Трёхкомпонентный каталитический нейтрализатор

Трёхкомпонентный каталитический ней­трализатор устанавливается в системах ре­гулирования эмиссии вредных веществ с отработавшими газами как двигателей с впрыском топлива во впускной коллектор, так и двигателей с непосредственным впрыском бензина.

Назначение

В процессе сгорания топливовоздушной смеси в бензиновых ДВС образуются три основных токсичных компонента - углево­дороды СН, оксид углерода СО и оксиды азота NO_x. Трёхкомпонентный каталити­ческий нейтрализатор служит для преоб­разования этих вредных веществ в неток­сичные компоненты. Продуктами этого преобразования являются водяные пары (Н₂О), диоксид углерода (СО₂) и азот (N₂).

Принцип действия

Преобразование токсичных компонентов осуществляется в две стадии. Сначала про­исходит окисление оксида углерода и угле­водородов (таблица G, уравнения 1 и 2). Кислород, необходимый для процесса окисления, содержится в отработавших га­зах в виде остаточного кислорода по при­чине неполного сгорания или отбирается у оксидов азота, количество которых при этом уменьшается (G, уравнения 3 и 4). Концентрация вредных веществ в неочищен­ных отработавших газах есть функция коэф­фициента избытка воздуха А (рис. 2а). Для оксида углерода и углеводородов (СН) сте­пень преобразования неуклонно повышается по мере увеличения коэффициента избытка воздуха (рис. 2Ь). При А = 1 концентрация этих вредных веществ в неочищенных отра­ботавших газах очень мала, и при увеличении А (А > 1) остаётся на низком уровне. Преобразование оксидов азота (NO_x) в об­ласти богатой смеси (А < 1) является вполне допустимым. Самый низкий уровень со­держания NO_x имеет место при стехиометрическом составе смеси (А. = 1), но даже небольшое увеличение содержания кисло­рода в отработавших газах, вызванное работой при А > 1, препятствует снижению оксидов азота и вызывает резкий рост их концентрации в отработавших газах. Для того чтобы поддерживать максимально возможный высокий уровень преобразова­ния всех трёх токсичных компонентов в трёхкомпонентном каталитическом нейтра­лизаторе, они должны находиться в отрабо­тавших газах в химическом равновесии. Это означает, что состав топливовоздушной смеси должен быть стехиометрическим), поэтому «окно» состава смеси, близ­кое к единице, является очень узким. Состав топливовоздушной смеси должен регулиро­ваться замкнутым контуром управления с кислородным датчиком (обратной связью).

Уравнения химических реакций в трёхком­понентном каталитическом нейтрализаторе

(1) 2 СО + О₂ _х 2 СО,

(2) 2С₂Н +7О₂ _> 4СО_г + 6Н₂О

(3) 2 NO + 2 СО _^ N₂ + 2 СО₂

(4) 2NO₂ +2CO_^ N₂ + 2СО₂ + О₂

Рис.2

а - Перед каталити­ческой очисткой отработавших газов

b - После каталити­ческой очистки

с - Характеристи­ческая кривая напряжения на узкополосном кислородном датчике

 

Устройство и конструкция

Каталитический нейтрализатор (рис. 3) со­стоит из стального корпуса 6, носителя (под­ложки) 5 и активного каталитического пок­рытия из благородных металлов 4.

Носитель (подложка )

Применяются два типа носителей - керами­ческие и металлические монолиты.

Керамические монолиты

Керамические монолиты представляют со­бой керамические тела, содержащие тысячи узких каналов, через которые проходит по­ток отработавших газов. Керамика состоит из термостойкого магниево-алюминиевого силиката. Монолит, который чрезвычайно чувствителен к механическим напряже­ниям, закрепляется внутри металлического корпуса посредством минерального объём­ного материала (типа матов) 2, который при первом нагревании расширяется, надёжно фиксируя монолит в данном положении. В то же самое время этот материал обеспечи­вает стопроцентное уплотнение для газов. Керамические монолиты наиболее часто ис­пользуются как основание для каталитичес­ких покрытий.

Металлические монолиты Металлический монолит (металлический каталитический преобразователь) является альтернативой керамическому монолиту. Он изготовляется из гофрированной тонкой металлической фольги толщиной 0,05 мм, которая сворачивается и закрепляется в процессе высокотемпературной пайки. Благодаря тонким стенкам на одной и той же площади может размещаться значительно больше каналов, что означает меньшее со­противление потоку отработавших газов. Это, в свою очередь, очень важно для мощ­ных современных двигателей.

Покрытие

Керамические и металлические монолиты требуют подложки из оксида алюминия А1₂О₃, абсорбционного слоя («Washcoat») 4. Это покрытие служит для увеличения эф­фективной каталитической поверхности практически в 7000 раз. В каталитическом нейтрализаторе окислительного типа ката­литическое покрытие, наносимое на под­ложку, содержит благородные металлы пла­тину и/или палладий. В трёхкомпонентных каталитических нейтрализаторах применя­ется также родий. Платина и палладий уско­ряют окисление углеводородов СН и оксида углерода. Родий ускоряет снижение концен­трации оксидов азота NO_x. В зависимости от рабочего объёма двига­теля содержание благородных металлов в каталитическом нейтрализаторе составляет 1...3 грамма.

Эксплуатационные условия

Рабочая температура

Температура в каталитическом катализаторе играет решающую роль в эффективности процесса снижения вредных выбросов. Ре­альное преобразование токсичных компо­нентов в трёхкомпонентном каталитическом нейтрализаторе начинается только после до­стижения температуры 300° С. Идеальной с точки зрения высокого уровня преобразова­ния и длительного срока службы нейтрали­затора является температура 400...80СГС. В диапазоне температур 8ОО...1ООО°С уско­ряется термическое старение из-за спека­ния благородных металлов и слоя А1₂О₃, что приводит к уменьшению эффективной поверхности нейтрализатора. Губительное влияние на нейтрализатор оказывает про­должительность работы в этом темпера­турном диапазоне, поскольку при темпера­туре свыше 1000° С термическое старение резко ускоряется и приводит к тому, что каталитический нейтрализатор становится практически полностью неэффективным.

 

Рис.3

1-Кислородный датчик 2-Объёмный слой минерального материала 3-Теплоизоляци­онный двойной слой 4-Подложка Al₂O₃ с покрытием из благородных металлов 5-Монолит 6-Корпус

Нарушения работы двигателя (пропуски зажигания) могут привести к повышению температуры в каталитическом нейтрали­заторе больше 1400° С. Поскольку при этой температуре плавится материал подложки и полностью разрушается катализатор, не­обходимо обеспечить надёжную работу системы зажигания, которая не должна требовать технического обслуживания. Современные системы управления двига­телей могут определять пропуски зажига­ния и нарушения процесса сгорания, и в таких случаях прекращать впрыск топлива в данный цилиндр, чтобы предотвратить поступление несгоревшей топливовоздуш-ной смеси в выпускную систему.

Неэтилированное топливо Другойпредпосылкой долговременной ра­боты является использование неэтилиро­ванного топлива. В противном случае со­единения свинца осаждаются в порах ак­тивной поверхности нейтрализатора и уменьшают их число. «Отравлять» катали­затор и полностью повреждать его могут также отложения моторного масла.

Место установки

Строгие законодательные нормы по конт­ролю эмиссии вредных веществ требуют применения специальной концепции на­грева каталитического нейтрализатора при пуске двигателя. Такие концепции (напри­мер, подача дополнительного воздуха, уменьшение угла опережения зажигания, то есть позднее зажигание) определяют место установки каталитического нейтра­лизатора. Место установки каталитического нейтрализатора диктуется также его чувствительностью к температурному пре­делу его нагрева. Температурные условия, необходимые для обеспечения высокого уровня преобразования токсичных компо­нентов, делают обязательной установку трёхкомпонентного каталитического ней­трализатора близко к двигателю. Возможна конфигурация с двумя катали­тическими нейтрализаторами, в которой первый нейтрализатор («pre-cat») устанав­ливается рядом с двигателем, а после него под днищем автомобиля устанавливается второй (главный) каталитический нейтра­лизатор. Каталитические нейтрализаторы, располагаемые близко к двигателю, тре­буют специальной технологии покрытия, которая должна быть оптимизирована для обеспечения стабильности при высокой температуре. С другой стороны, нейтрали­заторы, расположенные под днищем авто­мобиля, требуют оптимизации при низких пусковых температурах (так называемые «low light-off») и обеспечения высокого уровня очистки от NO_x. Альтернативой здесь может быть только «об­щий» каталитический нейтрализатор, кото­рый устанавливается близко к двигателю.

Эффективность

Для бензиновых двигателей, работающих на гомогенной топливовоздушной смеси с Л = 1, в настоящее время наиболее эффек­тивным способом очистки отработавших газов является использование трёхкомпонентного каталитического нейтрализатора. В такую систему включён кислородный датчик с замкнутым контуром управления (с обратной связью), отслеживающий со­став топливовоздушной смеси. При ис­пользовании трёхкомпонентного катали­тического нейтрализатора вредные вы­бросы оксида углерода, углеводородов и оксидов азота могут быть практически уст­ранены при условии, что двигатель рабо­тает на распределённой гомогенной топли­вовоздушной смеси стехиометрического состава. Несмотря на то, что эти идеальные условия не всегда могут выполняться, можно исходить из того, что средний уро­вень снижения концентрации вредных ве­ществ при указанных эксплуатационных условиях составляет больше 98%.

 

Каталитический нейтрализатор NO_X аккумуляторного типа

Назначение

При работе двигателя на бедной смеси трёхкомпонентный каталитический ней­трализатор не может полностью преобра­зовать оксиды азота, которые образовались в процессе сгорания. Именно в таких слу­чаях кислород, который требуется для окисления оксида углерода и углеводоро­дов, не расщепляется из оксидов азота, а используется остаточный кислород, кото­рый в большом количестве содержится в отработавших газах. Каталитический ней­трализатор NO_x аккумуляторного типа снижает содержание оксидов азота другим способом.