Системы нейтрализации отработавших газов в выпускной системе ДВС (стр. 2 из 5)

В 1970 году в Соединенных Штатах был принят закон, в соответствии с которым уровень токсичных выхлопов автомобилей 1975 модельного года должен был быть в среднем наполовину меньше, чем у машин 1960 года выпуска: СН — на 87%, СО — на 82% и NO_х — на 24%.

Аналогичные требования были узаконены в Японии и в Европе.
Первым делом инженеры бросились совершенствовать системы питания и зажигания. Но было очевидно, что добиться столь существенного улучшения ситуации с токсичностью без применения дополнительных устройств просто невозможно.

В 1975 году на американских машинах появились первые каталитические нейтрализаторы отработавших газов — тогда еще двухкомпонентные, так называемого окислительного типа. Двухкомпонентными они назывались потому, что могли нейтрализовать только два токсичных компонента — СО и СН. Окислительными — потому, что происходившие реакции представляли из себя окисление (то есть фактически дожигание) молекул СО и СН с образованием углекислого газа СО₂ и воды Н₂О.

На американских автомобилях 1975 года появились транзисторные системы зажигания с высокой энергией искры и свечи с медным сердечником центрального электрода — это свело к минимуму пропуски зажигания и последующие вспышки несгоревшего топлива в нейтрализаторе, которые грозят оплавлением керамики.

В 1977-м к нему добавили "противоазотную" секцию, а еще через пару лет объединили все в едином корпусе, дав неправильное название "трехступенчатый" нейтрализатор. На самом деле речь идет не о ступенях, а о трех подавляемых классах вредных веществ.

К 1990 году нейтрализатор переехал вплотную к выпускному коллектору, чтобы быстрее нагреваться до рабочих температур (300ºС) – тем самым уменьшить вредные выбросы на стадии прогрева.

В 1995 году фирма ”Эмитек” разработала технологию подогрева катализатора мощным электрическим сопротивлением. Основанная на этом принципе модель катализатора ”6С” (или ”Эмикэт”) была установлена на ”БМВ-Альпина В12”.

Ну и, наконец, в 2000 году появилась цеолитовая ловушка углеводородов (СН), задерживающая их при пуске мотора и лишь после нагрева до 220°С отдающая на "съедение" готовому к работе катализатору.

Устройство и принцип действия каталитических нейтрализаторов

Современные каталитические нейтрализаторы – это трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы.

Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор представляет собой корпус из нержавеющей стали, включенный в систему выпуска до глушителя. В корпусе располагается блок носителя с многочисленными продольными порами, покрытыми тончайшим слоем вещества катализатора, которое само не вступает в химические реакции, но одним своим присутствием ускоряет их течение.

Химикам известно множество катализаторов - медь, хром, никель, палладий, родий. Но самой стойкой к воздействию сернистых соединений, которые образуются при сгорании содержащейся в бензине серы, оказалась благородная платина. На долю катализаторов приходится до 60% себестоимости устройства. Именно благодаря им происходят необходимые химические реакции – окисление монооксида углерода (СО) и несгоревших углеводородов (СН), а также сокращение количества окиси азота (NO_x). В трехкомпонентном нейтрализаторе платина и палладий вызывают окисление СО и СН, а родий ”борется” с NO_x. Кстати, родий – субпродукт при получении платины – наиболее ценный в этой троице.

Чтобы увеличить площадь контакта каталитического слоя с выхлопными газами, на поверхность сот наносится подложка толщиной 20-60 микрон с развитым микрорельефом.

Как правило, носителем в нейтрализаторе служит спецкерамика - монолит со множеством продольных сот-ячеек, на которые нанесена специальная шероховатая подложка (рис.1). Это позволяет максимально увеличить эффективную площадь контакта каталитического покрытия с выхлопными газами - до величин около 20 тыс. м². Причем вес благородных металлов, нанесенных на подложку на этой огромной площади, составляет всего 2-3 грамма!!! Керамика сделана достаточно огнеупорной – выдерживает температуру до 800-850 ºС. Но все равно при неисправности системы питания и длительной работе на переобогащенной рабочей смеси монолит может не выдержать и оплавиться - и тогда каталитический нейтрализатор выйдет из строя. Именно поэтому так проблематично выглядит использование каталитических нейтрализаторов с керамическим носителем на карбюраторных двигателях.

Впрочем, все шире в качестве носителей каталитического слоя используются тончайшие металлические соты (рис.2). Это позволяет увеличить площадь рабочей поверхности, получить меньшее противодавление, ускорить разогрев каталитического нейтрализатора до рабочей температуры и, главное, расширить температурный диапазон до 1000-1050ºС. Соты нейтрализаторов Metalit, изображенного на рисунке 2, сделаны из тонкостенного (толщиной всего 0,04 мм, а не 0,15 мм, как у керамики) листа хромоалюминиевой стали, для лучшей адгезии каталитического слоя легированной редкоземельным металлом иттрием. Такой нейтрализатор выдерживает пиковые температуры до 1300ºС.

Делают это на Западе, конечно же, не для применения карбюраторов - там они почти забыты. Просто с появлением современных двигателей, работающих на переобедненных смесях, растут требования и к каталитическим нейтрализаторам - они должны выдерживать более жесткие условия, которые керамике уже не по зубам.

Упрощенно ход реакций в нейтрализаторе выглядит так:

CH+O₂ -> CO₂+H₂O; NO+CO -> N₂+CO₂;

CO+O₂ -> CO₂; NO+H₂ -> N₂+H₂O.

В результате токсичные соединения CO, CH и NO_x окисляются или восстанавливаются до углекислого газа СО₂, азота N₂ и воды Н₂О (рис.3).

Широкое использование нейтрализаторов «взорвало» мировой рынок благородных металлов: 35% потребляемой платины, 45% палладия, 90% родия идет в автомобильные выпускные системы.

Разогрев каталитического нейтрализатора

На первый взгляд может показаться, что установка катализатора решает все экологические проблемы. Однако, температура, при которой катализатор начинает действовать (температура активации), находится в пределах 250–350°С. Время же, необходимое для разогрева, может достигать нескольких минут и зависит от типа автомобиля, способа его эксплуатации и температуры воздуха. Холодный катализатор практически неэффективен – следовательно, необходимо уменьшить время достижения температуры активации.

К 1995 году фирма ”Эмитек” разработала технологию подогрева катализатора мощным электрическим сопротивлением. Основанная на этом принципе модель катализатора ”6С” (или ”Эмикэт”) была установлена на ”БМВ-Альпина В12”. Подогреватель на металлической опоре крепится внутри катализатора (рис.4); его мощность – от 0,5 до 2, иногда 4 кВт, в зависимости от величины сопротивления (от 0,05 до 0,35 Ом). Для примера, элемент в 1,5 кВт разогревает катализатор до 400°С за 10 секунд.

Компания ЭCИA пошла другим путем и предложила пусковой катализатор. Он размещается в специальном ответвлении выпускной системы, имеет меньшие, чем основной, размеры и, стало быть, прогревается быстрее, после чего приводит в рабочее состояние ”старшего брата”.

Чтобы снизить вредные выбросы при пуске холодного двигателя, иногда применяют также встроенный в катализатор адсорбер углеводородов. Как только рабочая температура достигнута, последние ”освобождаются” и окисляются самим катализатором. Среди подобных устройств можно назвать нейтрализатор ”Эдкэт” фирмы ”Делфай” или ”Пума” фирмы ”Корнинг”.

Обратная связь

Трехкомпонентный нейтрализатор наиболее эффективен при определенном составе отработавших газов (рис.5). Это значит, что нужно очень точно выдерживать состав горючей смеси возле так называемого стехиометрического отношения воздух/топливо, значение которого лежит в узких пределах 14,5 — 14,7. Если горючая смесь будет богаче, то упадет эффективность нейтрализации СО и СН, если беднее — NO_X.

Поддерживать стехиометрический состав горючей смеси можно было только одним способом — управлять смесеобразованием, немедленно получая информацию о процессе сгорания, то есть, организовав обратную связь (рис.6). Решение стало эпохальным.

В выпускной коллектор поместили специально разработанный кислородный датчик — так называемый лямбда-зонд (на Западе принято обозначать греческой буквой λ так называемый коэффициент избытка воздуха, то есть отношение стехиометрического состава смеси к текущему). Он вступает с раскаленными выхлопными газами в электрохимическую реакцию и выдает сигнал, уровень которого зависит от количества кислорода в выхлопе.

Если кислорода осталось много — значит, смесь слишком бедная, если мало — богатая. А по результатам мгновенного анализа, которым занимается электроника, можно быстро корректировать состав смеси в ту или иную сторону. Напряжение на выходе кислородного датчика принимает два уровня. Если смесь бедная, то низковольтный сигнал дает команду на обогащение топливной смеси, и наоборот.