Принцип работы катализатора выхлопных газов в автомобиле

Обновлено: 12.03.2025

Проблема увеличения вредных выхлопов в атмосферу назрела еще в конце ХХ века. Исследователи привлекли внимание владельцев крупных промышленных производств, угледобывающих и нефтеперерабатывающих компаний, мировых автоконцернов к причинам образования смога в городах. Обеспокоенность ухудшением качества вдыхаемого воздуха, подтвержденная результатами научных исследований, отразилась на введении норм на количество токсичных веществ, содержащихся в выхлопных газах автомобилей.

Так как ограничения утвердили не во всех странах мира, то и фильтрующими устройствами оснащают не все автомобили. В частности, на территории Российской Федерации нет жестких ограничений на объем и качество выхлопа. Тем не менее, многие импортные и отечественные марки автомобилей, встречающиеся на трассе, оборудованы каталитическими нейтрализаторами выхлопных газов.

Результативность применения нейтрализаторов

Принцип работы катализатора выхлопных газов построен на химических свойствах некоторых веществ усиливать или нейтрализовать действие других. Внутренние камеры фильтрующего оборудования покрыты напылением палладия, платины, родия, которые катализируют процессы окисления несгоревших частиц топлива (углеродных соединений), угарного газа и оксида азота. В результате вредоносные для экологии соединения трансформируются в водяной пар, углекислый газ и обычный азот.

Эффективность применения такого оборудования подтверждают проводимые исследования. Они же фиксируют и снижение результативности катализаторов в процессе эксплуатации авто. Деформированные, оплавленные, забитые камеры оборудования не только не справляются с основной задачей – нейтрализацией токсических веществ, но и негативно влияют на работу транспортного средства.

„Таким образом, автомобильный катализатор, принцип которого заключается главным образом в уменьшении опасных химических соединений, уменьшает негативное воздействие на экологию.“ ВАЖНО!

Катализатор: устройство и принцип работы

Срок службы и причины выхода из строя

Стандартный срок эксплуатации катализаторов зависит от нескольких параметров:

марки автомобиля;
вида оборудования;
качества топлива;
качества дорожного покрытия.

В Европе он составляет от 100 000 до 200 000 км пробега. У нас длительность эксплуатации в среднем не превышает трех лет или 80-100 000 км пробега. Это связано с возникновением сезонных проблем дорожного покрытия во многих городах России, которые приводят к деформации камер катализатора.

Что делать со старым катализатором ?

Ездить с неисправным автомобильным катализатором категорически нежелательно. Он провоцирует уменьшение мощности двигателя, увеличивает потребление ГСМ, способствует ухудшению экологии, а также провоцирует опасную непроходимость выхлопных газов. Вышедшее из строя оборудование автомобилисты заменяют на новое или удаляют вовсе, так как восстановлению и очистке оно не подлежит. Отработанные катализаторы с накопленными токсическими веществами нежелательно хранить в гараже или выбрасывать в мусор. Их можно продать или сдать для дальнейшей утилизации.

При работе двигателя автомобиля образуются продукты сгорания, которые отличаются высокой температурой и токсичностью. Для их охлаждения и отвода из цилиндров, а также для снижения уровня загрязнения окружающей среды в конструкции предусмотрена система выпуска отработавших газов. Другая функция данной системы – уменьшение шума, возникающего при работе двигателя. Выпускная (выхлопная) система состоит из последовательной цепи элементов, каждый из которых выполняет определенную функцию.

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. (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. – 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. (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.

Принцип работы системы выхлопа

В классическом варианте для бензиновых двигателей выхлопная система автомобиля работает следующим образом:

Выпускные клапана двигателя открываются, и отработавшие газы с остатками не сгоревшего топлива выбрасываются из цилиндров.
Газы из каждого цилиндра попадают в выпускной коллектор, где объединяются в один поток.
По приемной трубе отработавшие газы из выпускного коллектора проходят через первый лямбда-зонд (кислородный датчик), который фиксирует количество кислорода в составе выхлопа. На основе этих данных электронный блок управления корректирует топливоподачу и состав топливовоздушной смеси.
Далее газы попадают в катализатор, где вступают в химическую реакцию с металлами-окислителями (платиной, палладием) и металлом-восстановителем (родий). Рабочая температура газов при этом не должна быть ниже 300°С.
На выходе из катализатора газы проходят второй лямбда-зонд, с помощью которого происходит оценка исправности работы каталитического нейтрализатора.
Далее очищенные отработавшие газы попадают в резонатор, а затем в глушитель, где потоки выхлопа преобразуются (сужаются, расширяются, перенаправляются, поглощаются), что снижает уровень шума.
Из основного глушителя отработавшие газы уже попадают в атмосферу.

Система выхлопа дизельного двигателя имеет некоторые особенности:

Выходя из цилиндров, отработавшие газы попадают в выпускной коллектор. Температура выхлопных газов дизельного двигателя варьируется в диапазоне 500-700 °С.
Далее они попадают в турбокомпрессор, осуществляющий наддув.
После этого выхлоп проходит через кислородный датчик и попадает в сажевый фильтр, в котором удаляются вредные компоненты.
В завершении выхлоп проходит через автомобильный глушитель и выходит в атмосферу.

Эволюция системы выхлопа неразрывно связана с ужесточением экологических стандартов эксплуатации автомобиля. Так например, начиная с категории Евро-3, установка катализатора и сажевого фильтра для бензиновых и дизельных моторов обязательна, а их замена на пламегаситель считается нарушением закона.

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.

Ежегодно меняются и совершенствуются требования по чистоте выхлопа для машин, работающих на базе двигателя внутреннего сгорания. В определенных случаях из-за высоких экологических стандартов нельзя зарегистрировать транспортное средство в определенном государстве, так как система очистки вышла из строя.

Выхлопная система автомобиля в качестве одного из важных компонентов содержит катализатор: он нужен для очистки выхлопных газов. Это позволяет производителю устанавливать стандартную линейку моторов в новые модели автомобилей.

Что такое катализатор

Катализатор – это необходимый компонент системы отвода продуктов сгорания топливно-воздушной смеси в автомобиле. Функционирование элемента базируется на химической реакции нейтрализации тяжелых частиц и опасных газов. У таких автомобилей выхлопные газы не увеличивают показатели смога в городе.

Отыскать этот элемент можно в магистрали выхлопной системы. Он размещается как можно ближе к впускному коллектору. Это делается потому, что реакция осуществляется только при высокой температуре. Эффективность функционирования устройства обеспечивается тем, что на выходе из двигателя газы имеют наибольшую температуру.

Устройство катализатора

Катализатор или каталитический нейтрализатор изготовлен в формате колбы из металла, смонтированной после приемной трубы. Внутреннее пространство заполнено керамической вставкой со структурой в виде ячеек. Они имеют вид пчелиных сот. Шестиугольник — это оптимальная форма для распределения множества перегородок, контактирующих с газом, подаваемым от ДВС.

Керамические ребра легированы с использованием драгоценных металлов, например, платины, золота или иридия. Эти сплавы реагируют с горячими газами, присутствующими в выхлопе от мотора. Скорость процесса зависит от нагрева внутри катализатора: чем ребра горячее, тем эффективнее преобразование азотных и углеводородных соединений в азот и углекислый газ. Для полноценной работы катализатора в выхлопной системе установлен детектор кислорода.

Неисправности катализатора и их причины

Блок катализатора в машине бывает в рабочем, нерабочем или полурабочем состоянии. Для водителя о состоянии элемента могут говорить различные сигналы:

Снижение КПД двигателя. Если мотор потерял в мощности, авто ускоряется слабее, а динамические показатели снизились, то стоит обратиться к специалисту. Такие симптомы иногда являются предвестниками проблем с другими узлами авто. В случае критической поломки нейтрализатора двигатель заводится плохо и регулярно глохнет. Это связано с возникновением большого сопротивления в выпускном коллекторе, из-за чего падает качество вентиляции цилиндров и появляется новая порция ВТС.
Автомобиль потребляет больше горючего. Это связано с попытками блока управления скорректировать проблему за счет подачи более обогащенной топливно-воздушной смеси для стабилизации оборотов коленчатого вала.
От выхлопной системы исходят сильные шумы. Этот грохот некоторые путают с прогоранием глушителя. Это является признаком начала разрушения активных элементов внутри катализатора. Куски отваливаются и быстро движутся в корпусе банки, так как не удаляются вместе с выхлопом, издавая громкие звуки из-за ударов. Это хорошо слышно при холодном пуске на повышенных оборотах ДВС.
Загорелся Check с индикацией мотора. Это универсальный сигнал, свидетельствующий и об иных неисправностях. В таком случае требуется диагностика для определения кода ошибки и выявления узла – источника сигнала. ЭБУ иногда инициирует оповещение об ошибке, если к ней поступают ошибочные сведения от лямбда-зонда.

Катализатор служит длительное время. Если проводится его должная эксплуатация и полноценное обслуживание вовремя, то он может прослужить столько же, сколько и машина. Этот показатель установлен производителем, а в сопроводительной документации прописан срок службы транспортного средства. Но катализатор иногда намного раньше отрабатывает свой ресурс.

Внезапно катализаторы из строя не выходят. Обычно это следствие определенных ошибок, допускаемых владельцем автомобиля. Обычно они сопряжены с поломками в системе зажигания или топливной подачи. В выхлопной системе оказывается некоторый объем недогоревшего топлива, остающегося в форме нагара на ребрах. При его дожиге в катализаторе происходит накаливание его элементов с последующим разрушением. Такое может случиться из-за износа маслосъемных колпачков на клапанах, в результате чего в коллекторе оказывается не только выхлоп, но и моторное масло.

Предотвратить все это можно посредством проведения периодических проверок системы зажигания автомобиля посредством компьютерной диагностики с целью устранения ошибок в конфигурации мотора. На топливе не рекомендуется экономить. Если качество продукции на заправке сомнительное, то лучше там больше не заправляться.

Как диагностировать работоспособность?

Определить работоспособность катализатора автомобиля можно своими силами либо в сервисном центре. Есть три метода проверки работоспособности данного узла:

Осмотр корпуса. При деформации корпуса катализатора можно говорить о частичной либо полной неисправности узла. Катализатор нужно снять и просмотреть на просвет. Определенные модели не допускают осмотра, если корпус не будет вскрыт.
Противодавление. Для проверки потребуется манометр и трубка-переходник для присоединения к нему. Манометр монтируется на позицию лямбда-зонда и заводится мотор на 2,5-3 тысячи оборотов на 15 сек. Нормальные параметры давления составляют 0,3-0,35 кг/см2. При значении показателя от 0,5 кг/см2 можно говорить о проблемах с катализатором.
Мотор-тестер для диагностики. Этот вариант можно реализовать при использовании специализированного оборудования. Прибор подключается на место свечей зажигания, чтобы снять показатели при старте мотора.

Замена катализатора

При выходе из строя катализатора у специалистов сервисных центров обычно есть три предложения для выхода из ситуации:

Удаление катализатора

Катализатор стоит дорого, так как в нем присутствуют драгоценные металлы. Высокая стоимость компонента становится главной причиной, по которой большинство автовладельцев с испорченными катализаторами принимают решение об их удалении. Если его просто вырезать и поместить на его место отрезок трубы, то наименьшее, что произойдет – двигатель будет постоянно функционировать в аварийном режиме. В современных авто используется ЭБУ, которая не позволит завести машину, так как сразу определит данную проблему.

Поэтому рекомендуется не выполнять процедуру, пока не будет проведена консультация со специалистами.

Грамотное удаление катализатора должно быть таким:

Одним из важных аргументов в пользу установки нового катализатора становится обязательный техосмотр при пересечении границы с европейскими государствами. При удаленной детали и правильной настройке электроники датчик, поднесенный сотрудником техслужбы к выхлопной трубе, продемонстрирует реальный показатель.

Промывка катализатора

Катализатор – это узел, который не подлежит ремонту, а единственным способом восстановления его работоспособности является замена на новый. Невозможно отремонтировать или восстановить узел, ресурс которого отработан, и делать это не зачем. Это расходная деталь, подлежащая замене.

Но если катализатор забился, то можно продлить его срок эксплуатации посредством промывки. Это можно сделать своими руками. Для этого можно использовать этанол или жидкость для карбюраторов. Для процедуры стоит воспользоваться пластмассовой тарой. Катализатор требуется снять с авто и проступить к очистке.

Соты нужно полить жидкостью, а потом завернуть деталь в ткань и установить на тару вертикально. Спустя полчаса можно промыть соты горячей водой. Далее требуется продуть его для проверки проходимости сот. Если воздух проходит слабо, то процесс повторяется. Когда очистка завершена, можно тщательно просушить узел феном и продуть воздухом.

Итак, не рекомендовано игнорировать даже слабые признаки выхода катализатора из строя. Для максимального продления его срока эксплуатации стоит выполнять элементарные процедуры, даже если их цена кажется высокой.

Читайте также: