Катализатор в автомобиле: зачем он нужен и почему не стоит его удалять

На вопрос, нужен ли каталитический нейтрализатор, или от него лучше избавиться, мы и постараемся ответить.

ИЗВЕСТЕН ДАВНО

Первый автомобильный нейтрализатор был изобретён и запатентован инженером-механиком Юджином Гудри в США в 1956 году. Юджин родился во Франции в конце XIX века, был участником Первой мировой войны. За подвиги был удостоен звания кавалера Ордена Почётного легиона. В 1930 году Гудри, потеряв поддержку французского правительства в реализации своих проектов, переезжает в США. Основным направлением деятельности Гудри была разработка процесса каталитического крекинга нефтепродуктов для получения высокооктанового бензина. К примеру, благодаря процессу крекинга Гудри, который уже во время Второй мировой войны давал бензин с октановым числом близким к 100, союзники получили преимущество в воздухе, так как немцы не могли производить бензин с октановым числом выше 90. Это объясняется тем, что бензин с более высоким октановым числом обеспечивал большую стойкость к возникновению детонации в двигателе, и позволял инженерам создавать двигатели большей мощности за счёт применения турбонаддува и увеличения степени сжатия в цилиндрах. По результатам проводимых исследований Гудри был крайне обеспокоен рисками для здоровья, сопряжёнными с автомобильными и промышленными выбросами. Он разработал автомобильный каталитический нейтрализатор, способный преобразовывать угарный газ и несгоревшее топливо в отработавших газах в безвредный углекислый газ и воду. Конструкция состояла из керамических дисков с перфорацией в виде отверстий или канавок, образующих решётку, через которую проходили отработавшие газы. Поверхность проходного сечения покрывалась составом на основе оксида алюминия с внедрением наночастиц платины, которые обеспечивали протекание реакции окисления при достижении нейтрализатором рабочей температуры. Однако полностью решить проблемы с небольшим сроком службы такого устройства он не смог, поскольку нейтрализатор не обладал достаточной стойкостью к воздействию высоких температур и быстро загрязнялся производными свинца, содержащихся в этилированном бензине того времени.

Каталитические нейтрализаторы массово стали использоваться в автомобилях в конце XX века в связи с отказом от использования этилированного бензина. Предназначенные для преобразования опасных газов в менее токсичные выбросы, современные каталитические нейтрализаторы также играют роль в обеспечении эффективности работы двигателя.

УСТРОЙСТВО И РАБОТА КАТАЛИТИЧЕСКОГО НЕЙТРАЛИЗАТОРА

Современный каталитический нейтрализатор рассчитан на длительный срок службы и при соблюдении правильных условий эксплуатации нейтрализаторы могут служить не одну сотню тысяч километров пробега автомобиля. Выход из строя каталитического нейтрализатора обычно является следствием проблемы в двигателе или в системе контроля выбросов. Если вы столкнулись с необходимостью замены каталитического нейтрализатора на автомобиле, значит, пришло время провести диагностику состояния двигателя и системы выпуска. В каталитическом нейтрализаторе нет движущихся частей, он в основном накапливает кислород и выделяет его, когда это необходимо для снижения уровня вредных выбросов, которые не устраняются, а преобразуются в менее токсичные вещества в результате химических реакций в нейтрализаторе. Современные нейтрализаторы, в зависимости от системы выпуска и требований к долговечности, имеют один или несколько стальных или керамических каталитических блоков ячеистой структуры. Они обладают крайне низкими значениями противодавления и, при правильном подборе их размера, не приводят к потере мощности или эффективности. У многих существует мнение, что нейтрализаторы со стальными каталитическими блоками имеют большую долговечность и производительность по сравнению с нейтрализаторами с керамическими блоками. Другое мнение состоит в том, что стальные блоки не подвержены расплавлению. Стоит заметить, что большинство современных автомобилей оснащаются керамическими каталитическими блоками — в сравнении со стальными они имеют меньшую массу и больший срок службы. Но у них есть и недостаток — хрупкость при ударных воздействиях. Как известно, сталь имеет больший коэффициент теплового расширения при нагреве, чем керамика, поэтому при постоянных циклических термических нагрузках каталитическое покрытие стального блока со временем отслаивается, и нейтрализатор теряет свою эффективность. При высоких термических нагрузках стенки из тонкой фольги стального каталитического блока начинают деформироваться, приводя к уменьшению проходного сечения катализатора и увеличению противодавления.

ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ И ИХ СОСТАВ

Работа двигателя внутреннего сгорания (ДВС) сопровождается образованием вредных выбросов, которые с помощью каталитического нейтрализатора преобразуются в нейтральные (безвредные) вещества. Основными составляющими вредных веществ в отработавших газов ДВС являются:

Углеводороды (CH). Образуются в результате неполного сгорания топлива, а именно при работе двигателя на обогащённой топливовоздушной смеси, например, при прогреве двигателя; при активации аварийного режима; при пропусках воспламенения и пр. Углеводороды обладают токсичным и канцерогенным действиями. Особой канцерогенной активностью отличается бензапирен (С₂₉Н₁₂), который содержится в отработавших газах бензиновых и дизельных двигателей.

Оксид углерода (CO), или угарный газ. Образуется при недостатке кислорода (богатая смесь) в результате неполного сгорания топлива или моторного масла, например, при работе двигателя на обогащённой смеси или при попадании моторного масла в камеру сгорания. При вдыхании оксид углерода образует соединение с гемоглобином крови, вытесняя из нее кислород, в результате чего наступает кислородное голодание, которое негативно сказывается на центральной нервной системе. Вдыхание высокой концентрации оксида углерода чревато смертельным исходом. Вдыхание небольших доз вызывают головокружение, головную боль, чувство усталости и замедленную реакцию. Оксид углерода пагубно влияет на здоровье сердца. Из-за уменьшения переноса кислорода к тканям организма могут возникать стенокардия и инфаркт миокарда.

Оксиды азота (NO_x). Образуются при обеднённых топливовоздушных смесях и высоких значениях давления и температуры в камере сгорания двигателя. Вызывают сильное раздражение слизистых оболочек глаз. При высоких концентрациях оксидов азота (свыше 0,004 %) возникают астматические проявления и отёк легких. Как и в случае с угарным газом, гемоглобин довольно легко соединяется с оксидом азота, что приводит к кислородному голоданию тканей, и создается угроза жизни организма. В природе при попадании NO_x в атмосферу, он, контактируя с водяными парами, превращается в азотную кислоту и вызывает кислотные дожди, которые отравляют водоёмы и растительность. В городах кислотные дожди повреждают памятники архитектуры, разрушая кальций, из которого они сделаны.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВИЯ ДЛЯ РАБОТЫ НЕЙТРАЛИЗАТОРА 

Для работы каталитического нейтрализатора необходимы две основные составляющие. Во-первых, тепло. Многие современные нейтрализаторы устанавливаются непосредственно в выпускном коллекторе двигателя, и их называют катколлектором. Такое месторасположение позволяет нейтрализатору быстрее достигать рабочей температуры при прогреве двигателя и обеспечивать эффективность очистки отработавших газов до момента прогрева основного нейтрализатора, расположенного дальше от двигателя. Нейтрализатор начинает работать при температуре свыше 300 °С. Во-вторых, оптимальное соотношение топливовоздушной смеси. Оно жестко контролируется современными электронными системами управления подачей топлива, которые могут использовать входные параметры с датчиков кислорода (лямбда-зондов), датчика массового расхода воздуха и датчика давления во впускном коллекторе, а также данные от многих других датчиков для достижения идеального баланса соотношения воздуха и топлива. Эффективная работа нейтрализатора находится в очень узком диапазоне соотношения топливовоздушной смеси, ближе к её стехиометрическому соотношению: 14,7 массовых частей воздуха к 1 массовой части топлива. Если электронным блоком управления двигателя обнаруживается выход параметров датчиков за пределы расчётного диапазона значений, бортовой диагностикой активируются соответствующие коды неисправностей, и двигатель переводится в аварийный режим. В этом режиме двигатель работает на обогащённой топливовоздушной смеси. При этом происходит неполное сгорание топлива. Длительная работа двигателя в аварийном режиме может вызвать расплавление каталитического блока нейтрализатора, что является типовым примером преждевременного выхода нейтрализатора из строя.

СПОСОБНОСТЬ НЕЙТРАЛИЗАТОРА К НАКОПЛЕНИЮ КИСЛОРОДА И ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ

Каталитический блок нейтрализатора на активной поверхности (подложке) имеет покрытие, содержащее наночастицы драгоценных металлов платиновой группы, такие как родий (Rh), платина (Pt) или палладий (Pd) и материалы для хранения кислорода с высокой удельной плотностью, например, оксид церия (CeO₂). Когда токсичные газы поступают в нейтрализатор, они контактируют с драгоценными металлами. При прохождении вредных выбросов, таких как углеводороды (CH) и угарный газ (CO) через нейтрализатор, он высвобождает запасённый кислород. В результате химической реакции окисления углеводороды (CH) и угарный газ (CO) преобразуются в углекислый газ (CO₂) и воду (H₂O), а оксиды азота (NO_x) в результате химической реакции восстановления преобразуются в молекулярные азот (N₂) и кислород (O₂). Выделяющийся кислород сохраняется на подложке нейтрализатора, чтобы этот процесс происходил непрерывно. В результате этих реакций выделяется тепло, которое помогает поддерживать рабочую температуру нейтрализатора и сохранять активную поверхность катализатора чистой.

ТИПЫ КАТАЛИТИЧЕСКИХ НЕЙТРАЛИЗАТОРОВ

В автомобилях с бензиновыми двигателями применяется так называемый трёхкомпонентный нейтрализатор (TWC) с датчиками кислорода. В этих устройствах платина или палладий и родий распределены по активной поверхности катализатора. Когда двигатель прогрет, и автомобиль не ускоряется, электронный блок управления двигателем (ЭБУ), благодаря работе лямбда-зонда, задаёт циклическое изменение состава топливовоздушной смеси между богатой и бедной. При обеднении смеси CO и CH при контакте с благородными металлами платиной или палладием сжигаются (окисляются), образуя CO₂ и H₂O. При богатой смеси N₂ и CO₂ при контакте с платиной или палладием и родием восстанавливаются из CO и NO_x. Для правильной работы эти устройства должны работать со смесями топлива и воздуха, близкими к стехиометрическому соотношению (1:14,7).

Дизельные двигатели в отличие от бензиновых работают на обеднённой топливовоздушной смеси, поэтому реакция восстановления в привычной конструкции трехкомпонентного нейтрализатора происходить не будет. Исходя из этого, в каталитическом блоке нейтрализатора будут использоваться только платина или палладий, необходимые для протекания реакции окисления, т. е. преобразования CO и CH в CO₂ и H₂O. Такой тип нейтрализатора называют двухкомпонентным или каталитическим преобразователем окисления дизельного топлива — Diesel Oxidation Catalyst (DOC). Поэтому, если для вашего автомобиля с дизельным двигателем на замену вышедшего из строя нейтрализатора вам предлагают трёхкомпонентный нейтрализатор от автомобиля с бензиновым двигателем, убеждая что он будет работать более эффективно, не верьте этому. Такой нейтрализатор будет стоить дороже, и восстановительной реакции в нём происходить не будет из-за специфики работы дизельного двигателя.

ОСНОВНЫЕ ПРИЧИНЫ ПОЛОМКИ НЕЙТРАЛИЗАТОРА

Химические реакции в нейтрализаторе происходят с выделением тепла. Такие реакции называются экзотермическими. Врагом нейтрализатора является попадание в него несгоревшего топлива. Рабочая температура нейтрализатора находится приблизительно в диапазоне от 500 °С до 950 °С (может быть и выше). Температура воспламенения бензина в присутствии кислорода равна около 250 °С — ниже рабочей температуры нейтрализатора, поэтому при попадании несгоревшего топлива на разогретые соты нейтрализатора оно воспламеняется. Теоретическая температура горения топлива равна 1846 °С — значительно выше, чем температура плавления субстрата каталитического блока (например, около 1400 °С для керамики). Если к этому добавить дополнительное выделение тепла вследствие экзотермической реакции, то теперь становится понятно, почему расплавление субстрата нейтрализатора иногда встречается в практике. Обычно это происходит в результате пропуска воспламенения, низкой компрессии в цилиндре или некорректном противодавлении в системе выпуска автомобиля.

Поломка нейтрализатора может произойти и из-за загрязнения субстрата. Моторное масло через направляющие втулки клапанов или поршневые кольца может попасть в камеру сгорания, где при его сгорании образуется твёрдая негорючая зола. При её попадании на активную поверхность нейтрализатора вредные газы перестают взаимодействовать с драгоценными металлами, и очистки токсичных газов не происходит. Внутренняя утечка охлаждающей жидкости приведет к тем же проблемам. Осаждение кристаллов солей, относящихся к группе силикатов, которые входят в состав присадок охлаждающих жидкостей, оказывают такой же негативный эффект, как и зольные масляные отложения. При чрезмерных отложениях на сотах субстрата нейтрализатор теряет свою пропускную способность, что значительно увеличивает противодавление в системе выпуска. Это может привести к потере мощности двигателя вплоть до его остановки.

Также внешнее ударное воздействие на нейтрализатор может привести к его структурным повреждениям и нарушению работоспособности.

Еще одна причина поломки — это длительная работа двигателя на холостых оборотах. В современных моделях автомобилей достаточно распространена конструкция нейтрализатора в виде катколлектора, т. е. нейтрализатор встроен в выпускной коллектор автомобиля. Такое конструктивное решение в условиях ужесточения международных экологических требований позволяет достаточно эффективно бороться с вредными выбросами сразу после запуска двигателя. В этом случае нейтрализатор будет разогреваться до рабочей температуры намного быстрее из-за своего близкого расположения к двигателю, чем в традиционной конструкции нейтрализатора, расположенного на удалении от двигателя. При длительной эксплуатации двигателя на холостых оборотах, особенно в холодных условиях, из-за неполного сгорания топлива оно будет конденсироваться и накапливаться в катколлекторе. При начале интенсивного движения поступление горячих отработавших газов способно воспламенить несгоревшее топливо, что может привести к расплавлению субстрата нейтрализатора. Неспроста во многих современных автомобилях выводится предупреждение на панель приборов о нежелательности длительной работы двигателя на холостых оборотах.

Мы рассмотрели основные причины выхода нейтрализаторов из строя. Важно помнить, что каталитические нейтрализаторы не выходят из строя сами по себе, поэтому перед заменой нейтрализатора необходимо устранить первоисточник проблемы. Если отработавшие газы на выходе из двигателя соответствуют стандартным заводским показателям, а нейтрализатор все равно работает неэффективно, это обычно указывает на повреждение нейтрализатора и необходимость его замены.

ПОСЛЕДСТВИЯ УДАЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИЗАТОРА

При выходе нейтрализатора из строя не спешите его удалять, а на его место устанавливать пламегаситель с использованием обманок датчиков кислорода и перепрошивкой ЭБУ двигателя. Удаление нейтрализатора, к сожалению, типичная практика в России. Это обусловлено как возможными проблемами в доступности оригинальных запасных нейтрализаторов и их высокой стоимостью, зачастую неподъёмной для многих автовладельцев, так и недостаточными мерами по контролю соблюдения экологических норм со стороны государства. Многие автомастерские зарабатывают на этом нелегальном бизнесе. Именно нелегальном, поскольку удаление нейтрализатора противозаконно! В России законом запрещено изменять заводскую конструкцию системы выпуска автомобиля, за что предусмотрена ответственность. Однако, на практике проверка соблюдения этого закона пока далека от требуемого. Например, в странах Евросоюза за такую модификацию грозит огромный штраф и уголовная ответственность.

Удаление нейтрализатора приводит к многократному увеличению токсичности отработавших газов, нанося вред экологии, а также здоровью водителя и пассажиров. Пламегаситель имеет меньшее сопротивление, чем нейтрализатор, поэтому удаление нейтрализатора приведёт к повышению шумности в работе системы выпуска, а также падению противодавления в ней. При неизменной степени перекрытия клапанов это, вероятнее всего, приведёт к повышенному расходу топлива. Установка обманок, пламегасителей и кустарная перепрошивка ЭБУ никогда не сымитируют в точности штатную работу всех систем автомобиля и могут привести к преждевременной поломке дорогостоящих компонентов двигателя и системы выпуска.

Не обязательно покупать сверхдорогой оригинальный каталитический нейтрализатор, с наличием которого в продаже могут быть проблемы. Есть более доступные альтернативы, например, приобрести и установить ремонтный универсальный каталитический нейтрализатор. При этом важно выбрать надёжного поставщика продукции. Например, отдать предпочтение продукции производителей-поставщиков каталитических нейтрализаторов на конвейерную комплектацию.

Материал для статьи разработан совместно с серийным производителем автомобильных катализаторов — компанией ООО «Экологические технологии и системы».