Каталитический нейтрализатор

Устройство контроля выбросов выхлопных газов

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, работающие на обедненной топливной смеси , а иногда и в керосиновых обогревателях и печах.

Первое широкое распространение 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 1975 модельного года, оснащаются каталитическими нейтрализаторами. ^{[1] [2] [3]} Эти «двусторонние» преобразователи объединяют кислород с окисью углерода (CO) и несгоревшими углеводородами (HC) для получения углекислого газа (CO ₂ ) и воды (H ₂ O). Хотя двухходовые нейтрализаторы на бензиновых двигателях устарели в 1981 году из-за «трехходовых» нейтрализаторов, которые также восстанавливают оксиды азота ( NO _x ); ^[4] они до сих пор используются в двигателях, работающих на обедненной смеси, для окисления твердых частиц и выбросов углеводородов (включая дизельные двигатели, которые обычно используют обедненную смесь), поскольку трехходовые преобразователи требуют сжигания богатого топлива или стехиометрического сгорания для успешного снижения NO _x .

Хотя каталитические нейтрализаторы чаще всего применяются в выхлопных системах автомобилей, они также используются в электрических генераторах , вилочных погрузчиках , горнодобывающем оборудовании, грузовиках , автобусах , локомотивах , мотоциклах и на кораблях. Их даже используют в некоторых дровяных печах для контроля выбросов. ^[5] Обычно это является ответом на правительственное постановление , либо посредством экологического регулирования, либо посредством правил охраны труда и техники безопасности.

История

Прототипы каталитических нейтрализаторов были впервые разработаны во Франции в конце XIX века, когда на дорогах было всего несколько тысяч «нефтяных машин»; 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 Юджином Удри , французским инженером-механиком. Удри был экспертом в каталитической переработке нефти, он изобрел процесс каталитического крекинга, на котором сегодня основана вся современная нефтепереработка. ^[7] Хоудри переехал в Соединенные Штаты в 1930 году, чтобы жить рядом с нефтеперерабатывающими заводами в районе Филадельфии и развивать свой процесс каталитической очистки. Когда были опубликованы результаты ранних исследований смога в Лос-Анджелесе, Удри забеспокоился о роли выхлопов дымовых труб и автомобильных выхлопов в загрязнении воздуха и основал компанию под названием Oxy-Catalyst. Удри первым разработал каталитические нейтрализаторы для дымовых труб , сокращенно называемые «кошками», а позже разработал каталитические нейтрализаторы для складских вилочных погрузчиков, использующих низкосортный неэтилированный бензин. ^[8] В середине 1950-х годов он начал исследования по разработке каталитических нейтрализаторов для бензиновых двигателей , используемых в автомобилях, и за свою работу получил патент США № 2,742,437 . ^[9]

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

Первое широкое распространение 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, выпущенных с 1975 года, оснащены каталитическими нейтрализаторами. Ранние каталитические нейтрализаторы были «двусторонними», объединяя кислород с окисью углерода (CO) и несгоревшими углеводородами (HC, химическими соединениями в топливе в форме C _m H _n ) для получения углекислого газа (CO ₂ ) и воды (H ₂ O) . ). ^{[4] [1] [2] [3]} Эти строгие правила контроля выбросов также привели к удалению антидетонатора тетраэтилсвинца из автомобильного бензина, чтобы снизить содержание свинца в воздухе. Свинец и его соединения являются каталитическим ядом и загрязняют каталитические нейтрализаторы, покрывая поверхность катализатора. Требование удаления свинца позволило использовать каталитические нейтрализаторы для соответствия другим стандартам выбросов, указанным в правилах. ^[13] Чтобы снизить вредные выбросы NO _x , в семидесятых годах была разработана система с двойным катализатором - в нее был добавлен отдельный (родиевый/платиновый) катализатор, который снижал NO _x перед воздушным насосом, после чего использовался двухкомпонентный каталитический нейтрализатор ( палладий/платина) удаляли HC и CO. ^[14] Эта громоздкая и дорогая система вскоре стала ненужной, после того как было отмечено, что при некоторых условиях исходный катализатор также удаляет HC и CO. Это привело к разработке трехкомпонентного катализатора. , ставший возможным благодаря разработкам в области электроники и управления двигателем. ^[14]

Уильям К. Пфефферле разработал каталитическую камеру сгорания для газовых турбин в начале 1970-х годов, позволяющую сгорание без значительного образования оксидов азота и угарного газа. ^{[15] [16]}

Строительство

Разрез преобразователя с металлическим сердечником

Преобразователь с керамическим сердечником

Конструкция каталитического нейтрализатора следующая:

1. Носитель или подложка катализатора . Сердцевина автомобильных каталитических нейтрализаторов обычно представляет собой керамический монолит , имеющий сотовую структуру (обычно квадратную, а не шестиугольную). (До середины 1980-х годов материал катализатора наносился на насыпной слой гранул оксида алюминия в первых применениях ГМ.) Монолиты металлической фольги из кантала (FeCrAl) ^[17] используются в тех случаях, когда требуется особенно высокая термостойкость. ^[17] Структура подложки обеспечивает большую площадь поверхности . Керамическая подложка из кордиерита , используемая в большинстве каталитических нейтрализаторов, была изобретена Родни Бэгли , Ирвином Лахманом и Рональдом Льюисом из Corning Glass , за что они были занесены в Национальный зал славы изобретателей в 2002 году ^.
2. Пальто. Покрытие является носителем каталитических материалов и используется для диспергирования материалов на большой площади поверхности. Можно использовать оксид алюминия , диоксид титана , диоксид кремния , например , коллоидный диоксид кремния или смесь диоксида кремния и оксида алюминия . Каталитические материалы суспендируются в тонком слое перед нанесением на ядро. Материалы Washcoat выбираются так, чтобы сформировать шероховатую , неровную поверхность, которая увеличивает площадь поверхности по сравнению с гладкой поверхностью голого основания. ^[18]
3. Церий или церий-цирконий . Эти оксиды в основном добавляются в качестве стимуляторов накопления кислорода. ^[19]
4. Сам катализатор чаще всего представляет собой смесь драгоценных металлов , преимущественно платиновой группы . Платина является наиболее активным катализатором и широко используется, но подходит не 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 самым дешевым из металлов платиновой группы. Родий используется в качестве катализатора восстановления , палладий — в качестве катализатора окисления , а платина — как для восстановления, так и для окисления. Также используются церий , железо , марганец и никель , хотя у каждого из них есть ограничения. Никель не разрешен к использованию в Европейском Союзе из-за его реакции с окисью углерода с образованием токсичного тетракарбонила никеля . ^{[ нужна цитация ]} Медь можно использовать везде, кроме Японии . ^{[ нужны разъяснения ]}

В случае выхода из строя каталитический нейтрализатор можно утилизировать в металлолом . Внутри конвертера извлекаются драгоценные металлы, в том числе платина, палладий и родий.

Размещение каталитических нейтрализаторов

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

Типы

двусторонний

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

1. Окисление угарного газа до углекислого газа : 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 ₂ → x CO ₂ + ( x +1)H ₂ O ( реакция горения)

Этот тип каталитического нейтрализатора широко используется в дизельных двигателях для снижения выбросов углеводородов и угарного газа. Они также использовались в бензиновых двигателях автомобилей, продаваемых на американском и канадском рынках, до 1981 года. Из-за их неспособности контролировать выбросы оксидов азота производители на короткое время установили сдвоенные каталитические системы с родиево-платиновым катализатором, снижающим выбросы NO _x , перед воздушным насосом. что привело к разработке трехходового преобразователя. ^[14] Oxi-cat также продолжал использоваться на некоторых недорогих автомобилях на некоторых рынках, таких как Европа, где выбросы NO _x не регулировались повсеместно до введения в 2000 году стандарта выбросов Евро-3. ^[20]

трехходовой

Трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы имеют дополнительное преимущество, заключающееся в контроле выбросов оксида азота (NO) и диоксида азота (NO ₂ ) (оба вместе обозначаются сокращенно NO x и не путаются с закисью азота (N 2 O) ). Виды NO x являются предшественниками кислотных дождей и смога . ^[21]

С 1981 года «трехходовые» (окислительно-восстановительные) каталитические нейтрализаторы используются в системах контроля выбросов транспортных средств в США и Канаде; многие другие страны также приняли строгие правила выбросов транспортных средств , которые фактически требуют трехходовых преобразователей на автомобилях с бензиновым двигателем. Катализаторы восстановления и окисления обычно содержатся в общем корпусе; однако в некоторых случаях они могут размещаться отдельно. Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор выполняет три одновременные задачи: ^[21]

Восстановление оксидов азота до азота (N ₂ )

• ${\displaystyle {\text{C}}+2{\text{NO}}_{2}\,\rightarrow \,{\text{CO}}_{2}+2{\text{NO}}}$
• ${\displaystyle {\text{CO}}+{\text{NO}}\,\rightarrow \,{\text{CO}}_{2}+{\frac {1}{2}}{\text{N}}_{2}}$
• ${\displaystyle 2{\text{CO}}+{\text{NO}}_{2}\,\rightarrow \,2{\text{CO}}_{2}+{\frac {1}{2}}{\text{N}}_{2}}$
• ${\displaystyle {\text{H}}_{2}+{\text{NO}}\,\rightarrow \,{\text{H}}_{2}{\text{O}}+{\frac {1}{2}}{\text{N}}_{2}}$

Окисление углерода, углеводородов и оксида углерода до диоксида углерода.

• ${\displaystyle {\text{C}}+{\text{O}}_{2}\,\rightarrow \,{\text{CO}}_{2}}$
• ${\displaystyle {\text{CO}}+{\frac {1}{2}}{\text{O}}_{2}\,\rightarrow \,{\text{CO}}_{2}}$
• ${\displaystyle a\,{\text{C}}_{x}{\text{H}}_{y}+b\,{\text{O}}_{2}\,\rightarrow \,c\,{\text{CO}}_{2}+d\,{\text{H}}_{2}{\text{O}}\qquad a,\,b,\,c,\,d,\,x,\,y\in \mathbb {Z} }$

Эти три реакции происходят наиболее эффективно, когда каталитический нейтрализатор получает выхлопные газы 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 автомобильного газа (или сжиженного нефтяного газа , сжиженного нефтяного газа), природного газа и этанола может значительно различаться для каждого топлива, особенно для топлива на основе кислорода или спирта, при этом e85 требует примерно на 34% больше топлива, что требует модифицированной настройки топливной системы и компонентов, когда используя эти виды топлива. Двигатели, оснащенные регулируемыми трехкомпонентными каталитическими нейтрализаторами, оснащены компьютеризированной системой впрыска топлива с обратной связью и обратной связью , использующей один или несколько кислородных датчиков (также известных как лямбда-зонды или датчики). В других вариантах использовались комбинированные трехходовые преобразователи с карбюраторами , оснащенными системой регулирования смеси с обратной связью. Нерегулируемый трехходовой преобразователь осуществляет те же химические процессы, но без датчика кислорода, что означает более высокие выбросы NO _x , особенно при частичных нагрузках. Это были недорогие решения, которые обычно использовались для дооснащения старых автомобилей или небольших и более дешевых автомобилей.

Трехходовые преобразователи эффективны при работе двигателя в узком диапазоне соотношений воздух-топливо вблизи стехиометрической точки. ^[22] Общий КПД преобразования падает очень быстро, когда двигатель работает за пределами этого диапазона. Слегка обедненные стехиометрическими, выхлопные газы двигателя содержат избыток кислорода, выработка NO _x двигателем увеличивается, а эффективность катализатора по снижению NO _x быстро падает. Однако конверсия HC и CO очень эффективна благодаря доступному кислороду, окисляющемуся до H ₂ O и CO ₂ . Слегка обогащенный стехиометрией, производство CO и несгоревших HC двигателем начинает резко возрастать, доступный кислород уменьшается, а эффективность катализатора по окислению CO и HC значительно снижается, особенно по мере истощения запасов кислорода. Однако эффективность катализатора по снижению NO _x хорошая, и выработка NO _x двигателем снижается. Для поддержания эффективности катализатора соотношение воздух-топливо должно оставаться близким к стехиометрическому и не оставаться богатым или обедненным слишком долго.

Системы управления двигателем с обратной связью используются для эффективной работы трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов из-за постоянного баланса обедненной и обогащенной смеси, необходимого для эффективного снижения NO _x и окисления HC+CO. Система управления позволяет катализатору выделять кислород в слегка обогащенных рабочих условиях, который окисляет CO и HC в условиях, которые также способствуют снижению NOx. Прежде чем запасенный кислород исчерпается, система управления изменяет соотношение воздух-топливо, делая его слегка обедненным, улучшая окисление HC и CO, сохраняя при этом дополнительный кислород в материале катализатора, с небольшим снижением эффективности снижения NO _x . Затем топливовоздушная смесь снова становится слегка обогащенной, с небольшим снижением эффективности окисления CO и HC, и цикл повторяется. Эффективность повышается, когда это колебание вокруг стехиометрической точки невелико и тщательно контролируется. ^[23]

Управление с обратной связью при легкой и умеренной нагрузке осуществляется с помощью одного или нескольких датчиков кислорода в выхлопной системе. Когда датчик обнаруживает кислород, соотношение воздух-топливо является бедным или стехиометрическим, а когда кислород не обнаруживается, оно является богатым. На основе этого сигнала система управления регулирует скорость впрыска топлива в двигатель, чтобы поддерживать соотношение воздух-топливо вблизи стехиометрической точки и максимизировать эффективность преобразования катализатора. На алгоритм управления также влияет задержка по времени между регулировкой расхода топлива и фиксацией датчика измененного соотношения воздух-топливо, а также сигмоидальный отклик кислородных датчиков. Типичные системы управления предназначены для быстрого изменения соотношения воздух-топливо, так что оно слегка колеблется вокруг стехиометрической точки, оставаясь вблизи точки оптимальной эффективности, одновременно управляя уровнями накопленного кислорода и несгоревших углеводородов. ^[22]

Управление с обратной связью часто не используется во время работы с высокой нагрузкой/максимальной мощностью, когда допускается увеличение выбросов и подается команда на обогащенную смесь для увеличения мощности и предотвращения превышения температуры выхлопных газов за расчетные пределы. Это представляет собой проблему для системы управления и конструкции катализатора. Во время таких операций двигатель производит большое количество несгоревших углеводородов, что значительно превышает способность катализатора выделять кислород. Поверхность катализатора быстро насыщается УВ. При возврате к более низкой выходной мощности и более обедненному соотношению воздух-топливо система управления должна предотвращать слишком быстрое попадание избыточного кислорода в катализатор, поскольку это приведет к быстрому сжиганию углеводородов в уже горячем катализаторе, потенциально превышая расчетный предел температуры катализатора. Чрезмерная температура катализатора может привести к преждевременному старению катализатора, снижению его эффективности до достижения расчетного срока службы. Повышенная температура катализатора также может быть вызвана пропуском зажигания в цилиндре, из-за которого несгоревшие углеводороды в сочетании с кислородом непрерывно поступают к горячему катализатору, сгорая в катализаторе и повышая его температуру. ^[24]

Нежелательные реакции

Нежелательные реакции приводят к образованию сероводорода и аммиака , которые отравляют катализаторы. Иногда в покрытие добавляют никель или марганец , чтобы ограничить выбросы сероводорода. ^{[ нужна 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 катализатор окисления дизельного топлива (DOC). DOC содержат палладий и/или платину , нанесенную на оксид алюминия . Этот катализатор преобразует твердые частицы (ТЧ), углеводороды и окись углерода в диоксид углерода и воду. Эти преобразователи часто работают с КПД 90 процентов, практически устраняя запах дизельного топлива и помогая уменьшить количество видимых твердых частиц. Эти катализаторы неэффективны в отношении NO _x , поэтому выбросы NO _x от дизельных двигателей контролируются за счет рециркуляции выхлопных газов (EGR).

В 2010 году большинство производителей легковых дизельных двигателей в США установили каталитические системы на свои автомобили, чтобы соответствовать федеральным требованиям по выбросам. Для каталитического снижения выбросов NO _x в условиях бедных выхлопных газов были разработаны две технологии : селективное каталитическое восстановление (SCR) и адсорбер NO x .

Вместо поглотителей NO _x , содержащих драгоценные металлы , большинство производителей выбрали системы SCR из недрагоценных металлов, в которых используется такой реагент , как аммиак, для восстановления NO _x до азота и воды. ^[25] Аммиак подается в каталитическую систему путем впрыска мочевины в выхлопные газы, которая затем подвергается термическому разложению и гидролизу с образованием аммиака. Раствор мочевины также называют жидкостью для выхлопных газов дизельных двигателей (DEF).

Дизельные выхлопы содержат относительно высокий уровень твердых частиц. Каталитические нейтрализаторы удаляют только 20–40% твердых частиц, поэтому твердые частицы удаляются с помощью сажевого уловителя или сажевого фильтра (DPF). В США на все дорожные автомобили легкой, средней и большой грузоподъемности с дизельным двигателем, выпущенные после 1 января 2007 года, распространяются ограничения по выбросам дизельных твердых частиц, поэтому они оснащены двухкомпонентным каталитическим нейтрализатором и сажевым фильтром. . ^{[ нужна цитата ]} Если двигатель был изготовлен до 1 января 2007 года, автомобиль не обязан иметь систему DPF. ^{[ нужна цитация ]} Это привело к увеличению запасов производителей двигателей в конце 2006 года, чтобы они могли продолжать продавать автомобили с предварительно установленным DPF и в 2007 году. ^[26]

Двигатели с искровым зажиганием, работающие на обедненной смеси

В двигателях с искровым зажиганием на обедненной смеси катализатор окисления используется так же, как и в дизельном двигателе. Выбросы двигателей с искровым зажиганием на обедненной смеси очень похожи на выбросы дизельных двигателей с воспламенением от сжатия.

Монтаж

Многие автомобили имеют моноблочный каталитический нейтрализатор, расположенный рядом с выпускным коллектором двигателя . Гидротрансформатор быстро нагревается из-за воздействия очень горячих выхлопных газов, что позволяет снизить нежелательные выбросы в период прогрева двигателя. Это достигается за счет сжигания излишков углеводородов, образующихся в результате сверхобогащенной смеси, необходимой для холодного запуска.

Когда каталитические нейтрализаторы были впервые представлены, в большинстве автомобилей использовались карбюраторы , обеспечивающие относительно богатое соотношение воздух-топливо . Поэтому уровни кислорода (O ₂ ) в потоке выхлопных газов обычно были недостаточными для эффективного протекания каталитической реакции. Поэтому большинство конструкций того времени включали впрыск вторичного воздуха , который впрыскивал воздух в поток выхлопных газов. Это увеличило количество доступного кислорода, позволяя катализатору функционировать по назначению.

Некоторые системы с трехкомпонентными каталитическим нейтрализаторами имеют системы впрыска воздуха, в которых воздух впрыскивается между первой ( снижение NO _x ) и второй (окисление HC и CO) ступенями нейтрализатора. Как и в двусторонних конвертерах, этот нагнетаемый воздух обеспечивает кислород для реакций окисления. Точка впрыска воздуха перед каталитическим нейтрализатором также иногда присутствует для подачи дополнительного кислорода только во время периода прогрева двигателя. Это приводит к воспламенению несгоревшего топлива в выхлопном тракте, тем самым вообще предотвращая его попадание в каталитический нейтрализатор. Этот метод сокращает время работы двигателя, необходимое для достижения каталитическим нейтрализатором рабочей температуры .

Большинство новых автомобилей имеют электронные системы впрыска топлива и не требуют систем впрыска воздуха в выхлопные системы. Вместо этого они обеспечивают точно контролируемую топливно-воздушную смесь, которая быстро и непрерывно переключается между обедненным и богатым 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, чтобы предотвратить перегрузку первого катализатора ( снижения NO _x ) кислородом, одновременно обеспечивая второй Катализатор (окисление HC и CO) достаточно насыщен кислородом.

Повреждать

Отравление катализатора происходит, когда каталитический нейтрализатор подвергается воздействию выхлопных газов, содержащих вещества, которые покрывают рабочие поверхности и не позволяют им контактировать и вступать в реакцию с выхлопными газами. Наиболее заметным загрязнителем является свинец , поэтому автомобили, оснащенные каталитическими нейтрализаторами, могут работать только на неэтилированном топливе. Другие распространенные яды для катализаторов включают серу , марганец (в основном из присадки к бензину ММТ ) и кремний , которые могут попасть в поток выхлопных газов, если в двигателе есть утечка, из-за которой охлаждающая жидкость попадает в камеру сгорания. Фосфор является еще одним загрязнителем катализатора. Хотя фосфор больше не используется в бензине, он (и цинк , еще один низкоконцентрированный загрязнитель катализатора) широко использовался в противоизносных присадках к моторному маслу , таких как дитиофосфат цинка (ZDDP). Начиная с 2004 года предел концентрации фосфора в моторных маслах принят в спецификациях API SM и ILSAC GF-4.

В зависимости от загрязняющего вещества отравление катализатора иногда можно обратить вспять, проработав двигатель под очень большой нагрузкой в ​​течение длительного периода времени. ^{[ нужна цитата ]} Повышенная температура выхлопных газов иногда может испарять или сублимировать загрязняющие вещества, удаляя их с каталитической поверхности. ^{[ нужна цитация ]} Однако удаление отложений свинца таким способом обычно невозможно из-за высокой температуры кипения свинца. ^[27]

Любое состояние, которое приводит к попаданию в преобразователь аномально высоких уровней несгоревших углеводородов (сырого или частично сгоревшего топлива или масел), будет иметь тенденцию к значительному повышению его температуры, что приведет к риску расплавления субстрата и, как следствие, каталитической дезактивации и серьезного ограничения выхлопа. Эти условия включают выход из строя компонентов выхлопной системы, расположенных выше по потоку (коллектор/коллектор в сборе и соответствующие зажимы, подверженные ржавчине/коррозии и/или усталости, например, раскалывание выпускного коллектора после повторяющихся циклических циклов нагрева), системы зажигания, например, блоков катушек и/или первичного зажигания. компоненты (например, крышка распределителя, провода, катушка зажигания и свечи зажигания) и/или поврежденные компоненты топливной системы (топливные форсунки, регулятор давления топлива и соответствующие датчики). Утечки масла и/или охлаждающей жидкости, возможно, вызванные утечкой прокладки головки блока цилиндров, также могут стать причиной высокого содержания несгоревших углеводородов.

Нормативно-правовые акты

Нормативы по выбросам значительно различаются от юрисдикции к юрисдикции. Большинство автомобильных двигателей с искровым зажиганием в Северной Америке оснащены каталитическими нейтрализаторами с 1975 года, ^{[4] [1] [2] [3]} , а технология, используемая в неавтомобильных приложениях, обычно основана на автомобильных технологиях. Во многих юрисдикциях запрещено удалять или отключать каталитический нейтрализатор по любой причине, кроме его прямой и немедленной замены. Тем не менее, некоторые владельцы транспортных средств снимают или «выпотрошат» каталитический нейтрализатор на своем автомобиле. ^{[28] [29]} В таких случаях гидротрансформатор может быть заменен вваренным отрезком обычной трубы или фланцевой «пробной трубкой», якобы предназначенной для проверки засоренности гидротрансформатора путем сравнения работы двигателя с ним и без него. преобразователь. Это облегчает временную переустановку преобразователя для прохождения проверки на выбросы. ^[30]

В Соединенных Штатах снятие преобразователя с транспортного средства или принуждение к снятию преобразователя с автомобиля является нарушением раздела 203(a)(3)(A) Закона о чистом воздухе 1990 года с поправками. транспортного средства, за исключением замены его другим преобразователем, ^[31] и раздел 203(a)(3)(B) запрещает любому лицу продавать или устанавливать любую деталь, которая обходит, выводит из строя или выводит из строя любую система контроля выбросов, устройство или элемент конструкции. Транспортные средства без функционирующих каталитических нейтрализаторов обычно не проходят проверку на выбросы. Рынок автозапчастей поставляет преобразователи высокого расхода для автомобилей с модернизированными двигателями или для автомобилей, владельцы которых предпочитают выхлопную систему большей, чем на складе, производительности. ^[32]

Каталитические нейтрализаторы стали обязательными для всех новых бензиновых автомобилей, продаваемых в Европейском Союзе и Великобритании с 1 января 1993 года, чтобы соответствовать стандартам выбросов Евро 1 . ^[33]

Влияние на поток выхлопных газов

Неисправные каталитические нейтрализаторы, а также неповрежденные нейтрализаторы ранних типов могут ограничивать поток выхлопных газов, что отрицательно влияет на производительность автомобиля и экономию топлива. ^[28] Современные каталитические нейтрализаторы существенно не ограничивают поток выхлопных газов. Например, испытания Honda Civic 1999 года выпуска, проведенные в 2006 году, показали, что удаление штатного каталитического нейтрализатора привело к увеличению максимальной мощности только на 3%. новый преобразователь с металлическим сердечником стоил автомобилю всего 1% мощности по сравнению с отсутствием преобразователя. ^[30]

Опасности

Карбюраторы на автомобилях до 1981 года без управления топливно-воздушной смесью с обратной связью могли легко подавать в двигатель слишком много топлива, что могло привести к перегреву каталитического нейтрализатора и потенциальному воспламенению легковоспламеняющихся материалов под автомобилем. ^[34]

Период разминки

Транспортные средства, оснащенные каталитическими нейтрализаторами, выбрасывают большую часть общего загрязнения в течение первых пяти минут работы двигателя; например, до того, как каталитический нейтрализатор достаточно прогреется для полной эффективности. ^[35]

В начале 2000-х годов стало обычным размещать каталитический нейтрализатор рядом с выпускным коллектором, рядом с двигателем, для более быстрого прогрева. В 1995 году Alpina представила катализатор с электрическим подогревом. Названный «E-KAT», он использовался в модели Alpina B12 5,7 E-KAT на базе BMW 750i . ^[36] Нагревательные катушки внутри каталитического нейтрализатора в сборе электризуются сразу после запуска двигателя, что очень быстро доводит катализатор до рабочей температуры, что позволяет автомобилю получить статус транспортного средства с низким уровнем выбросов (LEV). ^[37] Позже BMW представила тот же катализатор с подогревом, разработанный совместно Emitec, Alpina и BMW, ^[36] на своем 750i в 1999 году. ^[37]

Некоторые автомобили содержат предварительный катализатор — небольшой каталитический нейтрализатор перед основным каталитическим нейтрализатором, который нагревается быстрее при запуске автомобиля, что снижает выбросы, связанные с холодным запуском. Предварительный кот чаще всего используется производителями автомобилей при попытке достичь рейтинга транспортных средств со сверхнизким уровнем выбросов (ULEV), например, на Toyota MR2 Roadster. ^[38]

Экологический эффект

Каталитические нейтрализаторы доказали свою надежность и эффективность в снижении вредных выбросов из выхлопных газов. Однако они имеют и некоторые недостатки в использовании, а также негативное воздействие на окружающую среду при производстве:

• Двигатель, оснащенный трехкомпонентным катализатором, должен работать в стехиометрической точке , а это означает, что расходуется больше топлива, чем в двигателе, работающем на обедненной смеси . Это означает примерно на 10% больше выбросов CO ₂ от автомобиля. ^{[ нужна цитата ]}
• Для производства каталитических нейтрализаторов требуется палладий или платина ; часть мировых поставок этих драгоценных металлов производится недалеко от Норильска в России , где промышленность (среди прочих) привела к тому, что Норильск был добавлен в список самых загрязненных мест по версии журнала Time . ^[39]
• Чрезвычайно высокая температура самих преобразователей ^[40] может вызвать лесные пожары , особенно в засушливых районах. ^{[41] [42] [43]}

Кража

Из-за внешнего расположения и использования ценных драгоценных металлов, в том числе платины , палладия и родия , каталитические нейтрализаторы являются мишенью для воров. Эта проблема особенно распространена среди пикапов и внедорожников последних моделей из-за их большого дорожного просвета и легко снимаемых каталитических нейтрализаторов с болтовым креплением. Приварные преобразователи также подвержены риску кражи, так как их легко отрезать. Каталитические нейтрализаторы Toyota Prius также являются объектом воров. Каталитическим нейтрализаторам гибридов для правильной работы требуется больше драгоценных металлов по сравнению с обычными автомобилями внутреннего сгорания, поскольку они не нагреваются так сильно, как те, которые установлены на обычных автомобилях, поскольку двигатели внутреннего сгорания гибридов работают только часть времени. ^{[44] [45] [46]}

Труборезы часто используются для незаметного снятия преобразователя ^{[47] [48]} , но другие инструменты, такие как портативная сабельная пила , могут повредить другие компоненты автомобиля, такие как генератор переменного тока , проводку или топливопроводы, с потенциально опасными последствиями.

В 2023 году в Сенат США был внесен двухпартийный закон о борьбе с кражей каталитических нейтрализаторов . Закон о предотвращении краж, связанных с утилизацией автомобилей (PART Act), требует, чтобы каталитические нейтрализаторы в новых автомобилях имели отслеживаемые идентификационные номера. Кроме того, закон предусматривает уголовную ответственность за кражу каталитического нейтрализатора. ^[49]

Статистика

Рост цен на металлы в США во время сырьевого бума 2000-х годов привел к значительному увеличению краж конвертеров. Замена каталитического нейтрализатора может стоить более 1000 долларов, и даже больше, если автомобиль поврежден во время кражи. ^{[50] [51] [52]} Помимо повреждения других систем автомобиля, кража также может стать причиной смерти и травм воров. ^[53]

С конца 2010-х по начало 2020-х годов в США количество краж каталитических нейтрализаторов выросло более чем в десять раз, что, предположительно, вызвано ростом цен на драгоценные металлы, содержащиеся в конвертерах. ^[54] По данным Национального бюро страховых преступлений , в 2018 году было зарегистрировано 1298 случаев кражи каталитического нейтрализатора, а в 2020 году их число увеличилось до 14 433. ^[55]

С 2019 по 2020 год воры в Соединенном Королевстве нападали на гибридные автомобили старых моделей (таких как гибриды Toyota ), в которых содержится больше драгоценных металлов, чем в новых автомобилях (иногда их стоимость превышает стоимость автомобиля), что приводило к дефициту и длительным задержкам в замене. их. ^[56]

В 2021 году в Демократической Республике Конго возникла тенденция кражи каталитических нейтрализаторов для использования в производстве наркотиков. ^[57]

Диагностика

В различных юрисдикциях теперь требуется бортовая диагностика для контроля функционирования и состояния системы контроля выбросов, включая каталитический нейтрализатор. Автомобили, оснащенные диагностическими системами OBD-II, предназначены для предупреждения водителя о пропуске зажигания путем включения индикатора «Проверьте двигатель» на приборной панели или его мигания, если текущие условия пропуска зажигания достаточно серьезны, чтобы потенциально повредить каталитический нейтрализатор. ^[58]

Бортовые диагностические системы имеют несколько форм.

Датчики температуры используются для двух целей. Первая используется в качестве системы предупреждения, обычно в двусторонних каталитических нейтрализаторах, которые до сих пор иногда используются на вилочных погрузчиках, работающих на сжиженном нефтяном газе. Функция датчика — предупреждать о том, что температура каталитического нейтрализатора превышает безопасный предел в 750 °C (1380 °F). Современные конструкции каталитических нейтрализаторов не так чувствительны к температурным повреждениям и могут выдерживать длительные температуры до 900 °C (1650 °F). ^{[ нужна ссылка ]} Датчики температуры также используются для контроля работы катализатора: обычно устанавливаются два датчика: один перед катализатором, а другой после, чтобы контролировать повышение температуры над ядром каталитического нейтрализатора. ^{[ нужна цитата ]}

Кислородный датчик является основой системы управления с замкнутым контуром двигателя с искровым зажиганием; однако он также используется для диагностики. В автомобилях с OBD II после каталитического нейтрализатора устанавливается второй кислородный датчик для контроля уровня O ₂ . Уровни O ₂ контролируются, чтобы оценить эффективность процесса горения. Бортовой компьютер сравнивает показания двух датчиков. Показания снимаются путем измерения напряжения. Если оба датчика показывают одинаковые выходные данные или задний O ₂ «переключается», компьютер распознает, что каталитический нейтрализатор либо не работает, либо был удален, и включает контрольную лампу неисправности, что влияет на работу двигателя. Чтобы обойти эту проблему, были разработаны простые «симуляторы датчиков кислорода» путем моделирования изменений в каталитическом нейтрализаторе с помощью планов и предварительно собранных устройств, доступных в Интернете. Хотя их использование на дорогах запрещено, их использование дало неоднозначные результаты. ^[59] Подобные устройства смещают сигналы датчиков, позволяя двигателю работать на более экономичной обедненной смеси, что, однако, может привести к повреждению двигателя или каталитического нейтрализатора. ^[60]

Датчики NO _x чрезвычайно дороги и обычно используются только в том случае, если 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 предкатализатором; если установлены два, второй будет посткатализатором. Они используются по тем же причинам и таким же образом, что и датчик кислорода; единственная разница заключается в контролируемом веществе. ^{[ нужна цитата ]}

Смотрите также

• Каталитический нагреватель
• Оксид церия(III)
• Список автозапчастей
• NO _x адсорбер
• Моделирование рассеивания воздуха на проезжей части

Рекомендации

1. Petersen Publishing (1975). «Катализатор». В Эрвине М. Розене (ред.). Руководство Петерсена по поиску и устранению неисправностей и ремонту автомобилей . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Гроссет и Данлэп. п. 493. ИСБН 978-0-448-11946-5. В течение многих лет выхлопная система... оставалась практически неизменной до 1975 года, когда был добавлен странный новый компонент. Катализатор называется...
2. «General Motors считает, что у нее есть решение проблемы загрязнения воздуха в автомобилях» . Клинок: Толедо, Огайо . 12 сентября 1974 года . Проверено 14 декабря 2011 г.
3. «Каталитический нейтрализатор возглавляет усилия по экономии топлива в автомобиле». Милуоки Сентинел . 11 ноября 1974 года . Проверено 14 декабря 2011 г.^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
4. Палука, Тим (зима 2004 г.). «Делаем невозможное». Изобретения и технологии . 19 (3). Архивировано из оригинала 3 декабря 2008 года . Проверено 14 декабря 2011 г.
5. «Выбор правильной дровяной печи» . Сожги мудро . Агентство по охране окружающей среды США . Проверено 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 иллюстрации стр. 7. ISBN 9782897193591. ОСЛК  1030881466.
7. Чере, Чаба (январь 1988 г.). «10 лучших инженерных прорывов». Автомобиль и водитель . 33 (7): 63.
8. «Выхлопные газы стали безопасными» , Popular Mechanics , сентябрь 1951 г., стр. 134, внизу страницы
9. «Его кошки, питающиеся дымом, теперь атакуют дорожный смог» . Popular Science , июнь 1955 г., стр. 83–85/244.
10. ( требуется регистрация ) «Карл Д. Кейт, отец каталитического нейтрализатора, умирает в возрасте 88 лет» . Нью-Йорк Таймс . 15 ноября 2008 г.
11. Робертс, Сэм (25 июня 2020 г.). «Джон Дж. Муни, изобретатель каталитического нейтрализатора, умер в возрасте 90 лет». Нью-Йорк Таймс .
12. Штатный автор (без даты). «Корпорация Энгельгард». ссылкаforbusiness.com. Проверено 7 января 2011 г.
13. "Юджин Удри". Институт истории науки . Июнь 2016 года . Проверено 27 октября 2016 г.
14. Твигг, Мартин В. (15 апреля 2005 г.). «Контроль выбросов выхлопных газов автомобилей: успехи и лежащие в их основе научные данные». Философские труды Королевского общества А. 363 (1829): 1013–1033. дои : 10.1098/rsta.2005.1547.
15. Роберт Н. Картер, Лэнс Л. Смит, Хасан Карим, Марко Кастальди, Шах Этемад, Джордж Мюнх, Р. Сэмюэл Бурс, Пол Меначерри и Уильям К. Пфефферле (1998). «Разработка технологии каталитического сжигания для газотурбинных двигателей». MRS Proceedings , 549, 93 doi:10.1557/PROC-549-93
16. Достойно, Шэрон. «Химик из Коннектикута получает награду за технологию более чистого воздуха. Архивировано 1 декабря 2017 года в Wayback Machine ». Биомедицина . 23 июня 2003 г. Проверено 11 декабря 2012 г.
17. Пишингер, профессор университета. Доктор технических наук. Стефан (2011). Verbrennungsmotoren Band 2 (24-е изд.). Ахен, Германия: Lehrstuhl Für Verbrennungskraftmachinen. п. 335.
18. Мартин Вотсмайер, Томас Кройцер, Юрген Гисхофф, Герхард Лепперхофф. Управление выхлопными газами автомобилей , в Энциклопедии промышленной химии Ульмана , Wiley-VCH, 2002. DOI: 10.1002/14356007.a03_189.pub2.
19. Кашпар, Дж.; Форнасьеро, П.; Грациани, М. (1999). «Использование оксидов на основе CeO2 в трехфакторном катализе». Катализ сегодня . 50 (2): 285–298. дои : 10.1016/S0920-5861(98)00510-0. ISSN  0920-5861.
20. «Директива 98/69/EC Европейского парламента и Совета от 13 октября 1998 г., касающаяся мер, которые необходимо принять против загрязнения воздуха выбросами автомобилей, и вносящая поправки в Директиву Совета 70/220/EEC». Eur-lex.europa.eu. 13 октября 1998 года . Проверено 2 февраля 2011 г.
21. Каспар, Ян; Форнасьеро, Паоло; Хикки, Нил (2003). «Автомобильные каталитические нейтрализаторы: современное состояние и некоторые перспективы». Катализ сегодня . 77 (4): 419–449. doi : 10.1016/S0920-5861(02)00384-X.
22. «Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор». Архивировано из оригинала 31 января 2022 года . Проверено 31 января 2022 г.
23. Брандт, Эрих; Ван, Яньин; Гризл, Джесси (2000). «Динамическое моделирование трехходового катализатора для контроля выбросов выхлопных газов двигателя SI» (PDF) . Транзакции IEEE по технологии систем управления . 8 (5): 767–776. дои : 10.1109/87.865850.
24. «Долговечность платиносодержащих автомобильных катализаторов контроля выхлопных газов». Technology.matthey.com .
25. «Информационный бюллетень о технологиях контроля загрязнения воздуха (PDF, Агентство по охране окружающей среды США)» (PDF) .
26. «Стандарты для двигателей большой мощности и транспортных средств, а также требования к контролю содержания серы в дизельном топливе» (PDF) . 19 августа 2015 г. (123 КБ)
27. «На каких автомобилях с наименьшей вероятностью будет украден каталитический нейтрализатор?». Автопоездка по чтению. 15 июля 2022 г.
28. Крутсингер, Мартин (29 сентября 1982 г.). «Наборы для предотвращения автомобильного контроля загрязнения хорошо продаются». Гейнсвилл Сан .
29. «Некоторые из нас могут позволить себе только драндулет» . Пост Палм-Бич . 23 февраля 1996 г.
30. «Бей закон». Импортировать тюнер . 1 октября 2006 г. Архивировано из оригинала 28 февраля 2014 г. Проверено 9 января 2011 г.
31. Продажа и использование каталитических нейтрализаторов послепродажного обслуживания, Агентство по охране окружающей среды США, Федеральный реестр США, том 51.
32. Таннер, Кейт. Мазда МХ-5 Миата . п. 120. {{cite book}}: |work=игнорируется ( помощь )
33. «Европейские стандарты выбросов | AA» . www.theaa.com . Проверено 31 декабря 2022 г.
34. Уллман, Оуэн (14 июня 1976 г.). «Каталитический нейтрализатор все еще вызывает споры после двух лет использования». Бюллетень ^{[ необходимы разъяснения ]} .
35. Каталитические нейтрализаторы, nsls.bnl.gov.
36. «Вехи». alpina-automobiles.com . Архивировано из оригинала 30 июня 2015 года . Проверено 5 июня 2015 г.
37. Эдгар, Джулиан (5 октября 1999 г.). «Прощай, 12 вольт… здравствуй, 42 вольта!». Автоскорость. Архивировано из оригинала 28 мая 2012 года . Проверено 2 января 2012 г. Текущая модель BMW 750iL имеет максимальную электрическую нагрузку 428 А (5,9 кВт)! В этом автомобиле более половины максимальной нагрузки приходится на кратковременный электрический нагрев каталитических нейтрализаторов.
38. «До кошек - что вы должны знать» . Клуб владельцев Тойот — Тойотский форум . Проверено 15 апреля 2018 г.
39. Уолш, Брайан (12 сентября 2007 г.). «Норильск, Россия». Самые загрязненные места в мире . Время . Архивировано из оригинала 31 октября 2007 года . Проверено 7 января 2011 г.
40. «Вот как избежать случайного начала следующей огненной бури» . pe.com . 6 сентября 2016 г.
41. «Пожары, вызванные каталитическим нейтрализатором, являются обычным явлением» . ocregister.com . 18 ноября 2008 года . Проверено 15 апреля 2018 г.
42. «Каталитический нейтрализатор обвинен в возгорании кисти SR-52» . fox5sandiego.com . 29 июня 2017 года . Проверено 15 апреля 2018 г.
43. «Экипажи тушат пожар Дженнингса на 400 акрах в Лейксайде, 100 процентов информации - KUSI News - Сан-Диего, Калифорния» . Архивировано из оригинала 14 июля 2017 года . Проверено 14 июля 2017 г.
44. «Каталитические нейтрализаторы делают Toyota Prius 2004-09 годов маловероятной целью кражи» . IIHS . 18 ноября 2021 г. Проверено 15 апреля 2023 г.
45. Медичи, Джо (31 июля 2007 г.). «Закулисные воры». Хроника.com . Архивировано из оригинала 28 сентября 2007 года.
46. Мурр, Эндрю (9 января 2008 г.). «Новое изнурительное преступление — что воры крадут из современных автомобилей». Newsweek . Проверено 7 января 2011 г.
47. «Каталитические нейтрализаторы воруют ради ценных металлов» . 11 декабря 2019 г. – через www.rte.ie. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
48. "Полиция Котати арестовала подозреваемых в краже каталитического нейтрализатора" . 29 ноября 2019 г.
49. Пьетрас, Джейк (2 февраля 2023 г.). «Вэнс представляет закон о борьбе с кражами каталитических нейтрализаторов». 13АБВ . Проверено 15 марта 2023 г.
50. «Воры по всей стране скользят под автомобилями, смахивая каталитические нейтрализаторы» . Нью-Йорк Таймс . 9 февраля 2021 года. Архивировано из оригинала 28 декабря 2021 года.
51. 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». Новости Эн-Би-Си . Проверено 7 января 2011 г.
52. «Преобразователи, похищенные ворами с автостоянки» . ПоконоНьюс . 2 июля 2009 г.
53. Разек, Раджа. «Мужчина был раздавлен насмерть при попытке украсть каталитический нейтрализатор, - сообщает полиция». cnn.com . CNN . Проверено 13 марта 2023 г.
54. «СМОТРЕТЬ: Количество краж каталитических нейтрализаторов стремительно растет. Вот почему» . PBS NewsHour . 12 августа 2022 г. Проверено 26 декабря 2022 г.
55. Пендер, Кэлин (9 августа 2022 г.). «Почему люди воруют катализаторы?». КРОН4 . Проверено 15 марта 2023 г.
56. «Кража каталитического нейтрализатора: владельцы гибридных автомобилей сталкиваются со страховым кошмаром» . хранитель . 1 февраля 2020 г.
57. Ньемба, Бенуа (27 сентября 2021 г.). «Увлечение наркотиками из автомобильных выхлопных газов тревожит столицу Конго» . Рейтер . Проверено 8 октября 2021 г.
58. «Может ли каталитический нейтрализатор вызвать пропуск зажигания? - Carsneedcare» . автомобили нуждаются в уходе . 22 сентября 2022 г. Проверено 17 марта 2023 г.
59. «Урегулирование включает незаконную продажу устройств контроля выбросов для автомобилей» . 1 июня 2007 г.
60. «Проверьте, почему загораются огни двигателя» . Монитор Конкорд . 12 января 2003 г.

дальнейшее чтение

• Кейт, CD и др. Патент США 3441381 : «Устройство для очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания». 29 апреля 1969 г.
• Лахман, И.М. и др. Патент США 3885977 : «Анизотропный кордиеритовый монолит» (керамическая подложка). 5 ноября 1973 г.
• Чарльз Х. Бэйли. Патент США 4094645 : «Комбинация глушителя и каталитического нейтрализатора с низким противодавлением». 13 июня 1978 г.
• Чарльз Х. Бэйли. Патент США 4 250 146 : «Безкорпусный монолитный каталитический нейтрализатор». 10 февраля 1981 г.
• Шринивасан Гопалакришнан. GB 2397782  : «Процесс и синтезатор для молекулярной инженерии материалов». 13 марта 2002 года .