Катализатор

Из чего состоит катализатор автомобиля

Задачей автомобильного катализатора является снижение количества вредных веществ в выхлопных газах. Среди них:

• окись углерода (СО) — ядовитый газ без цвета и запаха
• углеводороды, также известные как летучие органические соединения — один из главных компонентов смога, образуется за счёт неполного сгорания топлива
• оксиды азота (NO и NO₂, которые часто объединяют под обозначением NO_x) — также являются компонентом смога, а также кислотных дождей, оказывают влияние на слизистую человека.^[4]

Катализатор обычно представляет из себя, утолщенную часть глушителя. Если ее снять и посмотреть внутрь, можно увидеть сетку фильтра. При рассечении можно более подробно рассмотреть устройство.

Внутри есть специальные ячейки, очень похожие на пчелиные соты, только полые и удлиненные. Производятся такие ячейки (соты) – либо из элементов с напылением из благородных металлов (как правило — иридия), либо из керамических пластин. Такое строение «сот», обусловлено увеличением площади фильтрования отработанных газов.

Также есть специальный датчик (лямба зонт), который показывает уровень загрязненности газов после катализатора.

Бортовой компьютер контролирует объём сгораемого топлива, с целью сохранения пропорций воздух:топливо предельно близкими к стехиометрической точке. В теории, это соотношение дает возможность топливу сгореть полностью без избытка окислителя. В двигателях внутреннего сгорания она равна 14,7:1 — на долю горючего требуется 14,7 долей кислорода. Но на практике, топливная смесь далеко не идеальна.

Катализатор (каталитический нейтрализатор) – часть выхлопной системы, уменьшающий вредные вещества (окись углерода, углеводороды, оксиды азота) в выхлопах.Автомобильным катализатором называют всю приемную трубу — деталь, сложную и затратную в изготовлении. Состоит из выпускного коллектора, сложных фланцевых соединений, гофры и конечно бочка каталитического преобразователя.

В корпусе располагается керамическая или металлическая конструкция с удлиненными сотами. На сотовую конструкцию наносится тонкий слой сплавов (катализаторов). Она увеличивает площадь контакта проходящих газов с поверхностью каталитического слоя и снижает потребность в веществах, так как используемые элементы дорогие. После бочка катализатора располагается датчик (лямбда-зонд), показывающий загрязненность газов после очистки.

Ресурс данной экологической детали велик (100–150 тыс.км). Этого хватит не более чем на 5–7 лет. За это время сотовая конструкция выгорает, и теряет свойство фильтрации выхлопов.Не маловажная причина – низкокачественное топливо. Некачественный бензин искусственно догоняют до нужного значения октанового числа, добавляя свинцовые добавки.

История катализатора

Первый катализатор был придуман американским инженером Юджином Хоудри в 1953 году. Он действительно неплохо справлялся с очисткой выхлопных газов, однако высокое содержание свинца в американском бензине того времени не давало необходимого эффекта – выхлопы оставались токсичными.

Таблица: требования к максимальному содержанию в выхлопных газах вредных соединений, г/км

	Бензиновые двигатели	Дизельные двигатели
	NOx	CO	CH	Твердые частицы	CH NOx	CO	Твердые частицы
Евро II	0,5	2,2	0,5	—	0,9	1	0,1
Евро III	0,15	2,3	0,2	—	0,56	0,64	0,05
Евро IV	0,08	1	0,1	—	0,3	0,5	0,025
Евро V	0,06	1	0,075	0,005	0,25	0,5	0,005

Что представляет собой катализатор

Современный каталитический нейтрализатор – это элемент выхлопной системы, призванный снижать уровень токсичности отработанных газов путем восстановления оксидов азота и применения полученного при этом кислорода для сжигания угарного газа и углеводородов.

Он может располагаться за приемной трубой глушителя, или же непосредственно на ней. В новых моделях автомобилей катализатор чаще всего находится в выпускном коллекторе. Это решение дает возможность для быстрого прогрева устройства, так как его эффективная работа возможна при температуре не ниже 3000С. Кроме того, такое положение позволяет облегчить его ремонт или замену.

Катализатор состоит из трех независимых компонентов, каждый из которых предназначен для нейтрализации отдельного вредного вещества. Его конструкция состоит из корпуса из нержавеющей стали, в котором расположена решетка в виде пчелиных сот. Соты могут быть выполнены из керамики или металла.

Что касается покрытия, то в нейтрализаторах используются два вида химических катализаторов: восстанавливающий и окислительный. Первый – это платина и родий, которые помогают уменьшить концентрацию оксидов азота. Молекула оксида азота или его двуокиси, соприкасаясь с молекулами катализатора, разделяется, отделяя атом азота, и выделяя кислород. Атом азота соединяется с другими такими же атомами, образуя чистый азот.

Окислительный катализатор предназначен для уменьшения количества несгоревшего топлива и углеводородов, находящихся в выхлопных газах при помощи платины и палладия. В результате реакции эти вредные вещества восстанавливаются в воду, углекислый газ и азот.

Что делать, если катализатор прогорел?

Простым и проверенным способом решения вопроса будет удаление катализатора. При наличии минимального количества инструментов рядовой автолюбитель может легко вырезать в металлическом корпусе окно (его потом герметично заваривают полуавтоматом) и убрать катализатор механически.

Еще одно распространенное решение — это замена катализатора на пламегаситель.

Пламегаситель – стальная гофрированная труба, заизолированная специальным негорючим материалом (минеральная вата либо металлическая стружка), вся конструкция заключена в кожух. При прохождении пламегасителя выхлопные газы расширяются и заполняют пространство между кожухом и трубой. Сталкиваясь с негорючими материалами, они теряют часть энергии.

Ресурс этой важной (для окружающей среды) детали достаточно велик, это 100 – 150 000 километров. При среднем пробеге автомобиля, хватит надолго примерно на 5 – 7 лет, но не больше. «Соты» катализатора попросту выгорают со временем, уменьшаясь в размерах, и при пробеге в 150 000 километров они практически потеряют свойство фильтровать отработанные газы. Таким образом, у вас вылезет ошибка «CHECK ENGINE» на панели приборов, и после проверки нужно будет менять катализатор.

Еще одна причина выхода из строя – это некачественное топливо. Обычно некачественный бензин пытаются искусственно догнать до нужного значения октанового числа, применяя добавки к топливу на основе свинца. При горении такое топливо выделяет гораздо больше температуры, чем современные бензины АИ 92 и 95 (подробнее здесь).

Менять. Дилеры отказывают в гарантии на эту деталь, объясняя поломку следствием использования некачественного бензина. Оригинальный катализатор стоит очень дорого. В нем содержатся дорогие драгоценные металлы, влияющие на условия растаможивания. Сервисы по ремонту автомобилей предлагают альтернативные варианты катализатору.

В нормальных условиях катализатор выходит из строя после того, как сгорает каталитический слой. И то сказать, что он вышел из строя не совсем правильно. Правильнее – из уменьшения площади каталитического слоя, катализатор не может дожигать все выхлопные газы и поэтому постепенно уровень наличия вредных газов на выходе начинает увеличиваться.

Когда значение перейдет пороговое значение, которое заложено в блоке управления автомобилем, на панели приборов загорится ошибка “CHECK”, при расшифровке выдаст ошибку «Неэффективная работа катализатора». Обычно ресурс катализатора рассчитан на 100 т.км.

Информацию о состоянии выхлопной смеси после катализатора выдает датчик лямбда-зонд, расположенный за катализатором.Кроме того катализатор может выйти из строя гораздо раньше при неисправности системы зажигания или системы формирования смеси. Тогда соты просто забиваются, не позволяя катализатору окислять смесь.

Также преждевременный выход катализатора из строя может произойти из-за низкого качества бензина, в котором много тетраэтилсвинца (для  искусственного повышения октанового числа). В этом случае, часть каталитического слоя просто закрывается слоем тетраэтилсвинца, которые не позволяет каталитическому слою правильно работать.

Его нужно менять. Чаще всего дилеры отказываются менять это по гарантии, мотивируя, что это из-за плохого качества бензина, которым Вы заправились. И предлагают поменять эту деталь. Вот тут и начинается самое интересное. Стоимость оригинального катализатора колеблется от 35 до 150 тысяч рублей.

При этом полноценной гарантии на этот элемент нет. Почему же катализатор такой дорогой? Тут нужно понять, что на современных автомобилях катализатором называется вся приемная труба — достаточно сложная деталь, включающая в себя и выпускной коллектор, сложные фланцевые соединения, чаще всего гофру и сам бочок катализатора.

Понятно, что такая деталь очень сложная и дорогая в изготовлении. Кроме того, в катализаторах содержаться драгоценные металлы дорогие сами по себе. Прибавьте еще специальные условия растаможки деталей с драгоценными металлами и выйдет такая «космическая» цена.

И при этом дилеру не важно, что из всех этих элементов у Вас вышел из строя только катализатор. Поэтому специализированные сервисы и предлагают альтернативные решения замены катализатора.- Установка универсального катализатора. Универсальный катализатор представляет собой непосредственно саму бочку катализатора.

Она вваривается в штатную деталь, вместо вышедшего из строя катализатора. Т.е. заменяется именно та часть выхлопной системы, которая вышла из строя, а не вся приемная труба. Такой вариант более правильный и значительно более бюджетный 10-16 т.р. в зависимости от размеров и требований к катализаторному блоку.

— Замена катализатора на пламегаситель. Эта работа вообще убирает катализатор из системы. Вместо катализатора ставится пламегаситель (предварительный резонатор), который не очищает выхлопные газы, а только «выравнивает» выхлопной поток, убирая посторонние звуки, которые возникнут, если просто убрать катализатор.

Для чего служат датчики кислорода

Концентрация вредных примесей в выхлопных газах во многом зависит от состава горючей смеси, а точнее от количества в ней топлива и воздуха. Стехиометрической называют смесь, где ее составляющие подобраны в таких пропорциях, чтобы она могла сгорать полностью.

Обеспечить максимальную точность выбора этих пропорций призваны датчики кислорода. Их основная задача заключается в сборе информации о концентрации кислорода в выхлопных газах, и передачи ее на контроллер автомобиля. Современные автомобили оснащаются двумя кислородными датчиками, один из которых устанавливается сразу за выпускным коллектором перед катализатором, а другой – за ним.

Особенности работы катализатора на дизельных двигателях

Состав этой части глушителя (катализатора), можно условно сравнить с фильтром. Суть такова: отработанные газы из цилиндров попадают на «соты» фильтр. Фильтр нагревается, причем практически докрасна. При таких нагретых сотах, отработанные газы догорают и окисляются в катализаторе,  выхлоп автомобиля становится намного чище.

Термин «катализатор» пришёл из химии. Означает вещество, ускоряющее реакцию, не являющееся продуктом реакции. Бывает двух типов: катализатор восстановления, катализатор окисления.В современных автомобилях используется трёхкомпонентный каталитический преобразователь, уменьшающий количество выбросов 3‐х самых вредных веществ, озвученных ранее.

Первая стадия очистки — катализатор восстановления, снижает количество оксидов азота.Вторая стадия — катализатор окисления, снижает уровень несгоревших вредных веществ.Третью стадию выполняет компьютер, контролирующий поток выхлопов и использующая данные для эффективного управления впрыском топлива.

Кислородный датчик, установленный ближе к двигателю, передает бортовому компьютеру объем кислорода в выхлопе. Который регулирует пропорцию воздуха к топливу, попадающего в двигатель. Такая модель позволяет удостовериться, что работа двигателя максимально эффективна, и в выхлопной системе остаётся достаточно кислорода для окисления не сгоревших веществ.

Каталитический нейтрализатор работает эффективно, но не достиг идеала. Самый большой недостатком: работа только при высокой температуре. В момент прогрева каталитический преобразователь практически бесполезен. Можно переместить бочку катализатора выше к двигателю, но газы будут более горячими, что приведет к перегреву, а это уменьшит срок работы нейтрализатора.

Для сокращения выбросов можно использовать предварительный нагрев каталитического нейтрализатора. Самое элементарное — использовать электрические нагреватели сопротивлений. Но большинство автомобилей (12-вольтные) не нагревают катализатор до необходимой температуры за короткое время.

Гибридные автомобили (высоковольтные) справляются с этой задачей очень быстро. Дизельный двигатель работает при низкой температуре, вследствие чего катализатор не продуктивен. В связи с этим, ведущие проектировщики эко-автомобилей изобрели систему, использующую мочевину (карбамид). Мочевина реагируя с оксидом азота, выделяет азот и водяной пар, обезвреживая более 90% оксидов из выхлопа.

В дизельных двигателях эффективность работы катализатора несколько ниже, нежели в бензиновых. Обусловлено это тем, что у «дизелей» рабочая температура мотора ниже, вследствие чего катализатор меньше прогревается. Сегодня, когда дизельные моторы набирают популярность у автолюбителей, эта проблема практически решена.

Инженеры придумали выход из ситуации, предложив использовать для обработки выхлопных газов карбамид (мочевину) до того, как они попадут в каталитический конвертер. Химическая реакция между мочевиной и оксидами азота существенно снижает концентрацию последних, нейтрализуя более 90 % из них.

Катализатор (или каталитический нейтрализатор) – это деталь выхлопной системы, которая снижает содержание вредных веществ в выхлопных газах. Таких как, CО (окись углерода), CH (углеводороды) и NO, NO2 (оксиды азота). Все эти ядовиты и являются одним из компонентов смога.

Так вот катализатор, это элемент, содержащий благородные металлы, которые вступая в реакцию с вредными веществами, «дожигают» их до экологически чистых норм.Внутри корпуса катализатора расположена либо керамическая, либо металлическая сотовая конструкция на которую нанесен тонкий слой платиноиридиевого сплава.

Сотовая конструкция в катализаторе необходима, чтобы увеличить площадь контакта выхлопных газов с поверхностью на которой нанесен каталитический слой. В результате происходит химическая реакция окисления CO и CH, и на выходе получаем вполне безобидные CO2 и N2.

Чего боится катализатор

Катализатор – устройство достаточно хрупкое и чувствительное. Если его рабочие элементы (соты) выполнены из керамики, попадание колеса на скорости в выбоину может стать причиной его разрушения. Также к выходу катализатора из строя могут привести:

• резкий перепад температур (например, попадание воды из лужи на раскаленный корпус катализатора);
• неисправности в системе зажигания (попадание несгоревшего топлива на соты катализатора);
• использование некачественного топлива;
• попадание в топливо охлаждающей жидкости, масла;
• длительная работа двигателя на холостых оборотах (перегрев);
• неисправность кислородных датчиков.

Альтернативные виды катализаторов

Исследования в области снижения концентрации вредных веществ в отработанных газах продолжаются, и ученые ищут все новые и новые способы решения проблем загрязнения окружающей среды. На сегодняшний день существует два вида катализаторов, представляющих альтернативу классической конструкции: химический и магнитострикционный.

Химические катализаторы (анамегаторы) – это, попросту, специальные присадки, добавляемые в топливо для улучшения процесса его сгорания и снижения детонации. Действие анамегатора имеет две стадии. На первой из них происходит холоднопламенное окисление, сопровождающееся образованием значительного количества перекисей при впуске топливной смеси в цилиндры и соприкосновения с горячими деталями. Вторая стадия – воспламенение (взрыв) смеси с более интенсивным выделением тепла.

Другими словами, химический катализатор заставляет молекулы углерода легче вступать в окислительную реакцию, в результате чего горение смеси происходит с большей энергоотдачей. Мощность двигателя при этом увеличивается, а расход топлива и количество несгоревших углеводородов в выхлопе снижается.

Магнитострикционный катализатор – это новшество, лежащее в основе экологической безопасности автомобилей будущего. История этого изобретения начинается в 70-х годах прошлого столетия, но на протяжении более 40 лет, оно так и не нашло широкого применения из-за низкой стабилизации процесса.

Суть магнитострикционного катализатора заключается в специальной обработке молекул углерода прямо в топливопроводе или перед форсунками (для дизельных двигателей), не изменяя химический состав топлива. Каждая обработанная молекула способна присоединить к себе больше молекул кислорода, что существенно отражается на энергоемкости воспламенения смеси.

Замена катализатора на пламегаситель: плюсы и минусы

Очевидно, что устанавливая пламегаситель вместо катализатора, нельзя говорить о полноценной замене одного узла другим. В первую очередь, установка пламегасительного оборудования вместо катализаторов скажется на количестве выбросов.

Установка пламегасителя поможет стабилизировать выхлопную систему, снизит температуру выхлопных газов, но не решит проблему. С другой стороны, пламегасители дешевле новых катализаторов, и с точки зрения экономии бюджета это почти идеальный способ отладить выхлопную систему.

Одним из компромиссных решений будет — найти и установить универсальный катализатор. Стоимость таких элементов в несколько раз дешевле оригинальных, но так же обеспечит штатную работу двигателя, с соблюдением экологических норм. Вероятно, все-таки придется адаптировать прошивку под новый выхлоп и подвергнуть проверке работу всего выхлопа.

Универсальный катализатор имеет один недостаток: отсутствие гарантии, потому что эксплуатация зависит от внешних факторов. Долговечность у него 60-80 тыс.км, но не редко ломаются раньше, из-за сбоя в системе зажигания или в работе двигателя.Пламегаситель не фильтрует выхлопные газы, загрязняя атмосферу. Осложняет прохождение техосмотра.

При установке универсального катализатора есть только один недостаток. Универсальный катализатор, как и оригинальный очень зависит от внешних факторов. Поэтому дать на него полноценную гарантию невозможно. Обычно они служат 60-80 т.км, но могут выйти из строя и раньше, если произойдет сбой в системе зажигания или в системе работы двигателя.

ВЫВОД: Предпочтительней ставить универсальный катализатор:

• Если автомобиль младше 5-ти лет
• Если вы самостоятельно проходите техосмотр
• Если Вы не хотите загрязнять атмосферу
• Если Вы планируете выезжать за границу

В других случаях более предпочтительный вариант с пламегасителем.