Каталитический конвертер

Каталити́ческий конвертер, нейтрализатор — устройство в выхлопной системе двигателя внутреннего сгорания, предназначенное для снижения токсичности выхлопных газов посредством каталитического восстановления оксидов азота и использования образованного от этой реакции кислорода для окисления угарного газа и недогоревших углеводородов.

Каталитический конвертер для автомобиля Mazda

Наилучшим соотношением топлива и воздуха на входе в двигатель для выполнения этой задачи является стехиометрическое.

Также его работу контролирует датчик остаточного кислорода (лямбда-зонд).

История

В разработке каталитических конвертеров решающую роль сыграл Эжен Гудри. Они начали массово применяться на автомобилях в США в середине 1970-х годов в связи с введением более жёстких экологических требований.

Принцип работы

Основные вещества, вырабатываемые при работе двигателя, являются безвредными. Ими являются:

• азот (N₂) — воздух состоит на 78 % из азота;
• вода (H₂O);
• углекислый газ (CO₂) — сам по себе безвреден (в малых количествах), однако считается, что его переизбыток ведет к глобальному потеплению;

Однако процесс горения несовершенен, и, помимо безвредных веществ, при работе двигателя выделяются токсичные и вредные вещества. Этими веществами являются:

• углеводороды (C_xH_y) — основной компонент смога;
• оксиды азота (NO_x) — ещё один компонент смога;
• окись углерода (CO) — ядовитый газ без цвета и запаха;

В каталитических преобразователях используются два вида катализаторов: восстанавливающий и окислительный.

Восстанавливающий катализатор использует платину и родий, катализирующие разложение оксидов азота на инертный безопасный молекулярный азот и кислород.

На окислительном катализаторе, состоящем обычно из платины и палладия, образовавшийся свободный кислород реагирует с углеводородами несгоревшего топлива и окисью углерода.

Также могут происходить и окислительно-восстановительные реакции между оксидом азота и угарным газом.

В упрощённом виде эти химические реакции выглядят следующим образом:

• NO₂ $\rightarrow$ N₂ + O₂
• C_xH_y + O₂ $\rightarrow$ CO₂ + H₂O;
• NO + CO $\rightarrow$ N₂ + CO₂;
• CO + O₂ $\rightarrow$ CO₂;

И другие.

Применяющиеся в автомобилях нейтрализаторы требуют, чтобы двигатель работал при коэффициенте избытка воздуха (α), максимально приближенном к единице. Это не дает возможности использовать обедненную смесь (α>1) для повышения экономичности и богатую смесь (α<1) для получения большей мощности на определённых режимах.

Каталитические преобразователи для дизельных двигателей

Каталитические преобразователи дизельных двигателей плохо справляются с сокращением выбросов NO_x. Одна из причин в том, что дизельные двигатели сами по себе функционируют в более низком температурном режиме, чем бензиновые, и не достигают оптимальной температуры этого типа катализатора. Некоторые 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. Мочевина реагирует с NO_x с получением азота и водяного пара, снижая количество оксидов азота в выхлопных газах более чем на 90 процентов.

Конструкция

Современные каталитические конверторы являются двух- или трёхкомпонентными. Трёхкомпонентный конвертор представляет собой металлический корпус из нержавеющей стали, имеющий на стенках термическую прокладку, в котором находится «сотовая» 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, так как оно дешевле других металлов-катализаторов).

Керамическая конструкция более распространена, так как дешевле, однако у такой конструкции есть большой минус — хрупкость. Достаточно небольшого удара, чтобы керамические соты осыпались.

См. также

• Выхлопные газы
• Система впрыска топлива
• Выхлопная система
• Нормы выбросов

Ссылки

• Юрий Макаров. Нейтрализатор — и наше будущее? // за рулём : журнал. — М.: За рулём, 1997. — № 7. — С. 48. Архивировано 2 апреля 2015 года.
• Автомобильный катализатор — виды, устройство, принцип работы и влияние на экологию Архивная копия от 21 июня 2020 на Wayback Machine