7.2. Катализатор
Катализатор
 |
1 – корпус,
2 – уплотнение, 3 – соты катализатора |
Элементы, входящие в катализатор и продукты, выходящие из катализатора
 |
На всех автомобилях устанавливаются катализаторы для уменьшения количества вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу с выхлопными газами.
Катализатор отработанных газов имеет корпус из нержавеющей стали, к которому сваркой присоединены впускной и выпускной конусы с патрубками и крепежными фланцами, а также теплоотражатели, удерживающие керамическую обшивку. Весь внутренний объем корпуса занят керамическим пористым монолитом, зафиксированным кольцами или сеткой из нержавеющей стали. Структура монолита представляет собой обычный фильтр, но вся внутренняя и внешняя поверхность пор, контактирующих с газами, покрыта очень тонким молекулярным слоем сплава, который содержит платину, родий и палладий. Пористость монолита имеет большую площадь поверхности, покрытой этим сплавом из очень дорогих металлов, что в основном и определяет высокую цену катализаторов, см. рис. Катализатор.
В катализаторе происходит реакция, в результате которой потенциально опасный углеводород и окись углерода в выхлопных газах превращаются в безопасные газы и водяной пар.
Двигатель выбрасывает в атмосферу вместе с отработанными газами продукты полного (водяной пар Н2О, азот N2 и т. п.) и неполного (оксид углерода СО, а также CnHm, оксиды азота NOx) сгорания топлива. Общее число компонентов, которые содержатся в этих газах, превышает несколько сотен, и большинство из них вредны для здоровья человека.
Отработанные газы, проникая через пористую поверхность монолита, во-первых, нагревают его, а во-вторых, доокисляются. Из СО получается СО2, то есть нетоксичный углекислый газ, CnHm в несколько этапов переходит в СО2 и Н2О, NOx превращается в молекулярный N2, который содержится в обычном воздухе, и в воду. Словом, в катализаторе происходят довольно сложные химические реакции, благодаря высокой температуре и наличию специального покрытия из дорогих металлов.
Главный позитивный эффект катализатора – полная нейтрализация трех компонентов
– СО, CnHm, NOx, – которых в отработанных газах больше, чем других вредных веществ.
И достигается он не только благодаря наличию платины, родия и палладия. Важную
роль играет температура, выдерживающаяся в границах 300–800° С. Если она снижается
до 250° С, химические реакции нейтрализации СО, CnHm, NOx, несмотря на наличие
металлов-катализаторов, не произойдут. А при температуре около 900° С начинает
плавиться и разрушаться каталитическая пленка.
Бензиновые двигатели
На всех моделях с катализатором система питания топливом замкнутого типа, то
есть на основании сигнала от датчика кислорода, установленного в выхлопной системе
блок управления постоянно оптимизирует состав топливо-воздушной смеси. В зависимости
от содержания кислорода в выхлопных газах датчик кислорода индуцирует напряжение
от 0,1 В (высокое содержание кислорода, бедная смесь) до 0,9 В (низкое содержание
кислорода, богатая смесь). На основании этих данных блок управления двигателем
изменяет время открытия топливных форсунок и изменяет соотношение топлива в
топливо-воздушной смеси. Метрическое соотношение топливной смеси, при котором
происходит ее полное сгорание и в выхлопных газах отсутствуют вредные вещества,
– это 14,7 весовых частей воздуха на 1 часть топлива, см. рис. Элементы,
входящие в катализатор и продукты, выходящие из катализатора.
Катализатор работает эффективно при температурах +300° С – +800° С.
Дизельные двигатели
На автомобилях с дизельными двигателями очистка выхлопных газов производится
не регулируемым окислительным катализатором.
Уменьшение процентного содержания окислов азота в выхлопных газах дизельного двигателя достигается за счет установки на автомобиле системы повторного сжигания части отработанных газов (EGR). Клапан EGR системы повторного сжигания отработанных газов установлен в колене выхлопной системы и управляется вакуумным регулятором. Клапана EGR на прогретом двигателе направляет часть отработанных газов в камеры сгорания двигателя, в результате чего снижается температура и при этом уменьшается процент окислов азота в выхлопных газах.