Так нужен ли катализатор в автомобиле?
Что такое каталитический нейтрализатор в выхлопной системе, и зачем он нужен, большинство автовладельцев узнаёт или вспоминает лишь после объявления мастера в автосервисе о сдохшем катализаторе. Насколько это опасно, можно ли с этой неисправностью бороться, и насколько это сложно?
Официальное название катализатора длинное, но смысл этой детали в нейтрализации вредных компонентов в выхлопных автомобильных газах. Катализатор является деталью выхлопной системы автомобиля, и отвечает за устранение из выбрасываемых газов опасных для окружающей среды и здоровья человека веществ.
Это не до конца прогоревшие углеводороды, угарный газ, оксид азота, сажа и так далее. Проходя через катализатор, эти вещества дополнительно дожигаются до состояния менее вредных веществ. Получаются азот (самое большое содержание в воздухе), вода и углекислый газ. Преобразование вредных веществ происходит благодаря специальным металлам-катализаторам: Pd и Ra. Также в дорогих моделях катализаторов используется платина (Pt).
Химическая реакция преобразования возникает во время прохождения выхлопных газов через мелкоячеистые своеобразные соты, выполненные из металла или керамики. Соты покрыты катализаторами, то есть редкоземельными металлами, которые и провоцируют реакцию.
Причины выхода из строя
Следует уяснить, что катализатор, сколько бы он ни стоил (а стоит он весьма недёшево), это расходник, и время жизни у него не очень продолжительное. Даже лучшие модели редко переживают пробег автомобиля в 120 тысяч. Но это не потому, что расходуются редкоземельные металлы, просто конструкция детали слишком хрупкая, и керамические соты довольно быстро разрушаются от езды по плохим дорогам. Катализатор банально не выдерживает тряски, тончайшие стенки сот начинают трескаться, постепенно откалываясь.
Также причиной выхода из строя катализатора могут служить неисправности в смазочной системе, проблемы с зажиганием, поршневой группой. Не до конца сгоревшее топливо со шлаками попадает прямо в катализатор, наглухо запечатывая все соты. Идентичный эффект получается, если водитель любит жать на педаль газа без надобности в любой ситуации. Так сказать, любитель порычать.
Всё было бы не так страшно, ну больше не нейтрализует вредные вещества, мало ли, кто за этим следит, если бы забытый или разрушенный катализатор не затруднял выход отработанных газов из двигателя. Последний заметно теряет мощность, начинаются проблемы с загазованностью салона и прочее. Как же поступить в случае поломки катализатора?
Заменить или удалить?
Безусловно, правильным вариантом будет замена катализатора на новый, однако это и самый дорогостоящий вариант. Качественный катализатор сейчас стоит около пятидесяти тысяч рублей. Можно приобрести и установить недорогой неоригинальный катализатор, китайский универсальный.
Это обойдётся примерно в десять тысяч рублей, и будет соответствовать действующим в стране экологическим нормам. Но не всем подъёмна и такая сумма, в этом случае катализатор можно попросту удалить, и вварить в тракт пустой пламегаситель (резонатор). Только обязательно нужно поправить программу блока управления движком, чтобы датчики не бомбардировали бортовой компьютер машины сообщениями о неисправности катализатора.
Что такое катализатор и как это работает
На протяжении многих лет авто производители создают много усовершенствований в автомобильных двигателях и топливных системах, чтобы идти в ногу со временем и, безусловно, с законами, направленными на улучшение экологической ситуации на фоне выбросов автомобилей. Одно из кардинальных таких усовершенствований произошло в 1975 году с интересным устройством под названием катализатор. По сути работа катализатора заключается в преобразовании вредных веществ в менее вредные выбросы, прежде чем они покинут выхлопную систему автомобиля.
howcarworks.ru/sites/defa…_203815.jpg?itok=kxrMp1JZ
Катализатор — это удивительно простое устройство, однако, оно оказывает невероятно большое влияние на экологию нашей планеты. В этой статье Вы узнаете, какие загрязняющие вещества производятся двигателем, что такое катализатор и как катализатор работает, имея дело с каждым из этих загрязняющих веществ, чтобы помочь уменьшить выбросы из транспортных средств.
Какие загрязнения производит автомобиль?
В целях сокращения выбросов, современные автомобильные двигатели тщательно контролируют количество сгораемого в нём топлива. Они пытаются сохранить соотношение воздух-топливо очень близким к стехиометрической точке, которая является идеальным соотношением воздуха к топливу. Теоретически, при таком соотношении, всё топливо будет сожжено, используя весь кислород из поглощаемого воздуха. Для бензина стехиометрическая точка составляет около 14.7:1 — это означает, что на каждый литр бензина будет сожжено 14,7 граммов воздуха. Смесь топлива на самом деле колеблется от идеального соотношения совсем немного во время работы двигателя. Иногда смесь может быть бедной (соотношение воздух-топливо выше, чем 14,7), а в других случаях смесь может быть обогащённой (соотношение воздух-топливо ниже, чем 14,7).
Основными веществами в выхлопных газах двигателя автомобиля являются:
Азот (N2) — воздух на 78 процентов состоит из газообразного азота, и большая часть этого азота проходит прямо через двигателя автомобиля и выходит, не вступив ни с чем в химическую реакцию.
Углекислый газ (CO2) — это один из продуктов сгорания бензина.
Водяной пар (H2O) — и ещё один продукт сгорания.
Эти выбросы, в основном, доброкачественные и не вредят атмосфере и экологии, хотя выбросы углекислого газа, как полагают, способствуют глобальному потеплению. Поскольку процесс сгорания никогда не совершенен, также в автомобильных двигателях производятся некоторые меньшие количества более вредных выбросов. Катализаторы предназначены как раз для снижения содержания именно этих выбросов, а, точнее, трёх самых объёмных и самых вредных:
Окиси углерода (СО) — это ядовитый газ без цвета и запаха.
Углеводородов (HC) и летучих органических соединений (ЛОС) — они являются одними из основных компонентов видимого нами дыма, который выходит при работе двигателя из выхлопной трубы автомобиля и производятся в основном из испарившегося, несгоревшего топлива.
Оксидов азота (NO и NO2, вместе называемые NOx) — они являются также «соавторами» белого дыма, а ещё оксиды азота нередко провоцируют кислотные дожди, которые вызывают раздражение слизистых оболочек человека.
Кстати, знаете ли Вы, что, согласно исследованиям, даже новые модели двигателей газонокосилок выбрасывают в воздух в 93 раза больше образующих смог выхлопов, нежели новые модели автомобилей в случае аналогично производимой работы? Это не удивительно, ведь законов, регулирующих выхлопы газонокосилок, не существует ни в России, ни во многих других странах. Тем не менее, введение таких законов только в США (именно там проводилось исследование) может снизить выбросы на эквивалент до 800 000 автомобилей в день, и это впечатляющие цифры.
Как работает катализатор?
Понятие «катализатор» пришло к нам ещё из химии школьной программы, давайте вспомним — катализатор представляет собой вещество, которое вызывает ускорение химической реакции, и при этом сам катализатор в этой реакции не участвует. Точнее, катализаторы прямо участвуют в реакции и влияют на время её течения, но не являются ни реагентом, ни продуктом реакции, которую они катализируют. В человеческом организме ферменты являются по аналогии естественным катализатором, отвечающим за многие необходимые биохимические реакции.
Вообще, каталитический нейтрализатор состоит из двух различных типов катализаторов в своей работе: катализатора восстановления и катализатора окисления. Оба типа состоят из керамической структуры, покрытой металлическим каталитиком, обычно платиной, родием и/или палладием. Идея заключается в том, чтобы создать структуру, которая предоставляет максимальную площадь поверхности катализатора в потоке выхлопных газов, а также свести к минимуму требуемое количество катализатора, поскольку материалы для него чрезвычайно дороги. Некоторые из новейших преобразователей даже начали использовать золото, смешанное с более традиционными катализаторами. Золото, кстати, стоит даже дешевле, чем другие перечисленные материалы, но может привести к увеличению окисления.
Большинство современных автомобилей оснащено трёхкомпонентными каталитическими нейтрализаторами. Это означает, что они помогают уменьшить количество выбросов трёх самых вредных веществ, перечисленных немного выше в содержимом выхлопов.
Катализатор восстановления является первым этапом каталитического нейтрализатора. Он использует платину и родий, чтобы помочь уменьшить выбросы NOx (оксидов азота). Когда молекулы NO или NO2 вступают в контакт с катализатором, то последний расщепляет его на два компонента, отщепляя атом азота из молекулы и освобождая кислород в известной нам формуле O2. Атомы азота, в свою очередь, вступают в связь с другими атомами азота, которые также производятся катализатором, образуя химический элемент N2 (абсолютно безвредная молекула азота). В виде химической формулы это можно проиллюстрировать таким образом:
2NO => N2 + О2 или 2NO2 => N2 + 2*O2
Катализатор окисления является вторым этапом каталитического нейтрализатора. Он уменьшает количество несгоревших углеводородов и окиси углерода при окислении их в катализаторе за счёт платины и палладия. Этот катализатор способствует реакции СО и углеводородов с кислородом в выхлопных газах. Например:
Как работает катализатор?
Есть два основных типа конструкций, используемых в каталитических нейтрализаторах — сотовые и керамические. Большинство автомобилей сегодня используют сотовую структуру.
Третий этап работы катализатора заключается в системе управления, которая контролирует поток выхлопных газов и использует эту информацию для управления системой впрыска топлива в двигатель. Существует кислородный датчик, установленный выше по потоку до катализатора (то есть он ближе к двигателю, чем катализатор). Этот датчик сообщает бортовому компьютеру двигателя, сколько кислорода содержится в выхлопе. Компьютер может увеличить или уменьшить количество кислорода в выхлопных газах, регулируя соотношение воздух-топливо, поступаемое в цилиндры двигателя. Эта схема управления позволяет компьютеру двигателя убедиться, что двигатель работает на близкой к стехиометрической точке, а также что в выхлопе остаётся достаточное количество кислорода, чтобы окисление катализатора позволяло сжигать несгоревшие углеводороды и окись углерода.
Каталитический нейтрализатор делает большую работу по снижению загрязнения, но он всё ещё может быть значительно улучшен. Тем не менее, одним из самых больших его недостатков является то, что он работает только при достаточно высокой температуре. Когда Вы только начинаете прогревать свой автомобиль в холодную или тёплую погоду, каталитический нейтрализатор практически ничего не делает, чтобы уменьшить загрязнение в выхлопных газах.
Есть простое решение этой проблемы, которое состоит в перемещении катализатора ближе к двигателю. Это означает, что более горячие выхлопные газы достигнут катализатора, и он нагреется быстрее, но это также может уменьшить срок службы нейтрализатора, подвергая его воздействию очень высоких температур. Большинство автопроизводителей позиционируют каталитический преобразователь под передним пассажирским сиденьем — достаточно далеко от двигателя, чтобы поддерживать температуру такого уровня, который не будет вредить ему.
howcarworks.ru/sites/defa…04221_0.jpg?itok=glWtuO0U
Также хорошим способом для сокращения выбросов является предварительный нагрев каталитического нейтрализатора. Самый простой способ для достижения такой цели заключается в использовании электрических нагревателей сопротивления. К сожалению, 12-вольтовые электрические системы на большинстве автомобилей не обеспечивают достаточно энергии или мощности для нагрева каталитического нейтрализатора достаточно быстро. Большинство людей не будут ждать несколько минут, пока каталитический нейтрализатор нагреется. А вот гибридные автомобили, которые имеют в наличии большие высоковольтные блоки батарей, могут обеспечить достаточно энергии, чтобы разогреть каталитический нейтрализатор очень быстро.
Катализаторы в дизельном двигателе работают гораздо хуже в сокращении выбросов NOx. Одной из причин этого является то, что дизельные двигатели имеют более низкую рабочую температуру, чем бензиновые двигатели, и катализатор в целом в дизельном двигателе работает хуже, поскольку он меньше нагревается. Некоторые из ведущих экспертов экологических авто придумали новую систему, которая помогает бороться с этим. Они используют мочевину в решении этой проблемы: прежде чем оксиды азота уходят в катализатор, их принудительно испаряют и смешивают с выхлопом и затем создают химическую реакцию, которая приведёт к сокращению выбросов NOx. Мочевина, также известная как карбамид, представляет собой органическое соединение, изготовленное из углерода, азота, кислорода и водорода. Мочевина содержится в моче млекопитающих и земноводных. Мочевина реагирует с NOx, производя в результате реакции азот и водяной пар и утилизируя более 90 процентов оксидов азота в выхлопных газах.
Катализатор выхлопных газов. Мифы и заблуждения.
Катализатор (не котолизатор — это совсем другое устройство и для других целей…), он же каталитический нейтрализатор, каталитический преобразователь или каталитический конвертер — это устройство в выхлопной системе автомобиля направленное на снижение токсичных выбросов в атмосферу путем восстановления оксидов азота до азота и кислорода, дожига угарного газа и несгоревших углеводородов. В химии катализатор — это вещество ускоряющее или вызывающее химическую реакцию, но само при этом на расходующееся. Такими веществами являются медь, никель, золото, палладий, родий, хром и большинство драгоценных и редких металлических элементов. Принцип работы автомобильного катализатора как раз и основан на способности веществ-катализаторов к ускорению химических реакций. Чаще всего расположен катализатор сразу после приемной трубы, однако иногда его устанавливают прямо на приемной трубе, т.н. катколлектор. Делают это для более быстрого прогрева, так как эффективно работает он только при температурах свыше 300-400С. Однако большой минус такого расположения слишком высокие температуры в рабочем режиме и неприлично маленький срок службы катализатора.
Основные вещества, присутствующие в выхлопе, являются безвредными.
Однако процесс горения не совершенен и помимо безвредных веществ при работе двигателя выделяются крайне токсичные, канцерогенные и довольно вредные для людей вещества.
углеводороды (CHx)
оксиды азота (NOx)
окись углерода (CO)
Современные катализаторы являются трехкомпонентными, т.е. оснащены тремя каталитическими преобразователями, по одному на каждое вещество, которое необходимо снизить. Трехкомпонентный катализатор представляет собой металлический корпус из нержавеющей стали, в котором находится «сотовая» керамическая конструкция или реже конструкция типа «керамические бусины». Сотовая конструкция бывает металлической или керамической и покрыта веществами-катализаторами, обычно это платина, родий или палладий (в последнее время на некоторых моделях начинают применять золото, которое что удивительно дешевле других металлов-катализаторов). Керамическая конструкция более распространена, так как дешевле в производстве, однако у такой конструкции есть большой минус — хрупкость. Достаточно небольшого удара, чтобы керамические соты треснули и осыпались. В каталитических преобразователях используются два вида катализаторов: восстанавливающий и окислительный.
Восстанавливающий катализатор использует платину и родий, чтобы уменьшить выбросы оксидов азота. Когда молекула оксида или двуокиси азота встречается с молекулами катализатора, от нее отделяется атом азота, высвобождая кислород. Атом азота же связывается с другим атомом азота, образуя газообразный азот N2.
Окислительный катализатор уменьшает количество несгоревшего топлива СН и окиси углерода СО путем их сжигания (окисления) с помощью платины и палладия. Этот катализатор также помогает оксиду углерода вступить в реакцию с несгоревшим кислородом, образуя углекислый газ. В упрощенном виде эти химические реакции выглядят следующим образом:
Вследствие этих реакций токсичные, вредные вещества CO, CHx и NOx восстанавливаются или окисляются в безвредную воду H2O, азот N2 и углекислый газ CO2.
Каталитические преобразователи дизельных двигателей плохо справляются с сокращением выбросов NOx. Одна из причин в том, что дизельные двигатели сами по себе функционируют в более низком температурном режиме, чем бензиновые, а преобразователи работают лучше при нагреве. Ведущие эксперты в области «зеленого» автомобилестроения придумали новую выхлопную систему, которая помогает исправить этот недостаток. Они впрыскивают водный раствор мочевины в выхлопную трубу до того, как газы достигнут преобразователя. При этом возникает химическая реакция, которая уменьшает количество NOx. Карбамид, также известный как мочевина — органическое соединение углерода, азота, кислорода и водорода. Его можно обнаружить в моче млекопитающих и земноводных, что и объясняет такое название. Мочевина реагирует с NOx с получением азота и водяного пара, снижая количество оксидов азота в выхлопных газах дизельных двигателей более чем на 90 процентов.
Причины выхода катализатора из строя.
Для керамических катализаторов:
-Удар, например, о камень (достаточно небольшого удара, чтобы керамические соты рассыпались).
-Попадание воды на раскаленный катализатор, например, если заехать в лужу на прогретой машине (также может привести к тому, что соты рассыпятся).
-Неисправность в системе зажигания. Если при пуске двигателя не происходит воспламенение, то топливо может попасть в приемную трубу, а затем и в катализатор и бензин может взорваться в катализаторе (что также может привести к тому, что соты рассыпятся), многократные пропуски зажигания быстро разрушают и даже оплавляют катализатор.
Для всех катализаторов:
-Некачественный (низкое октановое число, содержание смол, дизтоплива) и этилированный бензин.
-Попадание паров и частиц несгоревшего масла (зола не имеет значения) быстро забивают соты.
-Попадание в катализатор антифриза или «левых» жидкостей для промывки топливной системы.
-Переобогощенная топливно-воздушная смесь покрывает катализатор сажей и забивает его.
-Долгая работа двигателя на холостом ходу, пробочная езда, постоянные автозапуски и прогревы.
Признаки неисправного катализатора
-Автомобиль начинает «тупить», ухудшаются динамические характеристики, автомобиль перестает «тянуть», плавают обороты на холостом ходу, двигатель может не разгоняться выше определенных оборотов, катализатор может раскалиться докрасна и даже оплавиться кожух.
-Двигатель начинает «дизелить», громко и жестко работать (сильный подпор выхлопным газам).
-Характерный звон и дребезжание в районе катализатора (соты катализатора рассыпались).
-При перегазовке из выхлопа высыпается «крупа» или белая-серая пыль — частицы катализатора.
Катализаторы не подлежат ремонту, а только замене на родной, либо на универсальный аналог. Также возможна замена катализатора на пламегаситель, с ухудшением норм экологичности до Евро-0 с невозможностью въезда в города большинства цивилизованных стран.
Предпочтительней ставить универсальный катализатор:
-Если автомобиль младше 5-10 лет.
-Если вы не хотите загрязнять атмосферу.
-Если вы планируете выезжать за границу.
-Если вы самостоятельно проходите техосмотр.
-Если работа ДВС без катализатора имеет сложности.
В других случаях более предпочтителен недорогой вариант с пламегасителем и обманкой либо прошивкой.
Средний срок службы современных катколлекторов (находящихся в непосредственной близости к ДВС) около 100-150т.км., катализаторов который устанавливаются снизу авто, после «паука», не менее 250т.км. Нередки случаи жизни катализаторов более 500т.км., только у старых авто, разработки 90х годов, сейчас такое не встречается и считают за чудо, если катализатор прожил 250-300т.км. Все дело в толщине и прочности керамики — раньше не экономили…
Заблуждения и мифы по поводу катализаторов.
-Вопреки расхожим мнениям гаражных, диванных аналитегов и автомастеров, осыпающийся катализатор не может навредить двигателю, вызвать абразивный износ, даже с фазовращателями на впуске и выпуске и катколлектором. Подсос керамической пыли в двигатель попросту НЕВОЗМОЖЕН, особенно если углубиться и посмотреть диаграммы работы двигателя. Выпускные клапана на этапе впуска закрыты ВСЕГДА, когда давление в выхлопной системе превышает давление в камере сгорания. Поэтому керамическая пыль не может попасть в камеру сгорания и наделать задиров на юбках поршня и хоне цилиндров. Тем более при разборках таких двигателей (которые имеют явные задиры и разрушенный катализатор) никакие впрессованные частицы или частицы в масле или фильтрах нигде обнаружены не были. Максимум что может сделать катализатор — постепенно разрушиться и улететь в атмосферу, а вот последнее совершенно не полезно для людей, микрочастицы катализаторной пыли, попадая в легкие (вместе с сажей от дизельных двигателей и пылью выбитой шипами из асфальта) навсегда остаются там и постепенно, накапливаясь — вызывают СИЛИКОЗ, с рубцеванием и разрушением тканей легких и провоцированием развития рака. Как вам такой расклад — любители «псевдозеленых» технологий? Небольшое количество окисей азота и углеводородов покажутся просто страшилкой. Поэтому при малейших признаках разрушения — удаляйте катализатор, меняйте на пламегаситель, спасите жизни окружающих от керамической пыли.
-Вопреки все зеленеющим технологиям, при прогреве двигателя (особенно в мороз) катализатор не работает вообще, а для более быстрого прогрева комп начинает жутко богатить смесь. Адская углеводородная вонища с утра у стоянок (у некоторых богатит аж до черного коптящего дыма в самом начале прогрева — что там про безвредный выхлоп с катализатором?) от только что заведенной машины не только от того что катализатор не работает (если он еще есть…), но и от богатой смеси, предназначенной для прогрева этого самого катализатора. Выходит что авто, комп которых рассчитан на быстрый прогрев катализатора при запуске — загрязняет атмосферу гораздо сильнее, чем те, у которых катализатора нет изначально!
—Правильно рассчитанный инжекторный двигатель, с широкополосной лямбдой, а также двигатель с непосредственным впрыском в катализаторе не нуждаются совершенно. Их выхлоп в нормальных режимах работы, а также при прогреве не содержит ничего вредного (высоких температур нет — окиси азота отсутствуют, смесь чуть бедная или нормальная, поэтому СО и СН в выхлопе тоже не будет), исключая режим работы с «прогревом» катализатора. Особенно бесполезен катализатор ДВС с непосредственным впрыском, т.к. их режимы работы предполагают почти постоянное обеднение смеси с разным соотношением воздух/топливо, вредные выбросы таких двигателей — минимальны.
-Наличие катализатора в системе приводит к росту расхода топлива (при прогреве и при низких температурах — к существенному росту, т.к. катализатор греется несгоревшим топливом), снижению момента и мощности (из-за дополнительного сопротивления в выхлопе), снижению надежности всей системы в целом и добавляет дополнительных расходов на поддержание всей систем в работоспособном состоянии — дополнительные дорогие лямбда-зонды, собственно сами катализаторы, усложнение конструкции выхлопной системы, вместе с ее утяжелением. Думаю многие заметили, что чем «экологичней» автомобиль — тем он дороже…
Вместо того, чтобы правильно настраивать двигатели и исключать появления в выхлопе окисей азота, углеводородов и моноксида углерода (таких способов сейчас существует огромное количество), производители навешали болванок с керамикой, которые еще и нужно прогревать несгоревшим топливом и повышенной температурой выхлопных газов. Т.е. мы жертвуем расходом топлива и ресурсом всей системы лишь ради того, чтобы катализатор всегда был нагрет как минимум до 300-400С, чтобы он мог дожигать несгоревшее топливо, которое подается с избытком для прогрева этого самого катализатора! Идиотизм, да и только…
Т.о. катализатор выхлопных газов был бы очень полезен во времена карбюраторных двигателей с постоянно богатой смесью и плавающей стехиометрией, из-за отсутствия нормальной обратной связи. Но в современных двигателях, очень точно регулирующих смесь до десятых долей %, имеющих широкополостные лямбда-зонды, высокоточные форсунки, а то и непосредственный впрыск применение катализаторов единственное — получение сертификата Евро с все возрастающей цифрой…к сожалению, все современные «экологичные и зеленые» системы и нормы придуманы лишь для одного — извлечения прибыли, из потребителей, организаций, автопроизводителей и всех остальных…все это не борьба за экологию…это борьба ЗА БАБЛО.