Для чего нужен катализатор в выхлопной системе


что в нем ценного и что будет если его убрать

Резкий скачок уровня автомобилизации общества в конце двадцатого века потребовал глобального усиления требований к экологичности двигателей внутреннего сгорания. Суровые законодательные меры вынудили производителей разработать и внедрить сложные технические комплексы очистки выхлопных газов, главными компонентами которых стали системы электронного управления впрыском топлива и специальные узлы дополнительной переработки продуктов выпуска – каталитические нейтрализаторы.

Содержание статьи:

Зачем нужен в машине каталитический нейтрализатор

Большая часть выхлопных газов состоит из вполне нейтральных и безвредных веществ – азота, водяного пара и двуокиси углерода. Но обойтись только их наличием практически невозможно, такое случается лишь в идеально отрегулированном двигателе, работающем в предсказуемом стационарном режиме.

Во всех других случаях мотор начинает выделять крайне опасные для человека химически активные вещества, моноокись углерода, углеводороды и окислы азота.

Читайте также: Для чего нужна балансировка колес автомобиля

Прямое уничтожение подобных ядов с большой скоростью и в требуемом объёме практически невозможно, поэтому инженеры были вынуждены прибегнуть к известным из химии каталитическим реакциям переработки вредных веществ в относительно нейтральные.

Катализатором в химии называется компонент реакции, который участвует в процессе, хорошо его ускоряет, но сам при этом не расходуется.

Что ценного в устройстве

К сожалению, ценного там оказалось много. В роли катализаторов пришлось применить благородные металлы, наиболее подходящие для этой цели.

Дошло до того, что самым дешёвым из них оказалось золото, но чаще приходится использовать платину, палладий и родий. Многим известно, что эти элементы существенно дороже всем понятного золота.

Одновременно с применением столь недешёвых компонент потребовалось создать геометрически непростую структуру, обеспечивающую контактирование каталитического вещества со всем объёмом выпускаемого цилиндрами газа. Это мельчайшие керамические или металлические соты, сквозь которые и продувается весь поток выхлопа.

Статья по теме: Установка и подключение кнопки Старт/Стоп с алиэкспресс

В результате автомобиль приобрёл сложное, массивное и дорогое устройство в виде металлического корпуса, высокотехнологичной начинки, да ещё и обрамлённое контрольными датчиками с двух сторон, непрерывно следящими за его сохранностью и правильной работой.

Экологичность даром не даётся. Да и на этом прогресс не остановился, дальнейшее ужесточение требований законодателей продолжает влиять на появление дополнительных систем очистки выхлопа.

Виды катализаторов

По своему назначению нейтрализатор может быть двух- или трехкомпонентным.

  1. В первом случае он выполняет относительно простые функции окисления (дожигания) угарного газа и углеводородов до образования воды и двуокиси углерода.
  2. Во втором – добавляется сложная способность устройства работать с окислами азота. Особенно много их образуется в современных дизельных и бензиновых моторах, в силу повышения экономичности, которых конструкторам приходится использовать обеднённые и бедные смеси на впуске.

Трёхкомпонентые катализаторы, а именно такие чаще всего применяются, в свою очередь, могут отличаться по конструктивному признаку, изготавливаясь на базе керамических или металлических сотовых изделий.

Керамические относительно дешевле, но не обладают высокой механической прочностью и долговечностью, склонны к растрескиванию и разрушению, не терпят ударов при наезде на препятствия.

Металлические конструктивы обладают достаточной упругостью, поэтому лучше держат внешние и внутренние удары. Внутренние могут возникать при аномальных процессах горения и разрушительно воздействовать на тонкую сотовую начинку, где, как уже упоминалось, обычно нанесены такие непростые вещества, как платина, палладий и родий.

Но даже металл не спасает от предательского попадания на тонкие соты посторонних веществ из двигателя в виде компонент контрафактных рабочих жидкостей, слишком богатой смеси или всевозможных соединений кремния.

Это интересно: Почему не загорается лампа давления масла при включении зажигания

Катализаторы отличаются и по способу их установки. Раньше они располагались в виде врезок выхлопной трубы, подобно глушителям и резонаторам. Но оказалось, что так их очень трудно и затратно прогревать до рабочей температуры, при которой начинаются каталитические реакции.

Поэтому сейчас нейтрализаторы ставят непосредственно за выпускным коллектором, максимально близко к точке выхода раскалённых выхлопных газов. Уже не надо долго ждать выхода прибора на режим, меньше загрязняются кислородные датчики и сокращаются расходы топлива на поддержание температуры.

Причины и признаки неисправности

Теоретически катализатор должен работать вечно. Благородные металлы не окисляются и не расходуются в химических реакциях каталитического типа. Но реальность выглядит значительно хуже. Тонкие приборы оказываются бессильны перед нарушениями температурного режима и механическими ударами.

Почти все проблемы бывают связаны с нарушением работы систем питания и зажигания двигателя, а также с применением некачественного топлива. Всё это приводит к повышению температуры нейтрализатора, оплавлению и выкрашиванию его сотовой структуры с последующим закупориванием пути свободного прохода выхлопных газов.

При этом катализатор способен нанести страшный ответный удар двигателю. Его близкое расположение к зоне выпускных клапанов привело к опаснейшему эффекту – раскрошенная керамика может попадать в цилиндры.

Это не является парадоксом, дело в том, что импульсный характер движения газов на выпуске приводит к хаотическому перемещению частиц по коллектору и всасыванию их в двигатель перепадами давления.

Результат известен многим мотористам – царапины и задиры на поверхностях, которым это полностью противопоказано. Двигатель отправляется в капитальный ремонт.

Общим признаком неисправности станет потеря мощности двигателя, его неспособность развить большие обороты. В конце концов он просто перестанет запускаться. Это легко себе представить интуитивно, вообразив, что некто коварно заткнул выхлопную трубу. Результат абсолютно идентичен.

Как проверить

Симптомы слишком характерны, чтобы вызывать сложности с диагностикой забитого катализатора.

Изменившийся звук выхлопа, сдавленное шипение в выпускной системе, иногда вообще крайне слабая реакция руки, подведённой к срезу выхлопной трубы. Обычно к тому же зажигается лампочка контроля состояния двигателя, ЭСУД заметит нештатные показания датчиков.

К сведению: Почему перестал работать парктроник (причины, диагностика, ремонт)

Окончательный диагноз будет поставлен после снятия катализатора с автомобиля. Запечённые, заполненные отложениями и раскрошенные соты невозможно не заметить.

Как почистить

В тех случаях, когда соты ещё не повреждены, но пропускная способность нейтрализатора уже снижена смолянистыми отложениями, его можно промыть.

Для этого лучше всего использовать жидкость, обычно применяемую для очистки карбюраторов или топливных форсунок. Только потребуется её значительно больше.

Катализатор заливается промывочной жидкостью, после чего ей предоставляется время на растворение загрязнений, затем её сливают, внутренности детали промываются горячей водой и просушиваются (продуваются).

Обычно процедура требует неоднократного повторения. Существуют также специально предназначенные для подобных промывок составы.

Зачем вырезают катализатор на автомобиле

Подобное удаление имеет негативные последствия в виде увеличения загрязнения окружающей среды.

Выполняется оно обычно по двум причинам – экономии на покупке новой детали, взамен пришедшей в негодность (изделие дорогое по описанным выше причинам) и мощностного тюнинга автомобиля.

Снижение сопротивления на выхлопе позволит мотору раскручиваться более уверенно. К тому не секрет, что экологичность и экономичность пока не могут существовать одновременно. На обслуживание хорошего катализатора требуется значительное количество дополнительного топлива, не несущего полезной нагрузки.

Тонкости удаления устройства из выхлопной системы

Выполнить это без значительных затрат времени иногда невозможно. Прошли времена, когда катализатор представлял собой удобный в обращении жестяной цилиндр с хрупкой керамической начинкой. Два крепких удара ломом — и дело сделано.

Сейчас приходится иметь дело с изделием замысловатой формы, без доступа к внутренностям, да ещё и с крепкими металлическими сотами. Приходится вскрывать корпус и потом его заваривать. В условиях СТО операция не самая дешёвая.

По теме: Почему течет масло из двигателя, как найти и устранить протечку

Завершиться процесс должен перенастройкой «мозгов» двигателя, иначе они сразу вычислят обман. Это делается различными способами, в зависимости от квалификации и привычек исполнителя. Могут применяться как программные, так и аппаратные «обманки» контролирующих датчиков.

Результат один – мотор адаптируется к новым условиям и перестаёт паниковать лампочкой «Check engine». Иногда ставят так называемый пламегаситель – специальную вварку, нормализующую звук, температуру и внутреннюю аэродинамику выхлопа.

Что такое катализатор и зачем он нужен в выхлопной системе

Как правило все начинается банально просто - на панели автомобиля загорается значёк "Check Engine", делается диагностика, и вылазиет ошибка Р0420 или Р0430, что означает - не эффективная работа катализатора. В 99% случаев, это означает, что катализатор отработал своё и его пора менять. Что делать? Есть разные пути в том числе и всякого рода обманки и прошивки. Но Мы придерживаемся мнения, что не зачем уродовать автомобиль и всетаки поменять катализатор на новый, пусть и не оригинальный, тем более, что в настоящее время замена на качественный универсальный катализатор, по деньгам практически соизмерима с установкой пламегасителя вместо катализатора и прошивкой или обманкой.    

Что такое катализатор и зачем он нужен в выхлопной системе?

Катализатор – один из самых дорогих элементов входящий в выхлопную систему автомобиля(стоимость которой достигает 13% стоимости автомобиля), назначение которого дожигание отработанной топливной выхлопной смеси посредством каталитических химических процессов, а именно окислять вредные соединения смеси до менее вредных выхлопов. Катализатор располагается, как правило, в приемной трубе(на коллекторе), но в некоторых выхлопных системах его положение бывает после приемной трубы.

Как работает катализатор в выпускной системе автомобиля?

Составные части катализатора – это стальной корпус, в котором располагается керамический цилиндр с множеством отверстий похожий на пчелиные соты. Каталитический нейтрализатор, так еще называют эту часть системы выхлопа, имеет покрытие на сотах в виде тонкого слоя платиноиридиевого сплава. Этот сплав и способствует окислению выхлопных газов при соприкосновении с его поверхностью. Соты добавляют большую площадь соприкосновения. При данной химической реакции выделяется тепло, которое способствует повышению температуры катализатора, при этом его работа становится еще эффективней. Концентрация выхода окисленных газов соответствует нормам ЕС.

Почему автокатализатор необходим автомобилям?

Автокатализатор – обязательный элемент каждой выхлопной системы автомобиля во всем мире. Потому, что экология планеты земля, мирового уровня важности. Кстати говоря, еще одно название у этого полезного элемента – каталитический конвертер. Конструктивность этой запчасти для выхлопной системы элементарна. Хотя цена катализатора иногда неоправданна, высока! А все потому, что в нем содержится драгметалы: соли платины, родия или палладия. И многие автовладельцы подержанных иномарок испытали это на собственном опыте. Ремонт катализатора дорогостоящая затея. Но современный автомобиль без катализатора просто не поедет как надо, из за сбившихса параметров подачи топлива, получается, замена автокатализаторапросто необходима? Несомнено ДА! Можно конечно вырезать его и поставить пламегаситель, можно бесконечно ездить с горящей лампочкой "Check-Engine", и не правильными параметрами работы двигателя и уродовать свой автомобиль. Но как показал опыт, в итоге дешевле поменять катализатор на новый, без вмешательства в электронику и ездить как и раньше. В настоящее время нашей компанией используются качественные универсальные катализаторы, установка которых будет дешевле в несколько раз оригинала, а по сроку службы превосходят многие установленные на заводе изотовителе. Сколько будет стоить замена катализатора? На этот вопрос могут ответить специалисты нашего центра установки "Мир глушителей". Обращайтесь к нам, и мы поможем сэкономить вам время и денежные средства!

 

Катализатор. Принцип работы, назначение. Удаление или чистка

На протяжении многих лет авто производители создают много усовершенствований в автомобильных двигателях и топливных системах, чтобы идти в ногу со временем и, безусловно, с законами, направленными на улучшение экологической ситуации на фоне выбросов автомобилей. Одно из кардинальных таких усовершенствований произошло в 1975 году с интересным устройством под названием катализатор. По сути работа катализатора заключается в преобразовании вредных веществ в менее вредные выбросы, прежде чем они покинут выхлопную систему автомобиля.

Устройство и принцип работы каталитического нейтрализатора

В составе выхлопных газов автомобиля содержится довольно много токсичных веществ. Для предотвращения их попадания в атмосферу используется специальное устройство, получившее название «каталитический нейтрализатор» (более известный как «катализатор»). Он устанавливается на автомобилях, оснащенных двигателями внутреннего сгорания, работающих как на бензине, так и на дизельном топливе. Зная принцип работы катализатора, вы сможете понять важность его работы и оценить последствия, которые может вызвать его удаление.

Конструкция и функции катализатора

Нейтрализатор является частью системы выхлопа. Он располагается сразу за выпускным коллектором двигателя. Катализатор состоит из:

  • Металлический корпус (монтажный мат), имеющий входной и выходной патрубки.
  • Керамический блок (монолит). Представляет собой пористую структуру с множеством ячеек, которые увеличивают площадь соприкосновения выхлопных газов с рабочей поверхностью.
  • Каталитический слой — специальное напыление на поверхностях ячеек керамического блока, состоящее из платины, палладия и родия. В последних моделях для напыления иногда используется золото — драгоценный металл, который имеет более низкую стоимость.
  • Металлический кожух. Выполняет функции теплоизоляции и защиты катализатора от механических повреждений.

Главная функция каталитического нейтрализатора — это нейтрализация трех основных токсических компонентов отработавших газов, поэтому он получил свое название — трехкомпонентный. Вот эти нейтрализуемые компоненты:

  • Окислы азота NOx – компонент смога, причина кислотных дождей, ядовиты для человека.
  • Угарный газ СО – смертельно опасен для человека при концентрации в воздухе от 0,1%.
  • Углеводороды CH – компонент смога, отдельные соединения канцерогены.

Принцип действия катализатора

На практике трехкомпонентный каталитический нейтрализатор имеет следующий принцип действия:

Выхлопные газы из двигателя попадают внутрь керамических блоков, где проникают в ячейки, полностью заполняя их.

Металлы-катализаторы палладий и платина провоцируют реакцию окисления, в результате которой несгоревшие углеводороды СН преобразуются в водяной пар, а угарный газ СО в углекислый.

Восстановительный металл-катализатор родий преобразует NOx (оксид азота) в обычный безвредный азот. В атмосферу выпускаются очищенные отработавшие газы. 

Если в автомобиле установлен дизельный двигатель, то возле катализатора всегда находится сажевый фильтр. Иногда эти два элемента могут быть совмещены в единую конструкцию. Рабочая температура катализатора играет решающую роль в эффективности процесса нейтрализации токсичных компонентов. Реальное преобразование начинается только после достижения 300°С. Идеальной, с точки зрения эффективности и срока службы, считается температура от 400 до 800°С. В диапазоне температур от 800 до 1000°С наблюдается ускоренное старение нейтрализатора. Длительная работа при температуре свыше 1000°С оказывает губительное воздействие на катализатор. Альтернативой керамике, выдерживающей высокие температуры, является металлическая матрица из гофрированной фольги. Катализаторами в такой конструкции выступают платина и палладий. 

Что ценного в катализаторах

К сожалению, ценного там оказалось много. В роли катализаторов пришлось применить благородные металлы, наиболее подходящие для этой цели.

Дошло до того, что самым дешёвым из них оказалось золото, но чаще приходится использовать платину, палладий и родий. Многим известно, что эти элементы существенно дороже всем понятного золота.

Одновременно с применением столь недешёвых компонент потребовалось создать геометрически непростую структуру, обеспечивающую контактирование каталитического вещества со всем объёмом выпускаемого цилиндрами газа. Это мельчайшие керамические или металлические соты, сквозь которые и продувается весь поток выхлопа.

В результате автомобиль приобрёл сложное, массивное и дорогое устройство в виде металлического корпуса, высокотехнологичной начинки, да ещё и обрамлённое контрольными датчиками с двух сторон, непрерывно следящими за его сохранностью и правильной работой.

Экологичность даром не даётся. Да и на этом прогресс не остановился, дальнейшее ужесточение требований законодателей продолжает влиять на появление дополнительных систем очистки выхлопа.

В дизеле

Катализаторы в дизельном двигателе работают гораздо хуже в сокращении выбросов NOx. Одной из причин этого является то, что дизельные двигатели имеют более низкую рабочую температуру, чем бензиновые двигатели, и катализатор в целом в дизельном двигателе работает хуже, поскольку он меньше нагревается. Некоторые из ведущих экспертов экологических авто придумали новую систему, которая помогает бороться с этим. Они используют мочевину в решении этой проблемы: прежде чем оксиды азота уходят в катализатор, их принудительно испаряют и смешивают с выхлопом и затем создают химическую реакцию, которая приведёт к сокращению выбросов NOx. Мочевина, также известная как карбамид, представляет собой органическое соединение, изготовленное ​​из углерода, азота, кислорода и водорода. Мочевина содержится в моче млекопитающих и земноводных. Мочевина реагирует с NOx, производя в результате реакции азот и водяной пар и утилизируя более 90 процентов оксидов азота в выхлопных газах.

Виды катализаторов

По своему назначению нейтрализатор может быть двух- или трехкомпонентным.

  1. В первом случае он выполняет относительно простые функции окисления (дожигания) угарного газа и углеводородов до образования воды и двуокиси углерода.
  2. Во втором – добавляется сложная способность устройства работать с окислами азота. Особенно много их образуется в современных дизельных и бензиновых моторах, в силу повышения экономичности, которых конструкторам приходится использовать обеднённые и бедные смеси на впуске.

Трёхкомпонентые катализаторы, а именно такие чаще всего применяются, в свою очередь, могут отличаться по конструктивному признаку, изготавливаясь на базе керамических или металлических сотовых изделий.

Керамические относительно дешевле, но не обладают высокой механической прочностью и долговечностью, склонны к растрескиванию и разрушению, не терпят ударов при наезде на препятствия.

Металлические конструктивы обладают достаточной упругостью, поэтому лучше держат внешние и внутренние удары. Внутренние могут возникать при аномальных процессах горения и разрушительно воздействовать на тонкую сотовую начинку, где, как уже упоминалось, обычно нанесены такие непростые вещества, как платина, палладий и родий.

Но даже металл не спасает от предательского попадания на тонкие соты посторонних веществ из двигателя в виде компонент контрафактных рабочих жидкостей, слишком богатой смеси или всевозможных соединений кремния.

Катализаторы отличаются и по способу их установки. Раньше они располагались в виде врезок выхлопной трубы, подобно глушителям и резонаторам. Но оказалось, что так их очень трудно и затратно прогревать до рабочей температуры, при которой начинаются каталитические реакции.

Поэтому сейчас нейтрализаторы ставят непосредственно за выпускным коллектором, максимально близко к точке выхода раскалённых выхлопных газов. Уже не надо долго ждать выхода прибора на режим, меньше загрязняются кислородные датчики и сокращаются расходы топлива на поддержание температуры.

 

Срок службы катализатора

Средний ресурс катализатора составляет 100 тыс. километров пробега, но при правильной эксплуатации он может исправно функционировать и до 200 тыс. километров. Основные причины раннего износа — неисправность двигателя и качество топлива (топливовоздушной смеси). При наличии обедненной смеси происходит перегрев, а при слишком богатой возникает засорение пористого блока остатками несгоревшего топлива, что препятствует протеканию необходимых химических процессов. Это приводит к тому, что срок службы каталитического нейтрализатора существенно снижается. Еще одной распространенной причиной неисправности керамического катализатора являются механические повреждения (трещины), возникающие при механических воздействиях. Они провоцируют быстрое разрушение блоков. При возникновении неисправностей работа каталитического нейтрализатора ухудшается, что фиксируется при помощи второго лямбда-зонда. В этом случае электронный блок управления сообщит о неисправности, выдав на приборной панели ошибку «CHECK ENGINE». Также признаками выхода из строя являются дребезжание, увеличение расхода топлива и ухудшение динамики. В этом случае его меняют на новый (оригинального производства или универсальный). Почистить или восстановить катализаторы невозможно, а поскольку это устройство имеет высокую цену, многие автомобилисты предпочитают просто удалить его.

Можно ли удалить катализатор? 

При удалении катализатора его очень часто заменяют на пламегаситель. Последний выравнивает поток выхлопных газов. Его установка рекомендуется для устранения неприятных шумов, которые возникают при удалении катализатора. При этом, если вы выбрали именно удаление, лучше полностью снять устройство и не прибегать к рекомендациям некоторых автомобилистов пробить в нем отверстие. Подобная процедура улучшит ситуацию только на время. В автомобилях, соответствующих экологическим стандартам Евро-3, помимо удаления катализатора необходима перепрошивка электронного блока управления. Ее обновляют до версии, в которой отсутствует каталитический нейтрализатор. Также можно установить эмулятор сигнала кислородного датчика, который избавит от необходимости перепрошивать ЭБУ.

Как почистить

В тех случаях, когда соты ещё не повреждены, но пропускная способность нейтрализатора уже снижена смолянистыми отложениями, его можно промыть.

Для этого лучше всего использовать жидкость, обычно применяемую для очистки карбюраторов или топливных форсунок. Только потребуется её значительно больше.

Катализатор заливается промывочной жидкостью, после чего ей предоставляется время на растворение загрязнений, затем её сливают, внутренности детали промываются горячей водой и просушиваются (продуваются).

Обычно процедура требует неоднократного повторения. Существуют также специально предназначенные для подобных промывок составы.

Источники: techautoport.ru, autovogdenie.ru, drive2.ru.

что это такое и что ценного в нем, признаки неисправностей и их устранение

Автомобильный катализатор – он же каталитический нейтрализатор – это деталь, которая призвана уменьшить объем вредных веществ, выбрасываемых из выхлопной трубы автомобиля в атмосферу. Достаточно сложное устройство и принцип работы – причины, по которым катализаторы нередко доставляют автовладельцам массу проблем. Что нужно знать об этой детали и надо ли ее убрать?

Что такое катализатор и для чего он нужен?

Выхлопные газы – продукты окисления углеводородного топлива, не полностью сгораемого внутри автомобильного двигателя. В составе выхлопа есть как безвредные, так и токсичные вещества. К первым относится азот, кислород, углекислый газ. Спектр вредных компонентов значительно шире:

  • угарный газ;
  • углеводороды;
  • оксиды азота;
  • альдегиды;
  • бензпирен;
  • частицы сажи.

Все перечисленные выше вещества являются токсичными, а сажа и бензпирен еще и сильные канцерогены. Неправильная настройка двигателя приводит к тому, что концентрация вредных выбросов увеличивается от двух раз для бензиновых моторов и до двадцати раз для дизельных.

Задача катализатора – нейтрализовать негативное действие углеводородов, оксидов углерода и азота в выхлопных газах, и тем самым снизить вред автомобиля с ДВС для окружающей среды. Сам процесс нейтрализации происходит в ходе окислений либо восстановления в зависимости от типа нейтрализатора. В результате реакций токсины превращаются в свободный азот и углекислый газ.

Для контроля катализатора в выхлопной системе устанавливается особый датчик – лямбда-зонд. Он отслеживает концентрацию кислорода в отработанных газах. Показания кислородного датчика влияют на режим работы двигателя авто, от чего в свою очередь зависит состав выхлопных газов.

Как устроен автомобильный катализатор?

Каталитические нейтрализаторы в современных автомобилях имеют весьма простое устройство:

  • корпус из нержавеющей стали;
  • керамический наполнитель;
  • термическая защитная прокладка;
  • кислородный датчик (лямбда-зонд).

В зависимости от типа детали в качестве наполнителя используются металлические либо керамические мелкие соты, покрытие тончайшим слоем редких металлов – иридия, палладия и родия. Лямбда-зонд устанавливается на входе в катализатор и на выходе, т.е с обеих его сторон.

Принцип работы катализатора

Точный принцип работы автомобильного катализатора зависит от того, к какому типу он относится:

  • В восстанавливающем элементе происходит разложение оксидов азота на кислород и молекулярный азот. За эти химические реакции отвечают драгметаллы платина и родий.
  • В окисляющем элементе свободный кислород вступает в активную реакцию окисления с углеводородами и угарным газом из выхлопа, связывая их в безопасные соединения.

В обоих перечисленных случаях вредность отработанных газов для природы заметно уменьшается.

Виды катализаторов

В первую очередь каталитические нейтрализаторы классифицируются по принципу работы на два типа – восстанавливающие и окисляющие. Они уже были рассмотрены ранее. Кроме типа реакций, которые протекают внутри этих устройств, оба типа различаются составом. В первых используется платина и родий, во вторых – платина и палладий. Соответственно, это влияет на стоимость детали.

Второй признак, по которому различаются детали – материал, из которого сделана сотовая сетка:

  • Керамические. Главное достоинство деталей с сеткой из керамики – низкая цена. Это обусловлено дешевизной материала и технологии изготовления. Отсюда же вытекает основной недостаток – хрупкость. Даже небольшого удара хватит для растрескивания.
  • Металлические. Отличаются долговечностью, прочностью, надежностью. Хорошо переносят воздействие влажности, удары, вибрацию, тряску. В связи с этим стоимость металлических катализаторов существенно больше, если сравнивать их с керамическими.

Следующий критерий для классификации каталитических нейтрализаторов – место установки в выхлопной системе автомобиля. По этому признаку устройства делятся всего на две категории:

  • Монтируемые на приемной трубе. Деталь может располагаться как на самой трубе, так и сразу после нее, непосредственно перед резонатором. Это удобный в плане замены и ремонта тип размещения, так как демонтировать устройство с приемной трубы очень легко.
  • Монтируемые внутри коллектора. В этом случае элемент является частью выпускного коллектора. Первый серьезный недостаток – неремонтопригодность такого катализатора. Второй – деталь быстро и сильно нагревается до критических температур.

Исходя из преимуществ, оптимальный вид нейтрализатора – керамический с установкой прямо на приемной трубе выхлопной системы. Если позволяет бюджет, лучше купить металлическую деталь.

Причины и признаки неисправности

В теории катализатор может работать на протяжении многих десятилетий, так как расход редких металлов в его составе очень небольшой. На практике все получается не так радужно. Есть целый ряд причин, по которым каталитический нейтрализатор выхлопных газов может выйти из строя:

  • механическое воздействие – критично для керамических катализаторов;
  • попадание воды (особенно холодной) на раскаленную поверхность детали;
  • взрыв топлива внутри катализатора из-за проблем в системе зажигания;
  • регулярное использование низкокачественного и загрязненного топлива;
  • применение этилированного бензина – катализатор может прогореть;
  • попадание в нейтрализатор масла, охлаждающей жидкости или промывки.

Перечисленные причины могут привести к таким распространенным поломкам нейтрализатора, как выгорание активного слоя, оплавление, появление нагара на внутренних стенках устройства.

Эксплуатация автомобиля с неисправным катализатором уменьшает ресурс самого двигателя. По этой причине нельзя откладывать ремонт или замену детали на потом – это выйдет очень дорого.

Как проверить катализатор?

Не надо быть специалистом, чтобы догадаться о неисправности автомобильного катализатора. На его выход из строя и необходимость замены указывает ряд достаточно специфичных признаков:

  • увеличенный расход топлива без видимых причин;
  • автомобиль медленнее набирает скорость;
  • возникли проблемы с тягой, упала мощность мотора;
  • загорелась лампочка проверки двигателя;
  • несколько увеличился расход масла;
  • при нажатии на педаль газа мотор откликается не сразу;
  • при запуске двигателя чувствуется неприятный запах.

Лучший способ диагностики неисправности нейтрализатора – осмотр. Также своего рода средством проверки является приборная панель, а именно лампочка «Check engine» и соответствующий поломке лямбда-зонда или катализатора код ошибки в бортовом компьютере.

Еще один способ – измерить давление выхлопных газов с помощью манометра, после чего сравнить показания с нормативами. Так, нормой считается давление 0,3 кгс/см2. Если это значение больше, скорее всего с деталью есть проблемы, и нужна помощь специалистов из автосервиса.

Как почистить катализатор?

Засорившийся с течением времени катализатор рекомендуется быстро и тщательно прочистить. В противном случае двигатель начнет «задыхаться», его мощность упадет, а расход топлива, наоборот, вырастет. На необходимость заняться очисткой нейтрализатора указывают признаки:

  • упавшая мощность мотора и медленный разгон;
  • возникают проблемы с запуском двигателя;
  • мотор самопроизвольно отключается на ходу;
  • двигатель нестабильно работает на холостом ходу;
  • цвет выхлопа изменился, стал более выраженным.

Визуально на необходимость прочистки нейтрализатора указывает его загрязненность продуктами горения, смолами, маслом и прочими посторонними включениями. Есть два способа его очистки:

  • Механическая. Для такой прочистки применяется наждачная бумага. Нужно демонтировать нейтрализатор, взять кусочек наждачки и счистить налет с металлических или керамических сот, аккуратно надавливая на них. Оставшиеся после процедуры частицы грязи, масла и сажи удаляются из нейтрализатора сжатым воздухом, подаваемым под давлением.
  • Жидкостная. Используется специальная промывка, которую можно купить в магазине автодеталей. Если такой возможности нет, можно использовать этанол или жидкость для очистки карбюратора. Порядок работ – демонтаж катализатора и его погружение в тару. Далее соты обильно поливаются промывкой, а через 20-30 минут – струей горячей воды.

В конце жидкостной очистки нужно тщательно просушить нейтрализатор с помощью сжатого воздуха. Если чистота детали вас не удовлетворит, процедура повторяется еще раз с самого начала.

В случае с механической очисткой важно проявить аккуратность и не давить наждачкой на соты слишком сильно. Керамические детали могут треснуть, раскрошиться и от небольшого давления.

Зачем вырезают катализатор из автомобиля?

Весьма популярна практика самостоятельного удаления катализатора из выхлопной системы авто. Делается это не просто так – демонтаж нейтрализатора предоставляет водителю преимущества:

  • не надо покупать новую деталь;
  • увеличение мощности двигателя;
  • можно заливать «грязное» топливо;
  • уменьшение расхода топлива;
  • отсутствие ошибок лямбда-зонда;
  • нет проблем с запуском двигателя.

Автомобиль вполне исправно работает и без каталитического нейтрализатора. Но последствия все же есть, и в первую очередь для окружающей среды. Выхлоп становится грязным и приобретает неприятный запах. В выхлопной системе могут появляться посторонние звуки, шумы и вибрации.

Если удаление было сделано неправильно, на приборной панели регулярно будут отображаться ошибки. Также машина без катализатора не сможет пройти регулярный технический осмотр.

Как удалить устройство из выхлопной системы?

Для демонтажа катализатора потребуется установить автомобиль над смотровой ямой. Далее из положения снизу демонтируется та часть выхлопной трубы, на которой установлен этот элемент. После этого нейтрализатор срезается болгаркой, и труба заваривается, либо разбирается, если такая возможность предусмотрена конструктивно. Последний этап – монтаж пламегасителя. Он обеспечит нормальную работу резонатора выхлопной трубы и устранит ряд плохих последствий.

Сложность удаления катализатора заключается в риске повредить выхлопную трубу, резонатор или выпускной коллектор в зависимости от того, где установлен элемент. Несмотря на возможность самостоятельного демонтажа катализатора, рекомендуется доверять эту работу специалистам из автосервиса. Так риск негативных последствий для автомобиля будет минимальным или нулевым.

Заключение

Каталитический нейтрализатор, несмотря на благородное предназначение, доставляет водителю больше проблем, нежели пользы. Невысокое качество и чистота топлива делают из теоретически «вечной» детали часто выходящий из строя рудимент. Все больше автовладельцев предпочитают удалять катализатор и устанавливать на его место обманку – такой шаг обходится заметно дешевле.

Каждый автомобилист сам решает, изымать нейтрализатор из выхлопной системы своего авто, или нет. Однако в развитых странах Европы давно приняли решение – наличие катализатора в авто играет большую роль для всей природы и для каждого человека в отдельности. Вот по этой причине катализаторы в обязательном порядке устанавливаются на все современные автомобили мира.

Почему выходит из строя каталитический нейтрализатор — журнал За рулем

В системе выпуска всех современных автомобилей есть устройство для снижения токсичности отработавших газов — каталитический нейтрализатор. Рассмотрим его конструкцию и возможные неисправности.

Каталитические нейтрализаторы начали применять еще в прошлом веке для снижения токсичности отработавших газов автомобильного двигателя с искровым зажиганием.

Керамические соты каталитического нейтрализатора

Керамические соты каталитического нейтрализатора.

Керамические соты каталитического нейтрализатора.

Материалы по теме

Внутри нейтрализатора расположен пористый несущий материал — керамический блок с сотовой структурой. На поверхность керамического блока нанесен промежуточный слой активаторов, а поверх него — каталитически активный слой из благородных металлов (платины, палладия и родия). На каталитически активном слое происходят химические реакции, при которых ядовитые вещества отработавших газов: оксид углерода и оксиды азота — превращаются в диоксид углерода и элементарный азот, а углеводороды — в диоксид углерода и водяной пар. Степень очистки отработавших газов в исправном нейтрализаторе достигает 98%.

Каталитический нейтрализатор работает без расхода активного вещества. В современных автомобилях с нормами токсичности Евро-4 и Евро-5 каталитические нейтрализаторы располагают максимально близко к выпускным отверстиям и крепят шпильками или болтами через прокладку к головке блока цилиндров.

Каталитический нейтрализатор (катколлектор)

Каталитический нейтрализатор (катколлектор) плотно компонуется с силовым агрегатом Лады Гранты.

Каталитический нейтрализатор (катколлектор) плотно компонуется с силовым агрегатом Лады Гранты.

Столь тесное соседство массивного и горячего каталитического нейтрализатора с двигателем затрудняет компоновку моторного отсека и приводит к повышению температуры в подкапотном пространстве. Но зато прогрев активной зоны катколлектора после пуска двигателя происходит быстрее. Ведь только прогретый катализатор способен эффективно очищать отработавшие газы. Каталитические реакции эффективно идут только при температуре свыше 300 градусов Цельсия.

Каталитический нейтрализатор автомобиля Лада Приора

Каталитический нейтрализатор автомобиля Лада Приора.

Каталитический нейтрализатор автомобиля Лада Приора.

Для правильной работы системы перед каталитическим блоком и сразу за ним устанавливают кислородные датчики (лямбда-зонды). Стоящий до нейтрализатора датчик называют управляющим, а установленный после — диагностическим.

В мировой практике используется и другое расположение каталитического нейтрализатора. Такая схема с расположением бочонка каталитического нейтрализатора под днищем автомобиля появилась на заре применения этого способа снижения токсичности отработавших газов и до сих пор используется, например, на автомобилях фирмы Renault при нормах Евро-4 и даже Евро-5.

Каталитический нейтрализатор

Каталитический нейтрализатор под днищем кроссовера Renault Duster

Каталитический нейтрализатор под днищем кроссовера Renault Duster

Система выпуска отработавших газов Lada 4x4

Система выпуска отработавших газов Лады 4x4, каталитический нейтрализатор расположен вдалеке от двигателя.

Система выпуска отработавших газов Лады 4x4, каталитический нейтрализатор расположен вдалеке от двигателя.

Каталитический нейтрализатор считается надежным элементом конструкции современного автомобиля, и производители не предусматривают регламента по его замене. То есть, по их мнению, срок службы катколлектора или элемента под днищем автомобиля должен быть равен сроку службы всего автомобиля. Тем не менее практика показала, что каталитические нейтрализаторы далеко не всегда служат безупречно.

Что может случиться с нейтрализатором?

Первой неисправностью активного элемента катколлектора является его оплавление, проявляющееся в виде спекания сот и приводящее к затрудненному проходу отработавших газов. Обычно это происходит после того, как превышен порог температуры газов в 900 градусов.

Каталитический нейтрализатор

Оплавление керамического блока захватывает пока не всю площадь. Но процесс происходит лавинообразно. Часть сот забита, остальные перегреваются и оплавляются дальше.

Оплавление керамического блока захватывает пока не всю площадь. Но процесс происходит лавинообразно. Часть сот забита, остальные перегреваются и оплавляются дальше.

Второй возможный сценарий повреждения катколлектора — это разрушение керамики. Иными словами, она начинает крошиться.

Каталитический нейтрализатор

Выкрошился сравнительно небольшой участок. Вопрос только в том, куда попадут частицы керамики?

Выкрошился сравнительно небольшой участок. Вопрос только в том, куда попадут частицы керамики?

И третий — это просто забитый продуктами неполного сгорания топлива и масла нейтрализатор, не дающий двигателю «дышать».

Что такое катализатор на автомобиле, зачем он нужен и что будет, если его убрать

Автомобиль в системе выхлопа имеет каталитический нейтрализатор, который часто выходит из строя из-за некачественного топлива. Давайте разберемся, что это такое, для чего нужен и что делать в случае засора.

Что такое катализатор

Катализатор предназначен для очистки вредных выхлопов. Он расположен в системе выпуска, в процессе его работы происходят химические реакции: опасные вещества переходят в безопасные формы, после чего выбрасываются вместе с выхлопом. Пройдя этот путь выхлопные газы становятся чище. И как результат, автомобиль наносит меньший вред окружающей среде. 

Схема катализатора

Нейтрализатор работает только после нагрева до 300°C, сразу после запуска двигателя очистка не происходит.

Устройство каталитического нейтрализатора

Основой катализатора являются керамические или металлические соты. В зависимости от модели на стенки сот наносится микрослой из палладия и родия или иридия. Эти металлы обладают высокой химической активностью. Касаясь напыления, часть выхлопа входит с ним в химическую реакцию. Часть элементов, образовавшихся при сгорании топлива, связывается.

Современные катализаторы трехкомпонентные.

  • Первый элемент связывает оксиды азота.
  • Второй - удаляет часть несгоревших элементов топлива. В большей части удаляется окись углерода.
  • Третий элемент — это датчик. Он анализирует газы на выходе из катализатора, данные передаются в бортовой компьютер.

Трехкомпонетные катализаторы

Неисправности катализатора и их причины

Производители пишут, что срок службы нейтрализатора 100–150 тысяч километров. Но на практике проблемы могут возникнуть и при меньшем пробеге, особенно в больших городах, где часто приходится стоять в пробках. 

В зависимости от особенностей эксплуатации, замена каталитического нейтрализатора может производиться раз в 3–7 лет.

Основной причиной неисправности становится выгорание слоя металлов, покрывающих соты. Это естественный процесс, в результате которого качество выхлопа ухудшается. Бортовой компьютер показывает горящий «чек», а в некоторых случаях и вообще не позволяет мотору работать, выключая зажигание.

Ускоряет процесс выгорания и некачественное топливо. Зачастую у бензина увеличивают октановое число путем добавки свинца, это усиливает нагрузку на катализатор, уменьшая срок эксплуатации. В ситуации с дизельным топливом выход из строя может ускорить сам владелец, используя в зимнее время добавки-«антигель».

В некоторых случаях причиной поломки может стать неисправный двигатель. При неправильно выставленном зажигании и проблемах в системе питания (последнее особенно актуально для дизельных двигателей) выгорание каталитического слоя ускоряется.

Соты каталитического нейтрализатора

Диагностика автомобильного катализатора

Определить неисправность можно по нескольким признакам:

  • На панели приборов загорелась лампочка “Check Engine”. Она включается при любых ошибках мотора. В нашем случае, как результат нехарактерных показателей датчика, лямбда-зонд. Точно определить, что причина в катализаторе может диагностика сканером.
  • Снижение мощности двигателя. При неисправном катализаторе машина начинает троить, дергаться, хуже разгоняется. Причина в снижении пропускной способности каталитического нейтрализатора, связанной с частичным разрушением сот: они запекаются, забивают проход для выхлопных газов. В итоге мотор «задыхается».
  • Грохот под днищем. Обычно проявляется на высоких оборотах, изредка сразу после запуска. Причина в частичном разрушении керамической конструкции сот. Отпавшие частицы начинают биться о стенки катализатора под воздействием потока газов и центробежных сил.
  • Недостаточно сильный или ровный напор газов из глушителя. При исправном нейтрализаторе, поднеся руку к выхлопной трубе, можно ощутить слабую пульсацию, она возникает вследствие поочередной работы выпускных клапанов. Если поток ровный или ослабленный, вероятно проблема в разрушенных сотах катализатора.

Каталитический нейтрализатор не выходит из строя резко и неожиданно. Обычно перед отказом начинаются мелкие проблемы из списка выше.

Катализатор в разборе

Оригинал или аналог

Оригинальный катализатор - довольно дорогая вещь. Он не производится в нашей стране, все детали в автомагазинах импортные, поэтому на увеличение цены влияют пошлины.

При этом, в случае использования оригинальной детали, автомобиль сохраняет все режимы работы двигателя. Это положительно сказывается на экологии, а также на ресурсе мотора.

Все описанные ниже способы замены катализатора, носят только ознакомительный характер. Не рекомендуется пользоваться данными методами самостоятельно!

Из-за высокой цены автолюбители ищут альтернативу. Вариантов несколько:

  • универсальный катализатор;
  • пламегаситель.

Под универсальным катализатором подразумевается сразу две группы деталей. Первая — катализатор, подходящий под любой автомобиль. Довольно дорогая вещь, но работает безотказно. Второй вариант — блок с сотами. В этом случае в старый катализатор устанавливают новые соты. Недостатком данного варианта считается сложность с выбором сервиса для ремонта, не везде возьмутся за такую работу. Срок службы универсального нейтрализатора 60–90 тысяч километров.

Съём/Установка катализатора

Более дешевый и распространенный способ — пламегаситель. Он может быть готовым, просто предназначенным для установки вместо катализатора. Другой вариант — установка пламегасителя непосредственно в корпус нейтрализатора. Такой способ несколько сложнее, но позволяет скрыть факт замены детали при продаже автомобиля.

Иногда водители просто выбивают соты из корпуса. Способ дешевый, но может привести к увеличению уровня шума и урону экологии.

Особенности удаления катализатора из выхлопной системы

Ниже рассмотрим, какие нюансы удаления катализатора стоит учитывать. В первую очередь, нужно решить, как будет обходиться лямбда-зонд. После удаления нейтрализатора, датчик будет постоянно выдавать ошибку.

Чтобы обойти датчик, обычно делают обманку. Это проставка, которая отдаляет датчик от выхлопных газов, в результате он фиксирует больше кислорода. Обманку вкручивают на место датчика, и уже в нее устанавливают прибор. Такая система работает стабильно, хоть и имеет большое количество минусов. 

  • Любое вмешательство в конструкцию автомобиля приводит к снятию его с гарантии. Подумайте, что будет, если возникнет неисправность двигателя, которая попадает под гарантийный случай.
  • Невозможность пройти государственный техосмотр. Бортовой компьютер вы обманули, но вот при проверке на стенде, обман вскроется. В итоге, вы получите запрет на эксплуатацию транспортного средства. Со станции СТО, вы поедете уже на эвакуаторе.

Еще можно сделать перепрошивку ЭБУ. В результате система будет считать, имеющиеся показатели за норму. Для такой работы требуются дополнительные знания, а также программное обеспечение.

Предупреждения на приборной панели

При перепрошивке нарушаются нормальные циклы работы мотора. Он начинает работать в неправильном режиме. Это снижает ресурс силового агрегата примерно в два раза. В результате перепрошивка вместо экономии принесет вам только больше расходов.

Заключение

В случае возникновения проблем с катализатором, необходимо его заменить. Оптимальным решением будет установка оригинального нейтрализатора. Все аналоги и обманки могут привести к ускоренному выходу двигателя из строя, сделают невозможным получение диагностической карты, а также создадут дополнительную нагрузку на экологию.

Как работают автомобильные катализаторы и для чего они нужны.

«Мы рассказываем все о катализаторах в автомобильных выхлопах».

Что такое катализатор и для чего он нужен?

Некоторые принимают катализатор за фильтр, это явно не так.

Он просто вызывает реакцию в выхлопных газах, которая превращает вредные выбросы в более безопасные.

В идеальном мире автомобильный двигатель эффективно сжигал бы весь бензин, подаваемый в двигатель, и выделял бы только углекислый газ и водяной пар.

К сожалению, двигатель внутреннего сгорания не очень эффективный зверь, в результате с выхлопными газами выделяется несколько различных загрязняющих веществ.

Каталитические нейтрализаторы стали обязательными в Великобритании для всех новых автомобилей с 1 st января 1993 года, чтобы уменьшить загрязнение окружающей среды. Их часто обвиняют в потере мощности, о чем мы говорим в статье для спортивного катализатора .

Catalysts - агентство по проверке выбросов загрязняющих веществ в выхлопных газах

Какие вредные компоненты содержатся в выхлопных газах?

Неполное сгорание бензина приводит к образованию окиси углерода и различных летучих органических соединений (ЛОС).

Эта проблема наиболее остро стоит на холостом ходу или при замедлении. Окись углерода ядовита и является парниковым газом.

Летучие органические соединения вредны для здоровья, а некоторые могут вызывать рак.

Очень высокие температуры в двигателе (более 1500 ° C) вызывают реакцию азота из воздуха с кислородом воздуха с образованием оксидов азота.

Они вызывают различные проблемы, например, диоксид азота реагирует с водой в атмосфере с образованием разбавленной азотной кислоты, которая вызывает кислотные дожди.

Воздействие солнечного света на эту смесь загрязняющих веществ вызывает фотохимический смог и образование других загрязняющих веществ, таких как озон.

Так как же катализатор преобразовывает эти элементы?

Вы можете думать о своем катализаторе как о агентстве по знакомству с загрязнителями выхлопных газов, которое помогает им найти своего идеального партнера и превращает их в двуокись углерода и водяной пар.

Некоторые химические реакции, происходящие в каталитическом нейтрализаторе, показаны ниже.

  • оксид углерода + кислород → диоксид углерода
  • Летучие органические соединения (частично сгоревший бензин) + кислород → двуокись углерода + вода
  • окись азота + окись углерода → двуокись углерода + азот


Выше стандартного поперечного сечения катализатора и ниже спортивного катализатора.

Вы можете видеть, что спортивный кот течет намного лучше и менее ограничен.

Между этими двумя крайностями доступны различные классы размера ячеек.

Каталитический нейтрализатор - чудо инженерной мысли. Когда вы включаете двигатель, он должен справиться с резким повышением температуры на несколько сотен ° C менее чем за минуту.

Рабочие температуры составляют до 1000 ° C, на хорошо настроенных двигателях TorqueCars они чаще становятся на верхнем пределе этого диапазона.

Катализатор должен обеспечивать хороший контакт с выхлопными газами, не препятствуя их потоку.

Скорость, с которой текут выхлопные газы, означает, что у катализатора есть несколько миллисекунд, чтобы творить чудеса.

Ответ - керамическая решетка с примерно 400 каналами на квадратный дюйм, покрытая смесью драгоценных металлов, платины, родия и палладия, а также оксидов других металлов.

Одна из основных причин поломки каталитических нейтрализаторов - высокие температуры.

Обычная рабочая температура составляет 150-600 ° C, но пропуски зажигания и высокие скорости движения могут привести к температурам до 1000 ° C.

Повреждает поверхность катализатора, снижая его эффективность, и в экстремальных условиях может расплавить керамику.

Еще одна проблема - отравление из-за примесей в выхлопных газах. Сера в бензине или фосфор из моторного масла могут нанести необратимый ущерб эффективности катализатора.

Пожалуйста, присоединяйтесь к нам на нашем дружеском форуме, чтобы быть в курсе последних тенденций в области катализаторов и выхлопных систем для вашего автомобиля.

ПОМОГИТЕ: МНЕ НУЖНЫ ВАШИ ПОЖЕРТВОВАНИЯ, ЧТОБЫ ПОКРЫТЬ РАСХОДЫ НА РАБОТУ ЭТОГО САЙТА И ПОДДЕРЖАНИЕ ЕГО РАБОТЫ. Я не взимаю плату с за доступ к этому веб-сайту, и это экономит большинство читателей TorqueCars 100 долларов каждый год - , но мы НЕ ПРИБЫЛЬНЫ и даже не покрываем наши расходы.Чтобы мы продолжали работать, ПОЖАЛУЙСТА, Пожертвуйте здесь

Эта статья написана мной, основателем TorqueCars Уэйнном Смитом, и я ценю ваши отзывы и предложения. Эта запись была подано в статьи, Уход за автомобилем. Вы можете оставить отзыв ниже или присоединиться к нашему форуму, чтобы подробно обсудить эту статью и модификацию автомобиля с нашими участниками.

Если вам понравилась эта страница , поделитесь ею с друзьями, напишите ссылку на своем любимом форуме или используйте параметры закладок, чтобы сохранить ее в своем профиле в социальной сети.

Обратная связь

Пожалуйста, используйте наш форум , если вы хотите задать вопрос о настройке , и обратите внимание, что мы не продаем запчасти или услуги, мы просто интернет-журнал.

Помогите нам улучшить, оставьте предложение или дайте чаевые

.

Что такое каталитический нейтрализатор и как он работает?

Каталитический нейтрализатор - это устройство, использующее катализатор для преобразования трех вредных соединений в выхлопных газах автомобилей в безвредные.

Тремя вредными соединениями являются:

Объявление

  • Углеводороды (в виде несгоревшего бензина)
  • Окись углерода (образуется при сгорании бензина)
  • Оксиды азота (образуются, когда тепло в двигателе заставляет азот в воздухе соединяться с кислородом )

Окись углерода - яд для любого дышащего воздухом животного.Окислы азота приводят к образованию смога и кислотных дождей, а углеводороды образуют смог.

В каталитическом нейтрализаторе катализатор (в форме платины и палладия) нанесен на керамические соты или керамические шарики, которые помещены в глушитель, прикрепленный к выхлопной трубе. Катализатор помогает преобразовать оксид углерода в диоксид углерода. Он превращает углеводороды в диоксид углерода и воду. Он также преобразует оксиды азота обратно в азот и кислород.

Вот несколько интересных ссылок:

.

Как работают каталитические нейтрализаторы | HowStuffWorks

В химии катализатор - это вещество, которое вызывает или ускоряет химическую реакцию, не затрагивая себя. Катализаторы участвуют в реакциях, но не являются ни реагентами, ни продуктами реакции, которую они катализируют. В организме человека ферменты являются природными катализаторами, ответственными за многие важные биохимические реакции [источник: Chemicool].

В каталитическом нейтрализаторе работают два разных типа катализатора: катализатор восстановления и катализатор окисления .Оба типа состоят из керамической структуры, покрытой металлическим катализатором, обычно платиной, родием и / или палладием. Идея состоит в том, чтобы создать структуру, которая подвергает максимальную площадь поверхности катализатора потоку выхлопных газов, а также сводит к минимуму необходимое количество катализатора, поскольку материалы чрезвычайно дороги. Некоторые из новейших конвертеров даже начали использовать золото, смешанное с более традиционными катализаторами. Золото дешевле, чем другие материалы, и может увеличивать окисление, химическую реакцию, которая снижает количество загрязняющих веществ, до 40 процентов [источник: Канеллос].

Объявление

Большинство современных автомобилей оборудовано трехкомпонентными каталитическими нейтрализаторами . Это относится к трем регулируемым выбросам, которые он помогает уменьшить.

Катализатор восстановления - первая ступень каталитического нейтрализатора. В нем используются платина и родий для снижения выбросов NOx. Когда молекула NO или NO2 контактирует с катализатором, катализатор вырывает атом азота из молекулы и удерживает его, высвобождая кислород в форме O2.Атомы азота связываются с другими атомами азота, которые также прилипают к катализатору, образуя N2. Например:

2НО => N2 + O2 или 2НО2 => N2 + 2O2

2НО => N 2 + O 2 или 2НО 2 => N 2 + 2O 000

Катализатор окисления - вторая ступень каталитического нейтрализатора.Он уменьшает количество несгоревших углеводородов и окиси углерода, сжигая (окисляя) их над платиновым и палладиевым катализатором. Этот катализатор способствует реакции CO и углеводородов с оставшимся кислородом в выхлопных газах. Например:

2CO + O 2 => 2CO 2

В каталитических нейтрализаторах используются два основных типа структур - сот и керамические шарики . Сегодня в большинстве автомобилей используется сотовая структура.

В следующем разделе мы рассмотрим третий этап процесса конверсии и то, как получить максимальную отдачу от катализатора.

.

Каковы общие проблемы с каталитическим нейтрализатором? | Новости

Каталитический нейтрализатор

Cars.com Изображение Эвана Сирса

Каталитические нейтрализаторы расположены в выхлопной системе между двигателем и глушителем и являются одной из последних линий защиты от загрязнения воздуха транспортными средствами.Они используют шарики с керамической кодировкой и различные драгоценные металлы (катализаторы) для преобразования таких загрязняющих веществ, как несгоревший газ и оксид азота, в безвредные газы.

Связано: Каталитический нейтрализатор: что вам нужно знать

Каковы возможные проблемы с каталитическим нейтрализатором?

Каталитические нейтрализаторы

часто служат 10 и более лет, но они могут быть загрязнены, забиты, перегреты или физически повреждены, что приведет к снижению производительности двигателя и, в конечном итоге, к остановке двигателя.

Одним из потенциальных загрязнителей является этилированный газ, который может разрушить катализаторы, хотя он редко встречается в США. Другие загрязнители включают охлаждающую жидкость двигателя, которая может просачиваться в систему сгорания из-за неисправной прокладки головки блока цилиндров, и моторное масло. Эти жидкости могут засорить каталитический нейтрализатор, что затруднит прохождение выхлопных газов. Автомобильные двигатели похожи на спортсменов тем, что им требуется много кислорода. Если поток выхлопных газов ограничен, это означает, что в двигатель может попасть меньше воздуха и ухудшаются характеристики.Если двигатель вяло реагирует или останавливается после некоторой работы, это может быть причиной засорения преобразователя.

Каталитические нейтрализаторы могут перегреваться из-за чрезмерного количества несгоревшего газа, вызванного пропуском зажигания в свече зажигания или негерметичным выпускным клапаном. Кроме того, вышедший из строя датчик кислорода может вызвать перегрев.

На многих транспортных средствах «кошка» находится под транспортным средством, и, как и другие части выхлопной системы, она также может быть повреждена дорожным мусором или наездом на бордюр.

Кража каталитического нейтрализатора

Те драгоценные металлы, о которых мы говорили, могут привлечь внимание: Каталитические преобразователи часто крадут из-за драгоценных металлов внутри. В переработчиках есть небольшие количества платины, родия и палладия, и все они имеют ценность для торговцев металлами.

Техническое обслуживание каталитического нейтрализатора

Среди симптомов неисправного катализатора:

  • Низкая работа двигателя
  • Пониженное ускорение
  • Темный дым выхлопных газов
  • Запах серы или тухлых яиц из выхлопа
  • Перегрев под автомобилем

Некоторые из этих симптомов также могут быть вызваны другими частями системы выпуска отработавших газов, поэтому механику важно определить, когда пора заменить каталитический нейтрализатор.

Следование рекомендованному графику технического обслуживания вашего автомобиля может помочь отсрочить этот момент как можно дольше - часто на 10 лет и более. Поддержание систем выхлопа, выхлопа и сгорания в хорошем состоянии минимизирует риск преждевременного выхода из строя каталитического нейтрализатора.

Наконец, не игнорируйте индикатор проверки двигателя. Повреждение каталитического нейтрализатора - одна из причин, по которой Cars.com входит в десятку крупнейших преступлений, связанных с обслуживанием автомобилей. Это может указывать на засорение воздушного или топливного фильтра.Ожидание замены этого фильтра может привести к преждевременной замене каталитического нейтрализатора за 1000 долларов.

Ещё на Cars.com:

Редакционный отдел Cars.com - ваш источник автомобильных новостей и обзоров. В соответствии с давней политикой этики Cars.com редакторы и рецензенты не принимают подарки или бесплатные поездки от автопроизводителей. Редакционный отдел не зависит от отделов рекламы, продаж и спонсируемого контента Cars.com.

Поделиться

Автор сообщения Рик Поупли десятилетиями освещал автомобильную промышленность и ведет еженедельное онлайн-радио-шоу на TalkZone.com. Написать Рику .

видов катализа

Катализатор находится в той же фазе, что и реагенты. Обычно все присутствует в виде газа или содержится в одной жидкой фазе. Примеры содержат по одному из них. . .

Примеры гомогенного катализа

Реакция между персульфат-ионами и иодид-ионами

Это реакция раствора, которую вы можете встретить только в контексте катализа, но это прекрасный пример!

Персульфат-ионы (пероксодисульфат-ионы), S 2 O 8 2- , являются очень сильными окислителями.Иодид-ионы очень легко окисляются до йода. И все же реакция между ними в растворе в воде очень медленная.

Если вы посмотрите на уравнение, легко понять, почему это так:

Для реакции требуется столкновение двух отрицательных ионов. Этому серьезно помешает отталкивание!

Катализированная реакция полностью устраняет эту проблему. Катализатором могут быть ионы железа (II) или железа (III), которые добавляются в один и тот же раствор.Это еще один хороший пример использования соединений переходных металлов в качестве катализаторов из-за их способности изменять степень окисления.

Для аргументации в качестве катализатора примем ионы железа (II). Как вы вскоре увидите, на самом деле не имеет значения, используете ли вы ионы железа (II) или железа (III).

Ионы персульфата окисляют ионы железа (II) до ионов железа (III). В процессе ионы персульфата восстанавливаются до ионов сульфата.

Ионы железа (III) являются достаточно сильными окислителями, чтобы окислять иодид-ионы до йода.В процессе они снова восстанавливаются до ионов железа (II).

Обе эти отдельные стадии в общей реакции включают столкновение между положительными и отрицательными ионами. Это будет гораздо более успешным, чем столкновение двух отрицательных ионов в некаталитической реакции.

Что произойдет, если в качестве катализатора использовать ионы железа (III) вместо ионов железа (II)? Просто реакции происходят в другом порядке.

 

Разрушение атмосферного озона

Это хороший пример гомогенного катализа, где все присутствует в виде газа.

Озон, O 3 , постоянно образуется и снова распадается в высоких слоях атмосферы под действием ультрафиолетового света. Обычные молекулы кислорода поглощают ультрафиолетовый свет и распадаются на отдельные атомы кислорода. Они имеют неспаренные электроны и известны как свободные радикалы . Они очень реактивны.

Кислородные радикалы могут затем соединяться с обычными молекулами кислорода с образованием озона.

Озон также можно снова разделить на обычный кислород и кислородный радикал, поглощая ультрафиолетовый свет.

Это образование и распад озона происходит постоянно. Взятые вместе, эти реакции останавливают большое количество вредного ультрафиолетового излучения, проникающего в атмосферу и достигающего поверхности Земли.

Каталитическая реакция, в которой мы заинтересованы, разрушает озон и, таким образом, останавливает поглощение им ультрафиолета.

Хлорфторуглероды (CFC), такие как CF 2 Cl 2 , например, широко использовались в аэрозолях и в качестве хладагентов.При их медленном распаде в атмосфере образуются атомы хлора - свободные радикалы хлора. Они катализируют разрушение озона.

Это происходит в два этапа. В первом случае озон расщепляется и образуется новый свободный радикал.

Катализатор на основе хлор-радикала регенерируется второй реакцией. Это может происходить двумя способами в зависимости от того, попадает ли радикал ClO в молекулу озона или радикал кислорода.

Если он попадает в кислородный радикал (образованный в результате одной из реакций, которые мы рассмотрели ранее):

Или, если он попадает в молекулу озона:

Поскольку радикал хлора продолжает регенерироваться, каждый из них может разрушить тысячи молекул озона.

.

Frontiers | Анализ влияния каталитического нейтрализатора на производительность автомобильных двигателей с помощью имитационных моделей в реальном времени

Введение

В последние десятилетия постоянная потребность в сокращении выбросов загрязняющих веществ от двигателей внутреннего сгорания (ДВС) побудила производителей оригинального оборудования как усовершенствовать существующие подсистемы (например, впрыск топлива, системы приведения в действие клапанов и т. - лечебные устройства). Фактически, для того, чтобы эти технологии были действительно эффективными, необходим соответствующий и одновременный дизайн компоновки завода, систем контроля и стратегий управления.

Сложность систем и большое количество управляющих переменных требуют глубокого понимания процессов, которые определяют поведение управляемой трансмиссии как системы в целом. Проектирование архитектуры системы и ее устройств управления определенно требует прочной теоретической поддержки со стороны физических моделей, чтобы описать общее поведение системы, которое в основном является нелинейным и, следовательно, трудно предсказуемым. Математические модели являются мощным инструментом для оценки влияния компоновки системы и стратегий управления на конечный результат, что сокращает путь от проектных спецификаций до дорожных испытаний (Guzzella and Onder, 2010).

Применение быстрых математических моделей при проектировании силовых агрегатов и связанных с ними систем управления хорошо известно уже более десяти лет, и несколько примеров можно найти в литературе (Gambarotta and Lucchetti, 2011). Комплексный сценарий изложен в (Guzzella and Onder, 2010). Обычно подходы наполнения и опорожнения (F&E) и квази-установившегося потока (QSF) используются для построения моделей с сосредоточенными параметрами 0D, которые используются как для впускных и выпускных систем, так и для процессов в цилиндрах, но при этом учитывают « моделирование в реальном времени (Gambarotta et al., 2011; Гамбаротта и Луккетти, 2013). Даже если химические и физические процессы, происходящие в цилиндре, очень сложны, «быстрые» модели требуют упрощенных однозонных 0D-подходов, в которых сгорание рассматривается посредством определения надлежащей функции сжигания топлива (Heywood, 1988), а реакции образования загрязняющих веществ с помощью упрощенного механизмы или - чаще - модели черного ящика (Guzzella, Onder, 2010). Большинство коммерческих инструментов основано на этих методологиях (как описано в Gambarotta and Lucchetti, 2011, 2013).

Этот сценарий подчеркивает важную роль быстрых математических моделей в моделировании сложных систем, общее поведение которых возникает в результате взаимодействия различных компонентов и процессов сложным и нетривиальным образом. После этого рассмотрения и с целью исследования влияния различных подложек катализатора на характеристики силовых агрегатов была разработана модель системы последующей обработки, которая была объединена с моделью двигателя с «углом поворота коленчатого вала» (Gambarotta and Lucchetti, 2013).Особое внимание было уделено пеноматериалам как инновационному материалу для подложек (Bach and Dimopoulos Eggenschwiler, 2011). Полученные результаты представлены в статье.

Пены с открытыми ячейками - это ячеистые материалы, состоящие из соединенных между собой твердых распорок, расположенных в ячейках, которые охватывают пустотные области и открытое окно или поры. Такие пены могут быть легко изготовлены с использованием различных технологий и материалов, начиная от полимеров, керамики (Al 2 O 3 , кордиерита или SiC) и металлов (Santoliquido et al., 2017). Пенопласт с открытыми порами - это инновационные субстраты, характеризующиеся высокой пористостью, низкой плотностью и высокой механической прочностью. В последние годы их стали рассматривать для различных промышленных применений, таких как фильтры, теплоизоляторы, поглотители механической энергии, глушители, теплообменники и каталитические реакторы. В качестве подложек катализаторов они обладают рядом преимуществ по сравнению с сотовыми монолитами и насадочными слоями. Структура с открытыми ячейками обеспечивает более высокую однородность потока, что является критическим фактором для эффективности преобразования загрязняющих веществ и долговечности катализатора (Zygourakis, 1989; Martin et al., 2000; Gaiser et al., 2003). В сотовых монолитах ламинарный поток в каналах приводит к низкому тепломассопереносу. Вместо этого сеть твердых стоек решеток открытых ячеек характеризуется извилистыми путями, которые усиливают взаимодействие газа со стенкой и способствуют снижению тепловой инерции (Giani et al., 2005; Lucci et al., 2016). В автомобильной промышленности критическим параметром является падение давления, которое влияет на эффективность двигателя. Пены имеют более высокий перепад давления по сравнению с монолитом с такими же размерами (Twigg, Richardson, 2007; Lucci et al., 2015; Фон Рикенбах и др., 2015). Это может быть компенсировано увеличением массопереноса, что позволяет уменьшить размер катализатора (Dimopoulos Eggenschwiler et al., 2009) или другой геометрической конфигурацией реактора (Koltsakis et al., 2008). Некоторые усилия были потрачены на их моделирование. С одной стороны, было проанализировано высококачественное сканирование пенопласта с помощью компьютерной томографии, с другой стороны, чтобы уменьшить вычислительную нагрузку, пены были смоделированы как обычные структуры с ячейками Кельвина (Boomsman et al., 2003; Джани и др., 2005; Инаят и др., 2011). Было продемонстрировано, что обычные субстраты с ячейками Кельвина работают лучше, чем их соответствующие рандомизированные пены с точки зрения компромисса между массопереносом и падением давления (Lucci et al., 2016).

Недавно была предложена разновидность структуры пены, основанная на достижениях технологий аддитивного производства (AM). Такие «пены» состоят из повторяющихся элементарных ячеек различной формы (Inayat et al., 2016; Bracconi et al., 2018; Papetti et al., 2018). Были предложены различные элементарные ячейки для построения взаимосвязанных структур. (Papetti et al., 2018) описывает систематическую геометрическую оптимизацию обычной подложки с открытыми ячейками и сочетает в себе численное моделирование и методы AM для реализации первой в мире, насколько известно авторам, подложки катализатора с 3D-печатью из кордиерита для реального автомобиля. Приложения.

Определить количественно влияние структуры подложки катализатора на характеристики двигателя непросто из-за различного динамического поведения сотов и пен во время переходных процессов и из-за высокой нелинейности всей системы двигателя.Чтобы сравнить влияние сотовых и вспененных подложек, был разработан оригинальный математический инструмент 0D, который использовался для моделирования современного дизельного двигателя с турбонаддувом объемом 1,6 л. Результаты моделирования, полученные в отношении ездового цикла EUDC, представлены в документе, показывающем влияние этих различных опор на тепловые переходные процессы катализатора и на расход топлива.

Моделирование в реальном времени системы последующей обработки двигателя и выхлопных газов

Двигатель с «углом поворота коленчатого вала», модель

Для целей данной работы модель двигателя, описанная в Gambarotta et al.(2011) и Gambarotta and Lucchetti (2013) использовались, учитывая двигатель с турбонаддувом и EGR. Процессы внутрицилиндрового обмена и газообмена были описаны с использованием подхода QSF для впускных и выпускных клапанов и метода F&E для коллекторов и цилиндров. Сгорание считается определяющим надлежащую скорость тепловыделения (HRR), а образование загрязняющих веществ оценивается с помощью подмоделей черного ящика. Был разработан оригинальный алгоритм для интегрирования уравнений сохранения в цилиндре с подходящим временным шагом (настроенным на сохранение углового шага ~ 1 ° CA для любой частоты вращения двигателя n ), при сохранении большего общего временного шага для впуска. и выхлопные системы.Модель топливной системы учитывает динамику топливной рампы (через ее объемный модуль), характеристики потока форсунок и утечки и позволяет рассчитать расход впрыскиваемого топлива на основе давления в рампе p Rail и времени включения ET. Модели на основе карт черного ящика использовались для компрессора C и турбины с изменяемой геометрией (VGT).

Усредненное за цикл значение коэффициента эквивалентности φ рассчитывается из общей массы всасываемого воздуха (полученной путем интегрирования массового расхода воздуха по каждому циклу) и общей массы впрыскиваемого топлива за цикл (оценивается на основе расхода впрыскиваемого топлива).Массовые расходы рассматриваемых загрязняющих веществ (CO, HC и PM), необходимые для расчета концентраций загрязняющих веществ X mi в выхлопных газах, а затем тепла, выделяемого реакциями окисления внутри катализатора (см. Модель катализатора), являются оценивается как функция коэффициента эквивалентности φ и частоты вращения двигателя n с помощью экспериментальных карт, расположенных в справочных таблицах в следующей форме:

Модель и ее причинно-следственная схема описаны в Gambarotta et al.(2011) и Гамбаротта и Луккетти (2013). Он использовался для моделирования нескольких автомобильных двигателей (как SI, так и дизельных), откалиброванных и проверенных для сравнения выходных данных модели с экспериментальными данными, как подробно описано в Gambarotta and Lucchetti (2011, 2013) и Gambarotta (2017). Предлагаемая модель также использовалась в оригинальной системе Hardware-in-the-Loop (HiL) на базе ПК, разработанной авторами (Gambarotta et al., 2012), демонстрируя хорошую способность предсказывать поведение и производительность движка и связанных подсистемы как в установившихся, так и в переходных режимах работы.

Выхлопная система

и катализатор модели

Процессы теплопередачи в выхлопной системе играют ключевую роль в моделировании ДВС из-за значительного влияния температуры выхлопных газов на эффективность систем последующей обработки. Следовательно, тщательное описание процессов теплообмена является фундаментальным, особенно во время критических переходных процессов (например, «выключение» катализатора, регенерация улавливателя твердых частиц и т. Д.). Другими критическими фазами работы двигателя по выбросам являются длительная работа при низкой нагрузке, когда система последующей обработки значительно охлаждается, а также при максимальной нагрузке, когда температуры достаточно высоки, но массовый расход выхлопных газов вынуждает катализатор работать с пониженной массой. дефицит передачи.По этой причине, несмотря на ограничения, накладываемые подходом 0D, особое внимание было уделено моделированию теплового поведения выхлопной системы.

Рабочая жидкость рассматривается как смесь идеальных газов, определяемых вектором массовых концентраций X mi , относящимся к 7 химическим веществам, то есть N 2 , O 2 , CO 2 , H 2 O, CO, H 2 и NO. Экстенсивные свойства ρ и c p рассчитаны как средневзвешенные с учетом состава смеси, а k = c p / c v известно из c p и константа газовой смеси R .Таким образом нельзя рассчитать интенсивные свойства μ, Pr и λ. Динамическая вязкость μ рассчитывается как функция отношения эквивалентности φ с помощью экспериментальной корреляции (Heywood, 1988):

μ = 3,3 · 10-7Tm0,71 + 0,027φ, дюйм [Па · с]

Pr оценивается следующим выражением (Heywood, 1988):

Pr = 0,05 + 4,2 (k-1) -6,7 (k-1) 2, для φ≤1

Наконец λ получается из определения Pr :

Модель выпускного коллектора

Математическая модель выпускного коллектора была разработана на основе подхода F&E.Температура и давление получаются из уравнений сохранения массы и энергии, применяемых к коллектору, рассматриваемому как объем 0D. Оценивая тепловой поток через стенки коллектора, как это было предложено в Guzzella и Onder (2010), уравнение сохранения энергии для выхлопных газов внутри коллектора можно записать следующим образом:

dUdt = m˙exhhexh-m˙turhtur-m˙EGRhEGR-Q˙in

где Q˙in - тепловой поток от газовой смеси к стенкам коллектора. Энтальпия газов, покидающих коллектор h tur и h EGR рассчитывается с предположением, что температура газа равна температуре внутри коллектора.

В представленной модели тепловая инерция выпускного коллектора была учтена при заданной общей массе m w и постоянной удельной теплоемкости c w для стенок коллектора (рисунок 1). Температура стенок коллектора предполагалась однородной, и ее изменения были оценены с помощью следующего дифференциального уравнения:

dTwdt = 1 мВт · cw (Q˙in-Q˙out)

где Q˙in и Q˙out - тепловой поток между газовым потоком и стенками и между стенками и окружающим воздухом соответственно.Эти тепловые потоки могут быть рассчитаны со ссылкой на хорошо известное схематическое описание, представленное на рисунке 1, где тепло передается за счет конвекции и излучения между газовым потоком и внутренними стенками, за счет теплопроводности через стены и за счет конвекции и излучения между внешними стенами и окружающей средой. воздух. Однако в предложенной модели внутреннее излучение считается незначительным. Даже если реальная геометрия коллектора сложна, он был смоделирован как одиночная цилиндрическая труба с надлежащей длиной L , чтобы сохранить вычислительную нагрузку в пределах подхода 0D.

Рисунок 1 . Схема потоков выхлопного коллектора.

Для оценки Q˙в использовалась конкретная корреляция, предложенная в литературе для систем впуска и выпуска ДВС в следующей форме (Depcik and Assanis, 2001):

Член Pr c часто принимает значение, близкое к 1, а значения для a и b определяются на основе измерений. Значение Nu было оценено на основе корреляции Гниелинского, описанной в Konstantinidis et al.(1997) и Кандилас и Стамателос (1999), предложив подходящий коэффициент конвективного увеличения для учета нестабильности и турбулентности потока, определенный следующим образом:

, где Nu eff и Nu th - эффективное и теоретическое значение соответственно. Последнее значение можно оценить с помощью хорошо известных корреляций из Konstantinidis et al. (1997) и Кандилас и Стамателос (1999):

Nuth = (f / 8) (Re-1000) Pr1.07 + 12,7 (f / 8) 1/2 (Pr2 / 3-1) 104 и

Nuth = (f / 8) RePr1.07 + 12,7 (f / 8) 1/2 (Pr2 / 3-1) Re <104

где

и

f = (0,790lnRe-1,64) -2 3000 Тогда можно рассчитать коэффициент конвекции и тепловой поток, так как:

и

Q˙in = Айнхин (Texh_man-Tw)

, где Pr , μ и λ для выхлопных газов оцениваются как T exh _ man температура, принимаемая как однородная в выпускном коллекторе.

Оценка конвективного теплового потока от стенок коллектора в окружающий воздух более трудна из-за геометрии компонентов и внешнего вида потока. Для простоты геометрия коллектора была принята как цилиндрическая, а внешнее поле потока однородно и связано со скоростью транспортного средства. Модель основана на корреляции, предложенной в Konstantinidis et al. (1997) и Кандилас и Стамателос (1999), таким образом оценивая Nu следующим образом:

Nuout = 0,3 + Nuout_lam2 + Nuout_tur2, 10 , где Nu out _ lam и Nu out _ tur являются функциями номеров Re и Pr следующим образом:

Nuout_lam = 0.664Ре1 / 2Пр1 / 3

и

Nuout_tur = 0,037Re0,8Pr1 + 2443Re-0,1 (Pr2 / 3-1)

Из Nu из Коэффициент конвекции и тепловой поток можно рассчитать, начиная с

и

Q˙conv_out = Острие (Тв-Цур)

, где A out - внешняя область коллектора. Термодинамические свойства Pr , ρ, μ и λ оцениваются относительно температуры пленки (т. Е. При среднем значении между температурой стенок коллектора T w и температурой окружающего внешнего воздуха T sur ).

Поток тепла внешнего излучения Q˙rad_out был оценен в предположении, что внешняя стенка коллектора представляет собой серую поверхность в полости бесконечной протяженности. Следовательно, его можно рассчитать с помощью хорошо известных соотношений Стефана-Больцмана (Incropera et al., 2013):

Q˙rad_out = Aoutεσ (Tw4-Tsur4)

, где A out - внешняя площадь коллектора, ε - коэффициент излучения, σ - постоянная Стефана-Больцмана и T w и T на являются стенками и температуры наружного окружающего воздуха соответственно.

Общий тепловой поток Q˙out от коллектора можно рассчитать исходя из значений конвекции и излучения как

Q˙out = Q˙conv_out + Q˙rad_out
Модель катализатора

Каталитический нейтрализатор представляет собой сложный компонент с точки зрения как потока газа, так и химических реакций. Гидродинамика, процессы тепломассопереноса играют важную роль в его поведении, и их следует тщательно учитывать. Принимая во внимание цели представленной работы, ни 3D (например, Lucci et al., 2014, 2015; Von Rickenbach et al., 2014), ни метод одномерного моделирования (например, Shamim et al., 2002; Pontikakis et al., 2004) не использовались. Применялся 0D-подход, предполагающий для каждого компонента однородное пространственное распределение термодинамических параметров и применение уравнений сохранения с эмпирическими корреляциями там, где это необходимо. Доказано, что разработанная модель способна моделировать поведение катализатора и его влияние на характеристики трансмиссии во время значительных переходных процессов (например, ездовых циклов) с очень коротким временем расчета и с учетом компоновки системы, размеров компонентов и стратегий управления, принятых во время переходных процессов.

Модель была разработана в соответствии с причинно-следственной связью, представленной на Рисунке 2. Были рассмотрены два объема (выделены голубым цветом до и после каталитического ядра) в соответствии с подходом F&E. Модель ядра (выделена оранжевым цветом) была основана на процедуре QSF (т.е., предполагая отсутствие накопления массы и энергии). Поскольку процессы в каталитическом нейтрализаторе являются сложными и, как правило, трехмерными, необходимо было ввести соответствующие допущения, чтобы уловить их общие эффекты, все еще ограничивая нагрузку на моделирование.Поэтому процессы, происходящие в активной зоне, были упрощены путем разделения модели на два модуля, как показано на рисунке 3: «модель газа», которая описывает поток газа в катализаторе, и «модель монолита», которая воспроизводит тепловое поведение ядро катализатора. На каждом временном шаге массовый расход и изменения температуры через активную зону оценивались путем решения двух систем алгебраических уравнений из двух модулей, которые связаны посредством теплообмена между выхлопным газом и стенками подложки (в соответствии с рисунком 3).

Рисунок 2 . Схема и причинно-следственная связь модели катализатора.

Рисунок 3 . Макет ядра катализатора.

«Модель газа» была разработана, как показано на рисунке 4. На каждом временном шаге значения давления p и температуры T в двух соседних объемах используются для вычисления разности давлений Δ p , среднего давления p м , а температура T м (с учетом направления потока).Предполагая, что ядро ​​катализатора представляет собой концентрированное сопротивление потоку (без накопления массы), массовый расход газа можно оценить с помощью эмпирической алгебраической корреляции в следующей форме:

, где ρ и μ (как другие свойства жидкости) рассчитываются как p m и T m с учетом состава выхлопных газов. Геометрия катализатора включает как габаритные размеры ядра, так и его морфологические характеристики (соты / пена, пористость и т. Д.).). Тогда температура газа на выходе из активной зоны может быть определена путем интегрирования уравнения сохранения энергии в 1D и в установившемся режиме:

m˙cpdTdx = hA ′ (Tmon-T) + qgen

, где не учитываются осевой теплообмен и изменение кинетической и потенциальной энергии в газе (как обычно считается; Pontikakis et al., 2004), A ' - удельная площадь контакта на единицу длины, а q gen представляет собой одномерное распределение тепловыделения по осевой длине сердечника (между x = 0 и x = L ).Свойства газа оцениваются как p m и T m и считаются постоянными.

Рисунок 4 . Структура модуля «модель газа» (входные и выходные переменные выделены зеленым и красным цветом соответственно).

Конвективный теплообмен между газом и активной зоной описывается, как обычно, с помощью коэффициента конвекции h , полученного из Nu , оцененного с помощью эмпирической корреляции в следующей форме (Konstantinidis et al., 1997; Кандилас и Стамателос, 1999):

Температура стенки монолита T mon предполагается постоянной на временном шаге, то есть как осевой, так и радиальный градиенты температуры не учитываются в соответствии с подходом 0D, чтобы ограничить время моделирования.

Молекулярная диффузия различных частиц и химические реакции в газовой смеси и в активной зоне не рассматривались. Однако общие эффекты окисления несгоревших частиц воспроизводятся с точки зрения выделяемого тепла в следующем выражении (в [Вт / м]):

, который представляет собой одномерное распределение тепловыделения по осевой длине сердечника (между x = 0 и x = L ).Q˙gen - это общий тепловой поток (в [Вт]), производимый в объеме активной зоны из-за реакций окисления загрязняющих веществ, и оценивается по массовому расходу выхлопных газов ṁ, концентрация загрязняющих веществ X mi , соответственно ниже теплотворная способность LHV i и коэффициент преобразования η i следующим образом:

Q˙gen = ∑i = 1Nm˙ · Xmi · LHVi · ηi

Номер N и тип загрязняющих веществ зависит от конкретного применения.В представленной модели учитывались CO и один или несколько видов углеводородов, поскольку их реакции окисления были приняты как наиболее важные при определении температуры катализатора. Следует отметить, что рабочая жидкость рассматривалась как смесь 7 химических веществ, то есть N 2 , O 2 , CO 2 , H 2 O, CO, H 2 NO. Вектор концентраций загрязняющих веществ { X mi } в выхлопных газах (т.е.е., выхлопные газы двигателя) могут быть получены из экспериментальных данных в виде справочных таблиц как функции рабочих параметров двигателя (например, коэффициент эквивалентности φ, частота вращения двигателя n и выходная мощность; Fiorani et al., 2008). Таким же образом вектор {η i } эффективности преобразования может быть определен с помощью справочных таблиц, определенных экспериментально как функция температуры монолита T mon и скорости газа (Fiorani et al., 2008) . Этот подход (который в основном представляет собой черный ящик, как это обычно требуется для моделей в реальном времени) позволяет учитывать дальнейшие реакции, которые могут происходить в катализаторе, путем введения надлежащих эмпирических корреляций для моделирования различных каталитических преобразователей и систем доочистки.

Член q gen (который является функцией осевой координаты x , длины активной зоны L , количества N вовлеченных загрязнителей и общего теплового потока Q˙gen от окисления несгоревшие соединения) зависит от скорости реакции в ядре катализатора, на которую влияют многие сложные процессы: химическая кинетика при низких температурах, диффузия в порах монолита при средних температурах и диффузия в газовой фазе при высоких температурах.Следовательно, если температура достаточно высока, химические вещества могут реагировать мгновенно, как только достигают стенок субстрата. Предполагая, что концентрация химических веществ в текущих газах экспоненциально падает вдоль осевой абсциссы, и вспоминая, что диффузионный массообмен пропорционален разнице в концентрациях, предполагалось экспоненциальное распределение тепла, выделяемого несгоревшими соединениями, выраженное в следующей форме:

Коэффициенты a, и b могут быть определены исходя из того, что интеграл q gen вдоль длины подложки равен общему тепловому потоку Q˙gen, генерируемому в сердечнике, т.е.э.,:

и предполагая, что отношение q gen (0) / q gen (L) = 100. Следовательно, получаются следующие выражения для a и b :

a = N · ln (N) · Q˙genL · (N-1) и b = - ln (N) L

Интеграция уравнения сохранения энергии в 1D и в установившемся режиме между x = 0 и x = L позволяет определить изменения температуры газа вдоль активной зоны.Для x = л можно определить температуру газа на выходе T на выходе .

Тепловой поток между газом и монолитом на каждом временном шаге можно оценить с помощью уравнения:

Q˙int = Q˙gen-m˙ · cp · (Tout-Tin)

Следует отметить, что, поскольку свойства газовой смеси определяются относительно средней температуры в активной зоне, значение T out оценивается посредством итерационного расчета (процедура do-while , рисунок 4 ) с 0.Порог 1К.

Для оценки изменения средней температуры монолита T mon уравнение сохранения энергии можно использовать в следующем виде:

dTmondt = 1mmon · cmon · (Q˙int-Q˙ext)

Помимо теплового потока, обмениваемого с газами Q˙int и теплоемкости монолита м mon · c mon , требуется также тепловой поток во внешний окружающий воздух Q˙ext.

Даже если могут быть найдены различные конфигурации, наиболее распространенным методом является установка монолита в металлический кожух со слоем вставленного изоляционного материала: такая компоновка была предусмотрена в разработанной модели, как схематично показано на рисунке 5.Передача тепла от монолита к окружающему воздуху происходит сначала за счет теплопроводности через слой изоляционного материала и металлический кожух, а затем за счет конвекции и излучения от внешних стен к окружающему воздуху. В этом случае конвекция может быть принудительной или естественной в зависимости от скорости автомобиля v , которая, следовательно, представляет собой входной параметр для модели. Следуя квазистационарному подходу, установившийся процесс теплопередачи может быть смоделирован на каждом временном шаге, предполагая, что два тепловых сопротивления последовательно соединены, и поэтому общее тепловое сопротивление может быть выражено как:

Rt_tot = Rt_cond + Rt_conv · Rt_irrRt_conv + Rt_irr

, где R t _ cond связано с проводимостью, а R t _ conv и R t _ irr связаны с конвекцией и излучением передача тепла наружу.

Рисунок 5 . Схема процессов течения и теплообмена в ядре катализатора.

Принимая во внимание только слой изоляционного материала (т. Е. Пренебрегая термическим сопротивлением металлического корпуса) и предполагая цилиндрическую геометрию, R t _ cond был рассчитан по следующей формуле (Incropera et al. ., 2013):

Rt_cond = Tmon-TwQ˙ext = ln (rins_extrins_int) 2π · L · λins

Принудительная конвекция в окружающий воздух может рассматриваться, принимая цилиндрический корпус с радиусом, равным r ext : следовательно,

Rt_conv = Tw-TextQ˙conv = 1Aext · hconv

где

с коэффициентом усиления 3/2 для учета осевой проводимости в металлическом корпусе.

Коэффициент конвекции h получается, начиная с Nu (Incropera et al., 2013): следующая корреляция из Черчилля и Бернштейна (которая не требует коэффициентов, которые изменяются с Re и действительна для широкого диапазона Re и Pr ) был использован:

Nuconv = 0,3 + 0,62Re1 / 2Pr1 / 3 [1+ (0,4 / Pr) 2/3] 1/4 [1+ (Re282000) 5/8] 4/5

где

v - скорость невозмущенного потока, предположительно равная скорости транспортного средства.Тогда h можно рассчитать по следующей формуле:

Что касается теплового излучения, если предположить, что внешняя стенка металлического кожуха представляет собой серое тело внутри большой полости, соответствующий тепловой поток можно оценить как Incropera et al. (2013):

Q˙irr = Aext · ε · σ · (Tw4-Text4)

, из которых

Rt_irr = 1Aext · ε · σ · (Tw2 + Text2) · (Tw + Текст)

Наконец, тепловой поток к внешнему окружающему воздуху можно рассчитать как:

Параметры принудительной и естественной конвекции рассчитаны с учетом свойств жидкости при средней температуре:

, где T w известно из уравнения:

Следовательно, значение T w оценивается посредством итеративного вычисления с 0.Порог 1К.

Описанная процедура была использована для моделирования различных субстратов катализатора (соты или пены) с использованием подходящих корреляций для связи массовых расходов и изменений давления в ядре катализатора (концентрированное сопротивление потоку) и для определения Nu для теплообмена между выхлопной газ и монолит. Конкретные корреляции, используемые для сот и пен, рассматриваемых в настоящей работе, будут представлены в следующем параграфе.

Физическая идентификация модели Catalyst

Представленная модель системы последующей обработки была затем откалибрована с учетом конкретных геометрических форм сердцевины, сот и пен.Сопротивление потоку и процессы теплопередачи были определены из корреляций, доступных в литературе, и были использованы стандартные физические и геометрические свойства.

В сотах газ должен двигаться в каналах очень малого сечения, поэтому поток в основном ламинарный. Корреляции, связывающие массовый расход с Δ p , очень похожи на корреляции, полученные для ламинарного потока в трубе, и могут быть выражены в форме p = f (ṁ), которую можно переписать в обратной форме ṁ = f ( p ), что подходит для блок-схемы рисунка 4.В настоящем исследовании использовалось следующее соотношение

ΔpL = 28,5 · μ · m˙ρ · ε · A · Dc2

или, положив Re = ρ · u · ε · Dcμ

, как указано в Incropera et al. (2013) для полностью развитого ламинарного потока через канал квадратного сечения.

Что касается пены, то первое соотношение было получено из Giani et al. (2005), полученные в результате экспериментальных испытаний металлических пен с высокой пористостью. Геометрия этих пен была схематизирована в предположении кубических ячеек с аккуратно упакованными цилиндрическими стойками.Исходя из выражения для потерь нагрузки внутри ряда труб, авторы предложили следующее соотношение:

ΔpL = 2ds · (0,87 + 13,56Re) · (11-G (ε)) 4 · G (ε) 4 · ρu2

, где в Re характерным размером является диаметр стойки d s , а скорость u получается путем деления объемного расхода на площадь поперечного сечения A монолита. G ( ε ) - отношение диаметра стойки d s к диаметру пор D p : для рассматриваемой геометрии оно зависит только от пористости ε и может быть выражено как следует:

G (ε) = dsDp = (4 · (1-ε) 3π) 1/2

Вторая корреляция, предложенная Луччи и др.(2014), рассмотрено для пен. Чтобы избежать значительного разброса, типичного для экспериментальных данных (из-за изменчивости тестируемых пен), авторы предлагают 3D-моделирование CFD в качестве альтернативы реальным измерениям для характеристики поведения пены (аргументируя это тем, что необходимо больший контроль над геометрическими параметрами). В частности, со ссылкой на пену, смоделированную как набор ячеек Кельвина (рис. 6), и отмечая, что падение давления в пене возникает из-за сил сопротивления, оказываемых жидкостью на стойки, авторы в Lucci et al.(2014) предлагают следующую корреляцию:

-dpdx = SSA · ρu22 · χ2ε3 · CD

, где χ называется «извилистостью» и представляет собой соотношение между длиной фактического пути, по которому проходит жидкость, и соответствующим осевым смещением. Что касается сложной геометрии пен, χ обычно намного больше 1. Чтобы соответствовать результатам трехмерного моделирования, коэффициент сопротивления C D был определен в следующей форме (Lucci et al., 2014) :

, где Re вычислено с D p в качестве характеристической длины, предполагающей среднюю скорость на площади поперечного сечения (поэтому ниже, чем эффективное значение внутри пены: по этой причине в предыдущем уравнении термин χ 2 / ε 3 добавлен).Хотя вышеприведенное уравнение позволяет оценить градиент давления в осевом направлении (одномерная модель), его можно использовать для расчета общего Δ p , оценки свойств жидкости при p м и T м таким образом получив

pL = SSA · ρu22 · χ2ε3 · (0,4 + 30Re0,8)

Оценка теплового потока между выхлопными газами и внутренней поверхностью монолита была основана на расчете коэффициента конвекции h , который можно получить из Nu .Корреляция, используемая для сот, была получена из Giani et al. (2005) следующим образом:

Nu = 2,977 · (1 + 0,095 · Re · Pr · DcL) 0,45

где

Re = ρ · u · Dcμ · ε = m · ˙dsμ · ε · A

Для пен использовались две корреляции из литературы. Первый из них был предложен Giani et al. (2005), где авторы расширяют результаты, полученные экспериментально, для определения характеристик металлических пен. Nu выражается как функция от Re и Pr с классической формулировкой с двумя поправочными коэффициентами, определенными на основе экспериментальных данных следующим образом:

, где Re = ρ · u · dsμ = m · ˙dsμ · A.

Вторая корреляция была использована для пен, полученная из Lucci et al. (2014). Для оценки Nu было использовано следующее выражение:

Nu = 1,28 · Hg0,32Pr13ε2,34

, где номер Хагена Hg используется вместо Re , что определяется как:

Следует напомнить, что первая корреляция (Giani et al., 2005) основана на схематизации пены как набора кубических ячеек (Рисунок 6), принимая диаметр стойки d s в качестве характерной длины. .С этой геометрией только два из четырех параметров D p , ε, d s и SSA являются независимыми, например, если известны D p и ε , d s и SSA получаются из следующих уравнений:

G (ε) = dsDp = [4 · (1-ε) 3π] 12 и SSA = 2Dp [3π (1-ε)] 12

Вторая корреляция (Lucci et al., 2014) получена из моделирования CFD, предполагая диаметр пор D p как характерную длину и моделируя пену как набор ячеек Кельвина (Рисунок 6).Также в этом случае задействованы два независимых параметра и соблюдены следующие отношения:

ε = 1-3π2 (dsDp) 2 + 7,54 (dsDp) 3 и SSA = 10,331-εDp-5,81- εDp

В таблице 1 представлены различные соотношения гидравлического сопротивления и свойств передачи для структур, рассматриваемых в этой статье. Более подробную информацию о них можно найти в указанной литературе (Giani et al., 2005; Lucci et al., 2014).

Таблица 1 . Использованы соотношения гидравлического сопротивления и переноса.

Общий объем каталитического реактора принят равным 1,5 л при длине реактора 15 см. Стандартная сотовая структура, обозначаемая далее как «h_Giani», используется в качестве эталонного случая и характеризуется пористостью ε = 63%, характерным диаметром канала D p = 1 мм и специфическим площадь поверхности SSA = 2700 м 2 / м 3 . Сотовую структуру сравнивают с двумя пеноподобными структурами с открытыми ячейками, настоящей пеной (Giani et al., 2005), идентифицированный как «f_Giani», и синтетическая клеточная структура Кельвина (Lucci et al., 2014), идентифицированная как «f_Lucci». Обе ячеистые структуры имеют пористость ε = 73%, более высокую, чем у сотовой структуры, меньшую площадь поверхности SSA = 1000 м 2 / м 3 и характерный размер пор d p = 2 мм. Другие параметры, принятые для моделирования, представлены в таблице 2: объем монолита считается одинаковым для сотовых и пенопласта (даже если для пенопласта требуются меньшие объемы).Значения d p и ε приводят к получению соты около 400 cpsi, что можно считать коммерческими стандартами, а значение D p приводит к пенам с плотностью 12,7 PPI.

Таблица 2 . Значения параметров, принятые для моделей катализаторов.

Толщина s ins и λ ins изоляционного слоя была принята равной 6 мм и среднему значению для пенополиуретана.Значение общего коэффициента излучения полусферы ε для внешней металлической поверхности сильно варьируется в зависимости от отделки поверхности и степени окисления (от 0,1 для полированных поверхностей до 0,9 для сильно окисленных поверхностей): в этом случае, поскольку внешний кожух обычно не имеет определенной отделки и, кроме того, он мог окисляться, было принято значение 0,6. Удельная плотность ρ mon и теплоемкость c mon монолита определены с учетом кордиерита для сот и Al 2 O 3 для пен.

Однако следует помнить, что все вышеперечисленные параметры можно легко изменить в модели, что позволяет тестировать и сравнивать различные геометрические формы.

Разработка и валидация модели двигателя

Выхлопная система А

.

Смотрите также