Катализатор принцип работы: Каталитический нейтрализатор: устройство и принцип работы

В составе выхлопных газов автомобиля содержится довольно много токсичных веществ. Для предотвращения их попадания в атмосферу используется специальное устройство, получившее название “каталитический нейтрализатор” (более известный как “катализатор”). Он устанавливается на автомобилях, оснащенных двигателями внутреннего сгорания, работающих как на бензине, так и на дизельном топливе. Зная принцип работы катализатора, вы сможете понять важность его работы и оценить последствия, которые может вызвать его удаление.

Конструкция и функции каталитического нейтрализатора

Устройство каталитического нейтрализатора

Нейтрализатор является частью системы выхлопа. Он располагается сразу за выпускным коллектором двигателя. Катализатор состоит из:

• Металлический корпус (монтажный мат), имеющий входной и выходной патрубки.
• Керамический блок (монолит). Представляет собой пористую структуру с множеством ячеек, которые увеличивают площадь соприкосновения выхлопных газов с рабочей поверхностью.
• Каталитический слой – специальное напыление на поверхностях ячеек керамического блока, состоящее из платины, палладия и родия. В последних моделях для напыления иногда используется золото – драгоценный металл, который имеет более низкую стоимость.
• Металлический кожух. Выполняет функции теплоизоляции и защиты катализатора от механических повреждений.

Главная функция каталитического нейтрализатора – это нейтрализация трех основных токсических компонентов отработавших газов, поэтому он получил свое название – трехкомпонентный. Вот эти нейтрализуемые компоненты:

• Окислы азота NOx – компонент смога, причина кислотных дождей, ядовиты для человека.
• Угарный газ СО – смертельно опасен для человека при концентрации в воздухе от 0,1%.
• Углеводороды CH – компонент смога, отдельные соединения канцерогены.

Принцип действия катализатора

На практике трехкомпонентный каталитический нейтрализатор имеет следующий принцип действия:

• Выхлопные газы из двигателя попадают внутрь керамических блоков, где проникают в ячейки, полностью заполняя их.
• Металлы-катализаторы палладий и платина провоцируют реакцию окисления, в результате которой несгоревшие углеводороды СН преобразуются в водяной пар, а угарный газ СО в углекислый.
• Восстановительный металл-катализатор родий преобразует NOx (оксид азота) в обычный безвредный азот.
• В атмосферу выпускаются очищенные отработавшие газы.

Если в автомобиле установлен дизельный двигатель, то возле катализатора всегда находится сажевый фильтр. Иногда эти два элемента могут быть совмещены в единую конструкцию.

Рабочая температура катализатора играет решающую роль в эффективности процесса нейтрализации токсичных компонентов. Реальное преобразование начинается только после достижения 300°С. Идеальной, с точки зрения эффективности и срока службы, считается температура от 400 до 800°С. В диапазоне температур от 800 до 1000°С наблюдается ускоренное старение нейтрализатора. Длительная работа при температуре свыше 1000°С оказывает губительное воздействие на катализатор. Альтернативой керамике, выдерживающей высокие температуры, является металлическая матрица из гофрированной фольги. Катализаторами в такой конструкции выступают платина и палладий.

Срок службы катализатора

Разрушение керамического блока катализатора

Средний ресурс катализатора составляет 100 тыс. километров пробега, но при правильной эксплуатации он может исправно функционировать и до 200 тыс. километров. Основные причины раннего износа – неисправность двигателя и качество топлива (топливовоздушной смеси). При наличии обедненной смеси происходит перегрев, а при слишком богатой возникает засорение пористого блока остатками несгоревшего топлива, что препятствует протеканию необходимых химических процессов. Это приводит к тому, что срок службы каталитического нейтрализатора существенно снижается.

Еще одной распространенной причиной неисправности керамического катализатора являются механические повреждения (трещины), возникающие при механических воздействиях. Они провоцируют быстрое разрушение блоков.

При возникновении неисправностей работа каталитического нейтрализатора ухудшается, что фиксируется при помощи второго лямбда-зонда. В этом случае электронный блок управления сообщит о неисправности, выдав на приборной панели ошибку «CHECK ENGINE». Также признаками выхода из строя являются дребезжание, увеличение расхода топлива и ухудшение динамики. В этом случае его меняют на новый (оригинального производства или универсальный). Почистить или восстановить катализаторы невозможно, а поскольку это устройство имеет высокую цену, многие автомобилисты предпочитают просто удалить его.

Можно ли удалить катализатор

При удалении катализатора его очень часто заменяют на пламегаситель. Последний выравнивает поток выхлопных газов. Его установка рекомендуется для устранения неприятных шумов, которые возникают при удалении катализатора. При этом, если вы выбрали именно удаление, лучше полностью снять устройство и не прибегать к рекомендациям некоторых автомобилистов пробить в нем отверстие. Подобная процедура улучшит ситуацию только на время.

В автомобилях, соответствующих экологическим стандартам Евро-3, помимо удаления катализатора необходима перепрошивка электронного блока управления. Ее обновляют до версии, в которой отсутствует каталитический нейтрализатор. Также можно установить эмулятор сигнала кислородного датчика, который избавит от необходимости перепрошивать ЭБУ.

Наилучшим решением при поломке каталитического нейтрализатора будет его замена на оригинальную деталь в специализированном сервисе. Таким образом будет исключено вмешательство в конструкцию автомобиля, а его экологический класс будет соответствовать заявленному производителем.

Общая информация о катализаторах

Катализатор — это элемент выхлопной системы. Он выполняет две задачи:

1. Окисление выхлопных газов с целью снижения содержания вредных для экологии примесей
2. Создание противодавления в выхлопной системе

Устройство катализатора и его разновидности

Существуют три вида катализаторов, разделяющихся по принципу работы:

• Фильтрующий (катализатор дожигания)
• Химический
• Магнитно-стрикционный (МСК)

В данной статье мы рассмотрим самый известный и популярный вид катализатора — катализатор дожигания.

Катализатор дожигания, в свою очередь, делится на два типа:

— Керамический катализатор

— Металлический катализатор

Внутренняя структура катализатора представляет собой соты, выполненные из керамики или металла. По функциональности они идентичны, но катализатор из металла более надежен, тогда как керамические соты довольно хрупки. Стоит металлический катализатор дороже керамического.

На соты наносится тонкий слой платино-иридиевого сплава, который и обеспечивает окисление выхлопных газов. Платина и иридий – дорогие металлы, отсюда такая высокая стоимость катализатора.

Сам катализатор помещается в корпус из нержавеющей стали.

Принцип работы катализатора

Выхлопные газы представляют собой смесь NO (оксид азота), CH (углеводород), CO (оксид углерода – угарный газ). Эти газы опасны как для окружающей среды, так и для самого человека. Смог, который еще недавно был визитной карточкой больших городов, образуется из-за взаимодействия этих и некоторых других соединений, в результате получается вредная для человека дымовая завеса.

Принцип работы катализатора основан на том, чтобы эти элементы до-окислять путем каталитической реакции между элементами газов и сплава катализатора, в результате на выходе получаются либо более низкие концентрации вредных веществ, либо чистые кислород и углекислый газ.

Реакция происходит из-за высокой температуры выхлопных газов (выше 300 градусов). Чем выше температура, тем быстрее протекает реакция. Температура выхлопных газов во многом зависит от заправляемого топлива. Топливо низкого качества может выдавать очень большую температуру отработанных газов, что уменьшает срок службы катализатора.

Стандарты

Экологическая политика привела к появлению норм содержания вредных веществ в выхлопных газах. В зависимости от конкретного стандарта, топливо и катализаторы разделяются по своему качеству (соответствию стандартам).

На данный момент существует 6 стандартов, принятых в Евросоюзе – Евро-1, Евро-2, Евро-3, Евро-4, Евро-5, Евро-6. Евро-6 ввели в 2013 году, тогда как в России максимальным стандартом на данный момент является Евро-5.

Сейчас в России введен закон на запрет эксплуатации транспортных средств со стандартом ниже Евро-3.

Стандарт Евро-3:

оксид углерода (CO) — не более 2,3г/км (грамм на километр пути)
углеводороды (СН) — не более 0,2 г/км
оксиды азота (NO) — не более 0,15 г/км

Выхлопная система

На современных машинах обычно ставится минимум два катализатора, один из которых ставится прямо на выпускной коллектор (катколлектор).

Для нормальной работы катализатора нужно обеспечить постоянное оптимальное соотношение воздуха и топлива в рабочей смеси, поступающей в камеру сгорания.

Этот параметр (количество кислорода) измеряется датчиком лямбда-зонд, который подает сигнал в блок управления, а тот, в свою очередь, соответствующим образом регулирует подачу топлива в двигатель.

После первого катализатора стоит второй лямбда-зонд, который регистрирует изменение содержания кислорода в выхлопе. Если разницы нет или она ниже допустимого значения, подается сигнал о неисправности катализатора.

После второго лямбда-зонда ставится второй катализатор, который располагается примерно под ногами человека на переднем сидении.

Если установлено 4 катализатора, то два других (нижних) располагаются на некотором отдалении от верхних катализаторов. Если из строя выходит один катализатор, то меняют как минимум два верхних, в противном случае возникает неправильное противодавление.

Из-за чего катализатор выходит из строя

Катализатор это фильтр, а фильтры со временем приходится менять.

Существует несколько причин неисправности катализатора.

1. Истек срок службы. В процесс работы катализатор забивается и превращается в пробку. В таком случае машина начинает «тупить», уменьшается мощность работы. Обычно катализатора хватает на 100-120 тысяч километров пробега. После этого катализатор необходимо менять.

2. Стерся платино-иридиевый слой катализатора. В принципе, забившийся катализатор возможно почистить, однако со временем каталитический сплав стирается и чистка становится абсолютно бесполезным занятием.

3. Керамический слой катализатора разрушился. Это либо вторая стадия после «забивки» катализатора, либо наличие чисто механических повреждений типа ударов. Такое чаще всего происходит у автомобилей, предназначенных для загородной езды. В этом случае частички керамики попадают в двигатель и нарушают его работу. Если это запустить, то можно дойти до капитального ремонта или замены двигателя. Если вы слышите странный треск и дребезжание под ногами, это может говорить в пользу разрушения катализатора.

4. Фильтрующая структура катализатора оплавилась. Это происходит, если температура выхлопных газов превышает допустимый порог. В норме катализаторы выдерживают температуру от 300 до 900 градусов. Причина заключается в некачественном топливе. Оплавленный катализатор так же превращается в пробку.

Как правило, при неисправном катализаторе вы увидите сигнал «Check Engine» или при сканировании – код ошибки P0420. Однако, для точного определения причин проблемы необходимо провести диагностику катализатора.

Что делать и кто виноват

Кто или что несет вину за сломанный катализатор – мы уже узнали выше. Возникает вопрос – что делать дальше?

В первую очередь, необходимо провести диагностику выхлопной системы. Если катализатор вышел из строя, вам предложат его заменить на новый. Вышедший из строя катализатор ремонту не подлежит.

Есть и другой вариант, более дешевый – вы убираете катализатор и ставите на его место пламегаситель. Пламегаситель не фильтрует выхлоп, но зато выполняет вторую функцию катализатора – разбивает поток газов, снижая, тем самым, нагрузку на резонатор. Ставить прямую трубу не рекомендуется — либо катализатор, либо пламегаситель.

Если вы решили поставить пламегаситель, то второй лямбда-зонд будет постоянно подавать сигнал ошибки, что довольно сильно раздражает. Но есть способ его обмануть. Здесь либо вам ставят механический контроллер лямбда-зонда, либо программный.

Механический контроллер представляет собой втулку. Втулка вставляется в выхлопную трубу, а лямбда-зонд уже в нее. В таком случае зонд находится на расстоянии от основного потока выхлопных газов и регистрирует норму.

Программный контролер надежнее. Он подает сигнал на бортовой компьютер, соответствующий нормальной работе катализатора.

Штатный или универсальный?

Это второй выбор, с которым вы сталкиваетесь при замене катализатора. Со штатным или оригинальным катализатором все понятно – его продает ваш дилер. Обычно дилер продает катализатор вместе с коллектором, что еще больше увеличивает цену.

Универсальный катализатор намного дешевле, что является очевидным плюсом, т.к. на катализаторы не дают гарантии. Функциональность такая же, как и у штатного, только штатный предназначен специально для марки вашей машины, а универсальный катализатор необходимо подбирать. Здесь большое значение уделяется сервису, который производит замену катализатора.

Кроме того, некоторые автосервисы, например наш автосервис «Глушак», предоставляют гарантию.