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.

***

Токсичность отработавших газов двигателя

k-a-t.ru

Катализатор подробно — Энциклопедия журнала «За рулем»

КАТАЛИТИЧЕСКИЙ НЕЙТРАЛИЗАТОР ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ

Об­щие све­де­ния

Тре­бо­ва­ния по ог­ра­ни­че­нию то­к­сич­но­сти от­ра­бо­тав­ших га­зов дви­га­те­лей вну­т­рен­не­го сго­ра­ния по­я­ви­лись в 70-х го­дах про­шло­го сто­ле­тия в США и Япо­нии, а за­тем и в дру­гих стра­нах. В свя­зи с уве­ли­че­ни­ем ко­ли­че­ст­ва ав­то­мо­би­лей и их от­ри­ца­тель­ным воз­дей­ст­ви­ем на ок­ру­жа­ю­щую сре­ду эти тре­бо­ва­ния по­сто­ян­но уже­сто­ча­ют­ся. На про­тя­же­нии трех де­ся­ти­ле­тий ве­дет­ся ра­бо­та, на­пра­в­лен­ная на ре­ше­ние этой про­б­ле­мы. Все из­вест­ные спо­со­бы сни­зить ко­ли­че­ст­во вред­ных вы­бро­сов за счет ре­гу­ли­ро­вок или из­ме­не­ния кон­ст­рук­ции дви­га­те­ля не да­ли ожи­да­е­мо­го эф­фе­к­та. Кро­ме то­го, их ис­поль­зо­ва­ние при­во­дит к уве­ли­че­нию рас­хо­да то­п­ли­ва и су­ще­ст­вен­но­му сни­же­нию мощ­но­сти.
Не­пол­но­та сго­ра­ния в порш­не­вых бен­зи­но­вых дви­га­те­лях не по­з­во­ля­ет умень­шить ко­ли­че­ст­во ок­си­да уг­ле­ро­да, уг­ле­во­до­ро­дов и оки­слов азо­та в от­ра­бо­тав­ших га­зах до тре­бу­е­мо­го уров­ня¹.
Нейт­ра­ли­за­ция то­к­сич­ных ком­по­нен­тов от­ра­бо­тав­ших га­зов с ис­поль­зо­ва­ни­ем хи­ми­че­ских ре­ак­ций окис­ле­ния и (или) вос­ста­но­в­ле­ния яв­ля­ет­ся наи­бо­лее эф­фе­к­тив­ным спо­со­бом сни­же­ния то­к­сич­но­сти вы­хло­па при со­в­ре­мен­ном уров­не раз­ви­тия тех­ни­ки. С этой це­лью в вы­пу­ск­ную си­с­те­му дви­га­те­ля ус­та­на­в­ли­ва­ют спе­ци­аль­ный тер­ми­че­ский ре­а­к­тор (ней­т­ра­ли­за­тор).
В от­сут­ст­вие ка­та­ли­за­то­ров пол­ное пре­об­ра­зо­ва­ние ок­си­да уг­ле­ро­да и не­сго­рев­ших уг­ле­во­до­ро­дов про­ис­хо­дит в ди­а­па­зо­не тем­пе­ра­тур от 700 до 850°С при ус­ло­вии из­быт­ка ки­с­ло­ро­да. Нейт­ра­ли­зо­вать окис­лы азо­та при этом не­воз­мож­но, так как обя­за­тель­ным ус­ло­ви­ем их вос­ста­но­в­ле­ния яв­ля­ет­ся не­до­с­та­ток сво­бод­но­го ки­с­ло­ро­да.
В при­сут­ст­вии ка­та­ли­за­то­ров — ве­ществ, ак­ти­ви­зи­ру­ю­щих хи­ми­че­ские ре­ак­ции, тем­пе­ра­ту­ра ней­т­ра­ли­за­ции сни­жа­ет­ся и обес­пе­чи­ва­ет­ся воз­мож­ность пре­об­ра­зо­ва­ния всех то­к­сич­ных ком­по­нен­тов.
Ка­та­ли­ти­че­ские ней­т­ра­ли­за­то­ры ос­но­ва­ны на ис­поль­зо­ва­нии “бла­го­род­ных” ме­тал­лов, что свя­за­но с вы­со­кой хи­ми­че­ской аг­рес­сив­но­стью от­ра­бо­тав­ших га­зов. При­ме­не­ние со­от­вет­ст­ву­ю­щих ка­та­ли­за­то­ров обес­пе­чи­ва­ет воз­мож­ность од­но­вре­мен­но окис­лять ок­сид уг­ле­ро­да и уг­ле­во­до­ро­ды, а так­же вос­ста­на­в­ли­вать окис­лы азо­та. Та­кие ней­т­ра­ли­за­то­ры до­с­та­точ­но дол­го­веч­ны, их при­ме­не­ние не при­во­дит к су­ще­ст­вен­но­му уве­ли­че­нию рас­хо­да то­п­ли­ва и сни­же­нию мощ­но­сти дви­га­те­ля. При оп­ти­маль­ном уп­ра­в­ле­нии про­цес­сом сго­ра­ния и ре­цир­ку­ля­ци­ей от­ра­бо­тав­ших га­зов мо­гут быть вы­пол­не­ны са­мые же­ст­кие эко­ло­ги­че­ские тре­бо­ва­ния, предъ­я­в­ля­е­мые к ав­то­мо­би­лям.

Ус­т­рой­ст­во ней­т­ра­ли­за­то­ра

В штам­по­ван­ном кор­пу­се, из­го­то­в­лен­ном из не­ржа­ве­ю­щей ста­ли, рас­по­ло­жен ка­та­ли­ти­че­ский но­си­тель и эла­стич­ная тер­мо­изо­ля­ци­он­ная про­клад­ка (рис.1).
Устройство автомобильного нейтрализатора выхлопных газов:
1 — штампованный корпус из нержавеющей стали;
2 — каталитический носитель;
3 — эластичная термоизоляционная прокладка. а — керамический носитель; б — металлический носитель из гофрированной фольги.

Ке­ра­ми­че­ский но­си­тель (рис. “а”) про­ни­зан про­доль­ны­ми по­ра­ми-со­та­ми, на по­верх­ность ко­то­рых на­не­сен ак­тив­ный ка­та­ли­ти­че­ский слой. По­ры об­ра­зу­ют мно­же­ст­во тон­ких ка­на­лов для про­пу­с­ка от­ра­бо­тав­ших га­зов. Бла­го­да­ря спе­ци­аль­ной под­лож­ке тол­щи­ной 20—60 ми­к­рон с раз­ви­тым ми­к­ро­рель­е­фом об­щая пло­щадь по­верх­но­сти это­го слоя мо­жет до­хо­дить до 20000 м2. Мас­са ка­та­ли­за­то­ров, на­не­сен­ных на эту ог­ром­ную пло­щадь, со­ста­в­ля­ет все­го 2—3 грам­ма.
Для умень­ше­ния га­ба­ри­тов ке­ра­ми­че­ской де­та­ли и сни­же­ния тер­ми­че­ских на­пря­же­ний в ней но­си­тель из та­ко­го ма­те­ри­а­ла ча­с­то из­го­та­в­ли­ва­ет­ся со­став­ным.
Ме­тал­ли­че­ский но­си­тель (рис. “б”) пред­ста­в­ля­ет со­бой тон­чай­шие со­ты, из­го­то­в­лен­ные из гоф­ри­ро­ван­ной фоль­ги. Это по­з­во­ля­ет уве­ли­чить пло­щадь ра­бо­чей по­верх­но­сти по срав­не­нию с ке­ра­ми­че­ским но­си­те­лем, сни­зить со­про­ти­в­ле­ние дви­же­нию га­зов и ус­ко­рить ра­зо­грев бло­ка до ра­бо­чей тем­пе­ра­ту­ры.

Эла­стич­ная тер­мо­изо­ля­ци­он­ная про­клад­ка слу­жит для ком­пен­са­ции раз­ли­чия тер­ми­че­ско­го рас­ши­ре­ния кор­пу­са и но­си­те­ля. Она так­же пред­на­зна­че­на для за­щи­ты от ви­б­ра­ции, уда­ров, дру­гих ме­ха­ни­че­ских воз­дей­ст­вий и мо­жет из­го­та­в­ли­вать­ся:
— в ви­де про­во­лоч­ной сет­ки из не­ржа­ве­ю­щей тер­мо­стой­кой ста­ли;
— как по­душ­ка из во­ло­кон си­ли­ка­та алю­ми­ния с до­бав­кой слю­ды.

Нейт­ра­ли­за­то­ры для бен­зи­но­вых дви­га­те­лей

Окис­ли­тель­ные ка­та­ли­ти­че­ские ней­т­ра­ли­за­то­ры до­жи­га­ют в при­сут­ст­вии пла­ти­ны и из­быт­ке ки­с­ло­ро­да ок­сид уг­ле­ро­да и уг­ле­во­до­ро­ды.
Не­до­ста­ток за­клю­ча­ет­ся в том, что в этих ус­ло­ви­ях не­воз­мож­но ней­т­ра­ли­зо­вать окис­лы азо­та.

Двух­сту­пен­ча­тые ней­т­ра­ли­за­то­ры при­ме­ня­ют для пре­об­ра­зо­ва­ния всех трех то­к­сич­ных ком­по­нен­тов. Они со­сто­ят из двух ча­с­тей, ус­та­но­в­лен­ных по­с­ле­до­ва­тель­но. Пер­вая сту­пень вос­ста­на­в­ли­ва­ет окис­лы азо­та при де­фи­ци­те ки­с­ло­ро­да, а вто­рая окис­ля­ет ок­сид уг­ле­ро­да и уг­ле­во­до­ро­ды при при­ну­ди­тель­ной по­да­че в нее воз­ду­ха.
Двух­сек­ци­он­ные ней­т­ра­ли­за­то­ры име­ют от­но­си­тель­но слож­ную кон­ст­рук­цию. Ис­поль­зо­ва­ние сме­сей с из­быт­ком то­п­ли­ва, что не­об­хо­ди­мо для вос­ста­но­в­ле­ния оки­слов азо­та, при­во­дит к по­вы­шен­но­му рас­хо­ду то­п­ли­ва.

Трех­ком­по­нент­ные ней­т­ра­ли­за­то­ры спо­соб­ны од­но­вре­мен­но под­дер­жи­вать ре­ак­ции окис­ле­ния и вос­ста­но­в­ле­ния то­к­сич­ных ком­по­нен­тов, со­дер­жа­щих­ся в вы­хлоп­ных га­зах. В ка­че­ст­ве ка­та­ли­за­то­ров для пре­об­ра­зо­ва­ния оки­слов азо­та в азот при­ме­ня­ют пла­ти­ну и ро­дий. Для сни­же­ния тем­пе­ра­ту­ры до­жи­га­ния ок­си­да уг­ле­ро­да и уг­ле­во­до­ро­дов, кро­ме пла­ти­ны, ино­гда ис­поль­зу­ют ру­те­ний. Ре­ак­ции ней­т­ра­ли­за­ции в при­сут­ст­вии ка­та­ли­за­то­ров на­чи­на­ют­ся при тем­пе­ра­ту­ре 250°С. Пре­об­ра­зо­ва­ние наи­бо­лее эф­фе­к­тив­но в ди­а­па­зо­не тем­пе­ра­тур от 400 до 800°С.
Для обес­пе­че­ния ра­бо­ты трех­ком­по­нент­но­го ней­т­ра­ли­за­то­ра не­об­хо­дим сте­хио­мет­ри­че­ский со­став то­п­ли­во-воз­душ­ной сме­си. При этом на 1кг то­п­ли­ва долж­но по­да­вать­ся 14,7—14,9кг воз­ду­ха, что обес­пе­чи­ва­ет наи­бо­лее пол­ное сго­ра­ние.
Си­с­те­ма по­да­чи то­п­ли­ва с элек­трон­ным бло­ком уп­ра­в­ле­ния обес­пе­чи­ва­ет сте­хио­мет­ри­че­ский со­став го­рю­чей сме­си на всех ре­жи­мах ра­бо­ты дви­га­те­ля. Уп­ра­в­ле­ние осу­ще­ст­в­ля­ет­ся с ис­поль­зо­ва­ни­ем сиг­на­ла, ге­не­ри­ру­е­мо­го спе­ци­аль­ным дат­чи­ком ки­с­ло­ро­да (рис.5), ус­та­но­в­лен­ным в си­с­те­ме вы­пу­с­ка.

Лямбда-Зонд (Дат­чик ки­с­ло­ро­да) вы­да­ет элек­т­ри­че­ский им­пульс в за­ви­си­мо­сти от на­ли­чия или от­сут­ст­вия ки­с­ло­ро­да в от­ра­бо­тав­ших га­зах. Ес­ли ки­с­ло­род по­я­вил­ся, смесь со­дер­жит из­бы­ток воз­ду­ха (обед­не­на), ес­ли ки­с­ло­род ис­чез, смесь со­дер­жит из­бы­ток то­п­ли­ва (обо­га­ще­на). По сиг­на­лу дат­чи­ка элек­трон­ная си­с­те­ма уп­ра­в­ле­ния дви­га­те­лем по­сто­ян­но под­дер­жи­ва­ет смесь сте­хио­мет­ри­че­ско­го со­ста­ва.

Нейт­ра­ли­за­то­ры для ди­зе­лей

Срав­ни­тель­но не­боль­шое со­дер­жа­ние вред­ных ком­по­нен­тов в от­ра­бо­тав­ших га­зах ди­зе­лей не тре­бо­ва­ло в про­шлом ус­та­нов­ки спе­ци­аль­ных уст­ройств. Од­на­ко уже­сто­че­ние норм то­к­сич­но­сти кос­ну­лось и их. По­я­ви­лись си­с­те­мы сни­же­ния то­к­сич­но­сти вы­хло­па, вклю­ча­ю­щие ре­цир­ку­ля­цию от­ра­бо­тав­ших га­зов, ка­та­ли­ти­че­ский ней­т­ра­ли­за­тор и спе­ци­аль­ный са­же­вый фильтр. Са­жа, со­дер­жа­ща­я­ся в вы­хло­пе, не­то­к­сич­на, но она ад­сор­би­ру­ет на по­верх­но­сти сво­их ча­с­тиц кан­це­ро­ген­ные по­ли­ци­к­ли­че­ские уг­ле­во­до­ро­ды, в том чис­ле бенз-а-пи­рен. Ка­та­ли­ти­че­ские ней­т­ра­ли­за­то­ры в этом слу­чае не тре­бу­ют по­да­чи до­пол­ни­тель­но­го воз­ду­ха, по­сколь­ку ди­зе­ли ра­бо­та­ют на очень бед­ных сме­сях и в вы­хлоп­ных га­зах все­гда при­сут­ст­ву­ет сво­бод­ный ки­с­ло­род. Кон­цен­т­ра­ция про­ду­к­тов не­пол­но­го сго­ра­ния в от­ра­бо­тав­ших га­зах зна­чи­тель­но ни­же, чем в бен­зи­но­вом дви­га­те­ле.
Са­же­вые фильт­ры из­го­та­в­ли­ва­ют в ви­де по­ри­с­то­го фильт­ру­ю­ще­го ма­те­ри­а­ла из кар­би­да крем­ния. Пе­ри­о­ди­че­ски фильт­ры очи­ща­ют от­ра­бо­тав­ши­ми га­за­ми, тем­пе­ра­ту­ру ко­то­рых для это­го по­вы­ша­ют пу­тем впры­ска то­п­ли­ва в ци­лин­д­ры с за­по­зда­ни­ем. Для сни­же­ния тем­пе­ра­ту­ры ре­ге­не­ра­ции при­ме­ня­ет­ся спе­ци­аль­ная при­сад­ка к то­п­ли­ву. Очи­ст­ка фильт­ра про­ис­хо­дит по ко­ман­де бло­ка уп­ра­в­ле­ния по­с­ле ка­ж­дых 400—500 км про­бе­га ав­то­мо­би­ля.

Ре­ко­мен­да­ции

Для обес­пе­че­ния эф­фе­к­тив­ной ра­бо­ты ней­т­ра­ли­за­то­ра не­об­хо­ди­мо ис­поль­зо­вать толь­ко ка­че­ст­вен­ное не­эти­ли­ро­ван­ное то­п­ли­во, так как со­дер­жа­щий­ся в бен­зи­не те­т­ра­этил­сви­нец (ТЭС) не­об­ра­ти­мо “от­ра­в­ля­ет” ка­та­ли­ти­че­скую по­верх­ность.
Во вре­мя и по­с­ле ра­бо­ты дви­га­те­ля кор­пус ней­т­ра­ли­за­то­ра име­ет до­с­та­точ­но вы­со­кую тем­пе­ра­ту­ру. В свя­зи с этим, во из­бе­жа­ние по­жа­ра, не сле­ду­ет пар­ко­вать ав­то­мо­биль над лег­ко вос­пла­ме­ня­ю­щи­ми­ся пред­ме­та­ми, на­при­мер су­хи­ми ли­сть­я­ми, тра­вой, бу­ма­гой и т.д.
Сле­ду­ет со­блю­дать ос­нов­ные пра­ви­ла, при­ве­ден­ные в ин­ст­рук­ции по экс­плу­а­та­ции ав­то­мо­би­лей. Они на­пра­в­ле­ны на пре­ду­пре­ж­де­ние си­ту­а­ции, ко­гда в ней­т­ра­ли­за­тор мо­жет по­пасть зна­чи­тель­ное ко­ли­че­ст­во не­сго­рев­ше­го то­п­ли­ва. В этом слу­чае воз­мож­ная вспыш­ка мо­жет при­ве­с­ти к его раз­ру­ше­нию. На­и­бо­лее об­щие ре­ко­мен­да­ции мож­но из­ло­жить сле­ду­ю­щим об­ра­зом:
· не сле­ду­ет бес­по­лез­но кру­тить дви­га­тель стар­те­ром дли­тель­ное вре­мя;
· в хо­лод­ное вре­мя го­да, ес­ли дви­га­тель не за­пу­с­тил­ся с пер­вой по­пыт­ки, не­об­хо­ди­мо из­бе­гать по­втор­ных вклю­че­ний стар­те­ра че­рез ко­рот­кие про­ме­жут­ки вре­ме­ни;
· нель­зя пу­с­кать дви­га­тель пу­тем бу­к­си­ров­ки;
· за­пре­ща­ет­ся про­ве­рять ра­бо­ту ци­лин­д­ров, от­клю­чая све­чи за­жи­га­ния.

¹Основным источником образования несгоревших остатков является гашение пламени в пристеночных зонах, в зазоре между поршнем и цилиндром, между поршневыми кольцами и канавками в поршне и т.д. Другая причина — неравномерность состава смеси по объему цилиндра, особенно у непрогретого двигателя и на переходных режимах.

wiki.zr.ru

Каталитический нейтрализатор — принцип работы и неисправности

Работа выхлопной системы автомобиля обеспечивается не одним устройством, а несколькими. Одним из них является каталитический нейтрализатор. В этой статье речь пойдет о том, что такое нейтрализатор и какова его роль в системе выхлопа автомобиля?

Назначение и устройство каталитического нейтрализатора

Нейтрализатор устанавливается в выхлопной системе автомобиля и применяется для максимального снижения токсичности выхлопного газа. Применение данного устройства осуществляется как на дизельных, так и на бензиновых двигателях и является обязательным для всех автомобилей, оснащенных двигателем внутреннего сгорания.

Современная конструкция нейтрализатора представляет собой специальный блок-носитель, корпус устройства и теплоизоляция. Основным элементом является блок-носитель, который изготавливается из специальной огнеупорной керамики. Внутри блока располагается большое количество сот (или, по-другому, ячеек). Такая конструкция позволяет значительно повысить площадь соприкосновения рабочих частей нейтрализатора с отработанными газами. Поверхность ячеек покрывается специальным слоем каталитического вещества. В качестве нейтрализатора может применяться родий, платина или палладий.

Суть действия катализатора заключается в следующем. Двигатель автомобиля не может обеспечить полное сгорание топлива и отправляет большое количество вредных газов в выхлопную систему автомобиля. Попадая в каталитический нейтрализатор, вредные газы контактируют с каталитическим слоем и окисляются. В процессе прохождения выхлопного газа по всему блоку-носителю, вредные вещества окисляются до конца, и на выходе получается самый обычный углекислый газ.

Применение трех металлов обеспечивает полное окисление трех разных веществ. Помимо углевода и оксида углерода, в отработавших газах может содержаться оксид азота, который также подвергается полному окислению и превращается в обычный безвредный азот. Таким образом, выхлопной газ становится менее вредным и оказывает меньшее отрицательное воздействие на окружающую среду.

Сам блок-носитель, обычно, размещен в металлическом корпусе, который предохраняет нейтрализатор от механических воздействий, например, ударов о неровности дорожного покрытия. Между блоком и корпусом прокладывается слой теплоизоляции, чтобы исключить передачу тепла на корпус. Применение теплоизоляции связано с особенностями работы нейтрализатора. Дело в том, что для успешного окисления вредных веществ необходима большая температура. Самая минимальная температура для успешного дожигания отработанных газов должна быть в пределах 300 градусов Цельсия. Для спортивных автомобилей этот параметр может достигать 1500-3000 градусов Цельсия. Теплоизоляция позволяет поддерживать температуру в заданных пределах и обеспечивает нормальную работу каталитического нейтрализатора.

Внутри блока устанавливается датчик кислорода. Это электрическое устройство сообщает водителю о том моменте, когда катализатор необходимо заменить. Если соты забиваются или керамический слой становится меньше, датчик срабатывает и посылает сигнал на электронный блок управления двигателем, который переводит работу мотора в аварийный режим и сигнализирует лампой на панели приборов, что необходимо выполнить проверку исправности систем. Часто, чтобы избавить от преждевременного и случайного срабатывания датчика, создают специальную обманку нейтрализатора, которая говорит датчику о том, что катализатор по-прежнему в норме. Это связано с тем, что замена каталитического нейтрализатора стоит очень дорого, и не каждый водитель может позволить себе такой ремонт. Так что, большинство водителей просто докатывают старую деталь до полного изнеможения и меняют нейтрализатор позже.

Помимо теплоизоляции, регулировать температуру работы нейтрализатор можно не только с помощью теплоизоляции. На температуру нейтрализатора может влиять и место установки. Так, например, для повышения температуры катализатора, его размещают прямо за выпускным коллектором, так как последний имеет высокую скорость и температуру нагрева.

Другое условие успешной работы нейтрализатора является повышенное обогащение топливовоздушной смеси.

Видео — Что убивает нейтрализатор газов?

Нейтрализатор на дизельном двигателе

Применение нейтрализаторов в дизельных двигателях стало не целесообразным. Дело в том, что температура работы дизеля ниже, чем у бензинового ДВС, а это значит, что катализатор не сможет справиться с поставленной задачей. Автомобильные эксперты разработали устройство, которое впрыскивает мочевину в систему выхлопа до того, как отработавшие газы достигнут катализатора. Такой подход позволяет ускорить процесс окисления и максимально возможно очистить выхлоп автомобиля. В конечном итоге, из трубы в большем количестве выходит водяного пара, чем продуктов сгорания.

Подведем итоги. Каталитический нейтрализатор является главной частью выхлопной системы и предназначен для очистки вредных выхлопных газов. Эксплуатация автомобиля без этого устройства запрещена и противоречит законам об экологии. 

vipwash.ru

Каталитическая нейтрализация отработавших газов | Системы снижения токсичности автомобиля

Каталитическое действие нейтрализаторов основано на беспламенном поверхностном окислении токсичных веществ в присутствии катализатора, ускоряющего химическую реакцию. Процесс окисления происходит во время прохождения отработавших газов через слой носителя с нанесенным на него катализатором, причем скорость реакции сгорания зависит oт температуры носителя. Применение каталитических нейтрализаторов позволяет дожигать продукты неполного сгорания СН и СО и разлагать оксиды азота.

В качестве активных компонентов каталитических нейтрализаторов для СИ и СО применяют благородные металлы (до 1-2 г палладия, платины) а также оксиды переходных металлов (меди, кобальта, никеля, ванадия, хромата железа, марганца). Для нейтрализации могут применяться, кроме выше названных элементов, катализаторы на основе меди с добавкой ванадиевого ангидрида и оксида хрома, на основе оксида железа или алюминия, на основе металлических сплавов (нержавеющая сталь, бронза, латунь, легированные стали с хромоникелем).

Общая схема системы очистки отработавших газов бензинового двигателя показана на рисунке:

Рис. Общая схема системы очистки отработавших газов бензинового двигателя

В систему очистки отработавших газов современного двигателя входят:

• трехкомпонентный каталитический нейтрализатор 1
• входной 2 и выходной 9 датчики кислорода (лямда зонды)
• блок управления двигателем 3
• кабель шины CAN 4
• блок управления датчиком NOx 5
• датчик (датчики) оксидов азота NOx 6
• накопительный нейтрализатор NOx 7
• датчик температуры 8
• датчик кислорода 9
• двигатель 10

Каталитический нейтрализатор представляет собой металлический корпус 6 из жаропрочной нержавеющей стали толщиной около 1,5 мм, внутри которого находится керамический носитель 5. Наибольшее распространение получили гранулированные и блочные (монолитные) носители, которые пронизаны многочисленными мелкими сотами, созда­ющими максимальную поверхность контакта с отработавшими газами. Чтобы обеспечить необходимый массоперенос между отработавшими газами и каталитической поверхностью, площадь последней увеличивают путем нанесения на нее гамма-оксида алюминия с пористой структурой, в виде сферических гранул, которые укладываются в металлический цилиндр 2, закрытый по торцам сетками. Гранулы из оксида алюминия покрываются непосредственно каталитическим материалом. Поверх фольги или гранул алюминия нанесен тонкий слой катализаторов – платины и родия. Задача этих редких металлов – ускорять окисление углеводородов и окиси углерода до угле­кислого газа, а токсичные оксиды азота восстанавливать до азота. Между блоком-носителем и корпусом ставится специальная терморасширяющаяся прокладка.

Рис. Каталитический трехкомпонентный нейтрализатор отработавших газов:
1 – кислородный датчик; 2 –цилиндр; 3 – терморасширительная прокладка; 4 – катализатор; 5 – керамический носитель; 6 – металлический корпус

Недостатком нейтрализаторов является их достаточно большая стоимость из-за применения дорогостоящих редких металлов. В целях их экономии в конструкции нейтрализаторов начали применять нано технологии. Исследования фирмы «Мазда» показали, что частицы редких металлов крупнее 10 нм, напыленные на керамическую основу, дер­жатся на ней не слишком проч­но. При нагреве они начинают скользить по поверхности керамических зерен и сливаются, подобно капелькам ртути в агломераты все боль­ших размеров. При этом неиз­бежно уменьшается площадь поверхности, контактирующая с газами, и эффективность их обезвреживания падает. Однако, если уменьшить размер частиц металла до 5 нм и менее, они прочно застревают в нанопорах керамики и уже не могут срываются. Кроме того, применяя наночастицы пла­тины, удалось уменьшить ее общее количество в нейтрали­заторе на 70…90%.

Альтернативой керамическому моно­литному блоку является металлический каталитический нейтрализатор. Он из­готавливается из гофрированной ме­таллической фольги толщиной 0,05 мм, намотка и пайка которой твердым при­поем осуществляется при высокой тем­пературе. Поверхность фольги покры­вается эффективно действующим ката­лизатором. Благодаря тонким стенкам фольги в тех же габаритах, что и у кера­мического нейтрализатора, может быть размещено большее число каналов. Это приводит к меньшему сопротивлению прохождения отработавших газов.

Нейтрализатор вступает в работу после разогрева до 300°С. Оптимальный рабочий диапазон температур от 400 до 800°С. Чем ближе нейтрализатор к двигателю, тем быстрее разогревается до рабочей темпе­ратуры. Поэтому на смену нейтрализаторам под днищем кузова пришли нейтрализаторы, совмещен­ные с приемной трубой.

В целях уменьшения вибрационных нагрузок со стороны двигателя нейтрализатор присоединяется к выпускному трубопроводу или к приемной трубе через шарнирное соединение или через компенсатор колебаний.

Для работы системы с каталитическим окислительным нейтрализатором при использовании в двигателе обогащенных смесей необходимо к отработавшим газам добавлять воздух. Для этого используются специальные воздушные насосы ими специальные клапанные устройства (виброклапаны или пульсаторы), функционирующие под действием волн разрежения, возникающих в системе выпуска.

Наилучшую очистку отработавших газов дают двухсекционные катали­тические нейтрализаторы, позволяющие после прохождения первой секции уменьшать содержание NOx, а после ввода во вторую секцию дополнительного воздуха – содержание СО и СН.

В последнее время наибольшее распространение нашли трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы, оборудованные системой обратной связи, позволяющие одновременно при восстановлении NOx окис­лять СО и СН.

ustroistvo-avtomobilya.ru

Каталитический нейтрализатор — структура и типы. Каталитические нейтрализаторы окислительного и восстановительного типа

Каталитический нейтрализатор имеет внутри корпуса носитель, на поверхность которого наносится покрытие из каталитического материала. В качестве носителя применяется гранулированная или монолитная керамическая основа. Монолитная структура характеризуется следующими преимуществами: максимальным использованием каталитической поверхности, долговечностью, физической прочностью, низкой тепловой инерционностью.

Каталитический нейтрализатор

Активный каталитический слой состоит из тончайшего покрытия благородными металлами (Pt, Rh, Pd), чувствительными к содержанию свинца в топливе, при отложении которого активность каталитического слоя быстро падает. Поэтому двигатели с каталитическими нейтрализаторами должны эксплуатироваться исключительно на неэтилированном бензине. Степень эффективности нейтрализатора является функцией рабочей температуры. Нейтрализатор начинает работать при достижении температуры приблизительно 250⁰С. Рабочие температуры в диапазоне 400…800⁰С обеспечивают оптимальную нейтрализацию отработавших газов и большого срока службы нейтрализатора.

При размещении нейтрализатора отработавших газов непосредственно вблизи двигателя ускоряется его прогрев до рабочей температуры, что приводит к оптимальной эффективности нейтрализатора, но одновременно – к высоким тепловым нагрузкам. Так как максимальная допустимая температура находится в диапазоне 1000⁰С, нейтрализаторы обычно устанавливаются под полом автомобиля. Нарушения в работе двигателя, например пропуски воспламенения, могут приводить к увеличению температуры нейтрализатора и его разрушению. Для устранения этого эффекта должны использоваться надежные и не требующие обслуживания системы зажигания.

Каталитические нейтрализаторы окислительного типа осуществляют окисление CO и CH за счет использования избыточного воздуха в обедненных смесях или подачи дополнительных порций воздуха.

Нейтрализаторы восстановительного типа, с другой стороны, могут работать при дефиците воздуха, т.е. обеспечивают снижение выбросов NO_x без подачи воздуха.

Каталитические нейтрализаторы восстановительного и окислительного типа могут также комбинироваться для получения двухсекционных нейтрализаторов. В таком устройстве применяется подача дополнительного воздуха между двумя секциями, что позволяет осуществлять снижение не только NO_x, но также CO и CH. Его недостатками являются конструктивная сложность и необходимость работы двигателя в условиях высокого расхода топлива (λ = 0,9).

Трехкомпонентный или селективный нейтрализатор с лямбда-зондом является наиболее эффективной системой очистки отработавших газов. Он обеспечивает требуемый уровень всех трех основных токсичных компонентов отработавших газов двигателя, работающего на стехиометрической смеси.

Системы контроля токсичности отработавших газов

В США, Европе и Японии только каталитическая очистка отработавших газов с использованием трехкомпонентных нейтрализаторов и системой с обратной связью обеспечивает удовлетворение существующим нормам по предельным концентрациям CO, NOx, и CH в отработавших газах.

Коэффициент избытка воздуха λ используется для определения пропорций воздуха и топлива в рабочей смеси и отношений между действительным и стехиометрическим составами смеси.

Система с обратной связью для λ = 1

Эта система обеспечивает снижение до минимума концентрации токсичных компонентов в отработавших газах. Двигатель должен работать в узком диапазоне значений λ = 1 ± 0,005 («окно» каталитического нейтрализатора). Такая точность достигается использованием системы с обратной связью по составу рабочей смеси с лямбда-зондом, установленным перед нейтрализатором. Второй аналогичный кислородный датчик располагается за нейтрализатором, что еще более увеличивает точность формирования состава смеси.

Система с обратной связью при λ > 1 (обедненная смесь)

Основным преимуществом такого контроля является снижение расхода топлива в результате сгорания обедненной смеси (качественное регулирование без дросселирования). Эффективность системы определяется использованием нейтрализаторов, которые могут снизить выбросы NOx во время сгорания обедненной смеси. Для двигателей с искровым зажиганием пределом обеднения смеси является λ ≈ 1,7. Превышение этого значения ведет к возникновению пропусков воспламенения, несмотря ни на какие конструктивные меры.

Другие статьи по системам нейтрализации отработавших газов

carspec.info