Каталитический нейтрализатор (катализатор) является ключевым компонентом системы контроля выхлопных газов автомобиля. Он уменьшает вредные выбросы выхлопных газов. Катализатор встроен в выпускной коллектор двигателя или в выхлопную трубу рядом с двигателем.
На бензиновые автомобили устанавливают «трехкомпонентные» каталитические нейтрализаторы, которые уменьшают выбросы углеводородов (HC), угарного газа (CO) и оксидов азота (NOx).
Многие современные легковые и грузовые автомобили имеют более одного катализатора, поэтому при возникновении проблем с каталитическим нейтрализатором важно знать, какой именно неисправен.
Передний катализатор располагается рядом с выпускным коллектором или внутри него. В большинстве автомобилей датчики кислорода контролируют только передние каталитические нейтрализаторы.
Датчик соотношения воздух/топливо (управляющий датчик кислорода) устанавливается перед передним катализатором, а задний кислородный датчик (диагностический) — после. Задача заднего ДК — контролировать эффективность работы каталитического нейтрализатора.
В выхлопной системе может быть установлен еще один, вторичный или нижний, каталитический нейтрализатор. Его можно назвать «катализатор под днищем».
Двигатель с двумя блоками цилиндров (например, V6 или V8) имеет два передних каталитических нейтрализатора, оба контролируются датчиками кислорода. Блоки цилиндров обозначаются как Bank 1 (тот, в котором находится цилиндр 1) и Bank 2.
Какие могут быть проблемы с катализатором?
- Горит лампочка Check Engine, при дальнейшей диагностике выявляются коды ошибок, связанные с каталитическим нейтрализатором: P0420, P0430 или P0421 и P0431. Все эти коды указывают на то, что эффективность каталитического нейтрализатора ниже порогового значения. Мы написали отдельную статью, в которой объясняем эти коды: P0420 — Эффективность катализатора ниже порогового значения.
- Засорение каталитического нейтрализатора.
На фотографии слева показан засорившийся каталитический нейтрализатор. Существует множество причин, которые могут привести к засорению каталитического нейтрализатора, включая плохой бензин, повышенный расход моторного масла, утечку охлаждающей жидкости. Часто катализатор засоряется в автомобилях, на которых совершаются только короткие поездки. - Прогоревший или расплавленный катализатор.
Такое может произойти в результате ошибки P0421. На фотографии разрезанный катализатор. Он частично расплавлен. - Физическое повреждение. Если каталитический нейтрализатор изменил цвет и имеет другие признаки перегрева, его, возможно, придется заменить. Если имеются физические повреждения, например, трещины, которые невозможно отремонтировать, его также придется заменить.
- Еще одна проблема — примета нашего времени. Это когда вы заводите свою машину и обнаруживаете, что она звучит как споркар. Скорее всего, это означает, что каталитический нейтрализатор был украден. К сожалению, наблюдается растущая тенденция краж катализаторов. Если каталитический нейтрализатор был срезан, возможно, потребуется заменить и некоторые другие детали, в зависимости от того, где они были отрезаны.
Симптомы неисправного катализатора
- Горит Check Engine. Считываются коды ошибок P0420, P0430 или P0421 и P0431. Часто при этих кодах нет проблем во время вождения.
- Запах несгоревшего топлива из выхлопной трубы.
- Если внутренний керамический элемент разрушился, вы можете услышать дребезжащий звук, исходящий из катализатора, как будто внутри него есть камушки.
- Если каталитический нейтрализатор прогорел, звук выхлопа может быть громче обычного.
- Если что-то привело к перегреву катализатора, вы можете почувствовать чрезмерное тепло, исходящее из моторного отсека. Двигатель может издавать щелчки после того, как он заглохнет и детали остынут.
- Если катализатор засорится, вы можете почувствовать снижение мощности при ускорении. Двигатель может работать нормально на холостом ходу, но глохнуть при увеличении оборотов. Часто двигатель работает с перегревом, если выход выхлопных газов ограничен. В результате засорения каталитического нейтрализатора может также прогореть клапан EGR.
Принцип работы
В химии катализатор — это вещество, ускоряющее или вызывающее химическую реакцию, но само при этом не расходующееся. Такими веществами являются золото, никель, палладий, медь, родий, хром и большинство драгоценных и редких металлов.
В процессе работы автомобильного двигателя образуются выхлопные газы. Эти газы попадают в выпускной коллектор и далее — в каталитический преобразователь.
Выхлопной газ, состоящий из токсичных веществ, проходит через структуру нейтрализатора. Вещества-катализаторы в составе конвертера вызывают химические реакции, преобразующие вредные вещества в безвредные.
Современный нейтрализатор использует два катализатора, а именно — катализатор восстановления и катализатор окисления.
Катализатор окисления изготовлен из палладия и платины, а катализатор восстановления — из родия и платины. В результате реакций в каталитическом преобразователе образуются: углекислый газ, азот, вода.
Конструкция
Каталитический преобразователь представляет собой металлический корпус из нержавеющей стали, в котором есть сердцевина с сотовой структурой. Она покрыта драгоценными металлами, такими как платина и родий. Эти металлы реагируют с выхлопными газами двигателя. Они уменьшают содержание токсичных газов, превращая их в углекислый газ и воду.
Керамическая конструкция дешевле в производстве, но у неё есть большой минус — хрупкость. Достаточно небольшого удара, чтобы керамические соты треснули и осыпались.
В первую очередь катализатор реагирует с окисью углерода, образующейся при сгорании бензина. Он также реагирует с углеводородами, образованными несгоревшим топливом и оксидами азота. Таким образом, нейтрализатор превращает эти газы в менее вредные побочные продукты, такие как диоксид углерода, водяной пар и азот.
Чтобы катализатор был эффективным, его температура должна быть около 400 °C. Вот почему они обычно соединены с выпускным коллектором. По этой же причине датчики кислорода имеют нагревательные элементы.
Типы каталитических нейтрализаторов
Есть три разных типа автомобильных катализаторов. Первый тип — катализатор окисления. Он уменьшает вредные загрязнения, такие как угарный газ (CO) и углеводороды топлива (HC) в выхлопе. Одновременно часто используется вторичный впрыск воздуха. Однако катализатор окисления уменьшает только часть загрязняющих веществ.
Двухкомпонентный катализатор
Второй тип — двухкомпонентный каталитический нейтрализатор, который является более совершенным. Работает в два этапа. Есть два элемента, которые расположены один за другим.
Двухкомпонентный (или «окислительный») каталитический нейтрализатор имеет две одновременные задачи:
- Окисление оксида углерода до диоксида углерода:
2CO + O2 → 2CO2. - Окисление углеводородов (несгоревшего и частично сгоревшего топлива) до диоксида углерода и воды:
CxH2x + 2 + [(3x + 1) ⁄ 2] O2 → xCO2 + (x + 1) H2O (реакция горения).
Этот тип автомобильных катализаторов широко используется в дизельных двигателях для снижения выбросов углеводородов и окиси углерода. Они также использовались на бензиновых двигателях в автомобилях американского и канадского рынков до 1981 года. Из-за неспособности контролировать оксиды азота они были заменены трехступенчатыми нейтрализаторами.
Трёхкомпонентный катализатор
Третий тип — это трёхкомпонентный каталитический нейтрализатор. Начал использоваться с 1981 г. Он преобразовывает вредные газы, выходящие из двигателя, в безвредные.
Выхлопные газы двигателя содержат опасные вещества, которые наносят вред окружающей среде. К ним относятся оксиды азота, углеводороды и оксид углерода. Трёхкомпонентный катализатор превращает их в менее вредный диоксид углерода, воду и азот.
Три ступени очистки выхлопных газов выглядят так:
- Восстановление оксидов азота до азота (N2):
2 CO + 2 NO → 2 CO2 + N2
углеводород + NO → CO2 + H2O + N2
2 H2 + 2 NO → 2 H2O + N2; - Окисление угарного газа до углекислого газа:
2 CO + O2 → 2 CO2; - Окисление несгоревших углеводородов (HC) до диоксида углерода и воды в дополнение к вышеуказанной реакции NO:
углеводород + O2 → H2O + CO2;
Эти три реакции происходят наиболее эффективно, когда катализатор получает выхлоп от двигателя, работающего немного выше стехиометрической точки. Для сжигания бензина это соотношение составляет от 14,6 до 14,8 частей воздуха на одну часть топлива. Эффективность преобразования очень быстро падает, когда двигатель работает вне этих пределов.
При бедной смеси выхлоп содержит избыточный кислород и это не способствует реакции восстановления NOx. При богатой смеси избыточное топливо потребляет весь доступный кислород перед нейтрализатором, оставляя для функции окисления только кислород, находящейся в катализаторе.
Трёхкомпонентный катализатор является единственным устройством, которое уменьшает количество всех трёх загрязнителей за один раз. Такой способ очистки наиболее экономичный.
Большинство автопроизводителей используют в своих транспортных средствах именно трехступенчатые нейтрализаторы, которые соответствуют строгим нормам выбросов.
Где и как расположен катализатор
В большинстве транспортных средств каталитический нейтрализатор расположен рядом с выпускным коллектором двигателя. Преобразователь быстро нагревается благодаря воздействию очень горячих выхлопных газов, что позволяет снизить вредные выбросы во время прогрева двигателя.
Это достигается путем сжигания избыточных углеводородов, которые образуются в результате обогащенной смеси, необходимой для холодного пуска.
В некоторых трехкомпонентных катализаторах есть системы впрыска воздуха, который подается между первой (восстановление NOх) и второй (окисление углеводородов и СО) ступенью преобразователя.
Как и в двухступенчатых катализаторах, этот нагнетаемый воздух обеспечивает кислород для реакций окисления. Также иногда присутствует точка впрыска воздуха выше по потоку, перед каталитическим нейтрализатором, чтобы обеспечить дополнительный кислород только во время прогрева двигателя.
Это приводит к тому, что несгоревшее топливо воспламеняется в выхлопном тракте, тем самым предотвращая его попадание в каталитический конвертер. Этот метод сокращает время работы двигателя, необходимое для достижения рабочей температуры катализатора.
Большинство новых автомобилей имеют электронные системы впрыска топлива и не требуют впрыска воздуха в своих выхлопных трубах. Вместо этого они обеспечивают точно контролируемую топливовоздушную смесь, которая быстро и непрерывно переключается между обеднённым и обогащённым состоянием.
Датчики кислорода контролируют содержание кислорода в отработавших газах до и после каталитического нейтрализатора, и блок управления двигателя использует эту информацию для регулировки впрыска топлива.
Смотрите также видео о том, как устроен автомобильный катализатор:
Катализатор дизельного двигателя
Для двигателей с воспламенением от сжатия (то есть для дизельных двигателей) наиболее часто используемым каталитическим нейтрализатором является катализатор окисления дизельного топлива (diesel oxidation catalyst — DOC).
DOC содержат палладий, платину и оксид алюминия, которые окисляют углеводороды и оксид углерода кислородом с образованием углекислого газа и воды.
- 2 CO + O2 → 2 CO2
- CxH2x + 2 + [(3x + 1) / 2] O2 → x CO2 + (x + 1) H2O
Эти катализаторы часто работают с 90-процентной эффективностью, фактически устраняя запах дизельного топлива и помогая уменьшить видимые частицы (сажу).
Эти конверторы не уменьшают NOx, потому что любой присутствующий восстановитель будет реагировать в первую очередь с высокой концентрацией O2 в выхлопных газах дизельного топлива.
Раньше сокращение выбросов NOx от дизельных двигателей решалось путем добавления выхлопных газов во впускной коллектор, известное как рециркуляция выхлопных газов (EGR).
В 2010 году большинство производителей дизелей добавили каталитические системы в свои автомобили, чтобы соответствовать новым требованиям по выбросам.
Дизельный выхлоп содержит высокий уровень твердых частиц (ТЧ). Каталитические нейтрализаторы не удаляют ТЧ, поэтому они очищаются сажевым фильтром (diesel particulate filter — DPF).
Все транспортные средства, работающие на дизельном топливе и изготовленные после 1 января 2007 года, должны соответствовать ограничениям на выбросы дизельных частиц, что означает, что они должны быть оснащены двухсторонним каталитическим преобразователем и иметь сажевый фильтр.
