Каталитический нейтрализатор
-
История и развитие каталитических нейтрализаторов
- Каталитические нейтрализаторы преобразуют токсичные газы в менее токсичные.
- Первые прототипы разработаны во Франции в конце 19 века.
- Эжен Гудри запатентовал каталитический нейтрализатор в 1930 году.
- В 1973 году создан первый серийный каталитический нейтрализатор.
-
Применение и регулирование
- Каталитические нейтрализаторы используются в автомобилях, электрогенераторах, вилочных погрузчиках и других транспортных средствах.
- В США с 1975 года большинство автомобилей с бензиновым двигателем оснащены каталитическими нейтрализаторами.
- В Европе с 2000 года введены стандарты выбросов Евро-3, требующие установки трехходовых каталитических нейтрализаторов.
-
Конструкция и материалы
- Каталитический нейтрализатор состоит из носителя, моющего покрытия и катализатора.
- Носитель обычно керамический монолит с ячеистой структурой.
- Моющее покрытие используется для диспергирования каталитических материалов.
- Катализатор чаще всего представляет собой смесь драгоценных металлов, таких как платина, палладий и родий.
-
Типы каталитических нейтрализаторов
- Двусторонний каталитический нейтрализатор окисляет CO и углеводороды.
- Трехходовой каталитический нейтрализатор также снижает выбросы NOx.
- Трехходовые нейтрализаторы используются с 1981 года в США и Канаде.
-
Восстановление оксидов азота до азота
- C + 2NO2 → CO2 + 2NO
- CO + NO → CO2 + N2
- 2CO + NO2 → 2CO2 + N2
- H2 + NO → H2O + N2
-
Окисление углерода, углеводородов и монооксида углерода
- C + O2 → CO2
- CO + 1/2O2 → CO2
- aCxHy + bO2 → cCO2 + dH2O
-
Эффективность каталитических нейтрализаторов
- Эффективны при работе двигателя немного выше стехиометрической нормы
- Соотношение воздух-топливо для бензина: 14,6-14,8 частей воздуха на 1 часть топлива
- Для автогаза, природного газа и этанола соотношение может различаться
-
Регулируемые трехходовые каталитические нейтрализаторы
- Оснащены компьютеризированной системой впрыска топлива с обратной связью
- Используют кислородные датчики для контроля соотношения воздух-топливо
- Эффективны при узком диапазоне соотношений воздух-топливо
-
Управление по замкнутому циклу
- Используется для поддержания эффективности катализатора
- Система управления регулирует соотношение воздух-топливо вокруг стехиометрической точки
- Эффективность повышается при небольшом колебании вокруг стехиометрической точки
-
Проблемы при высокой нагрузке
- При высокой нагрузке образуется большое количество несгоревшего углерода
- Система управления должна предотвращать быстрое попадание кислорода на катализатор
-
Нежелательные реакции
- Образование сероводорода и аммиака отравляет катализаторы
- Топливо без серы или с низким содержанием серы устраняет проблемы
-
Дизельные двигатели
- Используются катализаторы окисления дизельного топлива (DOC)
- DOC преобразуют твердые частицы, углеводороды и монооксид углерода в CO2 и H2O
- Для снижения выбросов NOx используются системы SCR и адсорберы NOx
-
Двигатели с искровым зажиганием
- Используются катализаторы окисления, как в дизельных двигателях
- Выбросы похожи на выбросы дизельных двигателей
-
Установка каталитических нейтрализаторов
- Расположены рядом с выпускным коллектором
- Быстро нагреваются для снижения выбросов при прогреве двигателя
- Системы впрыска воздуха увеличивают количество кислорода для реакций окисления
-
Конструкция и функции каталитических нейтрализаторов
- Каталитические нейтрализаторы снижают выбросы вредных веществ из выхлопных газов.
- Они состоят из нескольких слоев, каждый из которых выполняет свою функцию.
- Современные автомобили оснащены электронными системами впрыска топлива, что позволяет точно контролировать воздушно-топливную смесь.
-
Отравление катализаторов
- Отравление происходит из-за воздействия загрязняющих веществ, таких как свинец, сера, марганец и фосфор.
- Свинец является наиболее заметным загрязнителем, поэтому автомобили с каталитическими нейтрализаторами должны использовать неэтилированное топливо.
- Фосфор больше не используется в бензине, но может присутствовать в моторных маслах.
-
Влияние на выбросы и окружающую среду
- Каталитические нейтрализаторы снижают выбросы, но увеличивают расход топлива.
- Производство каталитических нейтрализаторов требует использования драгоценных металлов, что может негативно влиять на окружающую среду.
- Сильный нагрев преобразователей может привести к лесным пожарам.
-
Кража каталитических нейтрализаторов
- Каталитические нейтрализаторы часто крадут из-за их внешнего расположения и использования драгоценных металлов.
- Кража особенно распространена среди пикапов и внедорожников.
- В 2023 году в США введено законодательство по борьбе с кражей каталитических нейтрализаторов.
-
Рост краж каталитических нейтрализаторов
- С конца 2010-х по начало 2020-х годов число краж каталитических нейтрализаторов в США возросло более чем в десять раз.
- Средняя ценовая эластичность составляет 1,98, что означает 20-процентное увеличение числа краж при 10-процентном повышении цен на металл.
- В 2022 году количество краж достигло 153 000 случаев.
-
Кражи в Великобритании
- С 2019 по 2020 год воры охотились на гибридные автомобили старых моделей, содержащие больше драгоценных металлов.
- В 2021 году в Демократической Республике Конго наметилась тенденция к краже каталитических нейтрализаторов для незаконного производства наркотиков.
-
Диагностика каталитических нейтрализаторов
- В различных юрисдикциях требуется бортовая диагностика для контроля состояния системы контроля выбросов.
- Датчики температуры используются для предупреждения о превышении температуры каталитического нейтрализатора.
- Кислородные датчики контролируют уровень O2 для определения эффективности процесса сжигания.
- Датчики NOx используются в системах SCR для контроля NOx.
-
Рекомендации и дальнейшее чтение
- Приведены ссылки на патенты и исследования, связанные с каталитическими нейтрализаторами.