Для чего нужен катализатор и как он влияет на работу двигателя

Процесс сгорания топлива в цилиндрах автомобильного двигателя неизбежно приводит к образованию вредных веществ. Самые опасные из них:
• СО, окись углерода, ядовитый газ без цвета и запаха;
• СН, углеводороды, летучие органические соединения, главный компонент смога;
• NOx, оксиды азота NO и NO2, так же «участники» смога, кроме того, выпадающие еще и в составе кислотных дождей.
Задача каталитического нейтрализатора (чаще называемого катализатором) – путем химических реакций превращать эти вещества в другие продукты горения, практически безвредные:
• СО2, углекислый газ;
• N2, газобразный азот, из которого на 78% состоит атмосфера Земли;
• и h3O – водяной пар.
Разработан каталитический преобразователь был еще в далекие 70-е года, но массовое использование его началось с введением экологических стандартов – Euro 2 и выше.

Сегодня катализатор – неотъемлемая часть выхлопной системы каждого автомобиля, без него невозможен не только выпуск с конвейера, но и эксплуатация.

СТРОЕНИЕ КАТАЛИЗАТОРА

Основная составляющая нейтрализатора – каталитический носитель: керамические или металлические соты, покрытые тонким слоем драгоценных металлов: палладия, родия или иридия, обладающих высокой химической активностью. Выхлопные газы, проходя через катализатор и касаясь напыления сот, входят с металлами в реакцию и химически связываются.

Большинство современных катализаторов – трехкомпонентные, то есть, состоят из трех элементов, последовательно очищающих газы. Первый элемент связывает оксиды азота, второй – удаляет несгоревшие частички топлива и борется с окисью углерода, а в третьем расположен один из датчиков кислорода, анализирующий состав газов на выходе из нейтрализатора  и передающий данные в ЭБУ – блок управления двигателем. Кроме этого кислородного датчика, называемого диагностическим, в системе еще предусмотрен управляющий датчик (лямбда-зонд), установленный до катализатора.

Большинство современных катализаторов – трехкомпонентные, то есть, состоят из трех элементов, последовательно очищающих газы. Первый элемент связывает оксиды азота, второй – удаляет несгоревшие частички топлива и борется с окисью углерода, а в третьем расположен один из датчиков кислорода, анализирующий состав газов на выходе из нейтрализатора и передающий данные в ЭБУ – блок управления двигателем. Кроме этого кислородного датчика, называемого диагностическим, в системе еще предусмотрен управляющий датчик (лямбда-зонд), установленный до катализатора.

Каталитический нейтрализатор чаще всего представляет собой бочонок овальной (приплюснутой) формы, внедренный в выхлопную систему автомобиля. Если первые катализаторы монтировались под передней частью днища, примерно посередине между выпускным коллектором и первым глушителем (резонатором), то на машинах, отвечающих нормам токсичности Евро-4 и Евро-5 они располагаются уже намного ближе – крепятся к головке блока цилиндров.
Несмотря на то, что такой метод существенно затрудняет компоновку моторного отсека, он повышает эффективность очищения, поскольку каталитические реакции возможны в основном только при температуре свыше 300°C, и, чем ближе нейтрализатор расположен к двигателю, тем быстрее он прогреется и приступит к работе. А вот без катализатора полное преобразование СО и СН возможно лишь при 700-850°С, да и то, если есть в избытке кислорода, а нейтрализация NOx невозможна в принципе.

НЕИСПРАВНОСТИ КАТАЛИТИЧЕСКОГО НЕЙТРАЛИЗАТОРА

Хотя обычно производители автомобилей не предусматривают регламента по замене катализатора, то есть, по умолчанию предполагают, что он рассчитан на весь период эксплуатации автомобиля, средний срок службы этих деталей – 100-150 тысяч км пробега. При этом катализаторы с керамическими сотами чаще всего выходят из строя раньше металлических.

Основные неисправности можно поделить на три группы:

1. Оплавление. Соты катколлектора спекаются, затрудняя проход выхлопных газов. Происходит при экстремальном повышении температуры газов, выше 900°С. Несмотря на то, что поначалу спекание охватывает не весь внутренний диаметр, проходимость катализатора снижается, что приводит к повышению в нем температуры и повреждению других сот по «принципу домино».
2. Разрушение керамики. Хрупкие керамические соты имеют свойство крошится, что чревато не только повреждением катализатора, но и попаданием осколков в рабочую камеру, что может привести к повреждению других узлов: например, турбины или даже поршневой группы, и, как следствие, к капремонту или замене двигателя. Особенно актуально, когда нейтрализатор установлен прямо на ГБЦ.
3. Засорение. Катализатор забивается продуктами неполного сгорания топлива и, в отдельных случаях, масла, что приводит к его непроходимости.

Понять, что нейтрализатор нуждается в замене, можно по таким признакам, как:

• снижение мощности двигателя;
• невозможность поднять обороты до отсечки даже без нагрузки;
• слишком ровный и слабый выхлоп;
• проблемы с пуском двигателя, как холодного, так и горячего;
• увеличение расхода топлива;

• грохот под днищем;
• неприятный запах из системы выпуска (сероводород, «тухлые яйца»).

Во всех этих случаях необходима незамедлительная замена каталитического нейтрализатора во избежание проблем с другими узлами двигателя.

ПРИЧИНЫ ВЫХОДА КАТАЛИЗАТОРА ИЗ СТРОЯ

К неисправностям каталитического нейтрализатора могут привести несколько факторов, вот основные из них:

1. Некачественное топливо. Чаще – бензин с низким октановым числом. ЭБУ в этом случае переводит двигатель на позднее зажигание, что вызывает догорание смеси на выпуске и повышение температуры выхлопных газов.
2. Пропуски зажигания. Недогоревшее топливо сгорает в нейтрализаторе.
3. Неправильный состав смеси. Эффект тот же, что и в предыдущем случае, но вызван он неисправностями датчиков или форсунок.

4. Механическое повреждение катализатора. Керамические соты не любят повышенных вибраций и ударов по корпусу нейтрализатора.
5. Термоудары. Резкое охлаждение катализатора водой из лужи или другой водной преграды может вызвать трещины на его корпусе.
6. Добавление присадок в топливо. Нежелательные присадки в бензин могут повысить температуру его сгорания.
7. Газ. Температура сгорания газа и его октановое число выше, что приводит к тому, что частично газ может догорать в катализаторе.
8. Конструкция двигателя. Как ни странно, иногда создатели конструктивно создают условия, способствующие быстрому разрушению катализатора – например, новые конструкции двигателей с минимальной токсичностью запрограммированы на быстрый прогрев. В холода ЭБУ переобогащает смесь, что приводит к ее догоранию в нейтрализаторе.

Чтобы избежать проблем с катализатором, необходимо следовать некоторым несложным рекомендациям:

• не крутить двигатель долгое время стартером, чтобы не перелить топливо;
• не запускать двигатель «с толкача»;
• не проверять работу цилиндров, отключая свечи зажигания.

Кроме того, следует помнить, что катализатор во время работы нагревается до очень больших температур, что может быть чревато возгоранием, и не заезжать для парковки на сухую траву, на деревянные помосты и в прочие подобные места.

ВАРИАНТЫ РЕМОНТА И ЗАМЕНЫ

Оригинальный каталитический нейтрализатор – довольно недешевый узел из-за применения в нем дорогостоящих материалов. Поэтому при выходе его из строя некоторые владельцы автомобилей рассматривают альтернативные варианты ремонта, вплоть до удаления катализатора из выхлопной системы.

Наиболее распространенные варианты:

1. Выбивание сот. Система выпуска разбирается таким образом, чтобы иметь доступ к внутренностям катализатора, после чего керамические соты выколачиваются длинным металлическим предметом (например, ломиком), а их остатки удаляются. Недостатками такого ремонта являются ошибки check engine, которые устраняются перепрошивкой ЭБУ или установкой «обманок»: механических, закрывающих кислородные датчики, или электронных, посылающих в блок «правильные» импульсы. Кроме того, неизбежно снижается экологический класс автомобиля, что может вызвать проблемы с прохождением техосмотра. Нередки случаи повышения громкости выхлопа до дискомфортного уровня, а также локальных перегревов в районе катализатора.

2. Установка пламегасителя. Неисправный катализатор удаляется, а на его место устанавливается деталь, похожая на еще один резонатор. Пламегаситель (он же «стронгер»), как правило, представляет собой цилиндр с двухслойным корпусом и сложной (чаще Х-образной) внутренней структурой. Стронгер также, как и штатный катализатор, уменьшает шум от работы двигателя, замедляет и частично охлаждает выхлопные газы, но не нейтрализует их. Поэтому установка пламегасителя влечет за собой ровно те же проблемы с экологией и электроникой, что и в предыдущем случае.
3. Универсальный катализатор. Из всех способов сэкономить при замене «каталика», установка неоригинальной детали единственная не переходит «границ добра и зла» и, в принципе, рекомендуется к использованию. В этом случае нет необходимости вмешиваться в программное обеспечение двигателя, да и с экологическими нормами чаще всего проблем не возникает. Главный минус эрзац-катализаторов – их низкий, по сравнению с оригиналом ресурс, редко достигающий показателей более 60 000 – 80 000 км.

Самостоятельно провести работы по замене каталитического нейтрализатора – как на оригинальную деталь, так и на альтернативные варианты – довольно сложно, а вмешательство в прошивку ЭБУ без достаточного опыта и квалификации и вовсе не рекомендуется. Поэтому в случаях проблем с катализатором, как и с другими системами автомобиля, обращайтесь к профессионалам – например, на любую из СТО сети умных автосервисов Wilgood.

Назначение катализатора выхлопной системы | Блог

Назначение катализатора выхлопной системы

Прежде чем уйти в окружающую среду, отработанные газы двигателя внутреннего сгорания проходят в выхлопную систему. В системе предусмотрен катализатор, который приходится периодически менять, потому что он загрязняется. Рассмотрим конструктивные особенности данного узла, а также его назначение.

Что представляет собой катализатор

Данный элемент выхлопной системы разработан для очистки отработанных газов за счет нейтрализации некоторых вредных веществ в их составе. Нейтрализация происходит благодаря тому, что вредные соединения вступают в реакцию химического характера и преобразуются в безопасное вещество. В результате выхлоп становится чище и оказывает меньше негативного влияния на окружающую среду. Это единственное, для чего нужен катализатор, но данная функция важна, так как от уровня очистки выхлопа зависит экологичность автомобиля. Нейтрализация вредных веществ происходит при температуре не менее 300 °C, а потому при холодном двигателе отработанные газы не очищаются.

Конструкция и особенности каталитического нейтрализатора

В основе этого узла лежат соты из металла или прочной керамики. Стенки сот покрываются тонким слоем некоторых металлов. В частности, это может быть иридий или не менее активный палладий. Также на стенки сот часто наносится родий. Благодаря химической активности, с этими металлами вступают в реакцию вредные соединения выхлопных газов. После окончания реакции часть веществ распадается на неактивные, а другая часть связывается и не представляет опасности для окружающей среды. Современный катализатор в машине – это сочетание трех элементов, каждый из которых выполняет определенную задачу:

1. В задачи первого элемента входит связывание оксидов азота.

2. Следующий элемент удаляет частицы топлива, которые не сгорели и ушли вместе с газами. Вместе с ними из выхлопа утилизируется окись углерода.

3. В роли третьего элемента выступает лямбда-зонд. Он выполняет анализ очищенных газов, которые выходят из катализатора. Эти данные передаются на ЭБУ автомобиля.

Для увеличения срока службы узел выполнен в оболочке из нержавеющей стали.

Неисправности устройства и причины их возникновения

В зависимости от качества исполнения, данные устройства служат 100-150 тысяч пробега при условии использования топлива хорошего качества. Срок службы сокращается, когда машина часто стоит в городских пробках. Исходя из этих факторов, катализатора хватает на 3-7 лет. Помня, что такое катализатор в машине, несложно понять, что основная причина его поломки — это выгорание на стенках сот металла. Если его нет, отсутствует химическая реакция, выхлопные газы уходят в окружающую среду неочищенными. Это естественный процесс, а потому данная поломка возникает в конце эксплуатационного срока изделия.

Когда катализатор перестанет полноценно функционировать, это зафиксирует датчик кислорода, а бортовой компьютер подаст сигнал водителю посредством Check Engine. В некоторых моделях авто ЭБУ блокирует силовой агрегат, пока не будут решены проблемы с катализатором. Процесс выгорания металла в сотах ускоряется из-за некачественного бензина и дизельного топлива, так как в нем содержится свинец, а это сопровождается увеличением нагрузки на деталь. Владельцы машин с дизельным двигателем, понимая, зачем нужен катализатор, не добавляют в топливо добавки-антигели, потому что они негативно влияют на его работу и сокращают срок службы. Дополнительно на это могут влиять неполадки с двигателем, такие как нарушение в системе питания топливом и некорректная настройка зажигания.

Каталитический нейтрализатор предназначен для уменьшения количества вредных выбросов в атмосферу

Диагностика катализатора автомобиля

Как говорилось выше, в большинстве современных автомобилей проблема катализатора проявит себя по сигналу лампочки Check Engine. Данный признак не точный, так как лампочка горит при разных ошибках и некорректной работе некоторых систем автомобиля. Поэтому следует знать, когда катализатор автомобильный требует замены. Это можно понять по дополнительным признакам.

Снижение мощности мотора

Когда износ катализатора критический, можно заметить троение двигателя, а машина потеряет показатели разгона. Обусловлено такое явление тем, что катализатор – это набор сот, которые со временем загрязняются, пропускная способность устройства снижается. Частично соты разрушаются, другие запекаются. Все эти факторы блокируют путь отработанным газам и они не успевают выйти из камер сгорания. Такое поведение силового агрегата характеризуется как “задыхающийся двигатель”.

Грохот в области днища машины

Грохот слышен при работе силового агрегата при высоких оборотах. Иногда он возникает сразу, как только запустится силовой агрегат. Причина в том, что катализатор в машине потерял часть сот из-за их разрушения. Частицы осыпавшихся сот бьются о внутренние стенки катализатора, приводимые в движение проходящими выхлопными газами. Из-за этого в области днища и возникает грохот.

Нестабильный поток газов, выходящих из глушителя

Он может быть слабым или ровным. Слабый поток означает сниженную пропускную способность катализатора или разрушение сот. Аналогичная ситуация и с ровным потоком без пульсаций, которые отражают каждую вспышку в камерах сгорания. Чтобы определить наличие или отсутствие пульсаций, достаточно подставить руку под поток выхлопных газов.

Выбор между аналогом и оригиналом

Все вышеперечисленные признаки возникают перед самым выходом из строя катализатора. Поэтому при их появлении можно сразу проверять это устройство на предмет износа и покупать новое для замены. Выше мы рассмотрели, что такое катализатор, а теперь определимся, что лучше купить, оригинал или аналог. Несомненно, первый вариант будет оптимальным выбором, так как оригинальные запчасти гарантированно соответствуют заводским параметрам. Это значит, что катализатор поддерживает режим работы двигателя конкретной модели авто. Единственный недостаток такого решения заключается в более высокой стоимости.

Не имея денег на оригинальное изделие, можно купить одну из альтернатив, которая представлена на рынке в двух вариантах: универсальные катализаторы и пламегасители. Под универсальными подразумеваются устройства, которые подходят для выхлопной системы любого автомобиля, или наборы сот, которые просто устанавливаются в старый глушитель. Проблемность первого заключается в дороговизне такой замены, а выполнить второй вариант с заменой сот возьмется не каждый автосервис.

Что касается пламегасителя, данная деталь не очищает выхлопные газы, но за счет снижения их температуры с энергией, оптимизирует работу силового агрегата. Такое устройство преобразовывает пульсирующие потоки газов, выходящих со всех цилиндров в один поток, имеющий более низкую температуру. Естественно, это не заменит катализатор авто полноценно, а потому рекомендуется купить оригинальное или универсальное изделие. В противном случае снизится экологичность машины и увеличится негативное воздействие на комплектующие силового агрегата.

DOE объясняет…Катализаторы | Министерство энергетики

Офис Наука

Реальный катализатор (фоновое изображение) и схема каталитического этапа (переднее изображение). Реагирующие молекулы (слева) приобретают энергию, чтобы преодолевать энергетический барьер и превращаться в молекулы продукта (справа).

Изображение предоставлено Аргоннской национальной лабораторией

Катализатор — это вещество, которое ускоряет химическую реакцию или снижает температуру или давление, необходимые для ее запуска, при этом само не расходуется во время реакции. Катализ — это процесс добавления катализатора для облегчения реакции.

Во время химической реакции связи между атомами в молекулах разрываются, перестраиваются и перестраиваются, рекомбинируя атомы в новые молекулы. Катализаторы делают этот процесс более эффективным, снижая энергию активации , которая представляет собой энергетический барьер, который необходимо преодолеть для того, чтобы произошла химическая реакция. В результате катализаторы облегчают разрыв атомов и образование химических связей для образования новых комбинаций и новых веществ.

Использование катализаторов приводит к более быстрым и энергоэффективным химическим реакциям. Катализаторы также обладают ключевым свойством, называемым селективностью , с помощью которого они могут направлять реакцию для увеличения количества желаемого продукта и уменьшения количества нежелательных побочных продуктов. Они могут производить совершенно новые материалы с совершенно новыми потенциальными применениями.

За последние несколько десятилетий ученые разрабатывали все более специализированные катализаторы для важных реальных приложений. В частности, мощные катализаторы изменили химическую промышленность. Эти достижения привели к созданию биоразлагаемых пластиков, новых фармацевтических препаратов и экологически безопасных видов топлива и удобрений.

Департамент науки Министерства энергетики США: вклад в исследование катализаторов

Программа фундаментальных энергетических наук Департамента энергетики (DOE) активно поддерживает фундаментальные исследования катализаторов. Министерство энергетики занимается разработкой новых катализаторов и использованием катализаторов для контроля химических превращений на молекулярном и субмолекулярном уровнях. В исследованиях Министерства энергетики особое внимание уделяется пониманию этих реакций и тому, как сделать их более эффективными и целенаправленными. Главной целью Министерства энергетики является разработка новых концепций катализа и новых катализаторов, которые помогут промышленности более эффективно и устойчиво производить топливо и химикаты из ископаемого и возобновляемого сырья. Это исследование помогает продвигать солнечное топливо, которое компании производят, используя солнце и обычные химические вещества, такие как углекислый газ и азот. Это исследование также создает передовые методы преобразования выброшенного пластика в новые продукты.

Краткие факты

• Люди используют катализаторы тысячи лет. Например, дрожжи, которые мы используем для приготовления хлеба, содержат ферменты, которые являются природными катализаторами, способствующими превращению муки в хлеб.
• Нобелевская премия по химии 2005 г. была присуждена трем исследователям (Иву Шовену, Роберту Х. Граббсу и Ричарду Р. Шроку) за работу над катализаторами метатезиса. доктора Граббс и Шрок частично финансировались Министерством энергетики за свои исследования, получившие Нобелевскую премию. Доктор Шрок продолжает финансироваться Министерством энергетики.
• Нобелевская премия по химии 2018 года была присуждена Фрэнсис Х. Арнольд за ее новаторскую работу по управлению эволюцией ферментов для таких приложений, как возобновляемые виды топлива, безвредные для окружающей среды. Она частично финансируется Министерством энергетики.
• Посетите Аргоннскую национальную лабораторию, чтобы узнать еще о семи вещах, которые вы, возможно, не знали о катализе.

Ресурсы

• Программа BES Управления науки Министерства энергетики США
• Узнайте о направлениях исследований Министерства энергетики США в области химических катализаторов.
• Отчет: Потребности в фундаментальных исследованиях для науки о катализе
• Как катализаторы меняют химическую промышленность, солнечное топливо и переработку полимеров.
• Научные достижения: катализ видит свет
• Научное достижение: ученые наблюдают, как свет разрушает модельный фотокатализатор в режиме, близком к реальному времени

 

Научные термины могут сбивать с толку. Объяснения DOE предлагают простые объяснения ключевых слов и понятий в фундаментальной науке. В нем также описывается, как эти концепции применяются к работе, которую проводит Управление науки Министерства энергетики, помогая Соединенным Штатам преуспеть в исследованиях по всему научному спектру.

 

Что делает катализатор в химической реакции?

••• Rawpixel/iStock/GettyImages

Обновлено 15 марта 2018 г.

Автор: Лана Бандоим

Когда вы используете стиральный порошок, чтобы избавиться от пятна на рубашке, вы наблюдаете за катализатором в действии во время химической реакции. . Моющие средства содержат ферменты, которые являются катализаторами, разрушающими грязь и другие пятна на одежде. Хотя они помогают очищать любимые наряды людей, они не единственные примеры мощных катализаторов.

TL;DR (слишком длинный; не читал)

Катализатор ускоряет химическую реакцию. Катализатор остается неизменным после реакции.

Влияние катализатора на химическую реакцию

Катализатор влияет на химическую реакцию, ускоряя ее. Он также предлагает альтернативный способ протекания реакции, который снижает количество необходимой энергии. Для запуска реакций требуется энергия активации, и в этом могут помочь катализаторы. Однако катализаторы выдерживают реакции без изменений.

Катализаторы влияют на химическую реакцию двумя способами

Катализаторы влияют на химическую реакцию двумя способами: снижая энергию активации или изменяя способ протекания реакции. Они могут снизить энергию переходного состояния, поэтому общая энергия активации, необходимая для реакции, уменьшается, или они могут изменить механизмы реакции и, таким образом, изменить переходное состояние.

Катализаторы выполняют свою работу по-разному. Один из вариантов заключается в том, чтобы эти вещества позволяли молекулам реагентов разрывать свои связи и образовывать новые с катализаторами. Эти связи не являются постоянными, поэтому катализаторы могут выдерживать реакции в неизменном виде. Другой способ работы катализаторов заключается в изменении конфигурации реагентов и ослаблении их связей.

Примеры катализаторов химических реакций

Два типа катализаторов: гомогенные и гетерогенные. Гомогенные катализаторы существуют в той же фазе, что и реагенты в химической реакции. Например, если реагентами являются газы, то катализатор также является газом. Гетерогенные катализаторы находятся в другой фазе, чем реагенты. Например, реагенты могут быть твердыми, а катализатор жидким.

Ферменты являются типичным примером биологического катализатора. Эти белки могут складываться по-разному, чтобы помочь реакциям путем связывания реагентов. Катализаторы могут помочь гидролизовать сахарозу или столовый сахар. Инвертаза — фермент, расщепляющий сахарозу: сахароза + Н3О дает глюкозу + фруктозу.

Каталитические нейтрализаторы в автомобилях — еще один распространенный пример того, как работают катализаторы. Катализаторы внутри конвертеров, как правило, представляют собой драгоценные металлы, такие как платина или родий.