stringtranslate.com

Каталитический нейтрализатор

Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор на бензиновом автомобиле Dodge Ram 1996 года выпуска.
Моделирование потока внутри каталитического нейтрализатора

Каталитический нейтрализатор — это устройство контроля выбросов выхлопных газов , которое преобразует токсичные газы и загрязняющие вещества в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания в менее токсичные загрязняющие вещества путем катализа окислительно-восстановительной реакции . Каталитические нейтрализаторы обычно используются в двигателях внутреннего сгорания, работающих на бензине или дизельном топливе , включая двигатели на обедненных смесях , а иногда и в керосиновых обогревателях и печах.

Первое широкое внедрение каталитических нейтрализаторов произошло на автомобильном рынке США. Чтобы соответствовать более строгим нормам Агентства по охране окружающей среды США по выбросам выхлопных газов, большинство автомобилей с бензиновым двигателем, начиная с модельного года 1975 года, оснащаются каталитическими нейтрализаторами. [1] [2] [3] Эти «двухсторонние» нейтрализаторы объединяют кислород с оксидом углерода (CO) и несгоревшими углеводородами (HC) для получения диоксида углерода (CO 2 ) и воды (H 2 O). Хотя двухсторонние нейтрализаторы на бензиновых двигателях были вытеснены в 1981 году «трехсторонними» нейтрализаторами, которые также снижают уровень оксидов азота ( NO x ), [4] они по-прежнему используются в двигателях, работающих на обедненной смеси, для окисления твердых частиц и выбросов углеводородов (включая дизельные двигатели, которые обычно используют обедненное сгорание), поскольку трехсторонние нейтрализаторы требуют обогащенного топливом или стехиометрического сгорания для успешного снижения уровня NO x .

Хотя каталитические нейтрализаторы чаще всего применяются в выхлопных системах автомобилей, они также используются в электрогенераторах , погрузчиках , горнодобывающем оборудовании, грузовиках , автобусах , локомотивах , мотоциклах и на судах. Они даже используются в некоторых дровяных печах для контроля выбросов. [5] Обычно это происходит в ответ на государственное регулирование, либо через экологическое регулирование, либо через правила охраны труда и техники безопасности.

История

Прототипы каталитических нейтрализаторов были впервые разработаны во Франции в конце 19-го века, когда на дорогах было всего несколько тысяч «нефтяных автомобилей»; эти прототипы имели инертные материалы на основе глины, покрытые платиной , родием и палладием и запечатанные в двойной металлический цилиндр. [6] Несколько десятилетий спустя каталитический нейтрализатор был запатентован Эженом Удри , французским инженером-механиком. Удри был экспертом в каталитической очистке нефти, изобретя процесс каталитического крекинга, на котором сегодня основана вся современная очистка. [7] Удри переехал в Соединенные Штаты в 1930 году, чтобы жить недалеко от нефтеперерабатывающих заводов в районе Филадельфии и разрабатывать свой процесс каталитической очистки. Когда были опубликованы результаты ранних исследований смога в Лос-Анджелесе, Удри обеспокоился ролью выхлопных газов дымовых труб и выхлопных газов автомобилей в загрязнении воздуха и основал компанию под названием Oxy-Catalyst. Сначала Хоудри разработал каталитические нейтрализаторы для дымовых труб , которые для краткости называли «кошками», а затем разработал каталитические нейтрализаторы для складских погрузчиков, которые использовали низкосортный неэтилированный бензин. [8] В середине 1950-х годов он начал исследования по разработке каталитических нейтрализаторов для бензиновых двигателей, используемых в автомобилях, и получил патент США 2 742 437 за свою работу. [9]

Каталитические нейтрализаторы были в дальнейшем усовершенствованы рядом инженеров, включая Карла Д. Кейта , Джона Дж. Муни , Антонио Элеазара и Филиппа Мессину из Engelhard Corporation, [10] [11] создав первый серийный каталитический нейтрализатор в 1973 году. [12] [ ненадежный источник? ]

Первое широкое внедрение каталитических нейтрализаторов произошло на автомобильном рынке США. Чтобы соответствовать новым правилам Агентства по охране окружающей среды США по выбросам выхлопных газов, большинство автомобилей с бензиновым двигателем, произведенных с 1975 года, оснащены каталитическими нейтрализаторами. Ранние каталитические нейтрализаторы были «двусторонними», объединяя кислород с оксидом углерода (CO) и несгоревшими углеводородами (HC, химические соединения в топливе в форме C m H n ) для получения диоксида углерода (CO 2 ) и воды (H 2 O). [4] [1] [2] [3] Эти строгие правила контроля выбросов также привели к удалению антидетонационной присадки тетраэтилсвинца из автомобильного бензина, чтобы уменьшить содержание свинца в воздухе. Свинец и его соединения являются каталитическими ядами и загрязняют каталитические нейтрализаторы, покрывая поверхность катализатора. Требование удаления свинца позволило использовать каталитические нейтрализаторы для соответствия другим стандартам выбросов в правилах. [13] Для снижения вредных выбросов NO x в 1970-х годах была разработана система с двумя катализаторами — в нее был добавлен отдельный катализатор (родий/платина), который снижал выбросы NO x перед воздушным насосом, после чего двухкомпонентный каталитический нейтрализатор (палладий/платина) удалял HC и CO. [14] Эта громоздкая и дорогая система вскоре стала ненужной, после того как было замечено, что при некоторых условиях исходный катализатор также удалял HC и CO. Это привело к разработке трехкомпонентного катализатора, что стало возможным благодаря развитию электроники и управления двигателем. [14]

В начале 1970-х годов Уильям К. Пфефферле разработал каталитическую камеру сгорания для газовых турбин , что позволило обеспечить сгорание без значительного образования оксидов азота и оксида углерода. [15] [16] Также были разработаны четырехкомпонентные каталитические нейтрализаторы, которые также удаляют твердые частицы из выхлопных газов двигателя; поскольку большинство этих частиц представляют собой несгоревшие углеводороды, их можно сжигать, чтобы преобразовать в углекислый газ. [17] [18]

Строительство

Разрез преобразователя с металлическим сердечником
Преобразователь с керамическим сердечником

Конструкция каталитического нейтрализатора следующая:

  1. Носитель или подложка катализатора . Для автомобильных каталитических нейтрализаторов ядро ​​обычно представляет собой керамический монолит , имеющий сотовую структуру (обычно квадратную, а не шестиугольную). (До середины 1980-х годов материал катализатора наносился на уплотненный слой гранул оксида алюминия в ранних приложениях GM.) Металлические фольгированные монолиты, изготовленные из кантала (FeCrAl) [19], используются в приложениях, где требуется особенно высокая термостойкость. [19] Подложка структурирована для получения большой площади поверхности . Керамическая подложка из кордиерита, используемая в большинстве каталитических нейтрализаторов, была изобретена Родни Бэгли , Ирвином Лахманом и Рональдом Льюисом в Corning Glass , за что они были включены в Национальный зал славы изобретателей в 2002 году. [4]
  2. Washcoat. Washcoat является носителем для каталитических материалов и используется для распределения материалов по большой площади поверхности. Оксид алюминия , диоксид титана , диоксид кремния, например, коллоидный кремнезем или смесь кремнезема и оксида алюминия . Каталитические материалы суспендируются в washcoat перед нанесением на ядро. Материалы washcoat выбираются для формирования шероховатой , неровной поверхности, которая увеличивает площадь поверхности по сравнению с гладкой поверхностью голой подложки. [20]
  3. Церий или церий-цирконий . Эти оксиды в основном добавляются в качестве стимуляторов накопления кислорода. [21]
  4. Сам катализатор чаще всего представляет собой смесь драгоценных металлов , в основном из платиновой группы . Платина является наиболее активным катализатором и широко используется, но не подходит для всех применений из-за нежелательных дополнительных реакций и исторически высокой стоимости. Палладий и родий - два других используемых драгоценных металла, хотя по состоянию на февраль 2023 года платина стала наименее дорогим из металлов платиновой группы. Родий используется в качестве катализатора восстановления , палладий используется в качестве катализатора окисления , а платина используется как для восстановления, так и для окисления. Церий , железо , марганец и никель также используются, хотя каждый из них имеет ограничения. Никель не является законным для использования в Европейском Союзе из-за его реакции с оксидом углерода в токсичный тетракарбонил никеля . [ требуется ссылка ] Медь может использоваться в большинстве стран, за исключением Японии . [ требуется разъяснение ]

При выходе из строя каталитического нейтрализатора его можно переработать в лом . Драгоценные металлы внутри нейтрализатора, включая платину, палладий и родий, извлекаются.

Размещение каталитических нейтрализаторов

Для эффективной работы каталитических нейтрализаторов требуется температура 400 °C (750 °F). Поэтому их располагают как можно ближе к двигателю, или один или несколько меньших каталитических нейтрализаторов (известных как «предварительные катализаторы») располагают сразу после выпускного коллектора.

Типы

Двусторонний

Двухкомпонентный (или «окислительный», иногда называемый «окси-кат») каталитический нейтрализатор выполняет две задачи одновременно:

  1. Окисление оксида углерода в диоксид углерода : 2CO + O 2 → 2CO 2
  2. Окисление углеводородов (несгоревшего и частично сгоревшего топлива) до углекислого газа и воды : C x H 2 x +2 + [(3 x +1)/2]O 2x CO 2 + ( x +1)H 2 O (реакция горения)

Двухкомпонентный каталитический нейтрализатор широко используется в дизельных двигателях для снижения выбросов углеводородов и оксида углерода. Они также использовались в бензиновых двигателях на автомобильных рынках Америки и Канады до 1981 года. Из-за их неспособности контролировать оксиды азота производители на короткое время установили двойные каталитические системы с родиевым/платиновым катализатором, снижающим выбросы NO x , перед воздушным насосом, что привело к разработке трехкомпонентного каталитического нейтрализатора. [14] Двухкомпонентный каталитический нейтрализатор также продолжал использоваться в некоторых недорогих автомобилях на некоторых рынках, таких как Европа, где выбросы NO x не регулировались повсеместно до введения стандарта выбросов Euro 3 в 2000 году. [22]

Трехходовой

Трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы имеют дополнительное преимущество, контролируя выбросы оксида азота (NO) и диоксида азота (NO 2 ) (оба вместе обозначаются аббревиатурой NO x и не следует путать с закисью азота (N 2 O) ). NO x являются предшественниками кислотных дождей и смога . [23]

С 1981 года трехкомпонентные (окислительно-восстановительные) каталитические нейтрализаторы используются в системах контроля выбросов транспортных средств в Соединенных Штатах и ​​Канаде; многие другие страны также приняли строгие правила выбросов транспортных средств , которые фактически требуют трехкомпонентных нейтрализаторов на бензиновых транспортных средствах. Катализаторы восстановления и окисления обычно находятся в общем корпусе; однако в некоторых случаях они могут быть размещены отдельно. Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор выполняет три задачи одновременно: [23]

Восстановление оксидов азота до азота (N 2 )

Окисление углерода, углеводородов и оксида углерода до диоксида углерода

Эти три реакции происходят наиболее эффективно, когда каталитический нейтрализатор получает выхлопные газы из двигателя, работающего немного выше стехиометрической точки. Для сгорания бензина это соотношение составляет от 14,6 до 14,8 частей воздуха на одну часть топлива по весу. Соотношение для автогаза (или сжиженного нефтяного газа LPG), природного газа и этанолового топлива может значительно различаться для каждого, особенно это касается оксигенированного или спиртового топлива, при этом E85 требует примерно на 34% больше топлива, что требует измененной настройки топливной системы и компонентов при использовании этих видов топлива. Двигатели, оснащенные регулируемыми трехкомпонентными каталитическими нейтрализаторами, оснащены компьютеризированной системой впрыска топлива с обратной связью с замкнутым контуром, использующей один или несколько датчиков кислорода (также известных как лямбда-зонды или датчики). Другие варианты комбинированных трехкомпонентных нейтрализаторов с карбюраторами, оснащенными системой управления смесью с обратной связью, использовались. Нерегулируемый трехкомпонентный нейтрализатор имеет те же химические процессы, но без датчика кислорода, что означает более высокие выбросы NO x , особенно при частичных нагрузках. Это были недорогие решения, обычно использовавшиеся для модернизации старых автомобилей или небольших и дешевых автомобилей.

Трехходовые нейтрализаторы эффективны, когда двигатель работает в узком диапазоне соотношений воздух-топливо вблизи стехиометрической точки. [24] Общая эффективность преобразования падает очень быстро, когда двигатель работает за пределами этого диапазона. Слегка обедненные от стехиометрического, выхлопные газы двигателя содержат избыток кислорода, производство NO x двигателем увеличивается, а эффективность катализатора по восстановлению NO x быстро падает. Однако преобразование HC и CO очень эффективно из-за имеющегося кислорода, окисляющегося до H 2 O и CO 2 . Слегка обогащенные от стехиометрического, производство CO и несгоревших HC двигателем начинает резко увеличиваться, доступный кислород уменьшается, а эффективность катализатора по окислению CO и HC значительно снижается, особенно по мере истощения запасенного кислорода. Однако эффективность катализатора по восстановлению NO x хорошая, а производство NO x двигателем уменьшается. Для поддержания эффективности катализатора соотношение воздух-топливо должно оставаться близким к стехиометрическому и не оставаться слишком долго обогащенным или обедненным.

Системы управления двигателем с замкнутым контуром используются для эффективной работы трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов из-за этого непрерывного баланса обогащенной-обедненной смеси, необходимого для эффективного снижения NO x и окисления HC + CO. Система управления позволяет катализатору выделять кислород в условиях слегка обогащенной смеси, что окисляет CO и HC в условиях, которые также способствуют снижению NO x. До того, как запасенный кислород будет исчерпан, система управления изменяет соотношение воздух-топливо, чтобы оно стало слегка обедненным, улучшая окисление HC и CO, сохраняя дополнительный кислород в материале катализатора, с небольшим штрафом в эффективности снижения NO x . Затем смесь воздуха и топлива возвращается к слегка обогащенной смеси, с небольшим штрафом в эффективности окисления CO и HC, и цикл повторяется. Эффективность повышается, когда это колебание вокруг стехиометрической точки невелико и тщательно контролируется. [25]

Замкнутый контур управления при легкой и средней нагрузке достигается с помощью одного или нескольких датчиков кислорода в выхлопной системе. Когда датчик обнаруживает кислород, соотношение воздух-топливо обедняется или становится стехиометрическим, а когда кислород не обнаруживается, оно становится богатым. Система управления регулирует скорость впрыска топлива в двигатель на основе этого сигнала, чтобы поддерживать соотношение воздух-топливо вблизи стехиометрической точки, чтобы максимизировать эффективность преобразования катализатора. На алгоритм управления также влияет задержка по времени между регулировкой расхода топлива и обнаружением измененного соотношения воздух-топливо датчиком, а также сигмоидальный отклик датчиков кислорода. Типичные системы управления предназначены для быстрого изменения соотношения воздух-топливо таким образом, чтобы оно слегка колебалось вокруг стехиометрической точки, оставаясь вблизи оптимальной точки эффективности, при этом управляя уровнями сохраненного кислорода и несгоревших углеводородов. [24]

Замкнутый контур управления часто не используется во время работы с высокой нагрузкой/максимальной мощностью, когда допускается увеличение выбросов и задается команда на обогащенную смесь для увеличения мощности и предотвращения превышения расчетных пределов температуры выхлопных газов. Это представляет собой проблему для системы управления и конструкции катализатора. Во время таких операций двигатель производит большие объемы несгоревших углеводородов, значительно превышающие возможности катализатора по выделению кислорода. Поверхность катализатора быстро насыщается углеводородами. При возврате к более низкой выходной мощности и более бедным соотношениям воздух-топливо система управления должна предотвращать слишком быстрое поступление избыточного кислорода в катализатор, так как это быстро сожжет углеводороды в уже горячем катализаторе, потенциально превышая расчетный температурный предел катализатора. Чрезмерная температура катализатора может преждевременно состарить катализатор, снизив его эффективность до достижения расчетного срока службы. Чрезмерная температура катализатора также может быть вызвана пропуском зажигания в цилиндре, при котором несгоревшие углеводороды в сочетании с кислородом непрерывно поступают в горячий катализатор, сгорая в катализаторе и повышая его температуру. [26]

Нежелательные реакции

Нежелательные реакции приводят к образованию сероводорода и аммиака , которые отравляют катализаторы. Иногда в состав покрытия добавляют никель или марганец , чтобы ограничить выбросы сероводорода. [ необходима цитата ] Топливо без серы или с низким содержанием серы устраняет или минимизирует проблемы с сероводородом.

Дизельные двигатели

Для двигателей с воспламенением от сжатия (т. е. дизельных ) наиболее часто используемым каталитическим нейтрализатором является дизельный окислительный катализатор (DOC). DOC содержат палладий или платину, нанесенные на оксид алюминия . Этот катализатор преобразует твердые частицы (PM), углеводороды и оксид углерода в углекислый газ и воду. Эти нейтрализаторы часто работают с эффективностью 90 процентов, фактически устраняя запах дизельного топлива и помогая уменьшить количество видимых твердых частиц. Эти катализаторы неэффективны для NO x , поэтому выбросы NO x дизельными двигателями контролируются рециркуляцией отработавших газов (EGR).

В 2010 году большинство производителей дизельных двигателей малой грузоподъемности в США добавили каталитические системы в свои транспортные средства для соответствия федеральным требованиям по выбросам. Были разработаны две технологии для каталитического снижения выбросов NO x в условиях обедненного выхлопа: селективное каталитическое снижение (SCR) и адсорбер NO x .

Вместо поглотителей NO x , содержащих драгоценные металлы , большинство производителей выбрали системы SCR на основе базовых металлов, которые используют реагент, такой как аммиак, для восстановления NO x до азота и воды. [27] Аммиак подается в каталитическую систему путем впрыска мочевины в выхлопные газы, которая затем подвергается термическому разложению и гидролизу в аммиак. Раствор мочевины также называют дизельной выхлопной жидкостью (DEF).

Дизельный выхлоп содержит относительно высокий уровень твердых частиц. Каталитические нейтрализаторы удаляют только 20–40% PM, поэтому твердые частицы очищаются сажевым фильтром или дизельным сажевым фильтром (DPF). В США все дорожные легкие, средние и тяжелые дизельные транспортные средства, выпущенные после 1 января 2007 года, подпадают под ограничения по выбросам твердых частиц дизельного топлива и поэтому оснащены двухкомпонентным каталитическим нейтрализатором и дизельным сажевым фильтром. [ необходима цитата ] Пока двигатель был произведен до 1 января 2007 года, транспортное средство не обязано иметь систему DPF. [ необходима цитата ] Это привело к увеличению запасов производителями двигателей в конце 2006 года, чтобы они могли продолжать продавать автомобили без DPF вплоть до 2007 года. [28]

Двигатели с искровым зажиганием, работающие на обедненной смеси

Для двигателей с искровым зажиганием на обедненной смеси катализатор окисления используется таким же образом, как и в дизельном двигателе. Выбросы двигателей с искровым зажиганием на обедненной смеси очень похожи на выбросы дизельного двигателя с воспламенением от сжатия.

Установка

Во многих автомобилях установлен каталитический нейтрализатор, расположенный рядом с выпускным коллектором двигателя . Нейтрализатор быстро нагревается из-за воздействия очень горячих выхлопных газов, что позволяет ему снизить нежелательные выбросы во время прогрева двигателя. Это достигается путем сжигания избыточных углеводородов, которые образуются из-за чрезмерно богатой смеси, необходимой для холодного запуска.

Когда впервые появились каталитические нейтрализаторы, большинство транспортных средств использовали карбюраторы , которые обеспечивали относительно богатое соотношение воздуха и топлива . Поэтому уровень кислорода (O 2 ) в потоке выхлопных газов был, как правило, недостаточен для эффективного протекания каталитической реакции. Поэтому большинство конструкций того времени включали вторичный впрыск воздуха , который впрыскивал воздух в поток выхлопных газов. Это увеличивало доступный кислород, позволяя катализатору функционировать так, как задумано.

Некоторые системы трехкомпонентного каталитического нейтрализатора имеют системы впрыска воздуха, в которых воздух впрыскивается между первой ( снижение NO x ) и второй (окисление HC и CO) стадиями нейтрализатора. Как и в двухкомпонентных нейтрализаторах, этот впрыскиваемый воздух обеспечивает кислород для окислительных реакций. Точка впрыска воздуха выше по потоку, перед каталитическим нейтрализатором, также иногда присутствует для обеспечения дополнительного кислорода только во время периода прогрева двигателя. Это приводит к воспламенению несгоревшего топлива в выхлопном тракте, тем самым предотвращая его попадание в каталитический нейтрализатор вообще. Эта технология сокращает время работы двигателя, необходимое для того, чтобы каталитический нейтрализатор достиг своей «зажигательной» или рабочей температуры .

Большинство новых автомобилей имеют электронные системы впрыска топлива и не требуют систем впрыска воздуха в выхлопные газы. Вместо этого они обеспечивают точно контролируемую воздушно-топливную смесь, которая быстро и непрерывно переключается между обедненным и обогащенным сгоранием. Датчики кислорода контролируют содержание кислорода в выхлопных газах до и после каталитического нейтрализатора, а блок управления двигателем использует эту информацию для регулировки впрыска топлива таким образом, чтобы предотвратить загрузку кислородом первого катализатора ( снижение NO x ), одновременно обеспечивая достаточное насыщение кислородом второго катализатора (окисление HC и CO).

Повреждать

Отравление катализатора происходит, когда каталитический нейтрализатор подвергается воздействию выхлопных газов, содержащих вещества, которые покрывают рабочие поверхности, так что они не могут контактировать и реагировать с выхлопными газами. Наиболее заметным загрязнителем является свинец , поэтому автомобили, оснащенные каталитическими нейтрализаторами, могут работать только на неэтилированном топливе. Другие распространенные яды катализатора включают серу , марганец (происходящий в основном из присадки к бензину MMT ) и кремний , которые могут попасть в поток выхлопных газов, если в двигателе есть утечка, которая позволяет охлаждающей жидкости попадать в камеру сгорания. Фосфор является еще одним загрязнителем катализатора. Хотя фосфор больше не используется в бензине, он (и цинк , другой низкоуровневый загрязнитель катализатора) широко использовался в противоизносных присадках моторного масла, таких как дитиофосфат цинка (ZDDP). Начиная с 2004 года, предел концентрации фосфора в моторных маслах был принят в спецификациях API SM и ILSAC GF-4.

В зависимости от загрязняющего вещества отравление катализатора иногда можно обратить вспять, запустив двигатель под очень большой нагрузкой в ​​течение длительного периода времени. [ требуется цитата ] Повышенная температура выхлопных газов иногда может испарять или сублимировать загрязняющее вещество, удаляя его с каталитической поверхности. [ требуется цитата ] Однако удаление свинцовых отложений таким способом обычно невозможно из-за высокой температуры кипения свинца. [29]

Любое условие, которое приводит к ненормально высокому уровню несгоревших углеводородов (сырого или частично сгоревшего топлива или масел), достигающих нейтрализатора, будет иметь тенденцию к значительному повышению его температуры, что приводит к риску расплавления субстрата и, как следствие, каталитической дезактивации и серьезному ограничению выхлопа. К таким условиям относятся отказ верхних компонентов выхлопной системы (коллектор или коллекторный узел и связанные с ними зажимы, подверженные ржавчине, коррозии или усталости, такие как раскол выпускного коллектора после многократного теплового цикла), системы зажигания (например, катушечных блоков, первичных компонентов зажигания, крышки распределителя, проводов, катушки зажигания и свечей зажигания) или поврежденных компонентов топливной системы (например, топливных форсунок, регулятора давления топлива и связанных с ними датчиков). Утечки масла и охлаждающей жидкости, возможно, вызванные утечкой прокладки головки блока цилиндров, также могут вызывать высокий уровень несгоревших углеводородов.

Правила

Нормы выбросов значительно различаются в зависимости от юрисдикции. Большинство автомобильных двигателей с искровым зажиганием в Северной Америке оснащаются каталитическими нейтрализаторами с 1975 года, [4] [1] [2] [3] , а технология, используемая в неавтомобильных приложениях, как правило, основана на автомобильной технологии. Во многих юрисдикциях незаконно снимать или отключать каталитический нейтрализатор по любой причине, кроме его прямой и немедленной замены. Тем не менее, некоторые владельцы транспортных средств снимают или «потрошат» каталитический нейтрализатор на своем транспортном средстве. [30] [31] В таких случаях нейтрализатор может быть заменен приваренной секцией обычной трубы или фланцевой «испытательной трубой», якобы предназначенной для проверки засоренности нейтрализатора путем сравнения работы двигателя с нейтрализатором и без него. Это облегчает временную переустановку нейтрализатора для прохождения теста на выбросы. [32]

В Соединенных Штатах нарушением раздела 203(a)(3)(A) измененного Закона о чистом воздухе 1990 года является снятие авторемонтной мастерской нейтрализатора с транспортного средства или принуждение к снятию нейтрализатора с транспортного средства, за исключением случаев его замены другим нейтрализатором, [33] а раздел 203(a)(3)(B) делает незаконным для любого лица продажу или установку любой детали, которая обходит, отменяет или делает неработоспособной любую систему контроля выбросов, устройство или элемент конструкции. Транспортные средства без функционирующих каталитических нейтрализаторов, как правило, не проходят проверки выбросов. Автомобильный вторичный рынок поставляет высокопоточные нейтрализаторы для транспортных средств с модернизированными двигателями или для тех, чьи владельцы предпочитают выхлопную систему с большей, чем у стандартной, производительностью. [34]

Каталитические нейтрализаторы стали обязательными для всех новых бензиновых автомобилей, продаваемых в Европейском Союзе и Соединенном Королевстве с 1 января 1993 года , чтобы соответствовать стандартам выбросов Евро 1. [35]

Влияние на поток выхлопных газов

Неисправные каталитические нейтрализаторы, а также неповрежденные ранние типы нейтрализаторов могут ограничивать поток выхлопных газов, что отрицательно влияет на производительность автомобиля и экономию топлива. [30] Современные каталитические нейтрализаторы не ограничивают поток выхлопных газов в значительной степени. Например, тест 2006 года на Honda Civic 1999 года показал, что удаление стандартного каталитического нейтрализатора дало всего 3% увеличения максимальной мощности; новый нейтрализатор с металлическим сердечником стоил автомобилю всего 1% мощности по сравнению с отсутствием нейтрализатора. [32]

Опасности

Карбюраторы на автомобилях до 1981 года без обратной связи управления топливно-воздушной смесью могли легко подавать слишком много топлива в двигатель, что могло привести к перегреву каталитического нейтрализатора и потенциальному воспламенению легковоспламеняющихся материалов под автомобилем. [36]

Период разогрева

Транспортные средства, оснащенные каталитическими нейтрализаторами, выбрасывают большую часть общего количества загрязняющих веществ в течение первых пяти минут работы двигателя; например, до того, как каталитический нейтрализатор достаточно прогреется, чтобы стать полностью эффективным. [37]

В начале 2000-х годов стало обычным размещать каталитический нейтрализатор прямо рядом с выпускным коллектором, близко к двигателю, для более быстрого прогрева. В 1995 году Alpina представила электрически подогреваемый катализатор. Названный «E-KAT», он использовался в B12 5,7 E-KAT от Alpina на базе BMW 750i . [38] Нагревательные спирали внутри узлов каталитического нейтрализатора электризуются сразу после запуска двигателя, что очень быстро доводит катализатор до рабочей температуры, чтобы автомобиль мог получить обозначение транспортного средства с низким уровнем выбросов (LEV). [39] Позже BMW представила тот же подогреваемый катализатор, разработанный совместно Emitec, Alpina и BMW, [38] в своей модели 750i в 1999 году. [39]

Некоторые автомобили содержат pre-cat, небольшой каталитический нейтрализатор перед основным каталитическим нейтрализатором, который нагревается быстрее при запуске автомобиля, снижая выбросы, связанные с холодным запуском. Pre-cat чаще всего используется автопроизводителями, когда они пытаются достичь рейтинга Ultra Low Emissions Vehicle (ULEV), например, на Toyota MR2 Roadster. [40]

Воздействие на окружающую среду

Каталитические нейтрализаторы доказали свою надежность и эффективность в снижении вредных выбросов выхлопных газов. Однако они также имеют некоторые недостатки в использовании, а также неблагоприятные экологические последствия при производстве:

Кража

Из-за внешнего расположения и использования ценных драгоценных металлов, включая платину , палладий и родий , каталитические нейтрализаторы являются целью для воров. Проблема особенно распространена среди пикапов и внедорожников на базе грузовиков из -за их высокого дорожного просвета и легко снимаемых каталитических нейтрализаторов с болтовым креплением. Приваренные нейтрализаторы также подвержены риску кражи, так как их можно легко срезать. Каталитические нейтрализаторы Toyota Prius также являются целью для воров. Каталитические нейтрализаторы гибридов нуждаются в большем количестве драгоценных металлов для правильной работы по сравнению с обычными автомобилями с двигателем внутреннего сгорания, поскольку они не нагреваются так сильно, как те, которые установлены на обычных автомобилях, поскольку двигатели внутреннего сгорания гибридов работают только часть времени. [46] [47] [48]

Труборезы часто используются для тихого снятия преобразователя [49] [50], но другие инструменты, такие как переносная возвратно-поступательная пила, могут повредить другие компоненты автомобиля, такие как генератор , проводка или топливопроводы, что может иметь потенциально опасные последствия.

В 2023 году в Сенате США был представлен двухпартийный законопроект по борьбе с кражами каталитических нейтрализаторов . Закон о предотвращении краж из перерабатывающих автомобилей (Закон PART) обяжет каталитические нейтрализаторы в новых транспортных средствах поставляться с отслеживаемыми идентификационными номерами. Кроме того, закон сделает кражу каталитических нейтрализаторов федеральным уголовным преступлением. [51]

Статистика

Рост цен на металл в США во время сырьевого бума 2000-х годов привел к значительному росту краж конвертеров. Стоимость замены каталитического конвертера может превышать 1000 долларов, а если автомобиль был поврежден во время кражи, то и больше. [52] [53] [54] Помимо повреждения других систем автомобиля, кража может также привести к смерти и травмам воров. [55]

Количество краж каталитических нейтрализаторов в США возросло более чем в десять раз с конца 2010-х до начала 2020-х годов, что, предположительно, было вызвано ростом цен на драгоценные металлы, содержащиеся в нейтрализаторах. [56] Результаты исследования показывают, что средняя эластичность цены составляет 1,98, что означает, что 10-процентное увеличение цены на металл приводит к примерно 20-процентному увеличению количества краж. [57] По данным Национального бюро по борьбе с преступлениями в сфере страхования , в 2018 году было зарегистрировано 1298 случаев краж каталитических нейтрализаторов, а в 2020 году их число возросло до 14 433. [58] В 2022 году сообщалось, что количество краж каталитических нейтрализаторов в США резко возросло до 153 000 краж за год. [59]

С 2019 по 2020 год воры в Соединенном Королевстве нацелились на гибридные автомобили старых моделей (например, гибриды Toyota ), в которых содержится больше драгоценных металлов, чем в новых транспортных средствах, — иногда стоимость которых превышает стоимость самого автомобиля, — что приводит к дефициту и длительным задержкам в их замене. [60]

В 2021 году в Демократической Республике Конго появилась тенденция , когда каталитические нейтрализаторы, как утверждается, были украдены для использования в незаконном производстве уличных наркотиков. Наркотик, порошок, известный как «бомбе», как утверждается, представляет собой смесь порошкообразных таблеток/витаминов и измельченных сотовых структур каталитических нейтрализаторов. [61] Однако в 2023 году исследование различных образцов препарата пришло к выводу, что его предполагаемое происхождение из каталитических выхлопов было признано необоснованным. [62]

Диагностика

Различные юрисдикции теперь требуют бортовой диагностики для контроля функционирования и состояния системы контроля выбросов, включая каталитический нейтрализатор. Транспортные средства, оснащенные диагностическими системами OBD-II, разработаны для оповещения водителя о состоянии пропуска зажигания посредством загорания индикатора «проверьте двигатель» на приборной панели или его мигания, если текущие условия пропуска зажигания достаточно серьезны, чтобы потенциально повредить каталитический нейтрализатор. [63] Бортовые диагностические системы имеют несколько форм.

Датчики температуры используются для двух целей. Первая — как система оповещения, обычно на двухсторонних каталитических нейтрализаторах, таких как те, которые используются на вилочных погрузчиках сжиженного нефтяного газа. Функция датчика — предупреждать о температуре каталитического нейтрализатора выше безопасного предела 750 °C (1380 °F). Современные конструкции каталитических нейтрализаторов не так восприимчивы к температурным повреждениям и могут выдерживать постоянные температуры 900 °C (1650 °F). [ необходима цитата ] Датчики температуры также используются для контроля работы катализатора: обычно устанавливаются два датчика, один перед катализатором и один после него, чтобы контролировать повышение температуры над сердечником каталитического нейтрализатора. [ необходима цитата ]

Датчик кислорода является основой замкнутой системы управления на двигателе с искровым зажиганием и обогащенной смесью; однако он также используется для диагностики. В автомобилях с OBD II второй датчик кислорода устанавливается после каталитического нейтрализатора для контроля уровня O 2. Уровни O 2 контролируются для оценки эффективности процесса сгорания. Бортовой компьютер сравнивает показания двух датчиков. Показания снимаются путем измерения напряжения. Если оба датчика показывают одинаковый выход или задний O 2 «переключается», компьютер распознает, что каталитический нейтрализатор либо не работает, либо был удален, и включает индикаторную лампу неисправности и влияет на работу двигателя. Были разработаны простые «имитаторы датчика кислорода», чтобы обойти эту проблему путем имитации изменения через каталитический нейтрализатор с помощью планов и предварительно собранных устройств, доступных в Интернете. Хотя они не являются законными для использования на дороге, их использование дало неоднозначные результаты. [64] Подобные устройства применяют смещение к сигналам датчиков, позволяя двигателю работать на более экономичной обедненной смеси, что, однако, может повредить двигатель или каталитический нейтрализатор. [65]

Датчики NO x чрезвычайно дороги и обычно используются только тогда, когда двигатель с воспламенением от сжатия оснащен селективным каталитическим нейтрализатором (SCR) или поглотителем NO x в системе обратной связи. При установке в систему SCR может быть один или два датчика. Если установлен один датчик, он будет предварительным катализатором; если установлены два, второй будет посткаталитическим. Они используются по тем же причинам и таким же образом, как и кислородный датчик; единственное отличие заключается в контролируемом веществе. [ необходима цитата ]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Petersen Publishing (1975). "Каталитический нейтрализатор". В Erwin M. Rosen (ред.). The Petersen Automotive Troubleshooting & Repair Manual . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Grosset & Dunlap. стр. 493. ISBN 978-0-448-11946-5. В течение многих лет выхлопная система ... оставалась практически неизменной до 1975 года, когда был добавлен странный новый компонент. Он называется каталитический нейтрализатор...
  2. ^ abc "General Motors считает, что у нее есть ответ на проблему загрязнения воздуха автомобилями". The Blade: Толедо, Огайо . 12 сентября 1974 г. Получено 14 декабря 2011 г.
  3. ^ abc "Каталитический нейтрализатор возглавляет усилия по экономии топлива в автомобилях". The Milwaukee Sentinel . 11 ноября 1974 г. Получено 14 декабря 2011 г.[ постоянная мертвая ссылка ]
  4. ^ abcd Палуцка, Тим (зима 2004 г.). «Делаем невозможное». Изобретения и технологии . 19 (3). Архивировано из оригинала 3 декабря 2008 г. Получено 14 декабря 2011 г.
  5. ^ "Выбор правильной дровяной печи". Burn Wise . US EPA . Получено 2 января 2012 г.
  6. ^ Кастаньед, Лоран (2018). Airvore или неясное лицо транспорта; Объявлена ​​хроника загрязнения окружающей среды . Монреаль (Квебек): экологическое общество. стр. 109–110 и иллюстрация стр. 7. ISBN 9782897193591. OCLC  1030881466.
  7. ^ Чере, Чаба (январь 1988). «10 лучших инженерных прорывов». Автомобиль и водитель . 33 (7): 63.
  8. ^ "Выхлопные газы стали безопасными" Popular Mechanics , сентябрь 1951 г., стр. 134, нижняя часть страницы
  9. ^ «Его коты, пожирающие дым, теперь атакуют транспортный смог». Popular Science , июнь 1955 г., стр. 83-85/244.
  10. ^ ( требуется регистрация ) «Карл Д. Кит, отец каталитического нейтрализатора, умер в возрасте 88 лет». The New York Times . 15 ноября 2008 г.
  11. ^ Робертс, Сэм (25 июня 2020 г.). «Джон Дж. Муни, изобретатель каталитического нейтрализатора, умер в возрасте 90 лет». The New York Times .
  12. Сотрудник (без даты). "Engelhard Corporation". referenceforbusiness.com. Получено 7 января 2011 г.
  13. ^ "Eugene Houdry". Институт истории науки . Июнь 2016. Получено 27 октября 2016 .
  14. ^ abc Twigg, Martyn V. (15 апреля 2005 г.). «Контроль выбросов автомобильных выхлопных газов: успехи и лежащая в основе наука». Philosophical Transactions of the Royal Society A . 363 (1829): 1013–1033. Bibcode :2005RSPTA.363.1013T. doi :10.1098/rsta.2005.1547. PMID  15901550. S2CID  37283846.
  15. ^ Картер, Роберт Н.; Смит, Лэнс Л.; Карим, Хасан; Кастальди, Марко; Этемад, Шах; Мюнх, Джордж; Бурс, Р. Сэмюэл; Меначерри, Пол; Пфефферле, Уильям К. (1998). «Разработка технологии каталитического сгорания для применения в газотурбинных двигателях». Труды MRS . 549. doi :10.1557/PROC-549-93.
  16. ^ Уорти, Шэрон. «Химик из Коннектикута получает награду за технологию очистки воздуха. Архивировано 1 декабря 2017 г. в Wayback Machine ». Bio-Medicine . 23 июня 2003 г. Получено 11 декабря 2012 г.
  17. ^ https://www.greencarcongress.com/2014/12/20141210-basf.html [ пустой URL-адрес ]
  18. ^ Милле, Клер-Ноэль; Шедоталь, Ромен; Да Коста, Патрик (август 2009 г.). «Исследование синтетического газа на стенде 4-ходового каталитического нейтрализатора: каталитическое окисление, хранение/восстановление NOx и влияние загрузки и регенерации сажи». Applied Catalysis B: Environmental . 90 (3–4): 339–346. Bibcode : 2009AppCB..90..339M. doi : 10.1016/j.apcatb.2009.03.026.
  19. ^ аб Пишингер, профессор университета. Доктор технических наук. Стефан (2011). Verbrennungsmotoren Band 2 (24-е изд.). Ахен, Германия: Lehrstuhl Für Verbrennungskraftmachinen. п. 335.
  20. ^ Votsmeier, Martin; Kreuzer, Thomas; Gieshoff, Jürgen; Lepperhoff, Gerhard (2009). «Контроль выхлопных газов автомобилей». Энциклопедия промышленной химии Ульмана. doi :10.1002/14356007.a03_189.pub2. ISBN 978-3-527-30385-4. S2CID  137166382.
  21. ^ Кашпар, Дж.; Форнасьеро, П.; Грациани, М. (1999). «Использование оксидов на основе CeO2 в трехкомпонентном катализе». Catalysis Today . 50 (2): 285–298. doi :10.1016/S0920-5861(98)00510-0. ISSN  0920-5861.
  22. ^ "Директива 98/69/EC Европейского парламента и Совета от 13 октября 1998 г. о мерах, которые необходимо принять против загрязнения воздуха выбросами автотранспортных средств и вносящая поправки в Директиву Совета 70/220/EEC". Eur-lex.europa.eu. 13 октября 1998 г. Получено 2 февраля 2011 г.
  23. ^ ab Каспар, Ян; Форнасьеро, Паоло; Хики, Нил (2003). «Автомобильные каталитические нейтрализаторы: текущее состояние и некоторые перспективы». Catalysis Today . 77 (4): 419–449. doi :10.1016/S0920-5861(02)00384-X.
  24. ^ ab "Трехходовой каталитический нейтрализатор". Архивировано из оригинала 31 января 2022 г. Получено 31 января 2022 г.
  25. ^ Брандт, Эрих; Ванг, Яньин; Гризл, Джесси (2000). «Динамическое моделирование трехкомпонентного катализатора для контроля выбросов выхлопных газов двигателя с искровым зажиганием» (PDF) . IEEE Transactions on Control Systems Technology . 8 (5): 767–776. doi :10.1109/87.865850.
  26. ^ Купер, Б. Дж. (октябрь 1983 г.). «Долговечность катализаторов контроля выхлопных газов автомобилей, содержащих платину: улучшение устойчивости к термической деградации». Platinum Metals Review . 27 (4): 146–155. doi :10.1595/003214083X274146155. S2CID  36970773.
  27. ^ «Информационный бюллетень по технологиям контроля загрязнения воздуха (PDF, Агентство по охране окружающей среды США)» (PDF) .
  28. ^ «Стандарты для двигателей большой грузоподъемности и транспортных средств и требования к контролю содержания серы в дизельном топливе для шоссейных дорог» (PDF) . 19 августа 2015 г. (123 КБ)
  29. ^ «В каких автомобилях меньше всего шансов украсть каталитический нейтрализатор?». Auto Ride Of Reading. 15 июля 2022 г.
  30. ^ ab Crutsinger, Martin (29 сентября 1982 г.). «Комплекты для предотвращения контроля загрязнения воздуха в автомобилях продаются хорошо». The Gainesville Sun.
  31. ^ «Некоторые из нас могут позволить себе только драндулет». The Palm Beach Post . 23 февраля 1996 г.
  32. ^ ab "Beat the Law". Import Tuner . 1 октября 2006 г. Архивировано из оригинала 28 февраля 2014 г. Получено 9 января 2011 г.
  33. ^ Продажа и использование каталитических нейтрализаторов вторичного рынка, Агентство по охране окружающей среды США, Федеральный реестр США, том 51
  34. Таннер, Кит. Mazda MX-5 Miata . стр. 120. {{cite book}}: |work=проигнорировано ( помощь )
  35. ^ "Евростандарты выбросов | AA". www.theaa.com . Получено 31 декабря 2022 г. .
  36. ^ Ульман, Оуэн (14 июня 1976 г.). «Каталитический нейтрализатор все еще вызывает споры после двух лет использования». Бюллетень [ необходимо разъяснение ] .
  37. ^ Каталитические нейтрализаторы, nsls.bnl.gov
  38. ^ ab "Milestones". alpina-automobiles.com . Архивировано из оригинала 30 июня 2015 . Получено 5 июня 2015 .
  39. ^ ab Edgar, Julian (5 октября 1999 г.). "Прощай, 12 вольт... привет, 42 вольта!". Autospeed. Архивировано из оригинала 28 мая 2012 г. Получено 2 января 2012 г. Текущая модель BMW 750iL имеет максимальную электрическую нагрузку 428 ампер (5,9 кВт)! В этой машине более половины максимальной нагрузки приходится на кратковременный электрический нагрев каталитических нейтрализаторов
  40. ^ "Pre-cats - Что вы должны знать". Toyota Owners Club - Toyota Forum . 11 сентября 2007 г. Получено 15 апреля 2018 г.
  41. ^ Уолш, Брайан (12 сентября 2007 г.). «Норильск, Россия». Самые загрязненные места в мире . Время . Архивировано из оригинала 31 октября 2007 г. Получено 7 января 2011 г.
  42. ^ «Вот как избежать случайного начала следующего огненного шторма». pe.com . 6 сентября 2016 г.
  43. ^ "Пожары, вызванные каталитическим нейтрализатором, — обычное дело". ocregister.com . 18 ноября 2008 г. Получено 15 апреля 2018 г.
  44. ^ "Каталитический нейтрализатор признан виновным в возгорании SR-52". fox5sandiego.com . 29 июня 2017 г. . Получено 15 апреля 2018 г. .
  45. ^ "Crews have 400-acre Jennings Fire in Lakeside 100 percent contai - KUSI News - San Diego, CA". Архивировано из оригинала 14 июля 2017 года . Получено 14 июля 2017 года .
  46. ^ "Каталитические нейтрализаторы делают Toyota Prius 2004-09 годов маловероятной целью угона". IIHS . 18 ноября 2021 г. . Получено 15 апреля 2023 г. .
  47. Медичи, Джо (31 июля 2007 г.). «Коварные воры». Chroniclet.com . Архивировано из оригинала 28 сентября 2007 г.
  48. ^ Мурр, Эндрю (9 января 2008 г.). «Изнурительное новое преступление — что воры крадут из современных автомобилей». Newsweek . Получено 7 января 2011 г.
  49. ^ «Каталитические нейтрализаторы воруют ради ценных металлов» . RTÉ.ie. ​Райдио Тейлифис Эйрианн. 11 декабря 2019 г.
  50. ^ «Полиция Котати арестовала подозреваемых в краже каталитического нейтрализатора». 29 ноября 2019 г.
  51. ^ Пьетрас, Джейк (2 февраля 2023 г.). «Вэнс вводит законодательство для борьбы с кражами каталитических нейтрализаторов». 13ABC . Получено 15 марта 2023 г. .
  52. ^ «Воры по всей стране скользят под машинами, крадут каталитические нейтрализаторы». The New York Times . 9 февраля 2021 г. Архивировано из оригинала 28 декабря 2021 г.
  53. ^ Джонсон, Алекс (12 февраля 2008 г.). «Украдено за 60 секунд: сокровище в вашей машине — поскольку цены на драгоценные металлы растут, каталитические нейтрализаторы становятся мишенью для воров». NBC News . Получено 7 января 2011 г.
  54. ^ "Конвертеры, украденные ворами с автостоянки". PoconoNews . 2 июля 2009 г.
  55. ^ Разек, Раджа (12 марта 2023 г.). «Полиция сообщает, что мужчина был раздавлен насмерть при попытке украсть каталитический нейтрализатор». cnn.com . CNN . Получено 13 марта 2023 г.
  56. ^ "СМОТРЕТЬ: Кражи каталитических нейтрализаторов стремительно растут. Вот почему". PBS NewsHour . 12 августа 2022 г. Получено 26 декабря 2022 г.
  57. ^ Stickle, Ben; Rennhoff, Adam; Morris, Charles; Fritts, Samuel (2024). «Кража каталитического нейтрализатора: исследование эластичности преступности». Crime Prevention and Community Safety . 26 (2): 139–156. doi :10.1057/s41300-024-00207-6 . Получено 29 июня 2024 г.
  58. ^ Pender, Caelyn (9 августа 2022 г.). «Почему люди крадут каталитические нейтрализаторы?». KRON4 . Получено 15 марта 2023 г.
  59. ^ Stickle, Ben; Rennhoff, Adam; Morris, Charles; Fritts, Samuel (2024). «Кража каталитического нейтрализатора: исследование эластичности преступности». Crime Prevention and Community Safety . 26 (2): 139–156. doi :10.1057/s41300-024-00207-6 . Получено 29 июня 2024 г.
  60. ^ «Кража каталитического нейтрализатора: владельцы гибридных автомобилей сталкиваются со страховым кошмаром». The Guardian . 1 февраля 2020 г.
  61. ^ Ньемба, Бенуа (27 сентября 2021 г.). «Пик наркомании, связанной с выхлопными газами автомобилей, тревожит столицу Конго». Reuters . Получено 8 октября 2021 г.
  62. ^ Обадиа, Пол; Капия, Патрис; Боннёр, Арне; Дука, Раду-Корнелиу; Крета, Маттео; Кайембе-Китенге, Тони; Титгат, Ян; Окитунду, Даниэль; Нкулу, Селестен; Немери, Бенуа (2023). «Бомба, неопределенное вещество, вызвавшее вспышку незаконного употребления наркотиков в Киншасе, Демократическая Республика Конго». Клиническая токсикология . 61 (12): 1055–1058. doi :10.1080/15563650.2023.2276040. PMID  38047882. S2CID  265607501. Получено 17 февраля 2024 г.
  63. ^ «Может ли каталитический нейтрализатор стать причиной пропусков зажигания? - Carsneedcare». carsneedcare . 22 сентября 2022 г. . Получено 17 марта 2023 г. .
  64. ^ «Урегулирование касается незаконной продажи устройств контроля выбросов для автомобилей». 1 июня 2007 г.
  65. ^ "Check Engine Lights загораются по какой-то причине". Concord Monitor . 12 января 2003 г.

Дальнейшее чтение