Принцип работы и устройство автомобильного катализатора

Требования к экологической чистоте транспорта становятся все жестче, поэтому инженеры автопроизводителей работают над улучшением устройств, отвечающих за очистку выхлопных газов. Одним из них стал катализатор, устройство и принцип работы которого будет рассматриваться далее. Это ответ на все рассуждения по поводу того, что можно оптимизировать качество моторного масла, топлива, рассчитывать оптимальную смесь, при которой происходит лучшее сгорание, но для этих улучшений в какой-то момент приходит предел.

Устройство катализатора

Особенности конструкции

Принцип работы

Классификация

Срок службы катализатора

Удалить катализатор: можно или нет

Самостоятельная диагностика работы катализатора

Ужесточение требований к составу выхлопных газов, образующихся при полноценной работе двигателя внутреннего сгорания, приводит к необходимости использовать более прогрессивные решения для очистки. В состав современной выхлопной системы обязательно входят элементы системы дополнительной очистки: сажевый фильтр, нейтрализатор, система дожига топлива. Их задача состоит в минимизации вредных соединений, которые выбрасываются ТС в атмосферу во время движения.

Катализатор представляет собой компонент, необходимый для нейтрализации вредных соединений, являющихся составными частями выхлопов. При сгорании топлива формируются углеводороды, окрашивающие выходящие газы в темный цвет, оксидов азота и углерода. Эти соединения и вызывают у экологов негативные реакции.

Работа нейтрализатора, изначально присутствующего в выхлопной системе, направлена на окислительно-восстановительные химические реакции, приводящие к образованию безвредных веществ: воды, углекислого газа и азота. Это треступенчатые нейтрализаторы, которые и используются в большинстве автомобилей последних моделей. Принцип работы автомобильного катализатора обеспечивает превращение опасных для экологии газов в безопасные соединения, выходящие в атмосферу.

Работа нейтрализатора не требует каких-то вспомогательных источников энергии, так как активное покрытие обеспечивает протекание любых реакций. Рабочая температура элемента достаточно высокая, поэтому он находится за выпускным коллектором, но не слишком близко к мотору, чтобы не перегреваться. Такое расположение обеспечивает выход на рабочий режим за счет разогрева раскаленными выхлопными газами.

Принцип работы катализатора обеспечивает его полноценное функционирование после полного прогревания. Контролировать его работу должны лямбда-зонды – датчики кислорода, установленные перед входом в катализатор и после выхода из него. Для электронного блока управления важной является информация по количеству остаточного кислорода в выхлопе, по которому делаются выводы о функционировании мотора. Если требуется коррекция, то ЭБУ передает сигнал на увеличение или уменьшение воздушной и топливной подачи в систему камер сгорания.

Особенности конструкции

Если принцип работы катализатора выхлопных газов понятен, то можно сказать несколько слов об его устройстве. Нейтрализатор состоит из нескольких ключевых компонентов:

• Сразу за выпускным коллектором размещен цельный стальной корпус, внутри которого есть термоизолирующий слой, защищающий основной компонент.
• Нейтрализатор имеет наполнитель в виде сотовой структуры, покрытой внутри активным слоем. В зависимости от производителя устройства в качестве каталитического вещества может использоваться родий, платина, палладий, платиново-иридиевый сплав. Сотовая структура обеспечивает повышение площади контакта газов с активным вещество, поэтому химические реакции проходят более интенсивно.
• Наполнитель изготовлен из металла или керамики. Выбор материала зависит от конструкции и конечной стоимости оборудования.

Принцип работы

Принцип работы катализатора в автомобиле достаточно прост и базируется на определенной последовательности химических реакций:

• Внутренняя поверхность сот покрыта драгоценными металлами, которые отвечают за активацию процессов окисления.
• Оксид азота в результате реакции разлагается на атомы азота и кислорода. Азот объединяется в молекулы, образуя устойчивый азот. Кислород соединяется с угарным газом до образования углекислого газа.
• Катализатор захватывает из выхлопных газов остаточный кислород, расщепляет углеводороды, давая на выходе такие соединения, как углекислый газ и вода.
• Остаточный кислород на выходе из катализатора фиксируется лямбда-зондом, чтобы передать сведения о работе устройства штатному бортовому компьютеру.

Исправное устройство в оптимальных условиях не накапливает ничего внутри себя: все вещества, которые поступают в нейтрализатор, покидают его сотовую структуру. Но добиться этого практически невозможно, поэтому со временем происходит деградация каталитического нейтрализатора, что не дает ему полноценно справляться с задачей.

Классификация

Катализаторы можно разделить на категории по функциональности: на двух- и трехкомпонентные. Первый тип работает только с обезвреживанием угарного газа с углеводородами. Такие модели считаются устаревшими, поэтому не устанавливаются на автомобилях новых версий. Трехкомпонентные обеспечивают нейтрализацию оксида азота. Этот вид теперь устанавливается на всех современных автомобилях.

Если говорить о материале изготовления, то принято выделять керамические, металлические и спортивные: 

• Керамические считаются самыми дешевыми, но это и наиболее хрупкие катализаторы. При ударе по корпусу происходит разрушение сердцевины. Устройства страдают от перепадов температур, сбоев в системе зажигания авто. Катализатор может постепенно разрушаться, что приводит к образованию большого количества мелкой пыли, которая проникает сквозь выпускной коллектор в мотор, что приводит к поломкам. В результате всех этих неполадок может потребоваться капитальный ремонт.
• Металлические – это дорогие, но надежные устройства, изготовленные из металлической структуры в виде сот. Она отличается упругостью и устойчивостью к механическим и температурным воздействиям. Металл не способен образовывать мелкие частицы, поэтому для двигателя он не представляет опасности.
• Спортивные отличаются повышенной пропускной способностью, поэтому мотор становится мощнее на несколько процентов. Спортивные монтируются в прямоточные системы выхлопных газов. Их считают наиболее надежными, хоть они и самые дорогостоящие.

Срок службы катализатора

Для катализатора средний ресурс составляет 100 тысяч километров пробега, но в условиях правильной эксплуатации он способен исправно отработать до 200 тысяч. Ранний износ может произойти из-за низкого качества топлива (топливно-воздушной смеси) и проблем с мотором.

Если топливная смесь обедненная, то случается перегрев нейтрализатора, если слишком богатая, то это приводит к засорению пористого блока остатками несгоревшего топлива, из-за чего не протекают необходимые химические реакции. Это вызывает проблемы в работе катализатора с его ускоренным выходом из строя.

Механические повреждения тоже часто приводят к возникновению неисправностей. Удары и различные механические воздействия приводят к возникновению трещин. Это становится причиной стремительного разрушения блоков.

 

Если возникает любая неисправность, каталитический нейтрализатор начинает хуже работать, что можно понять по показаниям, поступающим в ЭБУ от лямбда-зонда, установленного на выходе из нейтрализатора. Сообщение о неисправности может высвечиваться на приборной панели в виде ошибки «Check Engine». Помимо этого, о выходе из строя свидетельствует ухудшение динамики, увеличение топливного расхода и дребезжание при движении.

В такой ситуации требуется его замена на новый. При этом можно установить новый оригинальный компонент либо воспользоваться универсальным. Восстановление или чистка не возможны, а так как новый компонент обычно стоит довольно дорого, многие автовладельцы предпочитают удалить его.

Удалить катализатор: можно или нет

Так как повлиять на принцип работы датчика катализатора невозможно, и он будет выдавать ошибку, если компонент вышел из строя, то многие автовладельцы предпочитают использовать альтернативные довольно радикальные подходы. Чаще всего просто удаляют катализатор, а на его место устанавливают пламегаситель, который выравнивает поток выхлопных газов. Его рекомендуется использовать для устранения неприятных шумов, сопровождающих движение транспорта, у которого отсутствует катализатор.

Если было решено удалить катализатор, то рекомендуется его полностью снять, а не прибегать к рекомендации автомобилистов просто пробить отверстие в нем. Такая процедура способна слегка улучшить ситуацию на некоторое время.

В машине, которая соответствует экологическому стандарту Евро-3, требуется не только удалить катализатор, но и выполнить перепрошивку ЭБУ. Обновление выполняется до версии, в которой каталитический нейтрализатор отсутствует.

Дополнительно можно установить эмулятор сигнала от кислородного датчика, чтобы не потребовалось перепрошивать ЭБУ полностью.

Самое лучшее решение при поломке каталитического нейтрализатора – это его замена на оригинальный компонент в рамках специализированного сервиса, где работают профессиональные мастера с достаточным опытом. Это обеспечивает исключение вмешательства в конструкцию автомобиля, поэтому сохранится соответствие его экологического класса стандарту, прописанному производителем.

Самостоятельная диагностика работы катализатора

Если машина стала ездить хуже, а на приборной панели загорелся «чек», то можно отправиться в сервисный центр, где после тщательной диагностики станет понятно, что произошло. Однако можно самостоятельно выполнить элементарную диагностику функционирования катализатора:

• Оценить оттенок выхлопа: если он черный, то это явный признак того, что нейтрализатор не работает, поэтому через него и проходят все вредные вещества и газу наружу.
• Оценить давление газов, выходящих наружу: если приложить ладонь к отверстию выхлопной трубы, то напор должен быть высоким. Если он низкий, то это свидетельствует о необходимости замены катализатора.
• После длительной поездки заглянуть под машину: если корпус катализатора раскален, то можно говорить о снижении его пропускной способности.
• В сервисе можно проверить давление выхлопа и сравнить его с показателями эталонных данных. Для определения давления манометр размещается там, где обычно установлен лямбда-зонд.
• Визуально можно оценить демонтированный нейтрализатор выхлопа на предмет оплавления, засорения или выгорания.

Заменить катализатор требуется после того, как точно установлено, что проблемы в работе автомобиля возникли из-за оплавленных или забитых сот. Но рекомендуется отыскать причину, по которой случилось засорение нейтрализатора, так как после установке нового элемента он тоже может пострадать от тех же неполадок. Поэтому в современных авто все системы связаны очень сильно, для чего используется большое количество датчиков.

Устройство и работа катализатора

Статьи 3 Июня, 2017

 Большинство современных автовладельцев узнают о существовании каталитического нейтрализатора, или как в простонародье называют — катализатор, только после его поломки и посещения станции технического обслуживания. В данной статье, будет описана конструкция данной детали и пояснен принцип ее работы, простым языком. После прочтения, станет понятно, по какой причине он выходит из строя и почему замена может обойтись в круглую сумму.

 Для чего нужен катализатор 

---

 В первую очередь, каталитический нейтрализатор — это устройство уменьшающее количество вредных веществ в составе выхлопных газов. На сегодняшний день, использование данного устройства стало обязательным для всех автопроизводителей, которые обязаны соблюдать, постоянно ужесточающие, международные экологические требования.

 Именно данные ограничения повлияли на появления катализатора, который стал неотъемлемой частью выхлопной системы современного автомобиля. А инженеры всех автопроизводителей постоянно находятся в режиме гонки технологий, что бы успевать обновлять свою продукцию к новым требованиям.

 Из чего состоит катализатор и как он работает 

---

 Каталитический нейтрализатор внешне похож на небольшой глушитель, но внутри корпуса находится специальная конструкция из тонких трубок, с толщиной стенок около 0,2 мм. Данная конструкция заключена в корпус из нержавеющей стали с теплоизолирующим материалом.

 В настоящее время, большинство каталитических нейтрализаторов, получают элементы изготовленные из специального керамического материала — кордиерита, которые покрываются очень тонким (пару десятков микрон) драгоценными металлами, улучшающими все химические процессы в катализаторе.

 Как правило, в качестве драгоценного металла используются элементы из группы платине, но сама платина более предпочтительна, так как значительно ускоряет процессы химического окисления.

 Как показала практика, именно платина максимально благоприятна для окисления монооксида углерода и углеводородов. Кроме этого, платина имеет максимальную стойкость от воздействия соединений серы, присутствующих в выхлопных газах. Кроме этого, в нейтрализаторе могут применяться палладий и родий, относящиеся к группе платины, но их использование имеет свои положительные и отрицательные стороны. Во первых, их использование удешевляет устройство и позволяет более эффективно окислять оксиды азота, но менее устойчивы к сере.

 Сам принцип работы нейтрализатора основана на принципах химической реакции при высоких температурах. Окисление вредных веществ протекает при достижении температуры до 250 — 300 градусов по Цельсию. Именно данная температура позволяет эффективно окислять вредные соединения веществ, таких как — угарный газ, углеводород и оксид азота. При химической реакции, к ним добавляется молекула кислорода, тем самым, превращая вредные выбросы во вполне безобидные — углекислый газ, азот и воду.

 Для бензиновых моторов, в большинстве случаев используются каталитические нейтрализаторы сделанные на основе мелкоячеистой металлической сетки, покрытой теми же драгоценными металлами, но размещается ближе к двигателю, так как температура выхлопного газа в бензиновом моторе — ниже.

 Кроме этого, есть различия по конструкции катализаторов. Они бывают окислительными и тройными. Стоит признать, что первый вариант использовался в основном на американских автомобилях в семидесятых годах. Они окисляли только углеводороды и углекислый газ, а оксиды азота оставались в выхлопных газах. Современные катализаторы на бензиновых работают по тройному принципу и справляются с большинством вредных веществ в выхлопных газах.

 Для дизельных модификаций используются NO абсорбирующие катализаторы в паре со специальными сажевыми фильтрами. В современное время, большинство автопроизводителей перешли на технологию селективного каталитического восстановления в качестве метода повышения эффективности очистки выхлопных газов от оксидов азота. Для этого используется аммиак или его производные в среде с большим содержанием кислорода.

 Какие бывают проблемы

---

 Самой частой проблемой каталитических нейтрализаторов становится перегрев его внутренностей. При этом, происходит блокирование его пропускной способности и активное засорение. Причиной этому становится слишком обогащенная топливная смесь, которая не успевает полностью сгореть в цилиндрах. Из-за физических свойств металлов расширятся при нагреве, пропускная способность многочисленных мелких ячеек уменьшается, что приводит к снижению мощности двигателя и большому количеству сажи в катализаторе. Кроме этого, из-за сгорания остатков топлива в нейтрализаторе, могут разрушаться сами соты, что приводит к полной неисправности детали.

 Кроме этого, катализатор может засорятся из-за использования топлива с высоким содержанием примесей свинца, который будет постепенно наслаиваться на стенки катализатора, засоряя его. Именно поэтому, мастера не рекомендуют часто использовать различные присадки для топлива, в которых содержаться многие посторонние элементы, способные также осесть на ячейках.

 Еще одной причиной засорение становится повышенный расход моторного масла, которое начинает попадать в камеры сгорания. Также, еще может встретиться физическое повреждение.

 Удаление или ремонт катализатора

---

 Прежде всего, стоит упомянуть о том, что нельзя принять окончательное решение о неполадках катализатора исключительно по пробегу. Многие мастера, могут настаивать на замене или удалении катализатора именно основываясь на пробеге. Но правда в том, что содержание драгоценных металлов на катализаторе довольно высокое. Поэтому, некоторые мастера возьмут с Вас деньги за ремонт и заберут Ваш катализатор для последующей сдаче его на пункт приема цветных металлов.

 Поэтому, прежде чем проводить любые работы по ремонту или удаления каталитического нейтрализатора, стоит проверить автомобиль на специальном оборудовании — газоанализаторе. Именно данный анализ может служить основанием для ремонтных работ. Кроме этого, можно подозревать катализатор в неисправности из-за появления посторонних запахов.

 Если говорить на чистоту, то удаление катализатора не может сказаться негативно на работоспособности автомобиля. Кроме этого, Вы наверняка отметите некоторое повышение мощности и снижение расхода топлива. Но стоит обратить внимание на то, что и в России могут ужесточить законы и требования к экологическим стандартам. Поэтому, не стоит заранее удалять систему очистки выхлопных газов, а по возможности — его необходимо сохранять как можно дольше.

© 2007-2023.
Сетевое издание «CarsWeek» зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор) 25 апреля 2017 года.
Свидетельство о регистрации ЭЛ № ФС77-69477. Учредитель: Богачков Сергей Григорьевич. Главный редактор: С. Г. Богачков.
Электронная почта редакции: [email protected]. Телефон редакции: +7-915-979-14-25.
Использование материалов сайта разрешается только с установкой активной гиперссылки на CarsWeek.ru. 16+

Как работают каталитические нейтрализаторы?

Как работают каталитические нейтрализаторы? — Объясните этот материал

Вы здесь: Домашняя страница > Транспорт > Катализаторы

• Дом
• индекс А-Я
• Случайная статья
• Хронология
• Учебное пособие
• О нас
• Конфиденциальность и файлы cookie

Реклама

org/Person»> Криса Вудфорда. Последнее обновление: 18 февраля 2022 г.

Почерневшие здания и удушье улицы — если это ваш опыт когда вы открываете входную дверь утром, вы, вероятно, живете в большом таких городов, как Лос-Анджелес, Лондон, Париж или Пекин. Автомобили, автобусы и грузовики стали отличным подарком миру, потому что они помогают нам передвигаться себя (и вещи, которые нам нужны) быстро и эффективно. Но их загрязнение двигателя портит места, где мы живем и вредит нашему здоровью. К счастью, сейчас большинство автомобилей оснащены устройства для снижения загрязнения, называемые каталитическими преобразователи (иногда называемые «кошками» или «кошками-минусами»), которые превращают вредные химические вещества в выхлопных газах автомобилей превращаются в безвредные газы, такие как пар. Давайте подробнее рассмотрим эти блестящие гаджеты и то, как они работа!

Рисунок: Базовая концепция каталитического нейтрализатора: он находится между двигателем автомобиля и выхлопной трубой, всасывает грязный воздух и удаляет из него значительное количество загрязнений с помощью химических катализаторов.

Содержание

1. Почему двигатели загрязняют окружающую среду
2. Что такое каталитический нейтрализатор?
3. Что происходит внутри преобразователя?
4. Насколько эффективны каталитические нейтрализаторы?
5. Как работает каталитический нейтрализатор
6. Работают ли каталитические нейтрализаторы для дизельных двигателей?
7. Кто изобрел каталитический нейтрализатор?
8. Узнать больше

Почему двигатели загрязняют окружающую среду

Автомобильные двигатели работают на бензине или дизельном топливе, которые сделаны из нефти. Большая часть нашей нефти образуется, когда останки крошечных морских существ гниют, нагреваются и сдавливаются слои пород морского дна. Нефть состоит из углеводородов (молекулы, построенные из атомов углерода и водорода) потому что живые организмы в основном тоже состоят из этих атомов.

Теоретически, если вы сжигаете любое углеводородное топливо с кислородом воздуха, вы выделяете много энергии и не производят ничего, кроме углекислого газа и воды, которые чисты и относительно безвредны. Однако на практике бензин представляет собой смесь около 150 различных химикатов, не только углеводородов, но и добавок, и горит не так чисто, как хотелось бы. Это означает, что вы обычно получаете загрязнение воздуха как побочный продукт. Загрязняющие газы, выделяемые двигателями автомобилей, включают ядовитый газ, называемый окисью углерода, а также ЛОС (летучие органические соединения) и оксиды азота, вызывающие смог (вид удушающего, облачного загрязнения транспортных средств, которое мы все знаем и ненавидим).

Фото: Колонны Парфенона в Афинах, Греция, почернели из-за загрязнения автомобилями. Афины — один из самых загрязненных дорожным движением городов мира. Фото Майкла М. Редди предоставлено Геологическая служба США.

Рекламные ссылки

Что такое каталитический нейтрализатор?

Загрязняющие газы состоят из вредных молекул, но эти молекулы состоят из относительно безвредных атомов. Итак, если бы мы могли найти способ расщепление молекул после того, как они покидают двигатель автомобиля и до их выбрасывают в воздух, мы могли бы решить проблему загрязнение — или часть его, во всяком случае.

Это работа, которую выполняет каталитический нейтрализатор.

Эти гаджеты намного проще, чем кажутся. Катализатор это просто химическое вещество, которое ускоряет химическую реакцию без самого себя меняется в процессе. Это немного похоже на тренера по легкой атлетике, который стоит рядом с дорожкой и кричит бегунам, чтобы они шли быстрее. тренер никуда не бежит; он просто стоит там, машет руками, и заставляет бегунов ускоряться. В каталитическом нейтрализаторе работа катализатора заключается в ускорении удаления загрязнения. Катализатор изготовлен из платины или аналогичного платиноподобного металла. таких как палладий или родий.

Катализатор представляет собой большую металлическую коробку, привинченную к днищу автомобиля, из которой выходят две трубы. Один из них («вход» преобразователя) подключен к двигателю и вводит горячие загрязненные пары из цилиндров двигателя (где топливо сгорает и вырабатывает мощность). Вторая труба («выход» преобразователя) соединена с выхлопной трубой (выхлопной).

Когда газы от выхлопных газов двигателя обдувают катализатор, на его поверхности происходят химические реакции, в результате которых загрязняющие газы распадаются на части и превращаются в другие газы, достаточно безопасные для безвредного выброса в воздух.

Фото: Экспериментальный новый каталитический нейтрализатор предназначен для уменьшения загрязняющего воздействия несгоревшего топлива, оксидов азота и твердых частиц. Изображение предоставлено Окриджской национальной лабораторией. опубликовано на Flickr по лицензии Creative Commons (CC BY 2.0).

Очень важно отметить, что каталитические нейтрализаторы требуют от вас использовать неэтилированный бензин, так как свинец в обычном топливе «отравляет» катализатор и препятствует тому, чтобы он поглощал загрязняющие вещества с выхлопными газами. газы.

Что происходит внутри преобразователя?

Фото: Инженеры постоянно пытаются улучшить производительность каталитических нейтрализаторов, например, путем разработки катализаторов, которые работают более эффективно при более низкие температуры. Это пример катализатора низкотемпературного окисления, изготовленного из оксида олова и платины. Фотография CPL Bryant V предоставлена ​​Исследовательским центром НАСА в Лэнгли (NASA-LaRC).

Внутри преобразователя газы проходят через плотные соты конструкция из керамики с покрытием с катализаторами. Сотовая структура означает, что газы касаются большая площадь катализатора сразу, поэтому они преобразуются быстрее и эффективно.

Как правило, в одном каталитический нейтрализатор:

• Один из них борется с загрязнением оксидами азота, используя химический процесс, называемый восстановлением (удаление кислорода). Это расщепляет оксиды азота на азот и кислородные газы (которые безвредны, потому что они уже существуют в воздухе вокруг нас).
• Другой катализатор работает в противоположном химическом процессе, называемом окислением (добавление кислород) и превращает монооксид углерода в диоксид углерода. Другая реакция окисления превращает несгоревшие углеводороды в выхлопных газах в углекислый газ и воду.

По сути, одновременно происходят три разные химические реакции. Вот почему мы говорим о трехкомпонентных каталитических нейтрализаторах. (Некоторые, менее эффективные преобразователи выполняют только две вторые реакции (окисления), поэтому они называются двухкомпонентными каталитическими нейтрализаторами.) После того, как катализатор сделал свое дело, из выхлопной трубы выходит в основном азот, кислород, углекислый газ и вода (в виде пар).

Насколько эффективны каталитические нейтрализаторы?

Cats существенно сокращают выбросы, а трехкомпонентные преобразователи дают значительные дополнительные преимущества по сравнению с двухкомпонентными преобразователями:

Таблица: Эффективность каталитических нейтрализаторов. Цифры показывают загрязняющие вещества в граммах на километр на 80 000 километров. Диаграмма, составленная «Объясните, что Stuff.com» с использованием данных для легковых автомобилей, работающих на бензине, из Агентства по охране окружающей среды США (1990 г. ), приведенных в таблице 3.2 (стр. 75) «Загрязнение воздуха от автомобилей: стандарты и технологии для контроля выбросов», Faiz et al, World Bank, 1996.

Каталитические нейтрализаторы в основном предназначены для снижения непосредственного локального загрязнения воздуха — грязного воздуха в местах, где вы едете, — и эта диаграмма определенно свидетельствует о том, что они эффективны. Тем не менее, люди иногда задаются вопросом, действительно ли они такие зеленые, как кажутся. Важно помнить, что они сократить выбросы , а не устранить их полностью.

Одна проблема заключается в том, что они действительно работают только при высоких температурах (более 300°C/600°F или около того), когда двигатель успел прогреться. Ранним типам каталитических нейтрализаторов обычно требовалось около 10–15 минут для прогрева, поэтому они были совершенно неэффективны в течение первых нескольких километров / миль пути (или любой части очень короткого путешествия). Современные преобразователи прогреваются всего за 2–3 минуты; даже в этом случае в это время все еще могут происходить значительные выбросы.

Таблица: Каталитические нейтрализаторы становятся эффективными только при высоких рабочих температурах. На этой диаграмме показана эффективность типичного устройства при преобразовании монооксида углерода в диапазоне различных температур. Оксиды азота конвертируются с несколько большей эффективностью, а углеводороды — с несколько меньшей эффективностью. При высоких температурах монооксид углерода преобразуется с наименьшей эффективностью из трех.

Другой вопрос, увеличивают ли они выбросы парниковых газов. Мы думаем об углекислом газе как о безопасном газе, потому что он не токсичен в повседневных концентрациях. Тем не менее, это не совсем безвредно, потому что теперь мы знаем, что это основная причина глобального потепления и изменения климата. Некоторые люди считают, что каталитические нейтрализаторы усугубляют изменение климата, потому что они превращают монооксид углерода в диоксид углерода. На самом деле, угарный газ, производимый вашим автомобилем, в конечном итоге сам по себе превращается в углекислый газ в атмосфере, поэтому каталитический нейтрализатор не имеет значения в этом отношении: он просто уменьшает количество угарного газа, выбрасываемого автомобилем на улицу во время движения. улучшение качества местного воздуха.

Но когда дело доходит до изменения климата, автоинженеры и экологи уже давно отмечают еще одну серьезную проблему. Хотя кошки превращают большинство оксидов азота в азот и кислород, в процессе они также производят небольшое количество закиси азота (N2O) — парникового газа, который более чем в 300 раз сильнее углекислого газа. Проблема в том, что при таком количестве автомобилей на дорогах даже небольшое количество закиси азота создает серьезную проблему. Еще в 2000 г. Межправительственная группа экспертов по изменению климата отметила: «Внедрение каталитических нейтрализаторов в качестве меры по борьбе с загрязнением в большинстве промышленно развитых стран приводит к значительному увеличению Выбросы N2O от автомобилей с бензиновым двигателем». К счастью, новые каталитические нейтрализаторы производят гораздо меньше закиси азота, чем старые. Тем не менее, несмотря на то, что каталитические нейтрализаторы, безусловно, помогли нам справиться с краткосрочным загрязнением воздуха, опасения, что, когда дело доходит до долгосрочного изменения климата, они могут усугубить ситуацию.

Как работает каталитический нейтрализатор

До того, как были разработаны каталитические нейтрализаторы, выхлопные газы автомобильного двигателя выбрасывались прямо в выхлопную трубу. выхлопную трубу и в атмосферу. Каталитический нейтрализатор находится между двигателем и выхлопной трубой, но он не работает как простой фильтр: он изменяет химический состав выхлопных газов, перестраивая атомы, из которых они сделаны:

1. Молекулы загрязняющих газов перекачиваются из двигателя мимо сотового катализатора, сделанного из платины, палладия или родия.
2. Катализатор расщепляет молекулы на атомы.
3. Затем атомы рекомбинируются в молекулы относительно безвредных веществ, таких как углекислый газ, азот и вода, которые безопасно выдуваются через выхлоп.

Работают ли каталитические нейтрализаторы для дизельных двигателей?

Лишь небольшая часть выбросов дизельного двигателя (около одного процента) представляет собой загрязнение. Этот один процент состоит в основном из оксидов азота (около 50 процентов) и твердых частиц с относительно небольшими количествами окиси углерода, углеводородов и двуокиси серы.

Таблица: Грязные дизеля? Нарисовано с использованием данных из книги «Выбросы загрязняющих веществ от автомобилей с дизельными двигателями и системы доочистки выхлопных газов» Ибрагима Аслана Решитоглу и др., «Чистые технологии и политика в отношении окружающей среды», январь 2015 г., том 17, выпуск 1, а сами данные цитируются из книги «Выбросы дизельных двигателей и их контроль» М. Хайр и В. Маевский. Общество автомобильных инженеров, Inc., Уоррендейл, Пенсильвания: 2006.

Дизельные двигатели могут и используют каталитические нейтрализаторы, но есть несколько важных отличий. от того, как они работают в бензиновых двигателях.

• Вместо трехкомпонентных катализаторов в дизелях используются двухкомпонентные катализаторы окисления. (которые справляются только с угарным газом и углеводородами) и специально разработанные для работы с дизельными выхлопами, которые значительно холоднее бензиновых выхлопов.
• Так как у них нет восстановительных катализаторов, дизельные двигатели производят гораздо более высокие выбросы оксидов азота из выхлопных газов, чем бензиновые двигатели. (Существуют различные другие механизмы, которые дизельные двигатели могут использовать для сокращения выбросов NOx, но мы не будем здесь вдаваться в подробности.)
• Каталитические нейтрализаторы на дизельных двигателях помогают снизить выбросы твердых частиц (в основном сажи), хотя и незначительно; в частности, они борются с одним типом твердых частиц, известным как растворимая органическая фракция SOF, состоящая из углеводородов, связанных с сажей. Дизельные сажевые фильтры (DPF) должны использоваться, чтобы существенно снизить выбросы сажи двигателем.
• Автомобили в стороне, дизельные двигатели, как правило, приводят в движение более крупные транспортные средства, чем бензиновые двигатели (например, огромные строительные машины). со значительно большей мощностью выхлопа. Вместо одного каталитического нейтрализатора, установленного между двигатель и выхлопная труба, они могут иметь несколько отдельных блоков, установленных параллельно, чтобы справиться с более крупным выхлопом объем газа (как на диаграмме ниже).

Художественное произведение: большие дизельные двигатели могут производить гораздо больший объем выхлопных газов, поэтому они могут нуждаться в использовании несколько каталитических нейтрализаторов «параллельно». В этой конструкции Caterpillar 1990-х годов огромный преобразователь (серого цвета) имеет диаметр около 1 м (3,3 фута). Выхлопной газ поступает слева (1), равномерно разделяется на потоки узлом распределения потока (2, синий), проходит через один из семи отдельных блоков каталитического нейтрализатора (3, красный), глушится системой глушителя шума (4 , зеленый), и выходит, несколько очищенный, через выхлопную трубу (5). Работа из патента США 5,578,277: Модульный каталитический нейтрализатор и глушитель для двигателя внутреннего сгорания Скотта Т. Уайта и др., Caterpillar, любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Кто изобрел каталитический нейтрализатор?

» Мне нравится, когда что-то происходит, и это то, что делают инженеры — они берут фундаментальную науку и заставляют вещи происходить. . »

Джон Дж. Муни, пионер каталитического нейтрализатора

Кого мы благодарим за то, что улицы и города стали чище и безопаснее? Французский инженер-химик Юджин Гудри (1892–1962) запатентовал то, что, кажется, было самым первым каталитический нейтрализатор в США, подача заявки на изобретение 5 мая 19 г.50 и получив его (Патент США 2 674 521: Каталитический нейтрализатор для выхлопных газов) четыре года спустя, 6 апреля 1954 года. Хоудри ранее изобрел каталитический крекинг , промышленный процесс, в котором многие крупные сложные органические химические вещества в нефти разделяются на десятки полезных продуктов, включая бензин. После этого он экспериментировал с производством различных видов автомобильного топлива и сделал их чище.

Хотя он осознавал растущую проблему загрязнения воздуха, его идеи намного опередили свое время: каталитические нейтрализаторы были «отравлены» свинцовыми присадками, используемыми в бензине для улучшения характеристик. К счастью, в 19В 70-х люди начали осознавать опасность свинца, токсичного тяжелого металла. В 1973 году Агентство по охране окружающей среды США (EPA) опубликовало отчет, демонстрирующий, как свинец вредит здоровью людей, что положило начало медленному процессу удаления свинца из бензина. Первые практические каталитические нейтрализаторы появились вскоре после этого, в середине 1970-х годов, и с тех пор используются в автомобилях.

Работа: оригинальный каталитический нейтрализатор Юджина Хоудри из его патента 1950 года. По сути, это набор концентрических металлических трубок (синего цвета), через которые проходят выхлопные газы. Чистый воздух всасывается через вентиляционные отверстия (желтые) с помощью трубки Вентури (оранжевые). Как и в случае с современной кошкой, Ходри объясняет, что «осажденный мелкодисперсный металлический катализатор предпочтительно представляет собой платину», хотя можно использовать и другие подобные металлы; в отличие от современного кота, катализатор (зеленый) расположен не в виде сот, а установлен в виде шестнадцати отдельных колец (красных) с промежутками вдоль трубы, каждое из которых работает параллельно. Изображение из патента США 2,674,521: Каталитический нейтрализатор выхлопных газов, любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Houdry изобрел основной катализатор окисления для борьбы с угарным газом. Усовершенствованные трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы, которые также могли бороться с оксидами азота, были разработаны в начале 1970-х гг. Карл Кейт (1920–1988), Джон Муни (1929–2020) и инженеры-химики в Engelhard Corporation. Помимо удаления большего количества загрязняющих веществ, они начинают очищать выхлопные газы намного быстрее, чем более ранние нейтрализаторы, поэтому они более эффективны при коротких поездках.

Иллюстрация: В улучшенной конструкции Карла Кейта и Джона Муни есть два отдельных каталитических нейтрализатора. Загрязненные газы вытекают из двигателя (красный, 10) и выпускного коллектора (оранжевый, 11) через первый каталитический нейтрализатор (зеленый, 13), а затем второй (25), на некотором расстоянии, перед выходом через выхлопную трубу (серый). , 26). Работа из патента США 3,896,616: Процесс и устройство, любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Узнайте больше

На этом сайте

• Загрязнение воздуха
• Автомобильные двигатели (бензиновые двигатели)
• Изменение климата и глобальное потепление
• Электростатические осадители дыма
• Фотокаталитические очистители воздуха

Книги

• Каталитический контроль загрязнения воздуха: коммерческая технология Рональда М. Хека, Роберта Дж. Фаррауто, Суреша Т. Гулати. John Wiley & Sons, 2016. Тщательно исчерпывающее руководство по теме, которая начинается с базовой химии катализа, а затем переходит к преобразователям бензиновых и дизельных двигателей, стационарным источникам и таким темам, как контроль озона в самолетах и ​​очистка атмосферного воздуха.
• Загрязнение воздуха автотранспортными средствами: стандарты и технологии контроля выбросов, Асиф Фаиз, Кристофер С. Уивер и Майкл П. Уолш. Публикации Всемирного банка, 1996 г. Интересный технический отчет с акцентом на то, как на практике контролируются выбросы в наиболее развитых и загрязненных городах мира. Включает множество полезных рисунков и таблиц, а также сравнение эффективности законодательства о выбросах в разных странах. Вы также можете загрузить его в формате PDF с исследовательского сайта Всемирного банка.
• Автомобильные каталитические нейтрализаторы Кэтлин С. Тейлор. Спрингер, 1984/2012. Несколько устарело, но все еще полезно для справочной информации.

Новостные статьи

• Воры по всей стране пробираются под машины, выкрадывая каталитические нейтрализаторы, Хироко Табучи, The New York Times, 21 февраля 2021 г. Драгоценные металлы по-прежнему делают каталитические нейтрализаторы привлекательной целью для воров.
• Джон Дж. Муни, изобретатель каталитического нейтрализатора, умер в возрасте 9 лет0 Сэм Робертс, The New York Times, 25 июня 2020 г. Оглядываясь назад на жизнь инженер, который первым изобрел трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы.
• Заявление изобретателя о более чистом двигателе: BBC News, 22 января 2010 г. Шотландский изобретатель утверждает, что разработал двигатель с охлаждением, который практически не производит твердых частиц (сажи).
• По мере роста платины каталитический нейтрализатор нагревается Мэтью Феникс. Wired, 17 февраля 2008 г. Почему воры считают, что из-за стремительного роста цен на платину стоит воровать каталитические нейтрализаторы
• Автомобильные конвертеры сокращают смог, но усугубляют глобальное потепление, Мэтью Уолд. The New York Times, 29 мая 1998 г. Агентство по охране окружающей среды выпускает отчет, в котором освещаются проблемы, связанные с оксидом азота.
• Каталитические нейтрализаторы действительно «зеленые»?: The Guardian, Notes and Queries. Читатели высказывают свое мнение о том, действительно ли кошки помогают планете.
Каталитический нейтрализатор
• : большое «если» 1975 года Роберта В. Ирвина. The New York Times, 13 октября 1974 г. Эта статья из архива показывает, как автомобильная промышленность серьезно относилась к эффективности каталитических нейтрализаторов, когда они были впервые представлены в середине 19-го века.70-е годы.

Патенты

• Патент США 2,674,521: Каталитический нейтрализатор выхлопных газов, автор Юджин Хоудри, 6 апреля 1954 г. В этом очень легко читаемом патенте Ходри объясняет, почему он разработал каталитические нейтрализаторы, и различные технические проблемы, которые ему пришлось решать в процессе ( таких как борьба с газами, образующимися в самых разных условиях вождения).
• Патент США 3 896 616: Процесс и устройство, авторы Карл Д. Кейт и Джон Дж. Муни, 29 июля 1975 г. Еще один очень удобный для чтения патент описывает улучшенный трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, используемый в большинстве современных автомобилей.
• Патент США 4 672 809: Каталитический нейтрализатор для дизельного двигателя, Ричард К. Корнелисон и Уильям Б. Реталлик, WR Grace and Co, 16 июня 1987 г. Описывает некоторые проблемы, связанные с работой каталитического нейтрализатора с выбросами дизельного двигателя.
• Патент США 5 578 277: Модульный каталитический нейтрализатор и глушитель для двигателя внутреннего сгорания Скотт Т. Уайт и др., Caterpillar, 26 ноября 1996 г. В этом патенте объясняется, как несколько каталитических блоков работают вместе над выбросами выхлопной трубы очень большого дизельного двигателя.

Практические статьи

• Тестирование и ремонт каталитических нейтрализаторов Морт Шульц, Popular Mechanics, декабрь 1985 г. Датированная, но все же очень интересная статья, объясняющая различные типы каталитических нейтрализаторов и исследующая причины их выхода из строя.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.

Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2007, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.

Подпишитесь на нас

Оцените эту страницу

Пожалуйста, оцените эту страницу или оставьте отзыв, и я сделаю пожертвование WaterAid.

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней друзьям:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2007/2020) Катализаторы. Получено с https://www.explainthatstuff.com/catalyticconverters.html. [Доступ (вставьте дату здесь)]

Подробнее на нашем веб-сайте…

• Связь
• Компьютеры
• Электричество и электроника
• Энергия
• Машиностроение
• Окружающая среда


• Гаджеты
• Домашняя жизнь
• Материалы
• Наука
• Инструменты и инструменты
• Транспорт

↑ Вернуться к началу

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.

Каталитические нейтрализаторы используют 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 автомобилях высокого класса, например, используются два каталитических нейтрализатора последовательно 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, возможно, никогда не потребуется ремонтировать или заменять свои устройства на протяжении всей жизни.

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 неправильной синхронизации двигателя.

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.

На сегодняшний день существует 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 не работает 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.