Открыть сервис
Главная → Блог → Каталитический нейтрализатор

Каталитический нейтрализатор

Каталитический нейтрализатор (каталитический конвертер, катализатор) — это устройство, входящее в состав выпускной системы двигателя внутреннего сгорания, предназначенное для снижения токсичности отработавших газов путём ускорения химических реакций окисления и восстановления вредных веществ. Основная функция нейтрализатора — преобразование оксида углерода (CO), углеводородов (CH) и оксидов азота (NOx) в менее опасные компоненты: углекислый газ (CO₂), воду (H₂O) и молекулярный азот (N₂). Устройство является обязательным элементом экологических стандартов, начиная с норм Евро-1 (1992 год в Европе) и последующих, включая действующие в Российской Федерации технические регламенты Таможенного союза «О безопасности колёсных транспортных средств» (ТР ТС 018/2011).

История

Первые попытки снизить токсичность выхлопных газов были предприняты в середине XX века. В 1950-х годах в США, в частности в Калифорнии, начали осознавать масштаб проблемы смога, вызванного автомобильными выхлопами. Калифорнийский совет по воздушным ресурсам (CARB) ввёл первые жёсткие нормы на выбросы.

В 1970-х годах, после принятия в США Закона о чистом воздухе (Clean Air Act), автопроизводители начали активно искать технические решения. Первые коммерческие каталитические нейтрализаторы появились в 1975 году на автомобилях американского рынка. Эти устройства были двухкомпонентными (окислительными) и могли эффективно снижать только выбросы CO и CH, но не справлялись с оксидами азота. Для их работы требовалось подавать дополнительный воздух в выпускной тракт.

Ключевым прорывом стало изобретение трёхкомпонентного каталитического нейтрализатора (TWC — Three-Way Catalyst) в 1981 году. Его разработка стала возможной благодаря внедрению электронных систем впрыска топлива и датчиков кислорода (лямбда-зондов). Трёхкомпонентный нейтрализатор способен одновременно восстанавливать NOx и окислять CO и CH, но только при строгом поддержании стехиометрического соотношения воздушно-топливной смеси (λ = 1).

В СССР первые работы по каталитической очистке выхлопа велись в 1970-х годах в НАМИ, однако серийное применение нейтрализаторов на отечественных автомобилях началось только в 1990-х годах. С 2000-х годов, с переходом на нормы Евро-2 и выше, каталитические нейтрализаторы стали стандартным элементом всех легковых автомобилей, производимых или импортируемых в Россию.

Устройство и принцип действия

Конструкция

Типичный каталитический нейтрализатор представляет собой металлический корпус (как правило, из нержавеющей стали), внутри которого размещён керамический или металлический блок-носитель с сотовой структурой. Соты покрыты слоем пористого оксида алюминия (γ-Al₂O₃), на который нанесены каталитически активные компоненты — благородные металлы:

Сотовая структура обеспечивает максимальную площадь поверхности контакта газов с катализатором при минимальном сопротивлении потоку. Количество ячеек на квадратный дюйм (cpsi) варьируется от 200 до 600 и более для высокоэффективных систем.

Химические реакции

В трёхкомпонентном нейтрализаторе одновременно протекают три типа реакций:

  1. Окисление оксида углерода:

2CO + O₂ → 2CO₂

  1. Окисление несгоревших углеводородов:

CₓHᵧ + (x + y/4)O₂ → xCO₂ + (y/2)H₂O

  1. Восстановление оксидов азота:

2NOₓ → N₂ + xO₂ (восстановление происходит за счёт CO, H₂ и CH, которые выступают в роли восстановителей).

Для эффективной работы трёхкомпонентного нейтрализатора необходимо, чтобы состав смеси находился в очень узком диапазоне вокруг стехиометрической точки (λ = 1). Отклонение в сторону бедной смеси (λ > 1, избыток кислорода) резко снижает эффективность восстановления NOx. Отклонение в сторону богатой смеси (λ < 1, недостаток кислорода) приводит к неполному окислению CO и CH. За поддержание этого баланса отвечает система управления двигателем с обратной связью по сигналу лямбда-зонда.

Классификация

Каталитические нейтрализаторы классифицируются по нескольким признакам.

По типу катализируемых реакций

По типу носителя

Применение и значение

Основная область применения — автомобильная техника (легковые и грузовые автомобили, автобусы, мотоциклы). Кроме того, каталитические нейтрализаторы используются в стационарных двигателях (генераторные установки), на судах, тепловозах и в промышленных установках для очистки технологических газов.

Экологическое значение каталитических нейтрализаторов огромно. Их массовое внедрение позволило снизить выбросы CO, CH и NOx от автотранспорта на 90–98% по сравнению с автомобилями без нейтрализаторов. Это стало одним из главных факторов улучшения качества воздуха в крупных городах и снижения кислотных дождей.

Неисправности и эксплуатация

Каталитический нейтрализатор является расходным элементом, хотя его ресурс при нормальной эксплуатации может составлять 150–200 тысяч километров и более. Основные причины выхода из строя:

Признаками неисправности являются: потеря мощности двигателя, увеличение расхода топлива, «гнилой» запах выхлопа (сероводород), индикатор «Check Engine» на приборной панели. В России нередко практикуется механическое удаление нейтрализатора с перепрошивкой блока управления двигателем, однако это ведёт к превышению норм токсичности и может быть основанием для отказа в прохождении технического осмотра.

Интересные факты

Источники

  1. Технический регламент Таможенного союза «О безопасности колёсных транспортных средств» (ТР ТС 018/2011).
  2. ГОСТ Р 52033-2003 «Автомобили с бензиновыми двигателями. Выбросы загрязняющих веществ с отработавшими газами. Нормы и методы контроля».
  3. Bosch. «Автомобильный справочник» (Bosch Automotive Handbook). — 9-е издание. — Robert Bosch GmbH, 2014.
  4. Хейвуд, Джон. «Основы двигателей внутреннего сгорания» (Internal Combustion Engine Fundamentals). — McGraw-Hill, 1988.
  5. Twigg, Martyn V. «Catalytic Control of Emissions from Cars» // Catalysis Today. — 2011. — Vol. 163, No. 1. — P. 33–41.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →

Похожие материалы