Каталитический конвертер

Каталити́ческий конвертер — устройство в выхлопной системе, предназначенное для снижения токсичности отработавших газов посредством восстановления оксидов азота и использования полученного кислорода для дожига угарного газа и недогоревших углеводородов. Основным требованием к успешной работе катализатора является стехиометрическое соотношение топлива и воздуха. В химии катализатор — это вещество, ускоряющее или вызывающее химическую реакцию, но само не входящее в эту реакцию. Такими веществами являются медь, никель, золото, платина, палладий, родий, хром. Принцип работы автомобильного катализатора как раз и основан на способности веществ-катализаторов к ускорению реакции.

Содержание

Основные функции катализатора

• снижение количества окиси углерода в выхлопных газах;
• уменьшение уровня углеводородов в отработавших газах;
• уменьшение или полное удаление оксидов азота из состава выхлопных газов. [1]

Вредные выбросы

Задачей автомобильного каталитического нейтрализатора является снижение количества вредных веществ в выхлопных газах. Среди них:

• окись углерода (СО) — ядовитый газ без цвета и запаха (угарный газ)
• углеводороды (CH), также известные как летучие органические соединения — один из главных компонентов смога, образуется за счет неполного сгорания топлива
• NO_x (NO и NO₂) — также являются компонентами, вызывающими образование смога и кислотных дождей, оказывают влияние на слизистую человека [2] .

Принцип работы

Чаще всего расположен катализатор сразу после приемной трубы, однако иногда его устанавливают прямо на приемной трубе. Делают это для более быстрого прогрева, так как эффективно работает он только при температуре свыше 300 °C. Однако, большой минус такого расположения — слишком высокие температуры и, следовательно, маленький срок службы катализатора.

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, однако считается, что его переизбыток ведет к глобальному потеплению;

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

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

Современные катализаторы являются трехкомпонентными, то есть оснащены тремя каталитическими преобразователями, по одному на каждое вещество, количество которого необходимо снизить. Трехкомпонентный катализатор представляет собой металлический корпус из нержавеющей стали, 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. 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 диоксида азота встречается с молекулами катализатора, от неё отделяется атом азота, высвобождая кислород. Атом азота же связывается с другим атомом азота, образуя газообразный азот.

Окислительный катализатор уменьшает количество несгоревшего топлива и окиси углерода путём 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, CH_x и NO_x восстанавливаются или окисляются в безвредную воду H₂O, азот N₂ и углекислый газ CO₂ [3] .

Применяющиеся в автомобилях нейтрализаторы требуют, чтобы двигатель работал при коэффициенте избытка воздуха (α) максимально приближенном единице. Это не дает возможность использовать обедненную смесь (α>1) для повышения экономичности и богатую смесь (α Катализаторы в дизельных двигателях

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, а преобразователи работают лучше при нагреве. 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. При этом возникает химическая реакция, которая уменьшает количество NO_x. 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 NO_x с получением азота и водяного пара, снижая количество оксидов азота в выхлопных газах более чем на 90 процентов. [2]

Катализатор (каталитический конвертор)

Расшифровка чисто химического термина «катализатор» – вещество, не участвующее в реакции непосредственно, в присутствии которого происходит ускорение химической реакции или же вещество, делающее данную реакцию вообще возможной. Автомобильный каталити́ческий конвертер (в просторечии катализатор) — устройство в выхлопной системе, предназначенное для снижения токсичности отработавших газов посредством восстановления оксидов азота и использования полученного кислорода для дожига угарного газа и недогоревших углеводородов.

Основным требованием для успешной работы катализатора является стехиометрическое соотношение топлива и воздуха, действующее вещество – благородные металлы: платина, палладий или родий.

В каталитических конверторах используют два различных типа катализаторов:

— восстанавливающий катализатор и — окислительный катализатор.

Оба типа состоят из керамической структуры (реже – металлический гофрированный лист), покрытой веществом — катализатором.

Идея заключается в том, чтобы увеличить площадь катализатора и свести к минимуму задействованное при этом количество самого катализатора, так как используемые материалы весьма дороги. Восстанавливающий катализатор — первый этап каталитического преобразователя. Он использует платину и родий чтобы уменьшить выбросы NOx. Когда молекула NO или NO₂ встречается с молекулами катализатора, от нее отделяется атом азота, высвобождая кислород — O₂. Окислительный катализатор — второй этап каталитического преобразователя. Он снижает количество несгоревшего топлива и окиси углерода в результате их взаимодействия со свободным кислородом на поверхности той же платины и палладия. На выходе, вместо страшной смеси окислов углерода, азота и несгоревших углеводородов имеем воду, углекислый газ и чистый азот. Но это в идеале.

Каталитические конверторы являются достаточно чувствительными реакторами. На их работоспособность влияет температура, состав топлива и отработанных газов, расход масла двигателем, сорт масла, режим работы двигателя.

Широкое использование каталитических преобразователей началось в 1975 году. Но создали их намного раньше, в 1953 году в Америке, когда инженер Юджин Хоудри, ознакомившись со сводками по увеличению быстрыми темпами смога в различных городах, был просто шокирован данными. После чего он и решил разработать прибор, который смог бы защитить окружающую среду от влияния на нее человеческого фактора. Но созданное устройство оказалось малоэффективным, так как необходимая очистка не получалась из-за содержания в бензине большого процента тэтраэтилсвинца (присадка для повышения октанового числа), и этот химический элемент не был запрещен к использованию в бензине почти до конца 20 века. Промышленный выпуск автокатализаторов был бессмысленным до тех пор, пока не внесли поправки в закон «Чистый воздух», запрещающие использование свинца.

Наличие соединений свинца в выхлопных газах приводило к оплавлению керамических сот каталитического конвертора и выхлопному газу становилось просто некуда выходить.

С запретом этилированного бензина, жизнь автомобильного катализатора не стала безоблачной.

— Во-первых, со временем расходуются материалы катализатора, благородные металлы и ресурс катализатора при условии исправных систем двигателя составляет в среднем 80-150 тыс. км. пробега. Эффективность работы катализатора с пробегом ухудшается и растет шанс его загрязнения смолами и нагарами. Особенно увеличивает риск загрязнения повышенный расход масла двигателем. Не сгоревшие остатки масла и топлива уже не полностью окисляются и остаются на сотах в виде нагара, постепенно уменьшая проходное сечение для газов, как результат, мощность двигателя уменьшается. Если ситуация не приобрела необратимый характер, то катализатор можно очистить при помощи щелочных промывок или топливных присадок, которые способствуют выведению загрязнений. Классическое решение – использование присадки Liqui Moly Catalytic-System Clean 1 раз в 2 000 км при заправке топливом.

— Во-вторых, эффективность катализатора падает при больших пробегах из-за постепенного разрушения керамических сот. Процесс совсем не безболезненный для двигателя, так как система продувки очень многих современных двигателей предусматривает частичный подсос топливной смеси из выхлопного тракта обратно в камеры сгорания. В результате керамическая пыль попадает в цилиндры и вызывает абразивный износ. После диагностики такой проблемы необходимо полностью заменить катализатор.

— В-третьих, наличие избытка железосодержащих присадок в топливе, так же, как в случае с тетраэтилсвинцом, вызывает оплавление сот катализатора, процесс может дойти до того, что двигатель с оплавленным катализатором просто не заводится, так как отработавшим газам просто нет прохода. Выход – замена катализатора.

Как проверить катализатор на исправность?

Самый простой способ – на просвет. Через керамические каналы исправного катализатора свет проходит беспрепятственно. В случае затруднений со съемом этого агрегата, можно проверить противодавление, создаваемое катализатором при проходе газов и при высоких показателях признать агрегат неисправным.

Можно ли безболезненно для автомобиля удалить катализатор вовсе?

На автомобилях ЕВРО2 можно, для более экологичных конструкций, как минимум, придется перешивать блок управления двигателем. Но следует помнить о своем долге перед потомками, об экологии. На некоторых современных автомобилях удаление катализатора невозможно вообще.

Как избежать проблем с катализатором и продлить его ресурс? Заправляться в проверенных местах, регулярно, раз в 2000 км, использовать очищающую присадку Catalytic-System Clean и проводить диагностику при каждом техническом обслуживании.

Не эксплуатировать автомобиль с неисправными свечами, высоковольтными проводами и ка тушкой.

Несгоревший бензин в катализаторе не только сокращает его ресурс, но и может привести к пожару из-за перегрева самого катализатора. Если возникнут проблемы – не тянуть с ремонтом. Помните, от исправности катализатора зависит ресурс двигателя!

Что такое каталитический обогреватель – какой выбрать

Как всегда, с приходом зимы, вопрос отопления становится актуальным. На это указывает повышенный спрос на обогреватели для бытового и промышленного применения. На рынке отопительного оборудования предлагается огромное количество приборов обогрева, различающихся по своей конструкции, принципу работы и устройству нагревательного элемента.

Отечественный потребитель уже смог по достоинству оценить новинку – каталитический обогреватель. Используемый принцип работы в корне отличается от того, что используется в традиционных приборах обогрева. Что такое каталитический обогреватель? Какие преимущества и недостатки имеет прибор отопления и на что обращать внимание при выборе?

Как работает каталитический обогрев

Практически все обогреватели, принцип действия которых основан на сжигании топлива, для получения тепловой энергии имеют общий недостаток. В процессе горения выделяется большое количество продуктов сгорания, что сказывается на эффективности приборов и необходимости обеспечить газоотведение и усиленный приток воздуха.

Обогреватели с каталитическим элементом полностью лишены этого недостатка. Сжигание топлива происходит беспламенным методом. Процесс обогрева осуществляется следующим образом:

Поверхность катализатора разогревается до 200 – 500°С.

В специальной камере подготавливается воздушно-топливная смесь.

На горячую пластину, изготовленную из стекловолокна, с добавлением платинового порошка, подаются пары бензина или сжиженного газа.

Под действием катализатора происходит беспламенное горение.

Принцип работы каталитического обогревателя является полностью безопасным и экологичным, превосходит по теплоэффективности обычную газовую горелку, что и объясняет постоянно растущую популярность устройства.

Разновидности каталитических горелок-обогревателей

Существует несколько разновидностей каталитического оборудования, отличающегося по принципу работы и используемому топливу. Внутреннее устройство влияет на технические и эксплуатационные характеристики.

Газовый, бензиновый, мультитопливный обогреватель, какой вариант предпочтительнее?

Отопительное оборудование, использующее катализатор для окисления топлива, можно разделить на три основных категории:

Газовые обогреватели – модели, работающие от баллона со сжиженным газом. Технические характеристики позволяют использовать пропан-бутановую смесь. Чаще всего применяются для гаража, загородного дома. Мощные обогреватели используются для обогрева строительных объектов, автомастерских и т. д. При сжигании газовоздушной смеси не выделяется копоти и вредных примесей. С помощью газовых нагревателей рекомендуется отапливать помещения с площадью более 20 м². Максимальная производительность модели, дополнительно оснащенной ТЭНом и тепловентилятором, достигает 4,9 кВт.

Каталитические обогреватели на бензине – имеют встроенный резервуар для топлива, соединяющийся с каталитическим патроном. Пары бензина поступают непосредственно на катализатор, где и происходит окисление. Обладают небольшими габаритами, поэтому пользуются особой популярностью у рыбаков, охотников, тех, кто занимается спортивным туризмом и просто любит отдыхать на природе в палатке.
Некоторые модификации дополнительно снабжены функцией приготовления пищи. В таком случае сверху горелки устанавливается варочная панель.

Обогреватели на техническом спирте и сухом горючем – малогабаритные модели, предназначенные для полевых условий. В процессе беспламенного горения выделяется достаточное количество тепла, чтобы нагреть руки, просушить одежду, подогреть воду и разогреть еду.
Туристические обогреватели каталитического типа горения, имеют вес около 1-1,5 кг. В конструкции предусмотрен отсек для установки газового баллона или встроена емкость для спирта.

Инфракрасный или обычный обогреватель?

ИК излучатели оснащены тепловыми керамическими панелями и отражателем, обеспечивающим локальное точечное воздействие. В основе работы лежит преобразование тепловой энергии в инфракрасное излучение.

Модели предназначены для дома, обогрева открытых площадок и т.д. В основном инфракрасный обогреватель каталитического типа потребляет газ, что и обеспечивает высокую производительность устройства.

Бытовые каталитические обогреватели на жидком топливе или газе не использующие принцип инфракрасного излучения, также востребованы. В модельном ряде присутствуют как миниатюрные переносные устройства, так и большие установки, габаритами напоминающие котел.

Принцип работы оборудования связан с нагревом воздуха в помещении. Поэтому для увеличения производительности мощные установки укомплектованы тепловентиляторами.

Каталитический излучатель какой марки лучше выбрать

Модельный ряд представлен всего несколькими производителями. Как показывают отзывы потребителей, хорошую качественную продукцию предлагают следующие компании:

Автономный малогабаритный газовый каталитический обогреватель для палатки предлагает компания Campingaz. В линейке оборудования Campingaz представлены несколько различных модификаций, отличающихся по типу назначения. В походе удобно использовать модель Bluecat. Работает на баллонном газе. Баллончик вставляется в корпус. Розжиг осуществляется пьезоэлементом.

Каталитический обогреватель для рук на спирту – миниатюрная модель, помещающаяся на ладони руки. Популярностью пользуется грелка Kovea. Преимуществом продукции Kovea является продуманный дизайн и эффективная работа устройства. Компания также предлагает специальный очищенный технический спирт к обогревателю.

Портативный бензиновый каталитический обогреватель для палатки – оборудование предлагает американская компания Coleman, специализирующаяся на изготовлении аксессуаров для туристов. Для работы Coleman используются специальные газовые картриджи. Время горения без дозаправки 14 часов.

Оборудование для отопления дома – мощные и производительные установки предлагает компания Bartolini. Модель снабжена тепловентилятором, работает в автономном режиме. Используется для отопления жилого помещения в качестве основного или вспомогательного источника тепла.

Плюсы и минусы каталитического обогрева

Устройство каталитической горелки-обогревателя и используемый принцип обогрева напрямую сказывается на преимуществах и недостатках оборудования. В качестве плюсов обогрева с использованием катализатора можно выделить следующее:

Благоприятно воздействует на микроклимат помещения. Каталитический газовый обогреватель хорош тем, что в процессе работы практически не сжигается кислород, не выделяются вредные вещества.

Безопасность – в процессе эксплуатации исключается возникновение пожара, отравление угарным газом и т.д. Это позволяет одинаково безопасно использовать нагреватели, как для обогрева палатки, так и частного дома, или промышленного цеха.

Автономность – в каждом нагревателе установлен терморегулятор, помогающий выставить необходимую мощность. После включения, установка работает в автономном режиме.

Мобильность – даже мощные производительные обогреватели легко передвигать с помощью колесиков на корпусе. Мобильные станции имеют небольшой вес и габариты, что позволяет поставить нагреватель в сумку или рюкзак.

Существуют определенные недостатки использования катализатора при горении топлива:

Рабочий ресурс обогревателя составляет всего около 2500 часов. По мере эксплуатации катализатор постепенно выгорает. Со временем потребуется смена каталитической панели, стоящей приблизительно ⅔ от цены нового обогревателя.

Типовые неисправности связаны с качеством используемого топлива. Катализатор, работающий на бензине или техническом спирте, быстро выходит из строя, если используется плохо очищенное топливо.

Вредны ли каталитические излучатели

Нет! Обогреватели, излучающие инфракрасные волны и использующие для получения тепловой энергии катализатор, не опасны. Конечно, во время эксплуатации следует соблюдать технику безопасности (указания приводятся в инструкции).

Безопасность работы обеспечивается следующим:

ИК излучение – используются волны определенного низкого спектра, оказывающие благотворное влияние на иммунную и нервную систему человека.

В процессе работы используется беспламенное сжигание топлива посредством окисления. В результате в помещении не скапливается угарный газ.

Каталитические обогреватели сравнительно недавно стали доступны отечественному потребителю. Наибольшую популярность системы обогрева получили у любителей активного отдыха. Нагреватели с использованием катализатора – это оптимальное решение для обогрева палаток, строительных объектов. Мощные излучатели эффективны при обогреве помещений с большой площадью.