Предмети:
- Загальний
- Тристоронній/окислювальний каталізатор
- Робочі температури
- Робота каталізатора NOx
- Старіння та його причини
Загальне:
Назва Catalyst спочатку походить від грецького слова Katalysis (що означає розчинення). Каталізатор був необхідний з кінця 1992 року для задоволення екологічних вимог. Вихлопні гази містять шкідливі речовини: CO (чадний газ), NOx (оксид азоту) і CH (незгорілий вуглеводень). Ці речовини (окислюються) до нешкідливих речовин. Звідси і назва каталізатора окислення.
У хімії каталізатор — це речовина, яка провокує хімічну реакцію та прискорює або уповільнює її, сама не зазнаючи жодних змін.
Тристоронній/окислювальний каталізатор:
Каталізатор не є фільтром, його можна розглядати як елемент перетворення, до якого додано дорогоцінні метали, такі як платина, родій або паладій. Якщо з ним контактують вихлопні гази, відбувається дуже швидка хімічна реакція. Молекули шкідливих газів розкладаються та зв’язуються з іншими молекулами, утворюючи нешкідливий газ. Каталізатор здатний очищати вихлопні гази на 90%. Однак це відбувається за рахунок більшого споживання та меншої потужності. Це пояснюється тим, що він створює певний опір повітрю на вихлопному шляху.
Речовини у вихлопних газах:
- CO2: вуглекислий газ (шкідливий для навколишнього середовища, людей і тварин у високих концентраціях)
- CO: чадний газ (неповністю згорілий газ, також шкідливий для здоров'я)
- CH: Вуглеводні (незгорілі частини бензину)
- O2: Частини кисню (які не брали участі в горінні)
- NOx: сполука азоту (яка утворюється лише при дуже високих температурах горіння.
Каталізатор перетворює 3 шкідливі компоненти CO, HC і NOx в 3 нешкідливі компоненти: CO2, H2O і N2. Звідси також походить назва трикомпонентного каталізатора.
Щоб додати O2 і CO до каталізатора, щоб відбулося перетворення, потрібно відрегулювати схему вприскування двигуна. Для утворення O2 суміш повинна бути бідною (менше палива, більше повітря). Для утворення CO суміш повинна бути багатою (більше палива, менше повітря). Останнє не стосується двигунів з бідною сумішшю, дивіться розділ про каталізатор NOx нижче на сторінці.
Завжди впорскуючи занадто багато і трохи занадто мало палива в циліндри, завжди створюється насичена і бідна суміш. Таким чином, надлишки CO та O2 потрапляють у каталізатор. У каталізаторі платина реагує з CO і HC. Родій забезпечує зниження NOx. Це також пояснює, чому під час вимірювання на лямбда-зонді вимірюється змінна напруга. Там напруга коливається від 0,2 до 0,8 В (від бідних до багатих і т. д.) Система управління двигуном автомобіля (ECU) регулює це сама. Тому нічого коригувати не потрібно.
| Шкідлива речовина: | Додати з: | Призводить до: |
| CO+ | O2 = | CO2 |
| HC+ | O2 = | CO2 + H2O |
| NOx+ | CO = | N2 + CO2 |
Щоб додати O2 і CO до каталізатора, щоб відбулося перетворення, потрібно відрегулювати схему вприскування двигуна. Для утворення O2 суміш повинна бути бідною (менше палива, більше повітря). Для утворення CO суміш повинна бути багатою (більше палива, менше повітря). Останнє не стосується двигунів з бідною сумішшю, дивіться розділ про каталізатор NOx нижче на сторінці.
Завжди впорскуючи занадто багато і трохи занадто мало палива в циліндри, завжди створюється насичена і бідна суміш. Таким чином, надлишки CO та O2 потрапляють у каталізатор. У каталізаторі платина реагує з CO і HC. Родій забезпечує зниження NOx. Це також пояснює, чому змінна напруга вимірюється, коли лямбда-зонд вимірюється. Там напруга коливається від 0,2 до 0,8 В (від бідних до багатих і т. д.) Система управління двигуном автомобіля (ECU) регулює це сама. Тому нічого коригувати не потрібно.
У наведеній вище таблиці видно, що всі речовини, окрім іншого, перетворюються на CO2. CO2 зараз розглядається як речовина, яка є небезпечною для навколишнього середовища та відповідальною за глобальне потепління. Однак людина також видихає CO2. Дерева та рослини перетворюють його назад на O2 (кисень). Занадто багато CO2 має шкідливий вплив. Дерева і рослини знаходяться в меншості і не здатні все перетворити на O2. Для двигунів внутрішнього згоряння вміст CO2 має бути якомога вищим. Це звучить божевільно, тому що можна подумати, що це буде якнайнижче. Справа така; чим вищий вміст CO2, тим менше виділяється CO і HC. CO і HC безпосередньо шкідливі для здоров'я при вдиханні. Єдиний спосіб знизити рівень CO2 – це перехід на альтернативне паливо, менші (економічніші) двигуни внутрішнього згоряння та тихішу їзду.
Робочі температури:
Корисна дія каталізатора починається від температури 250 градусів і є максимальною при температурі 450 градусів. Після запуску двигуна потрібен деякий час, перш ніж почнеться ефект очищення. Каталітичний нейтралізатор встановлюється якомога ближче до випускного колектора, тому що він швидше досягає робочої температури. Температура вихлопних газів від 800 до 1000 градусів забезпечує швидше термічне старіння, що скорочує термін служби і, отже, зменшує площу активної поверхні.
Існують також каталізатори з нагрівальним елементом, який гарантує, що каталізатор досягає температури ще швидше після холодного запуску. Тоді це може регулюватися ще швидше після ввімкнення двигуна, що призводить до чистіших вихлопних газів
Щоб якомога швидше прогріти каталізатор після холодного запуску, a насос вторинного повітря.
Робота каталізатора NOx:
Раніше було пояснено, що NOx можна зменшити за допомогою каталізатора шляхом отримання додаткової кількості CO у вихлопному газі. Це можливо тільки для того, щоб зробити суміш насиченішою. У двигунах з бідною сумішшю Volkswagen (FSI) і BMW (Efficient Dynamics), серед інших, двигуни завжди працюють на суміші з надлишком повітря при частковому навантаженні та низьких швидкостях (тобто бідній і ніколи не багатій). Тому за допомогою звичайного трикомпонентного каталізатора неможливо перетворити NOx на N2 + CO2. Для видалення NOx з вихлопних газів потрібен спеціальний NOx (накопичувальний) каталізатор зі спеціальним компонентом барію. Крім барієвого компонента, цей каталізатор також містить дорогоцінні метали, такі як платина і родій.
Трикомпонентний каталізатор перетворює значення CO і HC в CO2 і H2O, як описано раніше. NOx перетворюється каталізатором NOx. Для постійного контролю значень потрібні додаткові датчики температури та датчик NOx.
На зображенні нижче показано вихлопну систему, яку використовують VW, BMW (і все більше і більше інших марок).
У цьому каталізаторі гази NOx зберігаються в холодному стані. Інші вихлопні гази можуть продовжувати свій шлях через вихлоп. Протягом періоду, багатого киснем, гази NOx зберігаються в барієвому компоненті. NOx накопичується (так само, як сажа зберігається в сажовому фільтрі). З часом каталізатор стає насиченим. Це момент, коли він повний NOx. Після цього каталізатор необхідно регенерувати. Датчик NOx розпізнає це та надсилає сигнал до ЕБУ. У цей час суміш збагачується, особливо для регенерації каталізатора NOx. Це відбувається лише тоді, коли каталізатор NOx досягає температури 800 градусів (це реєструється датчиком температури і також передається на блок керування двигуном). Тимчасове збагачення вивільняє додатковий CO. За допомогою цього СО може відбуватися перетворення на N2 + CO2 через компоненти платини та родію. Після регенерації двигун знову працюватиме на збідненій суміші, поки каталізатор знову не насититься.
З цією системою також можуть виникнути несправності. Якщо автомобіль їздить лише на короткі відстані (що погано для всього автомобіля), каталізатор NOx не зможе досягти робочої температури. Як тільки він насититься (заповниться), його доведеться регенерувати. Тільки якщо датчик температури продовжує вимірювати занадто низьку температуру, ЕБУ ніколи не збагачуватиме суміш. Якщо температура каталізатора не досягає робочої температури, компоненти платини та родію ще не можуть здійснити перетворення. У цей час засвітиться індикатор несправності двигуна, а під час сканування автомобіля буде виявлено причину. Потім каталізатор буде регенеровано за допомогою випробувальної камери або швидкої тест-драйву. Тому найкраще час від часу проїжджати довгий відрізок (наприклад, 50 км або більше по шосе) і бажано на вищій швидкості. Тоді каталізатор легко досягне робочої температури.
В даний час дизельні двигуни використовують Каталізатор SCR (селективного каталітичного відновлення). застосовується. Цей каталізатор SCR також накопичує NOx, але є ще один Система дозування AdBlue додано до.
Старіння та його причини:
- Бензин: трикомпонентний каталітичний нейтралізатор може працювати лише з неетилованим бензином. Якщо заправляти етилований бензин, він прилипає до дорогоцінного металу тонким шаром, що зменшує контакт з вихлопними газами і через деякий час робить його неможливим. Тоді хімічна реакція більше не може відбуватися. Каталізатор вийшов з ладу і його необхідно замінити. Це дорога справа. Етилований бензин додавали для досягнення певної межі детонації. Оскільки зараз використовуються датчики детонації, з палива видалено свинець.
- Масло також руйнівно впливає на салон. Якщо є великий витік масла, наприклад, уздовж поршневих кілець, напрямних клапанів або турбіни, багато масла може потрапити в каталітичний нейтралізатор. Масло також спричиняє прилипання шару до дорогоцінного металу, який потім втрачає свою ефективність.
- Переїзд на короткі дистанції: під час проїзду на короткі відстані каталізатор рідко або ніколи не досягає робочої температури. Незгорілі залишки HC (бензину) прилипають до керамічної поверхні. Якщо він їздить на довгу відстань, ці залишки HC все одно спалюються. Якщо ви продовжите їздити на коротких відстанях, ці залишки HC також будуть прилипати до внутрішньої частини, через що каталізатор з часом втрачає свою ефективність.
Другий лямбда-датчик (датчик стрибка) часто вимірює, чи належним чином каталізатор перетворив гази. Якщо каталізатор старіє або якщо внутрішня частина несправна, другий лямбда-зонд виміряє це. Після цього на панелі приладів засвітиться індикатор несправності. Тоді потрібна заміна каталізатора. Детальніше про лямбда-зонд можна дізнатися на сторінці Лямбда-зонд.
