Температура выхлопных газов бензинового двигателя в катализаторе

Обновлено: 23.01.2025

На всех современных автомобилях устанавливаются катализаторы для уменьшения количества вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу с выхлопными газами. 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.

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. 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.

Эксплуатация автомобилей с катализатором

Общие сведения

Катализатор - это надежное и простое устройство, которое не нуждается ни в каком обслуживании, но имеются некоторые факты, которые владелец должен знать для максимального срока службы катализатора:

Не используйте этилированный бензин в автомобиле, оборудованном катализатором, так как свинец покроет драгоценные металлы в решетке катализатора, уменьшая эффективность их преобразования и в конечном счете выведет из строя катализатор;
Всегда содержите зажигание и топливную систему в полном порядке;
Если при работе двигателя наблюдаются пропуски зажигания, не эксплуатируйте автомобиль до устранения неисправности;
Если при работе двигателя загорится контрольная лампа управления двигателем, необходимо как можно быстрее обратиться на станцию технического обслуживания. Если имеется повреждение управления двигателем, то кроме увеличения расхода топлива и уменьшения динамических характеристик двигателя, может выйти из строя катализатор;
Не запускайте двигатель методом буксировки;
Не выключайте зажигание на высоких оборотах двигателя;
Не используйте присадки к топливу и моторному маслу, так как присадки могут содержать вещества, способные повредить катализатор;
Не используйте автомобиль, если из выхлопной трубы виден след синего дыма.

После остановки двигателя выхлопная система длительное время продолжает излучать значительное количество тепла, поэтому необходимо избегать парковки автомобиля на траве и сухих листьях.

Помните, что катализатор хрупок, поэтому избегайте ударов при снятии катализатора или выхлопной системы. Катализатор, используемый на хорошо отрегулированном автомобиле должен служить от 100 до 160 тысяч км пробега автомобиля.

Признаки неисправного катализатора

Автомобиль начинает "тупить", ухудшаются динамические характеристики, автомобиль перестает "тянуть", плавают обороты на холостом ходу, катализатор может раскалиться докрасна (катализатор забился, т.е. снижена пропускная способность отработавших газов), в этом случае нужно как можно быстрее обратиться в СТО, чтобы не произошло второго признака;
Характерный звон и дребезжание (соты катализатора рассыпались), в этом случае необходимо немедленно удалять катализатор, так как, рассыпавшиеся соты могут закупорить выхлопную систему.

Удаление катализаторов

В процессе работы двигателя в отработавших газах образуются токсичные вещества. В развитых странах приняты строгие нормы предельной токсичности отработавших газов.

Выполнение этих норм требует использование систем, включающих в себя каталитический нейтрализатор (катализатор) и лямбда-зонд. В катализаторе происходит снижение токсичности отработавших газов (ОГ).

Катализатор имеет внутри корпуса носитель, на поверхность которого наносится покрытие из каталитического материала (Pt, Rh, Pd), который чувствителен к содержанию свинца в топливе (поэтому должен применяться только неэтилированный бензин). В качестве носителя применяется металлическая или монолитная керамическая основа.

Преимущества керамических катализаторов: низкая тепловая инерционность, максимальное использование каталитической поверхности, долговечность. Недостатком является большее сопротивление потоку отработавших газов, чем у металлических катализаторов.

В автомобилях отвечающих экологическим нормам EURO-4 контроль за токсичностью отработавших газов как правило осуществляется с помощью двух лямбда-зондов в линии : первый (регулировочный) установлен до катализатора, второй (диагностический) после катализатора. Второй лямбда-зонд нужен для контроля качества работы катализатора. Поэтому регулировочный и диагностический лямбда-зонды имеют разные показатели температуры, концентрации ОГ и режимы работы. Ресурс работы лямбда-зонда составляет около 160 тысяч км. но, при работе двигателя на этилированном бензине лямбда-зонд быстро выходит из строя.

Нарушения в работе двигателя, например, пропуски воспламенения, работа на некачественном топливе, неисправные лямбда-зонды и т.д. , могут приводить к увеличению температуры катализатора и его разрушению ("соты" катализатора могут оплавиться и забиться). Если произошел удар по катализатору (автомобиль наехал на препятствие) , то его керамическое наполнение может разрушиться и забить выпускной тракт. Катализаторы не подлежат ремонту и , есть два способа решения проблемы:

Первый - это установка нового катализатора. Новый катализатор стоит довольно дорого и , что обидно на нашем топливе работать долго не будет.
Второй - установка пламегасителя. Установка пламегасителя стоит дешевле и срок его эксплуатации намного больше. Но, если удалить катализатор на автомобиле с двумя лямбда-зондами, диагностический лямбда-зонд начнёт давать команды блоку управления двигателя на обеднение топливо-воздушной смеси потому, что отработавшие газы попадают на него не проходя через катализатор. Очень часто на сервисах после удаления катализатора лямбда-зонды отключают (обрезают провода).Тогда двигатель начинает работать по аварийной программе. При работе двигателя в этих режимах происходит потеря мощности, увеличивается расход топлива, возникают пропуски воспламенения топлива, резко возрастает температура отработавших газов, может возникнуть детонация. Все это приводит к выходу из строя свечей зажигания, клапанов, прогоранию резонатора и глушителя, и в конечном счете к поломке двигателя.

Для того, чтобы двигатель работал нормально, после удаления катализатора необходима коррекция допустимых параметров лямбда-зонда.

Требования к экологической чистоте транспорта становятся все жестче, поэтому инженеры автопроизводителей работают над улучшением устройств, отвечающих за очистку выхлопных газов. Одним из них стал катализатор, устройство и принцип работы которого будет рассматриваться далее. Это ответ на все рассуждения по поводу того, что можно оптимизировать качество моторного масла, топлива, рассчитывать оптимальную смесь, при которой происходит лучшее сгорание, но для этих улучшений в какой-то момент приходит предел.

Ужесточение требований к составу выхлопных газов, образующихся при полноценной работе двигателя внутреннего сгорания, приводит к необходимости использовать более прогрессивные решения для очистки. В состав современной выхлопной системы обязательно входят элементы системы дополнительной очистки: сажевый фильтр, нейтрализатор, система дожига топлива. Их задача состоит в минимизации вредных соединений, которые выбрасываются ТС в атмосферу во время движения.

Устройство катализатора

Катализатор представляет собой компонент, необходимый для нейтрализации вредных соединений, являющихся составными частями выхлопов. При сгорании топлива формируются углеводороды, окрашивающие выходящие газы в темный цвет, оксидов азота и углерода. Эти соединения и вызывают у экологов негативные реакции.

Работа нейтрализатора, изначально присутствующего в выхлопной системе, направлена на окислительно-восстановительные химические реакции, приводящие к образованию безвредных веществ: воды, углекислого газа и азота. Это треступенчатые нейтрализаторы, которые и используются в большинстве автомобилей последних моделей. Принцип работы автомобильного катализатора обеспечивает превращение опасных для экологии газов в безопасные соединения, выходящие в атмосферу.

Работа нейтрализатора не требует каких-то вспомогательных источников энергии, так как активное покрытие обеспечивает протекание любых реакций. Рабочая температура элемента достаточно высокая, поэтому он находится за выпускным коллектором, но не слишком близко к мотору, чтобы не перегреваться. Такое расположение обеспечивает выход на рабочий режим за счет разогрева раскаленными выхлопными газами.

Принцип работы катализатора обеспечивает его полноценное функционирование после полного прогревания. Контролировать его работу должны лямбда-зонды – датчики кислорода, установленные перед входом в катализатор и после выхода из него. Для электронного блока управления важной является информация по количеству остаточного кислорода в выхлопе, по которому делаются выводы о функционировании мотора. Если требуется коррекция, то ЭБУ передает сигнал на увеличение или уменьшение воздушной и топливной подачи в систему камер сгорания.

Особенности конструкции

Если принцип работы катализатора выхлопных газов понятен, то можно сказать несколько слов об его устройстве. Нейтрализатор состоит из нескольких ключевых компонентов:

Сразу за выпускным коллектором размещен цельный стальной корпус, внутри которого есть термоизолирующий слой, защищающий основной компонент.
Нейтрализатор имеет наполнитель в виде сотовой структуры, покрытой внутри активным слоем. В зависимости от производителя устройства в качестве каталитического вещества может использоваться родий, платина, палладий, платиново-иридиевый сплав. Сотовая структура обеспечивает повышение площади контакта газов с активным вещество, поэтому химические реакции проходят более интенсивно.
Наполнитель изготовлен из металла или керамики. Выбор материала зависит от конструкции и конечной стоимости оборудования.

Принцип работы

Принцип работы катализатора в автомобиле достаточно прост и базируется на определенной последовательности химических реакций:

Внутренняя поверхность сот покрыта драгоценными металлами, которые отвечают за активацию процессов окисления.
Оксид азота в результате реакции разлагается на атомы азота и кислорода. Азот объединяется в молекулы, образуя устойчивый азот. Кислород соединяется с угарным газом до образования углекислого газа.
Катализатор захватывает из выхлопных газов остаточный кислород, расщепляет углеводороды, давая на выходе такие соединения, как углекислый газ и вода.
Остаточный кислород на выходе из катализатора фиксируется лямбда-зондом, чтобы передать сведения о работе устройства штатному бортовому компьютеру.

Исправное устройство в оптимальных условиях не накапливает ничего внутри себя: все вещества, которые поступают в нейтрализатор, покидают его сотовую структуру. Но добиться этого практически невозможно, поэтому со временем происходит деградация каталитического нейтрализатора, что не дает ему полноценно справляться с задачей.

Классификация

Катализаторы можно разделить на категории по функциональности: на двух- и трехкомпонентные. Первый тип работает только с обезвреживанием угарного газа с углеводородами. Такие модели считаются устаревшими, поэтому не устанавливаются на автомобилях новых версий. Трехкомпонентные обеспечивают нейтрализацию оксида азота. Этот вид теперь устанавливается на всех современных автомобилях.

Если говорить о материале изготовления, то принято выделять керамические, металлические и спортивные:

Керамические считаются самыми дешевыми, но это и наиболее хрупкие катализаторы. При ударе по корпусу происходит разрушение сердцевины. Устройства страдают от перепадов температур, сбоев в системе зажигания авто. Катализатор может постепенно разрушаться, что приводит к образованию большого количества мелкой пыли, которая проникает сквозь выпускной коллектор в мотор, что приводит к поломкам. В результате всех этих неполадок может потребоваться капитальный ремонт.
Металлические – это дорогие, но надежные устройства, изготовленные из металлической структуры в виде сот. Она отличается упругостью и устойчивостью к механическим и температурным воздействиям. Металл не способен образовывать мелкие частицы, поэтому для двигателя он не представляет опасности.
Спортивные отличаются повышенной пропускной способностью, поэтому мотор становится мощнее на несколько процентов. Спортивные монтируются в прямоточные системы выхлопных газов. Их считают наиболее надежными, хоть они и самые дорогостоящие.

Срок службы катализатора

Для катализатора средний ресурс составляет 100 тысяч километров пробега, но в условиях правильной эксплуатации он способен исправно отработать до 200 тысяч. Ранний износ может произойти из-за низкого качества топлива (топливно-воздушной смеси) и проблем с мотором.

Если топливная смесь обедненная, то случается перегрев нейтрализатора, если слишком богатая, то это приводит к засорению пористого блока остатками несгоревшего топлива, из-за чего не протекают необходимые химические реакции. Это вызывает проблемы в работе катализатора с его ускоренным выходом из строя.

Механические повреждения тоже часто приводят к возникновению неисправностей. Удары и различные механические воздействия приводят к возникновению трещин. Это становится причиной стремительного разрушения блоков.

В такой ситуации требуется его замена на новый. При этом можно установить новый оригинальный компонент либо воспользоваться универсальным. Восстановление или чистка не возможны, а так как новый компонент обычно стоит довольно дорого, многие автовладельцы предпочитают удалить его.

Удалить катализатор: можно или нет

Так как повлиять на принцип работы датчика катализатора невозможно, и он будет выдавать ошибку, если компонент вышел из строя, то многие автовладельцы предпочитают использовать альтернативные довольно радикальные подходы. Чаще всего просто удаляют катализатор, а на его место устанавливают пламегаситель, который выравнивает поток выхлопных газов. Его рекомендуется использовать для устранения неприятных шумов, сопровождающих движение транспорта, у которого отсутствует катализатор.

Если было решено удалить катализатор, то рекомендуется его полностью снять, а не прибегать к рекомендации автомобилистов просто пробить отверстие в нем. Такая процедура способна слегка улучшить ситуацию на некоторое время.

В машине, которая соответствует экологическому стандарту Евро-3, требуется не только удалить катализатор, но и выполнить перепрошивку ЭБУ. Обновление выполняется до версии, в которой каталитический нейтрализатор отсутствует.

Дополнительно можно установить эмулятор сигнала от кислородного датчика, чтобы не потребовалось перепрошивать ЭБУ полностью.

Самое лучшее решение при поломке каталитического нейтрализатора – это его замена на оригинальный компонент в рамках специализированного сервиса, где работают профессиональные мастера с достаточным опытом. Это обеспечивает исключение вмешательства в конструкцию автомобиля, поэтому сохранится соответствие его экологического класса стандарту, прописанному производителем.

Самостоятельная диагностика работы катализатора

Оценить оттенок выхлопа: если он черный, то это явный признак того, что нейтрализатор не работает, поэтому через него и проходят все вредные вещества и газу наружу.
Оценить давление газов, выходящих наружу: если приложить ладонь к отверстию выхлопной трубы, то напор должен быть высоким. Если он низкий, то это свидетельствует о необходимости замены катализатора.
После длительной поездки заглянуть под машину: если корпус катализатора раскален, то можно говорить о снижении его пропускной способности.
В сервисе можно проверить давление выхлопа и сравнить его с показателями эталонных данных. Для определения давления манометр размещается там, где обычно установлен лямбда-зонд.
Визуально можно оценить демонтированный нейтрализатор выхлопа на предмет оплавления, засорения или выгорания.

Заменить катализатор требуется после того, как точно установлено, что проблемы в работе автомобиля возникли из-за оплавленных или забитых сот. Но рекомендуется отыскать причину, по которой случилось засорение нейтрализатора, так как после установке нового элемента он тоже может пострадать от тех же неполадок. Поэтому в современных авто все системы связаны очень сильно, для чего используется большое количество датчиков.

Каталитические нейтрализаторы выхлопных газов плотно вошли в конструкцию европейских автомобилей в 1970-х годов. Их начали устанавливать многие производители для уменьшения количества токсических веществ, которые ежедневно попадают в атмосферу из выхлопной системы транспорта. Принцип действия многих катализаторов похожий, но материалы, конструкция и система установки различается.

Чем отличается нейтрализатор от катализатора?

Известный автомобилистам катализатор имеет полное название – каталитический нейтрализатор выхлопных газов. Для сокращения его называют катализатором или нейтрализатором. По сути – это одно устройство, представляющее собой фильтрующую систему для выхлопных газов. Катализаторы устанавливают на бензиновые и дизельные двигатели, чтобы уменьшить количество выбросов угарного газа, сажи и других составляющих отработанного топлива.

В зависимости от количества выполняемых задач, устройства бывают:

двухступенчатые – трансформируют угарный газ в углекислый, оксиды углерода в пар и углекислоту;
трехступенчатые – преобразуют не только угарный газ и оксиды углерода, но и токсичные оксиды азота в обычный азот.

В зависимости от использованных в производстве материалов, различают устройства из металла и керамики. У каждого вида есть отличительные конструктивные, функциональные и ценовые особенности.

Чем отличается металлический катализатор от керамического?

„Конструктивно и керамический, и металлический катализатор представляет собой корпус, внутри которого находится ячеистая матрица. В одном случае она керамическая, в другом – полностью из металла. Ячейки обоих устройств имеют напыление драгоценных металлов, катализирующих процессы распада недогоревшего топлива. Производители используют сплавы родия, палладия, платины, иридия“ Конструктивно

Преимущества и недостатки керамики:

Чрезмерная хрупкость – главный минус керамических сот. Они разрушаются под воздействием давления, ударов, при попадании холодных капель воды на раскаленный материал. Керамическая пыль забивает соды, попадает в выхлопную систему, иногда в цилиндры двигателя;
Умеренная стоимость – один из основных плюсов. Керамические детали по цене дешевле металлических.

Преимущества и недостатки металлических устройств:

Надежность и длительный срок эксплуатации, по мнению водителей и мастеров СТО, занимают первое место в списке преимуществ. Металлические ячейки выдерживают механическое воздействие, меньше деформируются во время передвижения по некачественным дорогам, не разрушаются при резком перепаде температур;
Высокая стоимость и 100% реакция на использование низкопробного топлива – главные минусы устройства. Слишком бедное или, наоборот, пере обогащенное присадками ГСМ забивает соты и выводит катализатор из строя раньше заявленного производителем срока.Чем отличается катализатор от сажевого фильтра
Сажевыми фильтрами оборудуют дизельные двигатели, хотя в конструкции выхлопной системы современных авто используют симбиоз катализатора и сажевого фильтра. Главная задача сажевого фильтра – улавливание сажи. Поэтому внутренняя матрица устройства больше похожа не на соты, а на лабиринты с камерами для оседания отработанных углеводородных соединений. Принцип работы дизельных фильтров также усиливается напылением драгоценных металлов для усиления химических реакций.

Чем отличается катализатор от резонатора?

Пламегаситель или резонатор устанавливают вместо отслуживших нейтрализаторов и сажевых фильтров для стабилизации выхлопов. Устройство позволяет регулировать температуру выхлопных газов, но не их химический состав. Цена резонатора в несколько раз ниже катализатора, но проблему токсических выбросов не решает. Если планируется поездка в страны ЕС, то подобное оборудование не подойдет.

Принцип действия каталитического нейтрализатора выхлопных газов основан на осуществлении химической реакции под воздействием тепла. Если автомобиль используется в обычном режиме и двигатель успевает прогреваться, то нейтрализатор расщепляет опасные соединения. Если авто передвигается на короткие дистанции с частым глушением ДВС (в транспортном заторе), то выделяется недостаточно тепла для осуществления химических реакций.

Сбои двигателя, экстремально жаркие погодные условия, постоянные перегрузки режима движения авто приводят к превышению допустимой температурной нормы в выхлопной системе, отчего автокат быстрее выходит из строя.

Какая рабочая температура катализатора?

Температура катализатора автомобиля может колебаться от +300 до +800°С, это считается нормой. В таких условиях опасные соединения, содержащиеся в выхлопе, распадаются под воздействием катализирующего покрытия сот. Выходящие вместе с водяным паром токсичные оксиды углерода и азота расщепляются до углекислого газа и молекулярного азота. Реакции химической трансформации соединений запускает сплав драгметаллов из элементов платиновой группы: родий, палладий, платина, золото. Он нанесен тонким слоем на внутреннюю поверхность сот. Состав активно работает в допустимых температурных пределах, но остро реагирует на отклонения от нормы.

Какая температура катализатора влияет на срок службы?

Вопрос оплавления нейтрализатора живо обсуждается на форумах автолюбителей. Есть те, кто считает, что фильтрующая матрица плавится и затрудняет выход газов. Другие утверждают, что керамика жаропрочная и выдерживает температурные нагрузки автомобиля. Но дело вовсе не в свойствах керамических сот, а в функциональности нанесенной на них каталитической пленки. Драгоценный сплав действительно оплавляется, если работает при +900°С и выше.

На что влияет низкая температура работы катализатора?

Говоря о низких показателях, химики имеют ввиду все, что ниже 250-300°С. Этот барьер служит стартом для запуска химических процессов. Недостаточно активная работа двигателя, краткие акты включения-выключения зажигания приводят к тому, что выхлоп не очищается, а соты автоката забиваются. Нормальная температура катализатора важна для автомобилей с дизельным двигателем, так как в них запускается процедура регенерации (самоочищения сот) при высокой тепловой активности. Частые случаи передвижения на непрогретом ДВС приводят к невозможности самостоятельного выжигания сажи, копоти и приводят автокат (сажевый фильтр) в нерабочее состояние.

Читайте также: