Катализатор

Устройство

Каталитический нейтрализатор отработанных газов имеет корпус из нержавеющей стали, к которому сваркой присоединены впускной и выпускной конусы с патрубками и крепежными фланцами, а также теплоотражатели, удерживающие керамическую обшивку. Весь внутренний объем корпуса занят керамическим пористым монолитом, зафиксированным кольцами или сеткой из нержавеющей стали. Структура монолита похожа на обычный фильтр, но вся внутренняя и внешняя поверхность пор, контактирующих с газами, покрыта очень тонким молекулярным слоем сплава, который содержит платину, родий и палладий. Пористость монолита имеет большую площадь поверхности, покрытой этим сплавом из очень дорогих металлов, что в основном и определяет высокую цену нейтрализаторов.

Принцип работы

Двигатель выбрасывает в атмосферу вместе с отработанными газами продукты полного (водяной пар Н₂О, азот N₂ и т.п.) и неполного (оксид углерода СО, а также C_nH_m, оксиды азота NO_x) сгорания топлива. Общее число компонентов, которые содержатся в этих газах, превышает несколько сотен, и большинство из них вредны для здоровья человека.

Отработанные газы, проникая через пористую поверхность монолита, во-первых, нагревают его, а во-вторых, доокисляются. Из СО получается СО₂, то есть нетоксичный углекислый газ, C_nH_m в несколько этапов переходит в СО₂ и Н₂О, NO_x превращается в молекулярный N₂, который содержится в обычном воздухе, и в воду. Словом, в нейтрализаторе происходят довольно сложные химические реакции благодаря высокой температуре и наличию специального покрытия из дорогих металлов, служащих катализаторами.

Итак, главный позитивный эффект этого приспособления — полная нейтрализация трех компонентов — СО, C_nH_m, NO_x — которых в отработанных газах больше, чем других вредных веществ. И достигается он не только благодаря наличию платины, родия и палладия. Важную роль играет, как я уже сказал, температура, выдерживающаяся в границах 300-800°С. Если она снижается до 250°С, химические реакции нейтрализации СО, C_nH_m, NO_x, несмотря на наличие металлов-катализаторов, не произойдут. А при температуре около 900°С начинает плавиться и разрушаться каталитическая пленка.

Эксплуатация

Чтобы не вывести из строя исправный нейтрализатор, нужно строго придерживаться правил его эксплуатации. Прежде всего, нельзя использовать этилированный бензин. Достаточно затратить 20-30 л этого бензина — и активная поверхность катализатора покроется свинцом, что приведет к поломке.

Нужно постоянно и внимательно следить за техническим состояние двигателя. Нейтрализатор не выдерживает значительных отклонений в составе топливной смеси. При работе двигателя на богатых и очень богатых смесях он быстро забивается копотью и другими отложениями, а на бедных и очень бедных — перегревается до расплавления активного слоя. Для поддержания состава смеси в необходимых границах на автомобилях с нейтрализаторами обязательно устанавливается датчик кислорода — лямбда-зонд — по сигналу которого электронный блок управления измеряет состав топливной смеси. Исправность и правильная работа системы регулирования во многом определяют долговечность нейтрализатора. Поэтому при каких-либо сбоях в работе двигателя из-за системы зажигания или затрудненном пуске — нужно найти и устранить неисправность.

Запрещается запускать двигатель с буксира, долго крутить его стартером или часто с короткими промежутками пытаться запустить непрогретый. Кроме того, чтобы не допустить появления трещин, следует избегать ударов о дорожные преграды. Причиной механического повреждения вследствие резкого температурного перепада могут стать попадание автомобиля в глубокую выбоину с водой и резкое охлаждение нагретого до 800-900°С нейтрализатора.

Нужно отметить, что в последнее время начали выпускать каталитические нейтрализаторы с металлическим монолитом, что повышает их прочность. Они намного надежнее благодаря большей устойчивости к разным механическим и температурным воздействиям, но потому они и дороже керамических аналогов.

Как уже отмечал, нейтрализатор с керамическим монолитом очень чувствителен к ударам, поэтому его нельзя ронять или использовать ударный инструмент при работе с системой. А чтобы избежать отложения жиров, запрещено касаться руками рабочей поверхности датчика кислорода. Нельзя проверять наличие искры снятием наконечника с какой-нибудь свечи зажигания или использовать нештатные свечи, а также проверять эффективность работы цилиндров методом отключения искры мотортестером. Эти действия могут вызвать попадание несгоревшего топлива в катализатор, о последствиях чего сказано выше.

Плюсы и минусы

Первый и основной плюс этого приспособления — практически полная нейтрализация наивреднейших (учитывая их суммарную концентрацию и токсичность) компонентов отработанных газов. Второй плюс состоит в том, что автопроизводители без дополнительных затрат на усовершенствование серийных двигателей, установив нейтрализатор и системы управления топливо-подачей с лямбда-зондом, могут продолжать выпуск автомобилей, которые полностью отвечают жестким нормам токсичности отработанных газов, например, Евро-2 и даже Евро-3.

Но есть у нейтрализатора и минусы. Один из существенных его недостатков — низкая надежность, и не только из-за хрупкости керамического монолита, но также из-за отказа вследствие нарушения правил экплуатации, и даже когда эти правила не нарушаются. По данным обследований, быстрее катализаторы ломаются в условиях городской езды с частыми запусками двигателя и короткими пробегами. А также — при устойчивом высокоскоростном движении на магистралях. В первом случае нейтрализатор просто-напросто забивается топливом и копотью, ведь при каждом запуске он должен прогреться до рабочей температуры, а на это нужно время. Во втором — от перегревания.

У нас редкий автомобиль долго проработает с системой нейтрализации, учитывая состояние дорог, обеспеченность неэтилированным бензином и качество этого бензина, равно как и профессиональную и экологическую сознательность водителей и ремонтников. Эта дорогая, но не «долгоиграющая» система действует в автомобиле до появления первых проблем. А потом, как правило, монолит выбивается из корпуса и его просто выбрасывают.

Логика подобных «мер» понятна: во-первых, это значительно дешевле, быстрее и проще, чем искать, договариваться и ждать, пока привезут новый нейтрализатор; во-вторых, эти действия не повлекут для автовладельца никаких негативных последствий, потому что практически все иномарки с исправной системой впрыска бензина укладываются в действующий ныне ГОСТ (чего, к сожалению, не скажешь про многие СНГовские автомобили).

Так поступают у нас, а как у «них», где и нормы на токсичность более жесткие, и газоаналитический контроль налажен, и деньги у народа водятся, и дороги в порядке, и сервис на высоте? Там, если нейтрализатор вышел из строя, его просто заменяют, чтобы избежать слишком высоких штрафов за повышенную токсичность. Кстати, заменяют тоже не всегда обоснованно, потому что и у них не каждая СТО имеет полный комплект необходимого оборудования и соответствующих деталей. Недовольство потребителей, возникающее в связи с этим, повышает спрос на машины без нейтрализаторов. Это автомобили с газовыми, дизельными и газо-дизельными двигателями, а также с непосредственным впрыском бензина, и другие, укладывающиеся в нормы Евро-3 без нейтрализаторов.

Катализатор: устройство и принцип работы

Требования к экологической чистоте транспорта становятся все жестче, поэтому инженеры автопроизводителей работают над улучшением устройств, отвечающих за очистку выхлопных газов. Одним из них стал катализатор, устройство и принцип работы которого будет рассматриваться далее. Это ответ на все рассуждения по поводу того, что можно оптимизировать качество моторного масла, топлива, рассчитывать оптимальную смесь, при которой происходит лучшее сгорание, но для этих улучшений в какой-то момент приходит предел.

Ужесточение требований к составу выхлопных газов, образующихся при полноценной работе двигателя внутреннего сгорания, приводит к необходимости использовать более прогрессивные решения для очистки. В состав современной выхлопной системы обязательно входят элементы системы дополнительной очистки: сажевый фильтр, нейтрализатор, система дожига топлива. Их задача состоит в минимизации вредных соединений, которые выбрасываются ТС в атмосферу во время движения.

Устройство катализатора

Катализатор представляет собой компонент, необходимый для нейтрализации вредных соединений, являющихся составными частями выхлопов. При сгорании топлива формируются углеводороды, окрашивающие выходящие газы в темный цвет, оксидов азота и углерода. Эти соединения и вызывают у экологов негативные реакции.

Работа нейтрализатора, изначально присутствующего в выхлопной системе, направлена на окислительно-восстановительные химические реакции, приводящие к образованию безвредных веществ: воды, углекислого газа и азота. Это треступенчатые нейтрализаторы, которые и используются в большинстве автомобилей последних моделей. Принцип работы автомобильного катализатора обеспечивает превращение опасных для экологии газов в безопасные соединения, выходящие в атмосферу.

Работа нейтрализатора не требует каких-то вспомогательных источников энергии, так как активное покрытие обеспечивает протекание любых реакций. Рабочая температура элемента достаточно высокая, поэтому он находится за выпускным коллектором, но не слишком близко к мотору, чтобы не перегреваться. Такое расположение обеспечивает выход на рабочий режим за счет разогрева раскаленными выхлопными газами.

Принцип работы катализатора обеспечивает его полноценное функционирование после полного прогревания. Контролировать его работу должны лямбда-зонды – датчики кислорода, установленные перед входом в катализатор и после выхода из него. Для электронного блока управления важной является информация по количеству остаточного кислорода в выхлопе, по которому делаются выводы о функционировании мотора. Если требуется коррекция, то ЭБУ передает сигнал на увеличение или уменьшение воздушной и топливной подачи в систему камер сгорания.

Особенности конструкции

Если принцип работы катализатора выхлопных газов понятен, то можно сказать несколько слов об его устройстве. Нейтрализатор состоит из нескольких ключевых компонентов:

• Сразу за выпускным коллектором размещен цельный стальной корпус, внутри которого есть термоизолирующий слой, защищающий основной компонент.
• Нейтрализатор имеет наполнитель в виде сотовой структуры, покрытой внутри активным слоем. В зависимости от производителя устройства в качестве каталитического вещества может использоваться родий, платина, палладий, платиново-иридиевый сплав. Сотовая структура обеспечивает повышение площади контакта газов с активным вещество, поэтому химические реакции проходят более интенсивно.
• Наполнитель изготовлен из металла или керамики. Выбор материала зависит от конструкции и конечной стоимости оборудования.

Принцип работы

Принцип работы катализатора в автомобиле достаточно прост и базируется на определенной последовательности химических реакций:

• Внутренняя поверхность сот покрыта драгоценными металлами, которые отвечают за активацию процессов окисления.
• Оксид азота в результате реакции разлагается на атомы азота и кислорода. Азот объединяется в молекулы, образуя устойчивый азот. Кислород соединяется с угарным газом до образования углекислого газа.
• Катализатор захватывает из выхлопных газов остаточный кислород, расщепляет углеводороды, давая на выходе такие соединения, как углекислый газ и вода.
• Остаточный кислород на выходе из катализатора фиксируется лямбда-зондом, чтобы передать сведения о работе устройства штатному бортовому компьютеру.

Исправное устройство в оптимальных условиях не накапливает ничего внутри себя: все вещества, которые поступают в нейтрализатор, покидают его сотовую структуру. Но добиться этого практически невозможно, поэтому со временем происходит деградация каталитического нейтрализатора, что не дает ему полноценно справляться с задачей.

Классификация

Катализаторы можно разделить на категории по функциональности: на двух- и трехкомпонентные. Первый тип работает только с обезвреживанием угарного газа с углеводородами. Такие модели считаются устаревшими, поэтому не устанавливаются на автомобилях новых версий. Трехкомпонентные обеспечивают нейтрализацию оксида азота. Этот вид теперь устанавливается на всех современных автомобилях.

Если говорить о материале изготовления, то принято выделять керамические, металлические и спортивные:

• Керамические считаются самыми дешевыми, но это и наиболее хрупкие катализаторы. При ударе по корпусу происходит разрушение сердцевины. Устройства страдают от перепадов температур, сбоев в системе зажигания авто. Катализатор может постепенно разрушаться, что приводит к образованию большого количества мелкой пыли, которая проникает сквозь выпускной коллектор в мотор, что приводит к поломкам. В результате всех этих неполадок может потребоваться капитальный ремонт.
• Металлические – это дорогие, но надежные устройства, изготовленные из металлической структуры в виде сот. Она отличается упругостью и устойчивостью к механическим и температурным воздействиям. Металл не способен образовывать мелкие частицы, поэтому для двигателя он не представляет опасности.
• Спортивные отличаются повышенной пропускной способностью, поэтому мотор становится мощнее на несколько процентов. Спортивные монтируются в прямоточные системы выхлопных газов. Их считают наиболее надежными, хоть они и самые дорогостоящие.

Срок службы катализатора

Для катализатора средний ресурс составляет 100 тысяч километров пробега, но в условиях правильной эксплуатации он способен исправно отработать до 200 тысяч. Ранний износ может произойти из-за низкого качества топлива (топливно-воздушной смеси) и проблем с мотором.

Если топливная смесь обедненная, то случается перегрев нейтрализатора, если слишком богатая, то это приводит к засорению пористого блока остатками несгоревшего топлива, из-за чего не протекают необходимые химические реакции. Это вызывает проблемы в работе катализатора с его ускоренным выходом из строя.

Механические повреждения тоже часто приводят к возникновению неисправностей. Удары и различные механические воздействия приводят к возникновению трещин. Это становится причиной стремительного разрушения блоков.

Если возникает любая неисправность, каталитический нейтрализатор начинает хуже работать, что можно понять по показаниям, поступающим в ЭБУ от лямбда-зонда, установленного на выходе из нейтрализатора. Сообщение о неисправности может высвечиваться на приборной панели в виде ошибки «Check Engine». Помимо этого, о выходе из строя свидетельствует ухудшение динамики, увеличение топливного расхода и дребезжание при движении.

В такой ситуации требуется его замена на новый. При этом можно установить новый оригинальный компонент либо воспользоваться универсальным. Восстановление или чистка не возможны, а так как новый компонент обычно стоит довольно дорого, многие автовладельцы предпочитают удалить его.

Удалить катализатор: можно или нет

Так как повлиять на принцип работы датчика катализатора невозможно, и он будет выдавать ошибку, если компонент вышел из строя, то многие автовладельцы предпочитают использовать альтернативные довольно радикальные подходы. Чаще всего просто удаляют катализатор, а на его место устанавливают пламегаситель, который выравнивает поток выхлопных газов. Его рекомендуется использовать для устранения неприятных шумов, сопровождающих движение транспорта, у которого отсутствует катализатор.

Если было решено удалить катализатор, то рекомендуется его полностью снять, а не прибегать к рекомендации автомобилистов просто пробить отверстие в нем. Такая процедура способна слегка улучшить ситуацию на некоторое время.

В машине, которая соответствует экологическому стандарту Евро-3, требуется не только удалить катализатор, но и выполнить перепрошивку ЭБУ. Обновление выполняется до версии, в которой каталитический нейтрализатор отсутствует.

Дополнительно можно установить эмулятор сигнала от кислородного датчика, чтобы не потребовалось перепрошивать ЭБУ полностью.

Самое лучшее решение при поломке каталитического нейтрализатора – это его замена на оригинальный компонент в рамках специализированного сервиса, где работают профессиональные мастера с достаточным опытом. Это обеспечивает исключение вмешательства в конструкцию автомобиля, поэтому сохранится соответствие его экологического класса стандарту, прописанному производителем.

Самостоятельная диагностика работы катализатора

Если машина стала ездить хуже, а на приборной панели загорелся «чек», то можно отправиться в сервисный центр, где после тщательной диагностики станет понятно, что произошло. Однако можно самостоятельно выполнить элементарную диагностику функционирования катализатора:

• Оценить оттенок выхлопа: если он черный, то это явный признак того, что нейтрализатор не работает, поэтому через него и проходят все вредные вещества и газу наружу.
• Оценить давление газов, выходящих наружу: если приложить ладонь к отверстию выхлопной трубы, то напор должен быть высоким. Если он низкий, то это свидетельствует о необходимости замены катализатора.
• После длительной поездки заглянуть под машину: если корпус катализатора раскален, то можно говорить о снижении его пропускной способности.
• В сервисе можно проверить давление выхлопа и сравнить его с показателями эталонных данных. Для определения давления манометр размещается там, где обычно установлен лямбда-зонд.
• Визуально можно оценить демонтированный нейтрализатор выхлопа на предмет оплавления, засорения или выгорания.

Заменить катализатор требуется после того, как точно установлено, что проблемы в работе автомобиля возникли из-за оплавленных или забитых сот. Но рекомендуется отыскать причину, по которой случилось засорение нейтрализатора, так как после установке нового элемента он тоже может пострадать от тех же неполадок. Поэтому в современных авто все системы связаны очень сильно, для чего используется большое количество датчиков.