7.2. Катализатор

1 – корпус, 2 – уплотнение, 3 – соты катализатора

Катализатор 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 представляет собой 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 катализаторов, см. рис. Катализатор.

В катализаторе происходит реакция, в результате которой потенциально опасный углеводород и окись углерода в выхлопных газах превращаются в безопасные газы и водяной пар.

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 CnHm, оксиды азота NOx) 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, CnHm в несколько этапов переходит в СО₂ и Н₂О, NOx превращается в молекулярный N₂, который содержится в обычном воздухе, и в воду. Словом, в катализаторе происходят довольно сложные химические реакции, благодаря высокой температуре и наличию специального покрытия из дорогих металлов.

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

Бензиновые двигатели

На всех моделях с катализатором система питания топливом замкнутого типа, то есть на основании сигнала от датчика кислорода, установленного в выхлопной системе блок управления постоянно оптимизирует состав топливо-воздушной смеси. В зависимости от содержания кислорода в выхлопных газах датчик кислорода индуцирует напряжение от 0,1 В (высокое содержание кислорода, бедная смесь) до 0,9 В (низкое содержание кислорода, богатая смесь). На основании этих данных блок управления двигателем изменяет время открытия топливных форсунок и изменяет соотношение топлива в топливо-воздушной смеси. Метрическое соотношение топливной смеси, при котором происходит ее полное сгорание и в выхлопных газах отсутствуют вредные вещества, – это 14,7 весовых частей воздуха на 1 часть топлива, см. рис. Элементы, входящие в катализатор и продукты, выходящие из катализатора.

Катализатор работает эффективно при температурах +300° С – +800° С.

Дизельные двигатели

На автомобилях с дизельными двигателями очистка выхлопных газов производится не регулируемым окислительным катализатором.

Уменьшение процентного содержания окислов азота в выхлопных газах дизельного двигателя достигается за счет установки на автомобиле системы повторного сжигания части отработанных газов (EGR). Клапан EGR системы повторного сжигания отработанных газов установлен в колене выхлопной системы и управляется вакуумным регулятором. Клапана EGR на прогретом двигателе направляет часть отработанных газов в камеры сгорания двигателя, в результате чего снижается температура и при этом уменьшается процент окислов азота в выхлопных газах.