Предметы:
- Общий
- Трехходовой/окислительный катализатор
- Рабочие температуры
- Работа катализатора NOx
- Старение и его причины
в целом:
Название «Катализатор» первоначально происходит от греческого слова «Катализ» (что означает растворение). Катализатор необходим с конца 1992 года для удовлетворения экологических требований. Выхлопные газы содержат вредные вещества: CO (окись углерода), NOx (оксид азота) и CH (несгоревший углеводород). Эти вещества (окисляются) в безвредные вещества. Отсюда и название «Катализатор окисления».
В химии катализатор — это вещество, которое провоцирует химическую реакцию и ускоряет или замедляет ее, не претерпевая при этом никаких изменений.
Трехходовой/окислительный катализатор:
Катализатор не является фильтром, его можно рассматривать как конверсионный элемент, в который добавлены драгоценные металлы, такие как платина, родий или палладий. При контакте с ним выхлопных газов происходит очень быстрая химическая реакция. Молекулы вредных газов разлагаются и связываются с другими молекулами, в результате чего образуется безвредный газ. Катализатор способен очищать выхлопные газы на 90%. Однако это происходит за счет более высокого потребления и меньшей мощности. Это связано с тем, что он создает определенное сопротивление воздуха в выхлопном тракте.
Вещества в выхлопных газах:
- CO2: Углекислый газ (в высоких концентрациях вреден для окружающей среды, человека и животных)
- CO: Угарный газ (неполностью сгоревший газ, также вредный для здоровья).
- CH: Углеводороды (несгоревшие части бензина).
- O2: части кислорода (не участвовавшие в горении)
- NOx: соединение азота (которое образуется только при очень высоких температурах сгорания.
Катализатор преобразует три вредных компонента CO, HC и NOx в три безвредных компонента: CO3, H3O и N2. Отсюда также происходит название трехходовой катализатор.
Чтобы добавить O2 и CO в катализатор и осуществить преобразование, необходимо отрегулировать схему впрыска двигателя. Для образования O2 смесь должна быть бедной (меньше топлива, больше воздуха). Для образования CO смесь должна быть богатой (больше топлива, меньше воздуха). Последнее не относится к двигателям, работающим на бедной смеси, см. главу о катализаторе NOx ниже на странице.
Постоянно впрыскивая в цилиндры слишком много или слишком мало топлива, всегда создается богатая и бедная смесь. Таким образом, излишки CO и O2 попадают в катализатор. В катализаторе платина реагирует с CO и HC. Родий обеспечивает снижение выбросов NOx. Это также объясняет, почему при измерении на лямбда-зонде измеряется переменное напряжение. Там напряжение варьируется от 0,2 до 0,8 Вольта (от плохого к богатому и т. д.) Система управления двигателем автомобиля (ЭБУ) регулирует это сама. Так что ничего корректировать не надо.
| Вредное вещество: | Добавить из: | Результаты: |
| СО+ | О2 = | CO2 |
| ХК+ | О2 = | СО2 + Н2О |
| NOx+ | СО = | Н2 + СО2 |
Чтобы добавить O2 и CO в катализатор и осуществить преобразование, необходимо отрегулировать схему впрыска двигателя. Для образования O2 смесь должна быть бедной (меньше топлива, больше воздуха). Для образования CO смесь должна быть богатой (больше топлива, меньше воздуха). Последнее не относится к двигателям, работающим на бедной смеси, см. главу о катализаторе NOx ниже на странице.
Постоянно впрыскивая в цилиндры слишком много или слишком мало топлива, всегда создается богатая и бедная смесь. Таким образом, излишки CO и O2 попадают в катализатор. В катализаторе платина реагирует с CO и HC. Родий обеспечивает снижение выбросов NOx. Это также объясняет, почему при измерении переменного напряжения лямбда-зонд измеряется. Там напряжение варьируется от 0,2 до 0,8 Вольта (от плохого к богатому и т. д.) Система управления двигателем автомобиля (ЭБУ) регулирует это сама. Так что ничего корректировать не надо.
Из таблицы выше видно, что все вещества, среди прочего, преобразуются в CO2. CO2 теперь рассматривается как вещество, опасное для окружающей среды и ответственное за глобальное потепление. Однако человек также выдыхает CO2. Деревья и растения преобразуют его обратно в O2 (кислород). Слишком много CO2 оказывает вредное воздействие. Деревья и растения составляют меньшинство и не способны превращать весь кислород в O2. Для двигателей внутреннего сгорания содержание CO2 должно быть как можно выше. Это звучит безумно, потому что можно подумать, что это будет как можно ниже. Дело вот в чем; чем выше содержание CO2, тем меньше выделяется CO и HC. CO и HC напрямую вредны для здоровья при вдыхании. Единственный способ снизить уровень CO2 — это перейти на альтернативные виды топлива, меньшие по размеру (более экономичные) двигатели внутреннего сгорания и более тихое вождение.
Рабочие температуры:
Полезное действие катализатора начинается с температуры 250 градусов и максимально при температуре 450 градусов. После запуска двигателя проходит некоторое время, прежде чем начнется очищающий эффект. Каталитический нейтрализатор устанавливается как можно ближе к выпускному коллектору, поскольку он быстрее достигает рабочей температуры. Температура выхлопных газов от 800 до 1000 градусов обеспечивает более быстрое термическое старение, что сокращает срок службы и, следовательно, уменьшает активную площадь поверхности.
Существуют также каталитические нейтрализаторы с нагревательным элементом, который обеспечивает еще более быстрое достижение температуры катализатора после холодного запуска. После включения двигателя регулировка может осуществляться еще быстрее, в результате чего выхлопные газы становятся чище.
Чтобы как можно быстрее прогреть катализатор после холодного запуска, насос вторичного воздуха.
Работа катализатора NOx:
Ранее объяснялось, что NOx можно снизить с помощью катализатора за счет получения дополнительного количества CO в выхлопных газах. Это возможно только для того, чтобы сделать смесь богаче. В двигателях с обедненной смесью Volkswagen (FSI) и BMW (Efficient Dynamics), среди прочих, двигатели всегда работают на смеси с избытком воздуха при частичной нагрузке и низких оборотах (т. е. на обедненной смеси, а не на богатой). Поэтому при использовании обычного трехкомпонентного катализатора невозможно преобразовать NOx в N2 + CO2. Для удаления NOx из выхлопных газов необходим специальный катализатор NOx (накопительный) со специальным бариевым компонентом. Помимо бариевого компонента, этот катализатор также содержит драгоценные металлы, такие как платина и родий.
Трехходовой катализатор преобразует значения CO и HC в CO2 и H2O, как описано ранее. NOx преобразуется катализатором NOx. Для постоянного контроля значений необходимы дополнительные датчики температуры и датчик NOx.
На изображении ниже показана выхлопная система, используемая VW, BMW (и многими другими брендами).
Газы NOx хранятся в этом катализаторе в холодном состоянии. Остальные выхлопные газы могут продолжать свой путь через выхлопные газы. В период насыщения кислородом газы NOx накапливаются в бариевом компоненте. NOx накапливается (так же, как сажа накапливается в сажевом фильтре). Со временем катализатор насыщается. Это тот момент, когда он полон NOx. Катализатор затем необходимо регенерировать. Датчик NOx распознает это и отправляет сигнал в ЭБУ. В это время смесь обогащают, специально для регенерации катализатора NOx. Это происходит только тогда, когда катализатор NOx достиг температуры 800 градусов (это регистрируется датчиком температуры и также передается в блок управления двигателем). Временное обогащение выделяет дополнительный CO. С помощью этого CO может происходить превращение в N2 + CO2 через компоненты платины и родия. После регенерации двигатель снова будет работать на обедненной смеси до тех пор, пока катализатор снова не насытится.
В этой системе также могут возникать сбои. Если автомобиль ездит только на короткие расстояния (что плохо для всего автомобиля), катализатор NOx не сможет достичь своей рабочей температуры. Как только он насытится (наполнится), его придется регенерировать. Только если датчик температуры продолжает измерять слишком низкую температуру, ЭБУ никогда не обогатит смесь. Если катализатор не находится при рабочей температуре, компоненты платины и родия еще не могут осуществить конверсию. В это время загорится индикатор неисправности двигателя, и причина будет выявлена при сканировании автомобиля. Катализатор затем будет регенерирован с помощью испытательного шкафа или оживленного тест-драйва. Поэтому лучше время от времени проезжать длинный участок (например, 50 км или более по шоссе) и желательно на более высокой скорости. Тогда катализатор легко достигнет своей рабочей температуры.
В настоящее время в дизельных двигателях используется Катализатор SCR (селективного каталитического восстановления) применяемый. Этот катализатор SCR также накапливает NOx, но есть еще один Система дозирования AdBlue Добавлено в.
Старение и его причины:
- Бензин: Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор может работать только с неэтилированным бензином. Если заправляться этилированный бензин, он прилипает к драгоценному металлу тонким слоем, что уменьшает контакт с выхлопными газами и через некоторое время делает его невозможным. Химическая реакция тогда уже не может произойти. Катализатор вышел из строя и подлежит замене. Это дорогостоящее дело. Этилированный бензин добавляли для достижения определенного предела детонации. Поскольку в настоящее время используются датчики детонации, из топлива удален свинец.
- Масло также оказывает разрушительное воздействие на салон. Если имеется большая утечка масла, например, через поршневые кольца, направляющие клапанов или турбину, большое количество масла может попасть в каталитический нейтрализатор. Масло также приводит к прилипанию слоя к драгоценному металлу, который затем теряет свою эффективность.
- Езда на короткие расстояния: при езде на большое количество коротких расстояний катализатор редко или никогда не достигает своей рабочей температуры. Несгоревшие остатки углеводородов (бензина) прилипают к керамической поверхности. Если проехать большое расстояние, эти остатки углеводородов все равно сгорят. Если вы продолжите ездить на нем на короткие расстояния, остатки углеводородов также прилипнут к салону, в результате чего катализатор со временем потеряет свою эффективность.
Второй лямбда-зонд (датчик скачка) часто измеряет, правильно ли катализатор преобразовал газы. Если катализатор стареет или внутренняя часть неисправна, второй лямбда-зонд зафиксирует это. После этого на приборной панели загорится индикатор неисправности. Тогда необходима замена катализатора. Более подробную информацию о лямбда-зонде можно найти на странице Лямбда-зонд.
