Каталитический нейтрализатор: чудовище под днищем. Что делает автомобильный катализатор и чем может обернуться его неисправность Для чего предназначен каталитический нейтрализатор выхлопных газов

Большинство автовладельцев интересуются вопросом, что такое автомобильный катализатор и какую функцию он выполняет только после обнаружения неисправности этой детали. В предложенной статье мы постараемся доступным языком рассказать, зачем нужен катализатор в автомобиле, почему у него большая стоимость и что делать, если механизм вышел из строя.

Примерное расположения катализатора в автомобиле

Каталитический нейтрализатор (катализатор) является составной частью выхлопной системы, которая отвечает за уменьшение концентрации вредных веществ в отработанных газах. Это CH(углеводороды), NO2 и NO (оксиды азота), СО (окись углерода). Они ядовиты и входят в состав смога. Задача катализатора сначала нагреться от выхлопных газов, а затем дожигать вредные вещества и доводить выхлоп до установленных экологических норм. Внутри устройства расположена металлическая либо керамическая конструкция в виде сот. На нее сверху нанесен слой особого платиноиридиевого сплава. Сотовая конструкция необходима для увеличения площади соприкосновения выхлопных газов с плоскостью, которая имеет каталитический слой. Происходит реакция окисления CH и СО, и в результате получаются безобидные N2 и СО2.

Причины неисправности катализатора

При нормальной эксплуатации прибор чаще всего начинает неисправно работать в результате сгорания каталитического слоя. Уменьшение площади этого слоя способствует тому, что катализатор перестает качественно дожигать выхлоп и уровень выброса вредных веществ начинает увеличиваться. Когда значение станет больше показателя, установленного в блоке управления, на приборной панели загорится лампочка CHECK ENGINE. При диагностике можно будет увидеть, что хранящаяся в ЭБУ ошибка обозначает «неэффективная работа катализатора». Ресурс устройства примерно рассчитан на 100 000 км. Данные о состоянии выхлопных газов выдает специальный датчик лямбда-зонд, который расположен за катализатором.

Часто на место неисправного катализатора устанавливают пламягаситель

Неисправности в системе формирования смеси и системы зажигания также могут повлиять на преждевременный выход из строя катализатора. В таком случае соты забиваются, что не позволяет устройству полноценно окислять смесь. Также причиной возникновения неисправной может стать бензин низкого качества. Такое топливо содержит большое количество тетраэтилсвинца, который добавляют для искусственного увеличения октанового числа. Получается, что часть каталитического слоя закрывается тетраэтилсвинцом, который и нарушает исправную работу устройства.

Как поступить с неисправным катализатором

Катализатор не подлежит ремонту и его необходимо менять. Дилеры очень часто отказываются выполнять замену по гарантии. Они мотивируют это тем, что устройство вышло из строя из-за использования бензина низкого качества, и предлагают установить новую деталь. Стоимость оригинального катализатора составляет 35-150 тысяч рублей. Еще и полноценную гарантию на устройство никто не предоставляет. Почему катализатор так дорого стоит? Следует понимать, что этот прибор на современных автомобилях представляет собой сложную деталь, которая состоит из фланцевых соединений, выпускного коллектор и бака. Безусловно, такой механизм дорогой и достаточно сложный в изготовлении. Также в катализаторах присутствуют драгоценные металлы, а они сами по себе очень дорогие. Учитывая еще особые условия растаможки, и получается в итоге запредельная цена. Специализированные автомобильные мастерские предлагают несколько альтернативных вариантов при неисправности катализатора:

Неисправный катализатор не подлежит ремонту, его просто выбрасывают

1. Монтаж универсального катализатора. Такое устройство представляет собой саму бочку катализатора. Ее вваривают в выхлопную систему вместо неисправного катализатора. Заменяют именно вышедшую из строя часть, а не всю трубку. Это более правильный и выгодный вариант, который будет стоить от 10 до 16 тысяч рублей, в зависимости от необходимых размеров и характеристик.
2. Установка пламегасителя. В таком случае катализатор полностью демонтируется из системы. Вместо него устанавливают предварительный резонатор (пламегаситель). При этом он не очищает отработанные газы. Устройство стабилизирует выхлопной поток и убирает нежелательные посторонние звуки.
3. Есть еще один крайне дешевый, но не экологичный вариант — поставить обманку лямбда зонда. Она может представлять из себя либо проставку, которая отдаляет датчик от выхлопных газов, либо небольшую схемку из конденсатора и резистора. Эта схемка искажает показания с кислородного датчика таким образом, что блок управления видит идеально чистый выхлоп, при этом с самим катализатором можно сделать что угодно, его даже может не быть вовсе.

Как работает двигатель без катализатора

Лямбда-зонд (кислородный датчик) необходим для определения концентрации кислорода в выхлопных газах. Эффективная работа двигателя внутреннего сгорания обеспечивается за счет поддержания стабильного соотношения топлива и воздуха в системе. Это возможно благодаря использованию кислородного датчика, который находится в выпуске. Процесс контроля содержания кислорода в выхлопах называется лямбда-регулирование. Часто установлено два датчика: перед нейтрализатором и за ним. Датчик, установленный перед катализатором задает оптимальное соотношение топлива и воздуха для эффективной работы двигателя.

Система катализатора с двумя лямбда-датчиками

Среди автолюбителей бытует мнение, что датчик, установленный после катализатора, нужен только для определения неисправности катализатора. Это действительно так, но что будет, если убрать катализатор, и как на это отреагирует блок управления? Представим ситуацию, что катализатор пришлось демонтировать. В таком случае второй датчик обнаружит неисправность и автоматически начнет уменьшать температуру в камере сгорания. Выполнить такую операцию система может только за счет добавления топлива. В итоге смесь получается обогащенной, мощность двигателя снижается, а расход топлива увеличивается. Иными словами, блок управления начинает работать в некотором аварийном режиме и готовить соответствующую усредненную смесь, лишь бы двигатель работал, не пытаясь выставить оптимальный режим подачи топлива.

Существует возможность предотвратить излишний расход горючего путем возвращения работы двигателя из аварийного режима в нормальное состояние. Неисправный катализатор следует заменить и перепрограммировать электронный блок управления в режим ЕВРО2. Ну или как уже говорилось можно поставить специальную обманку на второй кислородный датчик.

Каталитический нейтрализатор (обиходное название – катализатор) в составе выпускной системы предназначен для снижения выброса вредных веществ в атмосферу с отработавшими газами за счет их преобразования в безвредные компоненты. Каталитический нейтрализатор применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях.

Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор

Применяется в бензиновых двигателях, работающих на стехиометрическом составе смеси (смесь обеспечивает полное сгорание топлива). Конструкция трехкомпонентного каталитического нейтрализатора включает блок-носитель, теплоизоляцию и корпус.

Основным элементом каталитического нейтрализатора является блок-носитель, который служит основанием для катализаторов. Блок-носитель изготавливается из специальной огнеупорной керамики. Конструктивно блок-носитель состоит из множества продольных сот-ячеек, которые значительно увеличивают площадь соприкосновения с отработавшими газами.

На поверхность сот-ячеек тонким слоем наносятся вещества-катализаторы, которые включают три компонента: платину, палладий и родий. Катализаторы ускоряют протекание химических реакций в нейтрализаторе.

Платина и палладий относятся к окислительным катализаторам. Они способствуют окислению несгоревших углеводородов (СН) в водяной пар, оксида углерода (угарный газ, СО) в углекислый газ. Родий является восстановительным катализатором. Он восстанавливает оксиды азота (NOx) в безвредный азот. Таким образом, три катализатора снижают содержание в отработавших газах трех вредных веществ.

Блок-носитель помещается в металлический корпус. Между ними обычно располагается слой теплоизоляции. В корпусе нейтрализатора устанавливается кислородный датчик .

Условием начала работы каталитического нейтрализатора, является достижение температуры 300°С. Идеальный температурный промежуток от 400 до 800°С. При этой температуре задерживается 90% вредных веществ. Температура свыше 800°С вызывает спекание металлов-катализаторов и сот-ячеек блока-носителя.

Каталитический нейтрализатор обычно устанавливается непосредственно за выпускным коллектором или перед глушителем. Первая схема установки нейтрализатора способствует его быстрому прогреву, но затем устройство подвергается большим тепловым нагрузкам. Во втором случае требуются дополнительные мероприятия для быстрого прогрева нейтрализатора, повышающие температуру отработавших газов:

• регулирование момента зажигания в сторону запаздывания;
• увеличение оборотов холостого хода;
• регулирование фаз газораспределения;
• несколько впрысков топлива за один такт;
• подача воздуха в выпускную систему.

Для повышения эффективности применяется схема установки трехкомпонентного каталитического катализатора, разделенного на две части: первичный нейтрализатор (располагается за выпускным коллектором), главный нейтрализатор (располагается под днищем автомобиля).

Каталитический нейтрализатор дизельного двигателя

Катализатор дизельного двигателя (diesel oxidation catalyst, DOC) обеспечивает окисление отдельных компонентов отработавших газов кислородом, который в достаточном количестве присутствует в выхлопе дизеля.

При прохождении через каталитический нейтрализатор вредные вещества (оксид углерода, углеводороды) окисляются до безобидных продуктов (углекислого газа и водяного пара). Кроме этого, катализатор почти полностью устраняет неприятный запах отработавших газов дизеля.

Окислительные реакции в катализаторе также создают и нежелательные продукты. Так, диоксид серы окисляется до триоксида серы с последующим образованием серной кислоты. Газообразная серная кислота соединяется с молекулами воды, в результате которого образуются твердые частицы – сульфаты. Они накапливаются в нейтрализаторе и снижают его работоспособность.

Для удаления сульфатов из нейтрализатора система управления двигателем запускает процесс десульфатации, при котором каталитический нейтрализатор нагревается до температуры свыше 650°С и продувается богатыми отработавшими газами (с недостатком воздуха, вплоть до его полного отсутствия).

Каталитический нейтрализатор дизельного двигателя не используется для снижения выбросов оксидов азота в отработавших газах. Эту функцию в дизельном двигателе выполняет система рециркуляции отработавших газов или более продвинутая

Нейтрализатор отработанных газов предназначен для нейтрализации вредных веществ, находящихся в отработанных газах выпускной системы.

Принцип работы

Постоянные усилия разработчиков по улучшению процессов сгорания, оптимизации управления системами двигателя достигли определённой точки, при которой требовались новые методы и способы для уменьшения выбросов вредных веществ в атмосферу многочисленными автомобилями. Разработаны и применяются т.н. нейтрализаторы отработанных газов, которые устанавливаются в выпускной системе. В настоящее время используются нейтрализаторы нескольких типов:

• каталитические;
• термические;
• накопительные;
• и др.

В каталитических процесс нейтрализации интенсифицируется за счёт применения катализаторов, а в термических — за счёт высокой температуры с добавлением воздуха к отработанным газам.

Каталитические нейтрализаторы

Каталитические нейтрализаторы называют окислительными, т.к. они предназначены для окисления СО и СН, находящихся в отработанных газах. За короткое время, пока газы проходят через нейтрализатор, все реакции должны завершиться при температуре 250 — 800 град.

При температуре менее 250 град, эффективность нейтрализатора мала, а при температуре выше 1 000 гр. происходит «спекание» мелких кристаллов платины и разрушение активной поверхности, т.е. дезактивация нейтрализатора.

Рис. Окислительный нейтрализатор

На рисунке представлена конструкция каталитического нейтрализатора. 1 — керамическая пористая основа с нанесённым покрытием из платины и родия, 2 — изоляционные и теплоотводящие компоненты, 3 — датчик содержания кислорода в отработанных газах. Дезактивация катализатора особенно велика в первые 20 тыс.км. Особенно быстро дезактивация наступает при использовании этилированного бензина. Повторим, что рабочая температура в нейтрализаторе 400-700 гр., поэтому для быстрого прогрева и эффективной работы нейтрализатор располагают ближе к выпускному коллектору. Такое расположение является положительным фактором при холодном пуске и прогреве двигателя — нейтрализатор быстрее начинает работать, но при этом повышается его эксплуатационная температура, а это может способствовать дезактивации катализатора.

Блок-носитель каталитического нейтрализатора делают из керамики сотовой структуры, гофрированной фольги из нержавеющей стали или в виде сферических гранул из оксида алюминия, которые укладывают в металлический цилиндр, закрытый по торцам сетками. На поверхность носителя наносится каталитический материал и помещают внутрь корпуса из нержавеющей жаропрочной стали. Между блоком-носителем и корпусом ставится терморасширяющаяся прокладка. Для уменьшения вибрационных нагрузок нейтрализатор присоединяется шарнирными соединениями или компенсаторами колебаний.

Рис. Эффективная зона работы нейтрализатора

На рисунке показана зона эффективной работы нейтрализатора. Заштрихованная область — зона «стехиометрической» смеси, по оси абсцисс (В) отображено отношение «воздух-топливо», по оси ординат (А)-эффективность работы нейтрализатора.

В зоне «богатых» смесей — от 10 до 14,6 преобладают высокие концентрации оксида азота(NОх) и низкие СО и СН. Нейтрализаторы, преобразующие СО, СН, N0, называют трёхкомпонентными или бифункциональными. Для нейтрализации смеси оксида азота, получающегося в процессе сгорания смеси, используются реакции его восстановления до азота N2 и аммиака NH3. В материалах, служащих катализатором при нейтрализации вредных веществ, используются платина, палладий, родий и др.

Трёхкомпонентные нейтрализаторы являются окислительными и восстановительными. В связи с тем, что состав вредных веществ резко меняется в зависимости от «обогащения» или «обеднения» топливовоздушной смеси, необходимо поддерживать работу двигателя в районе «стехиометрической» смеси.

Для выполнения такой задачи используется электронное управление работой двигателя с системой обратной связи (замкнутая система). Датчики, обеспечивающие работу обратной связи, называются: лямбда зондами (отношение «воздух-топливо») и устанавливаются до и после нейтрализатора, а также термометры газов в зоне процессов нейтрализации и окисления вредных веществ.

Термические нейтрализаторы

Термические нейтрализаторы представляют собой камеру, в которой при высокой температуре окисляются СО и СН. При работе двигателя на обогащенной смеси, требуется подача воздуха перед нейтрализатором. При работе на обеднённой смеси температура будет не высокой и требуется дополнительный прогрев нейтрализатора. Термический нейтрализатор начинает работать при температуре 600 гр, что существенно выше, чем у каталитических нейтрализаторов. Кроме этих требований, нужны более прочные и жаростойкие материалы, стойкость к высокой коррозионной агрессивности. Не получили широкого распространения.

Ранее отмечалось, что нейтрализатор не работает на режимах прогрева двигателя, т.к. температура в нём не достаточно высока, кроме того, двигатель в это время работает на обогащенных смесях и в отработанных газах нет достаточного количества кислорода, необходимого для окисления СН в нейтрализаторе.

Для ускоренного прогрева нейтрализатора уменьшается угол опережения зажиганием, или электрическим подогревом нейтрализатора путём сжигания перед ним топлива в горелке, или подачи воздуха в, поток отработанных газов с помощью специального насоса.

Рис. Методы подогрева нейтрализатора: 1 — топливная форсунка, 2 — нейтрализатор, 3 — свеча для поджигания смеси, 4 — воздушный насос

В некоторых системах используют «стартовый» нейтрализатор, который устанавливается перед или параллельно основному При параллельном расположении весь поток отработанных газов направляется в стартовый нейтрализатор, который быстро прогревается и начинает эффективно работать.

После прогрева двигателя поворотом заслонки поток газов направляется в основной нейтрализатор. На рисунке приведена одна из схем построения системы с параллельным и основным нейтрализаторами.

Рис. Система со стартовым нейтрализатором: 1 — двигатель, 2 — стартовый нейтрализатор, 3 — глушитель, 4 — основной нейтрализатор, 5 — кислородный датчик (лямбда-зонд), 6 — заслонка

При очистке отработанных газах дизельных двигателей внимание уделяется сокращению содержания твёрдых частиц и оксидов азота (NOx). Приведём краткое описание некоторых способов очистки ОГ, применяемых в дизельных двигателях.

Фильтр твёрдых частиц используется для сбора и их дальнейшей регенерации. Используется с окислительным нейтрализатором. Перед и после нейтрализатора и фильтра твёрдых частиц устанавливаются датчики давления и температуры, по которым косвенным способом определяется загрязнение элементов. Далее ЭБУ двигателем переводит работу двигателя на разные режимы для запуска системы регенерации твёрдых частиц.

Накопительный нейтрализатор NOx

Накопительный нейтрализатор NOx собирает на своей поверхности оксиды азота, а затем конвертирует их в азот (N2). При холодном пуске отработанные газы нагреваются для сокращения количества NOx. ЭБУ двигателем периодически обогащает, а затем обедняет рабочую смесь и, тем самым, создаёт условия для разложения оксидов азота.

Расположение

После выпускного коллектора сразу в подкапотном пространстве или под днищем автомобиля. Обычно снизу дополнительно защищен металлической сетчатой пластиной.

Неисправности

Засоряется от некачественных (или несгоревших) топлив и масел. Разрушается при уларах. Обычно двигатель не запускается при правильности всех параметров, т.к. отработанным газам некуда выходить — выпускная система забита.

Методика проверки

Если возникли подозрения на неисправность нейтрализатора, необходимо проверить давление газов перед нейтрализатором. Холостой ход — не более 0,9 bar и режим нагрузок (примерно 3000 оборотов) не более 2,5 bar. Если нет измерительного манометра — просто выкрутить кислородный датчик для выпуска отработанных газов. Если двигатель запустился, значит нейтрализатор «забит». Признаком неисправности нейтрализатора служат раскалённые газы, идущие из выпускной системы; перегрев двигателя и «хлопки» во впускной коллектор.

Ремонт

Нейтрализатор отработанных газов ремонту не подлежит. Пробивать отверстие в нейтрализаторе нельзя, можно разрезать и удалить все внутренности, что не приветствуется по причине нарушения экологических норм выброса отравляющих веществ. Лучше заменить на новый, как обычный сменный элемент со своим сроком службы (примерно 150 тыс.км.).