- Катализатор, работающий на принципе окисления (рис. 86,а).
- Двухкомпонентный катализатор (рис. 86,в).
- Трехкомпонентный катализатор (рис. 86,с).
Рис. 86.
а. 1. Система управления составом топливо-воздушной смеси. 2. Катализатор окислительного действия для НС и СО. 3. Воздух на дожигание.
в. 1. Система управления составом топливо-воздушной смеси. 2. Катализатор, снижающий концентрацию NOx. 3. Катализатор окислительного действия для НС и СО. 4. Воздух на дожигание.
с. 1. Система управления составом топливо-воздушной смеси. 2. Трехкомпонентный катализатор для NOx, НС и СО. 3. Датчик кислорода. 4. Блок управления двигателем.
Только использование трехкомпонентного катализатора позволяет одновременно снизить концентрацию трех компонент выхлопных газов: СО, НС и NOx. Если используется цепь обратной связи, трехкомпонентный катализатор обеспечивает наиболее низкую концентрацию всех трех примесей. Технически возможно, но экономически нецелесообразно автомобили с электронным управлением катализатором переоборудовать и отключить управление катализатором. Тем не менее, неуправляемый катализатор используется достаточно часто и обеспечивает снижение концентрации вредных примесей до 50%.
Катализатор состоит из активного каталитического покрытия, подложки и металлического контейнера. Используются подложки трех типов: подложки из специальных материалов (изредка используются европейскими фирмами), керамический монолит (используется чаще всего) и металлический монолит. Керамический монолит - керамика, в которой имеется множество каналов, по которым проходят выхлопные газы. В основном используется алюмосили-катномагниевая керамика, устойчивая к высоким температурам. Монолит монтируется в металлический корпус. Между подложкой и монолитом помещается сетка из высоколегированной стали (проволока диаметром около 0,25 мм). Сетка достаточно гибкая для компенсации допусков на изготовление элементов, разницы в коэффициентах термического расширения корпуса и подложки, механических напряжений, возникающих при движении автомобиля, и сил воздействия газов на подложку.
Металлические монолиты используются в основном как предварительный катализатор в дополнение к основному катализатору на основе керамики для повышения скорости преобразования примесей после запуска холодного двигателя и устанавливаются сразу после двигателя. Основной причиной редкого использования металлического монолита - более высокая стоимость по сравнению и керамическим монолитом. Керамический и металлический монолиты покрываются оксидами алюминия, что обеспечивает увеличение эффективности катализатора примерно в 7000 раз. Активное каталитическое покрытие для катализатора, работающего на принципе окисления, состоит из палладия и платины, для трехкомпонентного катализатора - платины и родия. Платина ускоряет окисление гидрокарбонов и моноокиси углерода, а родий способствует снижению степени формирования оксидов азота. Содержание благородных металлов в катализаторе - на уровне 2-3 граммов.
Для нормального действия катализатора необходимо использовать неэтилированный бензин (бензин, не содержащий свинца), поскольку содержащийся в топливе свинец "отравляет" покрытие из благородных металлов и очень быстро полностью выводит систему из строя. В настоящее время ведутся поиски путей создания катализаторов, не чувствительных к свинцу, однако в ближайшем будущем сомнительно получение образцов, пригодных для серийного использования. Для процессов преобразования в катализаторе требуется поддержание состава топливо-воздушной смеси, очень близкого к стехиометрическому.
Регулировка состава смеси осуществляется введением обратной связи на основе использования датчика кислорода в систему управления эмиссией выхлопных газов. С 1976 года системы с катализатором и датчиком кислорода, включенным в цепь обратной связи, стали серийными системами на автомобилях, выпускаемых в Японии. На рис. 87 для сравнения показаны зависимости содержания примесей в выхлопных газах для систем с катализатором и датчиком кислорода и без катализатора. При использовании катализатора с датчиком кислорода практически для всех трех типов примесей - СО, НС и NOx -концентрация в выхлопных газах минимальна.
Рис. 87.
Для систем с катализатором важную роль играет рабочая температура. До температуры около 250°C заметного преобразования примесей катализатором не наблюдается. Идеальные рабочие условия для системы с точки зрения получения максимальной эффективности и достаточно продолжительного срока службы - температура в диапазоне 400-800°C. В диапазоне температур 800-1000°C из-за спекания благородных металлов и Al₂O₃ активность поверхности снижается, что значительно сокращает срок службы системы.
При температурах выше 1000°C термическое спекание происходит с очень высокой интенсивностью и система очень быстро становится неэффективной. Исходя из этого можно определить требования к настройке двигателя. После запуска нормальная рабочая температура двигателя должна достигаться как можно быстрее для реализации наиболее эффективного снижения выделения вредных примесей. С другой стороны, при работе двигателя в режиме высокой частоты вращения коленчатого вала двигателя и при полной нагрузке, когда температура выхлопных газов достигает максимального значения, не должны создаваться условия, способствующие быстрому спеканию каталитического покрытия. Если эти условия выполняются, катализатор может эффективно действовать достаточно долго, до 100 000 км пробега.
[Материал основан на данных портала: nissanbook.ru]
При неисправности двигателя (например, при обратных вспышках) температура катализатора может резко возрасти до 1400°C. Такая температура полностью выводит катализатор из строя вследствие расплавления материала подложки. Для исключения этого система зажигания моделей с катализатором должна работать с высокой надежностью и обеспечивать работоспособность практически без обслуживания в процессе эксплуатации. Это требование в полной мере обеспечивается электронными системами управления. Использовать следует только неэтилированный бензин, исключающий воздействие свинца на активную пленку катализатора. Остатки масла также приводят к "отравлению" катализатора.