Нейтрализатор отработанных газов. устройство и принцип действия

Назначение и устройство каталитического нейтрализатора

Нейтрализатор устанавливается в выхлопной системе автомобиля и применяется для максимального снижения токсичности выхлопного газа. Применение данного устройства осуществляется как на дизельных, так и на бензиновых двигателях и является обязательным для всех автомобилей, оснащенных двигателем внутреннего сгорания.

Современная конструкция нейтрализатора представляет собой специальный блок-носитель, корпус устройства и теплоизоляция. Основным элементом является блок-носитель, который изготавливается из специальной огнеупорной керамики. Внутри блока располагается большое количество сот (или, по-другому, ячеек). Такая конструкция позволяет значительно повысить площадь соприкосновения рабочих частей нейтрализатора с отработанными газами. Поверхность ячеек покрывается специальным слоем каталитического вещества. В качестве нейтрализатора может применяться родий, платина или палладий.

Суть действия катализатора заключается в следующем. Двигатель автомобиля не может обеспечить полное сгорание топлива и отправляет большое количество вредных газов в выхлопную систему автомобиля. Попадая в каталитический нейтрализатор, вредные газы контактируют с каталитическим слоем и окисляются. В процессе прохождения выхлопного газа по всему блоку-носителю, вредные вещества окисляются до конца, и на выходе получается самый обычный углекислый газ.

Применение трех металлов обеспечивает полное окисление трех разных веществ. Помимо углевода и оксида углерода, в отработавших газах может содержаться оксид азота, который также подвергается полному окислению и превращается в обычный безвредный азот. Таким образом, выхлопной газ становится менее вредным и оказывает меньшее отрицательное воздействие на окружающую среду.

Сам блок-носитель, обычно, размещен в металлическом корпусе, который предохраняет нейтрализатор от механических воздействий, например, ударов о неровности дорожного покрытия. Между блоком и корпусом прокладывается слой теплоизоляции, чтобы исключить передачу тепла на корпус. Применение теплоизоляции связано с особенностями работы нейтрализатора. Дело в том, что для успешного окисления вредных веществ необходима большая температура. Самая минимальная температура для успешного дожигания отработанных газов должна быть в пределах 300 градусов Цельсия. Для спортивных автомобилей этот параметр может достигать 1500-3000 градусов Цельсия. Теплоизоляция позволяет поддерживать температуру в заданных пределах и обеспечивает нормальную работу каталитического нейтрализатора.

Внутри блока устанавливается датчик кислорода. Это электрическое устройство сообщает водителю о том моменте, когда катализатор необходимо заменить. Если соты забиваются или керамический слой становится меньше, датчик срабатывает и посылает сигнал на электронный блок управления двигателем, который переводит работу мотора в аварийный режим и сигнализирует лампой на панели приборов, что необходимо выполнить проверку исправности систем. Часто, чтобы избавить от преждевременного и случайного срабатывания датчика, создают специальную обманку нейтрализатора, которая говорит датчику о том, что катализатор по-прежнему в норме. Это связано с тем, что замена каталитического нейтрализатора стоит очень дорого, и не каждый водитель может позволить себе такой ремонт. Так что, большинство водителей просто докатывают старую деталь до полного изнеможения и меняют нейтрализатор позже.

Помимо теплоизоляции, регулировать температуру работы нейтрализатор можно не только с помощью теплоизоляции. На температуру нейтрализатора может влиять и место установки. Так, например, для повышения температуры катализатора, его размещают прямо за выпускным коллектором, так как последний имеет высокую скорость и температуру нагрева.

Конструкция системы выпуска

Основной задачей системы выпуска является эффективный отвод отработавших газов из цилиндров двигателя, снижение их токсичности и уровня шума. Зная, из чего состоит выхлопная система в автомобиле, вы сможете лучше понимать принципы ее работы и причины возможных неполадок. Устройство стандартной выхлопной системы зависит от вида используемого топлива, а также от применяемых экологических стандартов. Выхлопная система может состоять из следующих элементов:

Выпускной коллектор — выполняет функцию отвода газов и охлаждения (продувки) цилиндров двигателя. Он выполняется из термостойких материалов, поскольку температура выхлопных газов в среднем варьируется от 700°С до 1000°С.
Приемная труба — представляет собой трубу сложной формы с фланцами для крепления к коллектору или турбонагнетателю.
Каталитический нейтрализатор (устанавливается в бензиновых двигателях экологического стандарта Евро-2 и выше) — устраняет из отработавших газов наиболее вредные компоненты CH, NOx, СО, преобразуя их в водяной пар, углекислый газ и азот.
Пламегаситель — устанавливается в системах выпуска отработавших газов автомобилей вместо катализатора или сажевого фильтра (в качестве бюджетной замены). Он предназначен для снижения энергии и температуры потока газов, выходящих из выпускного коллектора. В отличие от катализатора, не снижает количество токсичных компонентов в отработавших газах, а лишь снижает нагрузку на глушители.
Лямбда-зонд — служит для контроля уровня кислорода в составе отработавших газов. В системе может быть один или два кислородных датчика. На современных двигателях (рядных) с катализатором устанавливается 2 датчика.
Сажевый фильтр (обязательная часть системы выхлопа дизельного двигателя) — удаляет сажу из выхлопных газов. Может совмещать в себе функции катализатора.
Резонатор (предварительный глушитель) и основной глушитель — снижают уровень шума выхлопных газов.
Трубопроводы — соединяют отдельные элементы выхлопной автомобильной системы в единую систему.

Обработка внутренних полостей системы газоотвода

Если глушитель действительно засорен, необходимо обработать внутренние полости системы газоотвода. Для этого нужно сделать следующее:

Снять деталь с автомобиля.
Развести купленное моющее средство для чистки глушителя автомобиля (Domestos, «Мистер Мускул», «Крот», «Аргон») в воде. Температура воды должна быть 50-90 C.
Залить через лейку внутрь приготовленный раствор.
Прикрыть оба отверстия и сильно встряхнуть металлические детали 1-2 минуты.

После встряски нужно дать глушителю полежать с закрытыми отверстиями сутки, чтобы залитый в него состав «схватился».

Промывка

Спустя сутки необходимо довести до конца процесс очистки глушителя:

Снова взболтать находящееся внутри средство для чистки глушителя автомобиля.
Открыть оба отверстия и слить излишки раствора.
Протереть изнутри замшей (до блеска). Нужно избегать движений рукой по кругу (они повреждают слой полироли на металлической поверхности).
Залить холодной водой и промыть.
Быстро высушить стройфеном.
Установить обратно на автомобиль.

Промывка глушителя автомобиля проводится не только холодной водой, но и пароочистителем Karcher. Он также хорошо избавляет от нагара.

Очистка труб

Очистка выхлопной трубы от посторонних загрязнений и предметов проводится двумя способами: вручную (болгаркой) и с помощью паяльной лампы. В первом случае действия будут такими:

Снять с машины выхлопную трубу.
Взять в руки болгарку и разрезать деталь вдоль.
Тщательно вычистить изнутри моющими средствами.
Заварить и обработать место сварки антикоррозийным составом (из графитовой смазки и растворителя).
Установить обратно на машину.

Чем чаще проводится очистка с разрезанием болгаркой и завариванием, тем более хрупкой становится сама выхлопная труба.

Чистку от засоров можно проводить и паяльной лампой. При равномерном нагревании вылетают сажа от выхлопа и трубные загрязнения.

Чистка глушителя от засоров

Труба нагревается до появления красного цвета. После накаливания нагрев прекращается, и деталь начинает остывать сама.

Недостаток этого способа в том, что при нагревании трубы металл становится более хрупким и подверженным коррозии. Этот факт тоже нужно иметь в виду.

Что такое система SCR?

SCR (Selective Catalytic Reduction, селективное/выборочное каталитическое восстановление) — общее наименование метода снижения содержания в отработавших газах опасных оксидов азота и основанных на этом методе систем очистки выхлопных газов дизельных двигателей экологических классов Euro-5 и выше.

Отработавшие газы дизельных двигателей содержат большое количество вредных веществ, среди них наибольшую опасность представляют твердые взвешенные частицы, монооксид углерода (CO) и разнообразные оксиды азота (с общей формулой NOx). С целью снижения вреда двигателей в 1988 году был принят первый экологический стандарт Евро-0. Каждый последующий стандарт требовал все более значительного снижения вредных веществ, и, начиная с Евро-4 (2005 год), добиться требуемого содержания примесей в выхлопе дизелей стало возможно только с помощью специальных систем каталитической нейтрализации. Одной из таких систем и является SCR, направленной исключительно на борьбу с оксидами азота (отсюда и слова «селективный/выборочный» в названии метода).

Система селективного каталитического восстановления получила свое название благодаря выборочному воздействию на один тип вредных веществ, а именно — на оксиды азота. По своей сути метод SCR довольно прост: он сводится к разложению оксидов азота на газообразный азот и водяной пар в реакции с мочевиной (карбамидом) на керамическом катализаторе (строго говоря, происходит восстановление азота и воды из оксидов азота, что и отражено в названии метода). Для достижения этого в поток отработавших газов разбрызгивается содержащая мочевину жидкость AdBlue, полученная смесь поступает в каталитический нейтрализатор, где под действием катализаторов и высоких температур протекают следующие химические реакции:

Термическое разложение мочевины на метан и изоциановую кислоту — (NH₂)₂CO → NH₃ + HNCO;
Разложение изоциановой кислоты на аммиак и углекислый газ — HNCO + H₂O → NH₃ + CO₂;
Восстановление азота из оксидов азота (при температуре более 250°C) — 4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O;
Восстановление азота из оксидов азота (при температуре 170-300°C) — NO + NO₂ + 2NH₃ → 2N₂ + 3H₂O.

Так происходит снижение концентрации в отработавших газах наиболее опасных оксидов азота — монооксида и диоксида. При этом возникают безопасные вещества — молекулярный азот и водяной пар, а также некоторое количество углекислого газа. Метод SCR эффективен, однако требует введения в транспортное средство специальной системы и нового расходного материала — жидкого раствора мочевины AdBlue.

Устройство катализатора и его разновидности

Существуют три вида катализаторов, разделяющихся по принципу работы:

Фильтрующий (катализатор дожигания)
Химический
Магнитно-стрикционный (МСК)

Катализатор дожигания, в свою очередь, делится на два типа:

– Керамический катализатор

– Металлический катализатор

Внутренняя структура катализатора представляет собой соты, выполненные из керамики или металла. По функциональности они идентичны, но катализатор из металла более надежен, тогда как керамические соты довольно хрупки. Стоит металлический катализатор дороже керамического.

На соты наносится тонкий слой платино-иридиевого сплава, который и обеспечивает окисление выхлопных газов. Платина и иридий – дорогие металлы, отсюда такая высокая стоимость катализатора.

Сам катализатор помещается в корпус из нержавеющей стали.

Двусторонние

Устройство катализатора выхлопных газов двустороннего типа позволяет выполнять сразу несколько задач:

Запустить процесс окисления угарного газа в углекислый;
Окислить несгоревшие углеводороды (частично сгоревшее или несгоревшее топливо) в воду и углекислый газ благодаря реакции горения.

Такие катализаторы чаще всего применяются для дизельных двигателей.

Трехсторонние

Трехсторонний катализатор авто появился еще в 1981 году в целях снизить объемы вредных веществ, попадающих в атмосферу. Этот тип нейтрализатора позволяет выполнять более обширный спектр задач, а именно:

Превращать окиси азота в кислород и азот.
Окислять угарный газ в углекислый газ.
Окислять несгоревшие углеводороды в воду и углекислый газ.

Также существуют дизельные катализаторы и нейтрализаторы для моторов, работающих на бедных смесях.

Помимо этого катализаторы отличают по материалу, из которого изготавливается картридж устройства. Исходя из этого, выделяют:

Керамические нейтрализаторы

Это стандартные модели оснащенные конструкцией в виде сот. Сам керамический элемент в этом случае покрыт платиноиридиевым сплавом.

Если говорить о недостатках таких моделей, то практически все автолюбители выделяют хрупкость керамического устройства, которое достаточно ударить об камень, чтобы соты рассыпались. Также изделие может повредиться если на прогретом авто заехать в лужу, капли воды попавшие на раскаленный нейтрализатор приведут к его поломке.

Помимо этого соты могут распасться в случае неполадок в системе зажигания машины. Например, если топливо воспламеняется не сразу после запуска двигателя, а с небольшой задержкой. В этом случае несгоревшее топливо будет собираться в резервуаре выпускного тракта (то есть в катализаторе) и как только скопившийся бензин взорвется, все соты разрушатся.

Также в таких катализаторах накапливается керамическая пыль, которая попадает в камеру сгорания, а в некоторых случаях даже в цилиндры двигателя.

Единственное преимущество керамического нейтрализатора – это его низкая стоимость.

Металлические нейтрализаторы

Конструкция этого типа отличается повышенной надежностью и прочностью, благодаря чему такой катализатор может выдерживать механические нагрузки на протяжении довольно долгого времени. Соты, установленные в изделии, отличаются своей упругостью, добиться этого удалось благодаря их спиралевидной форме и металлу.

Однако, несмотря на надежность такого нейтрализатора, он также как и керамический «боится»:

Некачественного или этилированного топлива.
Масел или антифриза, которые попадают в камеру сгорания.
Некачественных технических жидкостей для промывки систем, купленных «с рук» или от непроверенного производителя.
Переобогащенных топливных смесей.
Долгой работы на холостом ходу.

Спортивные

Такие катализаторы также выполнены из металла, однако их пропускная способность намного выше стандартных металлических и керамических изделий. Благодаря этому нейтрализаторы этого типа придают автомобилю дополнительную мощность (от 7% до 20%). Правда, такого результата можно достигнуть только при условии, что в машине установлена прямоточная система выхлопа. При этом катализаторы отвечают экологическим требованиям Евро 4 и 5.

Спортивные модели самые надежные, но их стоимость самая большая.

Исходя из такого большого количества недостатков стандартных моделей, и появились теории о том, что нейтрализаторы приносят больше вреда для самого автомобиля, нежели пользы для экологии. Однако избежать большинства неприятностей можно, если своевременно менять изделие. К слову, катализатор автомобильный ремонт не предполагает, поэтому вышедший из строя элемент необходимо менять.

Фильтр дожигания сажи

Дизельный двигатель постоянно работает с избытком воздуха. Это значит, что выхлопные газы содержат так много кислорода, что при температуре выше примерно 550°С, собирающаяся сажа сгорает самостоятельно в фильтре (а) для дожигания сажи с эффектом самоочищения фильтра. Однако, локальные пиковые температуры, достигающие 1200°С при дожигании сажи требуют использования материалов с особыми свойствами. По этой причине для этой цели были специально разработаны керамические материалы фильтров различной конструкции.

Штампованный керамический сотовый элемент (2) подобен по конструкции и материалам каталитическому преобразователю (катализатору), используемому на бензиновых двигателях (Ь). Однако концы сотовых ячеек попеременно уплотнены керамическими заглушками (3).

Следовательно, выхлопные газы, проходящие в открытый канал, могут протекать через пористые керамические стенки в расположенные рядом каналы, ведущие к выхлопной трубе. Керамические стенки имеют толщину менее 0,5 мм. Так называемые фильтры с «глубокой основой» разработаны в качестве альтернативы керамическим сотовым фильтрам. У них заметно больше размер пор и разделение происходит только на существенной глубине в фильтре (толщина стенки). Здесь используются «свечи», состоящие из перевитых керамических фиберов. Чтобы исключить избыточные противодавления и, таким образом, риск забивания, необходимо предусмотреть вспомогательную регенерацию. Температуры сгорания могут быть уменьшены до 200 — 250°С путем добавления металлоорганических соединений. Дожигание в этом случае сможет остаться эффективным даже при расположении фильтрующей системы под дном кузова автомобиля. Подача внешней энергии через дожигатель топлива станет причиной усиленной регенерации фильтра.

Решение для дизельных двигателей

Аналогично бензиновым двигателям, дизели имеют системы нейтрализации выхлопных газов. Однако главной проблемой остается сажа: не до конца сгоревшее топливо под действием химических процессов превращается в твердые мелкодисперсные частицы — канцерогены.

Нейтрализаторы решить эту проблему не способны. Поэтому перед тем, как выхлопной газ попадет в систему нейтрализации, он проходит очистку сажевым фильтром.

Конструкция

Аналогично нейтрализатору, фильтр имеет ячеистые соты, которые в шахматном порядке закрыты накопительными перегородками-фильтрами частиц. Для каждого производителя автомобиля с дизельным двигателем используется своя система контроля данного параметра.

Среди видов таких фильтров можно выделить:

DPF – накопительные фильтры;
DPNR – фильтры, дожигающие твердые частицы;
FAP – фильтры с цериевыми присадками для очистки от сажи;
DPF или SCR – фильтры с присадкой AdBlue, разлагающие NOx (окислы азота) на безвредный азот и водяной пар.

Можно ли удалить катализатор?

При удалении катализатора его очень часто заменяют на пламегаситель. Последний выравнивает поток выхлопных газов. Его установка рекомендуется для устранения неприятных шумов, которые возникают при удалении катализатора. При этом, если вы выбрали именно удаление, лучше полностью снять устройство и не прибегать к рекомендациям некоторых автомобилистов пробить в нем отверстие. Подобная процедура улучшит ситуацию только на время. В автомобилях, соответствующих экологическим стандартам Евро-3, помимо удаления катализатора необходима перепрошивка электронного блока управления. Ее обновляют до версии, в которой отсутствует каталитический нейтрализатор. Также можно установить эмулятор сигнала кислородного датчика, который избавит от необходимости перепрошивать ЭБУ.

Каждой норме – свой уровень очистки

Требования Еuro 5 действуют в Европе с сентября 2008 г., сменив действовавшие с 2006 г. более лояльные нормы Еuro 4. Но в 2013 г. должны вступить в силу требования Euro 6, в которых предусмотрено снижение в 3 раза содержание NOx и в 2 раза – объема выбросов твердых частиц по сравнению с нынешними. Введение норм выбросов в первую очередь мотивируется качеством окружающего нас воздуха, которое с каждым годом вызывает все большие тревоги. Конечно, современный автомобиль несравненно меньше загрязняет окружающую среду и меньше потребляет топлива, чем это было даже 10 лет назад, – прогресс налицо. Значительно возросла доля дизельного и газового транспорта, который наносит менее значительный урон экологии, чем бензиновый. В 1990 г. среди приобретаемых автомобилей доля дизельных в Западной Европе составляла всего 14%. Уже в 2006 г. был превышен 50%-ный рубеж, и разница в пользу «дизелей» с каждым годом нарастает. Все новые автомобили с дизельными двигателями, которые с 2004 г. после внедрения стандартов Еuro 4 еще могли быть не оборудованы системой фильтрации, сокращающей выброс сажи и твердых частиц в атмосферу, сейчас уже при выпуске оснащаются фильтром твердых частиц (DPF).

Техническим исполнением требований Euro 4/5 явилось внедрение систем рециркуляции выхлопных газов (EGR/ AGR) в сочетании с применением сажевого фильтра. Такая комбинация существенно уменьшает выбросы NOx и твердых частиц. Для снижения выбросов СО, несгоревших углеводородов, частиц сажи устанавливают также системы селективной каталитической нейтрализации (Selective Catalytic Reduction, SCR) и системы структурной оптимизации процесса горения BlueTec.

Сегодня используются обе системы

С конструкционной точки зрения технология EGR (Exhaust Gas Recirculation) несколько проще, чем SCR, и, что немаловажно, ощутимо дешевле. Но, к сожалению, нормы Euro 5 гораздо легче достичь, используя SCR

Да и с точки зрения эксплуатационных затрат: в странах ЕС автомобилям с SCR предоставляются налоговые льготы.

К преимуществам EGR, как уже говорилось, относятся низкая стоимость приобретения и отсутствие необходимости заправки реагентом, что проявляется в большой популярности системы у владельцев личного транспорта.

Недостатков же у EGR значительно больше: для выполнения требований Euro 5 экономически невыгодно использовать рециркуляцию выхлопных газов, т. к. это приводит к повышению тепловой нагрузки на двигатель и, следовательно, резко растет износ деталей двигателя. Это, в свою очередь, сказывается на быстром засорении масла продуктами износа и окисления. Для противодействия преждевременному старению возникает необходимость использовать дорогие специальные марки масел, рассчитанные на тяжелые условия «жизнедеятельности».

Еще одним следствием является, как правило, более интенсивная работа системы охлаждения, и, что уж совсем плохо, повышается расход топлива в среднем на 3–6%. Использование сажевого фильтра увеличивает затраты на техническое обслуживание транспортного средства. Повышается риск выхода автомобиля из строя в связи со снижением пропускной способности фильтра. Риск повреждения катализатора в большой мере зависит от качества дизтоплива, а точнее, от процентного содержания в нем серы. Серный конденсат, образующийся при рециркуляции, вызывает засорение каналов, «отравляет» катализатор и быстро снижает эффективность очистки.

Необходимым элементом, обеспечивающим функционирование системы SCR, является реагент AdBlue, который представляет собой 32,5%-ный водный раствор мочевины. Это нетоксичная жидкость. AdBlue дозированно подается в поток сжатого воздуха, с помощью которого этот распыленный раствор попадает в выхлопную трубу. При контакте с горячими выхлопными газами AdBlue разлагается на аммиак и двуокись углерода СО. Свободный аммиак в каталитическом нейтрализаторе SCR реагирует с NOx, в результате образуются безвредный азот и водяной пар.

Серийный бак для AdBlue, устанавливаемый на грузовиках, вместимостью 90 л, обеспечивает каталитический процесс на пробеге в 5,2–7 тыс. км. На расход AdBlue в значительной мере влияет влажность воздуха: низкая влажность увеличивает расход, высокая – уменьшает, а также температура окружающего воздуха. При жаркой погоде расход будет выше, чем при холодной. Безусловно, влияние на расход имеет и характер эксплуатации – загрузка, рельеф местности и даже манера вождения.

Шумопоглощение в системе выпуска автомобиля

Основной причиной генерации шума являются пульсации газов в двигателе внутреннего сгорания, т.е. вибрации газов, генерируемых в процессе сгорания топлива, и отработавших газов, вытесняемых через выпускные клапаны во время такта выпуска каждого рабочего цикла двигателя. Уровень этого вибрационного шума в некоторой степени снижается каталитическим нейтрализатором и сажевым фильтром. Однако этого оказывается недостаточно для того, чтобы Уровень шума не превышал значений, предписанных соответствующими нормами. По этой причине в средней или задней секции системы выпуска отработавших газов устанавливаются специальные глушители. В зависимости от количества цилиндров и мощности двигателя, в системе устанавливаются один, два или три глушителя. На автомобилях с V-образными двигателями левый и правый блоки цилиндров часто оборудуются отдельными каталитическими нейтрализаторами и глушителями.

Пределы уровня шума для автомобиля в Делом устанавливаются законодательством. Шум, производимый системой выпуска отработавших газов, составляет значительную часть общего уровня шума автомобиля

Это вызывает необходимость уделить особое внимание разработке эффективных глушителей. Хотя основной целью является снижение уровня шума до допустимых пределов, дополнительной целью может быть создание специфичного для данного автомобиля «брендового» звука