусловно, может привести к неудачным испытаниям на выбросы.

Индикатор проверки двигателя, безусловно, может быть вызван проблемным каталитическим нейтрализатором или неисправным лямбда-зондом, учитывая, что индикатор проверки двигателя обычно указывает на проблему с системами защиты от загрязнения автомобиля. Пробитый нейтрализатор может пропускать внутрь лишний воздух, что приводит к шуму, плохой эффективности реакции, к заметному изменению топливной экономичности и мощностных характеристик.

Смягчение последствий изменения климата

Каталитические нейтрализаторы, пусть и не идеальные, очень помогли нам в борьбе с глобальным потеплением. Вырезать и удалять их — обычное дело, но делайте это только в том случае, если вы действительно этого хотите и знаете, во что ввязываетесь.

Библиография

1. Универсальный технический институт. Что такое каталитический нейтрализатор и для чего он нужен? [Онлайн] 06 января 2021 г. [Процитировано: 15 января 2022 г.].
2. Агентство по охране окружающей среды США. Основная информация о загрязнении атмосферного воздуха угарным газом (CO). [Онлайн] 07 июня 2021 г. [Процитировано: 15 января 2022 г.].
3. Хамерс, Лорел. Объяснитель: Что такое катализатор? [Онлайн] 27 февраля 2017 г. [Процитировано: 15 января 2022 г.].
4. Привет. Лямбда-зонд — причина неисправности, проверка и устранение неисправности. [Онлайн] [Процитировано: 15 января 2022 г.].

Атрибуция фотографии

• Ahanix1989 в английской Википедии, общественное достояние, через Wikimedia Commons
• OpenStax, CC BY 4.0, через Wikimedia Commons

---

См. также – Что такое рекуперативное торможение?

• Автор
• Последние сообщения

Кристиан Пушкасу

Кристиан Пушкашу начал любить автомобили и хотел стать «гонщиком» благодаря какой-то компьютерной игре, которая зажгла огонь почти два десятилетия назад.