Катализатор

Двухслойный трехкомпонентный каталитический нейтрализатор отработавших газов:
1 — датчик концентрации кислорода для замкнутого контура управления;
2 — монолитный блок-носитель;
3 — монтажный элемент в виде проволочной сетки;
4 — двухоболочковая теплоизоляция нейтрализатора

Каталитический нейтрализатор устанавливается в выпускной системе для уменьшения содержания вредных веществ в отработавших газах. Нейтрализатор содержит один восстановительный (родий) и два окислительных (платина и палладий) катализатора. Окислительные катализаторы способствуют окислению несгоревших углеводородов (СН) в водяной пар, а окиси углерода (СО) в углекислый газ. Восстановительный катализатор восстанавливает вредные оксиды азота NОx в безвредный азот. Так как эти нейтрализаторы снижают в отработавших газах содержание трех вредных веществ, они называются трехкомпонентными.
Работа автомобильного двигателя на этилированном бензине приводит к выходу из строя дорогостоящего каталитического нейтрализатора. Поэтому в большинстве стран использование этилированного бензина запрещено.
Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор работает наиболее эффективно, если в двигатель подается смесь стехиометрического состава, т. е. при соотношении воздуха и топлива как 14,7:1 или коэффициенте избытка воздуха, равном единице. Если воздуха в смеси слишком мало (т. е. мало кислорода), тогда СН и СО не полностью окислятся (сгорят) до безопасного побочного продукта. Если же воздуха слишком много, то не может быть обеспечено разложение NOx на кислород и азот. Поэтому появилось новое поколение двигателей, в которых состав смеси регулировался постоянно для получения точного соответствия коэффициента избытка воздуха α=1 с помощью датчика концентрации кислорода (лямбда-зонда), встраиваемого в выпускную систему.

Зависимость эффективности действия нейтрализатора от коэффициента избытка воздуха

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.