Каталитический нейтрализатор
Конструкторы современных двигателей внутреннего сгорания вынуждены большое внимание уделять не только их техническим характеристикам, но и далеким от этого вещам, в первую очередь — экологической безопасности. За «экологию» в машинах отвечает не только мотор, но и выпускная система, в частности — установленный в ней каталитический нейтрализатор. Именно об этом устройстве и пойдет речь в представленной статье.
Что такое каталитический нейтрализатор и для чего он нужен
Выхлопные газы автомобиля — это смесь множества веществ, образующихся при сгорании топливно-воздушной смеси, и среди этих веществ есть опасные для окружающей среды и человека. Наибольшую опасность представляют угарный газ (окись углерода CO) и две большие группы веществ — оксиды азота (общая формула NOx) и разнообразные углеводороды (часть из них является продуктами сгорания топлива, а часть — несгоревшими компонентами топлива). Загрязнение окружающей среды этими веществами давно стало глобальной проблемой, и именно ее решением заняты каталитические нейтрализаторы в выпускной системе двигателя.
Каталитический нейтрализатор — это устройство в выпускной системе двигателя, которое снижает количество токсичных веществ в выхлопных газах. Достигается это с помощью каталитических реакций, в ходе которых оксиды азота распадаются на азот и воду, углеводороды — на воду и углекислый газ, а угарный газ окисляется до менее опасного углекислого газа. В результате прохождения через катализатор выхлопные газы теряют до 90% токсичных веществ и оказывают менее губительное влияние на окружающую среду.
Интересно, что концентрация угарного газа, углеводородов и оксидов азота в выхлопных газах едва превышает 1%, однако даже такое небольшое количество доставляет много неприятностей и заставляет принимать самые решительные меры.
Типы и виды каталитических нейтрализаторов
На сегодняшний день существует две большие группы каталитических нейтрализаторов, которые отличаются заложенными в основу их работы принципами:
- Трехкомпонентные нейтрализаторы, в которых в качестве катализаторов используются платина, палладий и родий. Находят применение в выпускных системах бензиновых двигателей;
- Нейтрализаторы с применением мочевины (водного раствора аммиака). Используются в выпускных системах дизельных двигателей.
В свою очередь трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы делятся на два вида в зависимости от материала блок-носителя (матрицы):
- Керамика — блок-носитель изготовлен из огнеупорной керамики, выполнен в виде блока, пронизанного ячейками-сотами, через которые проходят выхлопные газы. Керамика дешевая, поэтому находит самое широкое применение, однако она хрупкая, что нередко становится причиной выхода нейтрализатора из строя;
- Металл — блок-носитель изготовлен из огнеупорного сплава. Металл более надежен, чем керамика, однако это более сложное и дорогое решение, поэтому встречается реже.
Трехкомпонентный нейтрализатор и нейтрализатор с мочевиной имеют значительные отличия в конструкции и принципе работы.
Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор
Основу трехкомпонентного нейтрализатора составляет конвертер — блок-носитель в виде керамического монолита, пронизанного множеством продольных каналов (сот). На внутренних поверхностях сот находится тонкий слой катализаторов — платины, палладия и родия. Такое пористое строение монолита многократно повышает площадь поверхности катализатора в небольшом объеме и обеспечивает лучшее протекание реакций катализатора с токсичными веществами.
Блок изготавливается из огнеупорной керамики. Он помещен внутрь корпуса из легированной стали с двойными стенками. Внутри корпуса блок фиксируется с помощью уплотнения из огнеупорного листового материала. Между стенками корпуса помещен термоизолирующий материал.
Работа трехкомпонентного конвертера сводится к следующему. Выхлопные газы проходят сквозь каналы в керамическом блоке, нагревая его, и при температуре 270°C начинаются восстановительные и окислительные реакции на катализаторе. Но на оптимальный режим работы нейтрализатор выходит при температуре порядка 450-500°C. Термоизоляция в корпусе нейтрализатора необходима, чтобы его температура не слишком изменялась из-за колебаний температуры атмосферного воздуха.
Нужно отметить, что платина, палладий и родий — это катализаторы, то есть, они значительно ускоряют течение химических реакций, но сами в них не участвуют, не расходуются. А значит, ресурс катализатора ограничен только сроком службы керамического блока, прочностью напыления слоя катализатора и общей прочностью нейтрализатора.
Каталитический нейтрализатор с мочевиной для дизельных двигателей
Основная проблема нейтрализаторов для дизельных двигателей заключается в том, что выхлопные газы моторов этого типа имеют относительно низкую температуру, а поэтому окислительно-восстановительные реакции протекают менее активно. Особенно это отражается на удалении из выхлопных газов оксидов азота.
Частично проблема решается помещением нейтрализатора как можно ближе к выпускному коллектору, где температура газов еще высока, однако это возможно далеко не всегда. Поэтому для дизелей нейтрализатор выполняется иным образом: здесь используется впрыск в трубу (сразу за выпускным коллектором) водного раствора аммиака (мочевины). Мочевина при температуре порядка 250-300°C активно вступает в реакцию с оксидами азота, в результате чего образуется чистый азот и вода.
Однако и в дизельных двигателях используется каталитический нейтрализатор, подобный описанному выше, и именно здесь мочевина вступает в реакцию с оксидами азота. Но катализаторов используется только два — платина и палладий, а в родии, который используется для восстановления оксидов азота, здесь нет необходимости, так как его заменяет мочевина.
Серьезный недостаток нейтрализаторов этого типа — необходимость регулярного пополнения запасов мочевины. Мочевина постоянно расходуется, и чем мощнее двигатель, тем расход мочевины выше. Однако даже во внедорожниках 20-литрового бака мочевины хватает на один межсервисный интервал (15-20 тысяч км), поэтому заправка мочевиной производится не так часто.
Нужно отметить, что в дизельных двигателях совместно с нейтрализатором используется и сажевый фильтр, который задерживает твердые частицы.
Проблемы и особенности каталитических нейтрализаторов
Несмотря на то, что сейчас каталитические нейтрализаторы есть на всех новых автомобилях, они все еще имеют ряд проблем.
Например, нейтрализаторы неспособны полностью очищать выхлопные газы, а в ряде случаев частично усугубляют ситуацию. Особенно остро проблема стоит в дизельных двигателях. Дело в том, что дизтопливо содержит серу, которая после сгорания топлива попадает в выхлопные газы, а в нейтрализаторе, при высокой температуре, она взаимодействует с водой — так образуется серная кислота и оксиды серы. Среди оксидов серы наиболее опасны сернистый и серный газы (SO2 и SO3), которые являются очень токсичными, и оказывают пагубное действие на человека. Поэтому сейчас установлены жесткие стандарты на содержание в топливе серы.
Еще одна проблема нейтрализаторов лежит в другой плоскости: для их нормальной работы необходимо, чтобы топливно-воздушная смесь при поступлении в цилиндры имела строго определенный состав, а в выхлопных газах присутствовало некоторое количество воздуха, необходимое для нормально дожига углеводородов и окиси углерода. Поэтому перед входом в нейтрализатор установлен лямбда-зонд (кислородный датчик), определяющий количество кислорода в выхлопных газах. На основе этой информации электронный блок управления изменяет состав подаваемой в камеры сгорания топливно-воздушной смеси, постоянно поддерживая нормальную работу двигателя и нейтрализатора.
Однако решение этих и других проблем, которые мы не рассматривали, рано или поздно будет найдено, и в будущем двигатели внутреннего сгорания станут куда более экологичными и безопасными, чем современные.
