Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

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

Катализатор представляет собой выхлопное управление излучением устройство , которое уменьшает токсичные газы и загрязняющие вещества в выхлопных газах от двигателя внутреннего сгорания на менее токсичные загрязняющие вещества пути катализировать в окислительно - восстановительную реакцию (окисление и восстановительную реакцию). Каталитические нейтрализаторы обычно используются с двигателями внутреннего сгорания, работающими на бензине или дизельном топливе, включая двигатели, работающие на обедненной смеси, а также керосиновые обогреватели и печи.

Первое массовое внедрение каталитических нейтрализаторов произошло на автомобильном рынке США . В соответствии с более строгими требованиями Агентства по охране окружающей среды США в отношении выбросов выхлопных газов большинство автомобилей с бензиновым двигателем, начиная с 1975 модельного года , оснащаются каталитическими преобразователями. [1] [2] [3] [4] Эти «двусторонние» конвертеры объединяют кислород с монооксидом углерода (CO) и несгоревшими углеводородами (C n H n ) с образованием диоксида углерода (CO 2 ) и воды (H 2О). В 1981 году двусторонние каталитические нейтрализаторы были заменены на «трехкомпонентные» преобразователи, которые также восстанавливают оксиды азота ( NO
Икс ); [1], однако, двухходовые преобразователи все еще используются для двигателей с обедненной смесью. Это связано с тем, что трехкомпонентные преобразователи требуют либо обогащенного, либо стехиометрического сгорания для успешного снижения выбросов NO.
Икс .

Хотя каталитические преобразователи чаще всего применяются в выхлопных системах автомобилей, они также используются в электрических генераторах , вилочных погрузчиках , горнодобывающем оборудовании, грузовиках , автобусах , локомотивах , мотоциклах и на кораблях. Их даже используют в некоторых дровяных печах для контроля выбросов. [5] Обычно это происходит в ответ на государственное регулирование , либо через прямое экологическое регулирование, либо через правила охраны труда и техники безопасности.

История [ править ]

Опытные образцы каталитического нейтрализатора были впервые разработаны во Франции в конце 19 века, когда на дорогах было всего несколько тысяч «нефтяных машин»; он состоял из инертного материала, покрытого платиной, иридием и палладием, запечатанного в двойной металлический цилиндр. [6]

Спустя несколько десятилетий каталитический нейтрализатор был запатентован Юджином Худри , французским инженером-механиком и экспертом по каталитической переработке нефти [7], который переехал в Соединенные Штаты в 1930 году. Когда были опубликованы результаты ранних исследований смога в Лос-Анджелесе Гудри обеспокоился ролью выхлопных газов дымовых труб и автомобильных выхлопов в загрязнении воздуха и основал компанию под названием Oxy-Catalyst. Сначала Хоудри разработал каталитические преобразователи для дымовых труб, сокращенно названные «кошками», а позже разработал каталитические преобразователи для складских вилочных погрузчиков, которые использовали неэтилированный бензин низкого качества. [8] В середине 1950-х он начал исследования по разработке каталитических нейтрализаторов для бензиновых двигателей.используется на автомобилях. За свою работу он был награжден патентом США 2 742 437 . [9]

Каталитические нейтрализаторы были далее разработаны рядом инженеров, включая Карла Д. Кейта , Джона Дж. Муни , Антонио Элеазара и Филиппа Мессина из Engelhard Corporation [10] [11], которые создали первый серийный каталитический нейтрализатор в 1973 году. [12]

Первое массовое внедрение каталитических нейтрализаторов произошло на автомобильном рынке США . Чтобы соответствовать новым правилам Агентства по охране окружающей среды США по выбросам выхлопных газов, большинство автомобилей с бензиновым двигателем, начиная с 1975 модельного года , оснащаются каталитическими преобразователями. Эти «двусторонние» конвертеры объединяли кислород с монооксидом углерода (CO) и несгоревшими углеводородами (C n H n ) с образованием диоксида углерода (CO 2 ) и воды (H 2 O). [1] [2] [3] [4]Эти строгие правила контроля выбросов вынудили удалить из автомобильного бензина антидетонационный агент тетраэтилсвинец , чтобы снизить содержание свинца в воздухе. Свинец является каталитическим ядом и может эффективно разрушить каталитический нейтрализатор, покрывая его поверхность. Требование удаления свинца позволило использовать каталитические нейтрализаторы для соответствия другим нормам выбросов в правилах. [13]

Уильям С. Пфефферле разработал каталитическую камеру сгорания для газовых турбин в начале 1970-х годов, позволяющую сгорать без значительного образования оксидов азота и моноксида углерода. [14] [15]

Строительство [ править ]

В разрезе преобразователя с металлическим сердечником
Преобразователь с керамическим сердечником

Конструкция каталитического нейтрализатора следующая:

  1. Носитель катализатора или подложка . В автомобильных каталитических нейтрализаторах сердечник обычно представляет собой керамический монолит с сотовой структурой (обычно квадратной, а не шестиугольной). (До середины 1980-х каталитический материал наносился на уплотненный слой гранул оксида алюминия в ранних применениях GM.) Монолиты из металлической фольги из кантала (FeCrAl) [16] используются в приложениях, где требуется особенно высокая термостойкость. [16] Структура подложки обеспечивает большую площадь поверхности . кордиеритовыекерамическая подложка, используемая в большинстве каталитических нейтрализаторов, была изобретена Родни Бэгли , Ирвином Лахманом и Рональдом Льюисом в Corning Glass , за что в 2002 году они были занесены в Национальный зал славы изобретателей [1].
  2. Мешок. Washcoat является носителем для каталитических материалов и используется для диспергирования материалов по большой площади поверхности. Оксид алюминия , диоксид титана , диоксид кремния , или смесь диоксида кремния и оксида алюминия могут быть использованы. Каталитические материалы суспендируют в покрытии перед нанесением на сердцевину. Материалы Washcoat выбираются для образования шероховатой неровной поверхности, которая значительно увеличивает площадь поверхности по сравнению с гладкой поверхностью голой основы. Это, в свою очередь, максимально увеличивает каталитически активную поверхность, доступную для реакции с выхлопными газами двигателя. Покрытие должно сохранять свою площадь поверхности и предотвращать спекание.частиц каталитического металла даже при высоких температурах (1000 ° C). [17]
  3. Церий или оксид церия-циркония . Эти оксиды в основном добавляются в качестве активаторов накопления кислорода. [18]
  4. Сам катализатор чаще всего представляет собой смесь драгоценных металлов , в основном платиновой группы . Платина является наиболее активным катализатором и широко используется, но не подходит для всех приложений из-за нежелательных дополнительных реакций и высокой стоимости. Палладий и родий - два других используемых драгоценных металла. Родий используется в качестве катализатора восстановления , палладий используется в качестве катализатора окисления , а платина используется как для восстановления, так и для окисления. Церий , железо , марганец и никельтакже используются, хотя у каждого из них есть ограничения. Никель не разрешен к использованию в Европейском Союзе из-за его реакции с оксидом углерода на токсичный тетракарбонил никеля . [ необходима цитата ] Медь можно использовать везде, кроме Японии . [ требуется разъяснение ]

При выходе из строя каталитический нейтрализатор можно сдать в утиль . Эти драгоценные металлы внутри конвертера, включая платину , палладий и родий , извлекаются.

Размещение каталитических нейтрализаторов [ править ]

Каталитическим нейтрализаторам для эффективной работы требуется температура 800 градусов по Фаренгейту (426 ° C). Поэтому их устанавливают как можно ближе к двигателю, либо один или несколько каталитических нейтрализаторов меньшего размера (известные как «предварительные коты») размещают сразу после выпускного коллектора.

Типы [ править ]

Двусторонний [ править ]

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

  1. Окисление из окиси углерода до двуокиси углерода : СО 2 + O 2 → 2 СО 2
  2. Окисление углеводородов (несгоревшее и частично сгоревшее топливо) до диоксида углерода и воды : C x H 2x + 2 + [(3x + 1) / 2] O 2 → x CO 2 + (x + 1) H 2 O (горение реакция)

Этот тип каталитического нейтрализатора широко используется в дизельных двигателях для снижения выбросов углеводородов и оксида углерода. Они также использовались в бензиновых двигателях автомобилей американского и канадского рынков до 1981 года. Из-за их неспособности контролировать оксиды азота их заменили трехходовые преобразователи.

Трехходовой [ править ]

Трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы имеют дополнительное преимущество, заключающееся в контроле выбросов оксида азота (NO) и диоксида азота (NO 2 ) (оба вместе сокращенно обозначаются NO. Икс и не путать с закисью азота (N 2 O) ), которые являются предшественниками кислотных дождей и смога . [19]

С 1981 года "трехкомпонентные" (окислительно-восстановительные) каталитические нейтрализаторы используются в системах контроля выбросов транспортных средств в США и Канаде; многие другие страны также приняли строгие правила выбросов транспортных средств, которые фактически требуют трехходовых преобразователей на транспортных средствах с бензиновым двигателем. Катализаторы восстановления и окисления обычно содержатся в общем корпусе; однако в некоторых случаях они могут размещаться отдельно. Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор выполняет одновременно три задачи: [19]

Восстановление оксидов азота до азота (N 2 )

Окисление углерода, углеводородов и монооксида углерода до диоксида углерода

Эти три реакции протекают наиболее эффективно, когда каталитический нейтрализатор получает выхлоп от двигателя, работающего немного выше стехиометрической точки. При сжигании бензина это соотношение составляет от 14,6 до 14,8 частей воздуха на одну часть топлива по массе. Соотношение для автогаза (или сжиженного нефтяного газа, сжиженного нефтяного газа ), природного газа и топлива на этаноле может значительно отличаться для каждого вида топлива, особенно в случае кислородсодержащего топлива или топлива на основе спирта, при этом для E85 требуется примерно на 34% больше топлива, что требует настройки модифицированной топливной системы и компонентов. при использовании этих видов топлива. Как правило, двигатели, оснащенные трехкомпонентными каталитическими нейтрализаторами, оснащены компьютеризированным с замкнутым контуром обратной связи впрыска топлива системы с использованием одного или нескольких датчиков кислорода , [ править ] , хотя в начале развертывания трехходовых преобразователей, карбюраторы были использованы оснащенные контролем смеси с обратной связью.

Трехходовые преобразователи эффективны, когда двигатель работает в узком диапазоне соотношений воздух-топливо около стехиометрической точки, так что состав выхлопных газов колеблется между богатым (избыток топлива) и бедным (избыток кислорода). Эффективность преобразования падает очень быстро, когда двигатель работает за пределами этого диапазона. При работе на обедненной смеси выхлопные газы содержат избыток кислорода, и снижение выбросов NO
Икс не приветствуется. В богатых условиях избыточное топливо потребляет весь доступный кислород до катализатора, оставляя только кислород, накопленный в катализаторе, доступным для функции окисления.

Системы управления двигателем с обратной связью необходимы для эффективной работы трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов из-за непрерывной балансировки, необходимой для эффективного NO.
Икс восстановление и окисление УВ. Система управления должна предотвращать НЕТ
Икс восстановительный катализатор от полного окисления, но пополняет запас материала кислорода, так что его функция в качестве катализатора окисления сохраняется.

Трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы могут накапливать кислород из потока выхлопных газов, как правило, когда соотношение воздух-топливо становится бедным. [20] Когда из выхлопного потока недоступно достаточное количество кислорода, накопленный кислород высвобождается и потребляется (см. Оксид церия (IV) ) . Недостаток кислорода возникает, когда кислород, полученный из NO
Икс восстановление недоступно, или когда определенные маневры, такие как резкое ускорение, обогащают смесь сверх способности конвертера подавать кислород.

Нежелательные реакции [ править ]

В трехкомпонентном катализаторе могут происходить нежелательные реакции, такие как образование пахучего сероводорода и аммиака . Формирование каждого из них может быть ограничено модификациями используемого покрытия и драгоценных металлов. Полностью устранить эти побочные продукты сложно. Топливо без серы или с низким содержанием серы устраняет или снижает содержание сероводорода.

Например, когда желательно контролировать выбросы сероводорода, в лакокрасочное покрытие добавляют никель или марганец . Оба вещества действуют , чтобы блокировать поглощение из серы с помощью наносного. Сероводород образуется, когда покрытие поглотило серу во время низкотемпературной части рабочего цикла, которая затем высвобождается во время высокотемпературной части цикла, и сера соединяется с углеводородом.

Дизельные двигатели [ редактировать ]

Для двигателей с воспламенением от сжатия (например, дизельных ) наиболее часто используемым катализатором является катализатор окисления дизельного топлива (DOC). DOCs содержат палладий , платину и оксид алюминия , все из которых каталитический окислять на твердые частицы (ТЧ), углеводороды и окись углерода с кислородом до диоксида формы углерода и воды.

Эти преобразователи часто работают с КПД 90 процентов, практически устраняя запах дизельного топлива и помогая уменьшить количество видимых твердых частиц. Эти катализаторы не восстанавливают NO
Икс потому что любой присутствующий восстановитель сначала вступит в реакцию с высокой концентрацией O 2 в выхлопных газах дизельных двигателей.

Снижение NO
Икс Выбросы от двигателей с воспламенением от сжатия ранее решались путем добавления выхлопных газов к входящему воздушному заряду, известной как рециркуляция выхлопных газов (EGR).

В 2010 году большинство производителей дизельных двигателей малой грузоподъемности в США добавили в свои автомобили каталитические системы, чтобы соответствовать новым федеральным требованиям по выбросам. Для каталитического восстановления NO
Икс выбросы при обедненных выхлопных газах, селективном каталитическом восстановлении (SCR) и NO Икс адсорбер .

Вместо содержащего драгоценные металлы NO
Икс поглотители, большинство производителей выбрали системы SCR из неблагородных металлов, в которых используется такой реагент , как аммиак, для снижения содержания NO
Икс в азот. Аммиак подается в каталитическую систему путем впрыска мочевины в выхлопные газы, которая затем подвергается термическому разложению и гидролизу до аммиака. Раствор мочевины также называют жидкостью для выхлопных газов дизельного двигателя (DEF).

Выхлоп дизельных двигателей содержит относительно высокий уровень ТЧ. Каталитические нейтрализаторы удаляют только 20–40% твердых частиц, поэтому твердые частицы удаляются с помощью уловителя сажи или дизельного сажевого фильтра (DPF). В США все легковые, средние и тяжелые автомобили, работающие на дизельном топливе и построенные после 1 января 2007 года, должны соответствовать ограничениям на выбросы твердых частиц, а это означает, что они должны быть оснащены двухкомпонентным катализатором и сажевый фильтр. Поскольку двигатель был изготовлен до 1 января 2007 года, в автомобиле не требуется установка DPF. Это привело к увеличению запасов производителями двигателей в конце 2006 г., чтобы они могли продолжать продавать автомобили без сажевого фильтра и в 2007 г. [21].

Двигатели с искровым зажиганием на обедненной смеси [ править ]

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

Установка [ править ]

Многие автомобили имеют моноблочный каталитический нейтрализатор, расположенный рядом с выпускным коллектором двигателя . Преобразователь быстро нагревается из-за воздействия очень горячих выхлопных газов, что позволяет снизить нежелательные выбросы во время прогрева двигателя. Это достигается за счет сжигания избыточных углеводородов, образующихся в результате чрезмерно богатой смеси, необходимой для холодного пуска.

Когда каталитические нейтрализаторы были впервые представлены, в большинстве автомобилей использовались карбюраторы, которые обеспечивали относительно высокое соотношение воздух-топливо . Таким образом, уровни кислорода (O 2 ) в выхлопном потоке были обычно недостаточными для эффективного протекания каталитической реакции. Поэтому большинство конструкций того времени предусматривали впрыск вторичного воздуха , который впрыскивал воздух в поток выхлопных газов. Это увеличило доступный кислород, позволяя катализатору функционировать должным образом.

Некоторые системы с трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором имеют системы впрыска воздуха, при этом воздух впрыскивается между первыми ( НЕТ
Икс восстановления) и второй (окисление HC и CO) ступени конвертера. Как и в двухкомпонентных конвертерах, этот нагнетаемый воздух обеспечивает кислород для реакций окисления. Точка впрыска воздуха перед каталитическим нейтрализатором также иногда присутствует для подачи дополнительного кислорода только в период прогрева двигателя. Это приводит к воспламенению несгоревшего топлива в выхлопном тракте, тем самым предотвращая его попадание в каталитический нейтрализатор. Этот метод сокращает время работы двигателя, необходимое для того, чтобы каталитический нейтрализатор достиг своей «начальной» или рабочей температуры .

Большинство новых автомобилей имеют электронные системы впрыска топлива и не требуют систем впрыска воздуха в выхлопные трубы. Вместо этого они обеспечивают точно регулируемую топливно-воздушную смесь, которая быстро и непрерывно переключается между обедненным и богатым сгоранием. Кислородные датчики контролируют содержание кислорода в выхлопных газах до и после каталитического нейтрализатора, и блок управления двигателем использует эту информацию для регулировки впрыска топлива таким образом, чтобы предотвратить первое ( НЕТ
Икс восстановления) катализатора от насыщения кислородом, одновременно обеспечивая достаточное насыщение кислородом второго катализатора (окисление НС и СО).

Ущерб [ править ]

Отравление катализатором происходит, когда каталитический нейтрализатор подвергается воздействию выхлопных газов, содержащих вещества, которые покрывают рабочие поверхности, так что они не могут контактировать и вступать в реакцию с выхлопными газами. Наиболее заметным загрязнителем является свинец , поэтому автомобили, оснащенные каталитическими нейтрализаторами, могут работать только на неэтилированном топливе. К другим распространенным каталитическим ядам относятся сера , марганец (происходящий в основном из присадки к бензину MMT ) и кремний , которые могут попасть в поток выхлопных газов, если в двигателе есть утечка, из-за которой охлаждающая жидкость попадает в камеру сгорания. Фосфор- еще один загрязнитель катализатора. Хотя фосфор больше не используется в бензине, он (и цинк , еще один низкоуровневый загрязнитель катализатора) до недавнего времени широко использовался в противоизносных присадках моторных масел, таких как дитиофосфат цинка (ZDDP). Начиная с 2004 года, предел концентрации фосфора в моторных маслах был принят в спецификациях API SM и ILSAC GF-4.

В зависимости от загрязнителя отравление катализатора иногда можно обратить вспять, запустив двигатель при очень большой нагрузке в течение длительного периода времени. Повышенная температура выхлопных газов может иногда приводить к испарению или возгонке загрязняющих веществ, удаляя их с каталитической поверхности. Однако удаление свинцовых отложений таким способом обычно невозможно из-за высокой температуры кипения свинца.

Любое условие, которое вызывает аномально высокие уровни несгоревших углеводородов (сырого или частично сгоревшего топлива или масел), которые достигают конвертера, будет иметь тенденцию к значительному повышению его температуры, что создает риск расплавления субстрата и, как следствие, каталитической дезактивации и серьезного ограничения выхлопа. Эти условия включают отказ вышестоящих компонентов выхлопной системы (коллектор / коллектор и связанные с ними зажимы, подверженные ржавчине / коррозии и / или усталости, например, раскалывание выпускного коллектора после повторяющихся циклов нагрева), системы зажигания, например, катушек и / или первичного зажигания. компоненты (например, крышка распределителя, провода, катушка зажигания и свечи зажигания) и / или поврежденные компоненты топливной системы (топливные форсунки, регулятор давления топлива и соответствующие датчики). Утечки масла и / или охлаждающей жидкости, возможно, вызванные утечкой из прокладки головки,может также вызвать большое количество несгоревших углеводородов. С 2006 г. (в США) 10%в бензин добавлен этанол . [22] Этанол в топливе может растворять большое количество воды, потенциально перенося коррозионные ионы и кислотные соединения к компонентам топливной системы. [23] Сам этанол также может перевариваться acetobacter в присутствии воды, образуя коррозионную уксусную кислоту . Эти факторы могут привести к коррозии компонентов топливной системы и аномально высокому соотношению воздух-топливо . [24]

Транспортные средства, оборудованные диагностическими системами OBD-II , предназначены для предупреждения водителя о состоянии пропуска зажигания посредством включения индикатора «Проверьте двигатель» на приборной панели или его мигания, если текущие условия пропуска зажигания достаточно серьезны, чтобы потенциально повредить каталитический нейтрализатор.

Правила [ править ]

Нормы выбросов значительно различаются от юрисдикции к юрисдикции. Большинство автомобильных двигателей с искровым зажиганием в Северной Америке оснащались каталитическими нейтрализаторами с 1975 года [1] [2] [3] [4], а технология, используемая в неавтомобильных приложениях, как правило, основана на автомобильной технологии.

Правила для дизельных двигателей также различаются, при этом в некоторых юрисдикциях основное внимание уделяется НЕ
Икс (оксид азота и диоксид азота) и другие с упором на выбросы твердых частиц (сажи). Такое разнообразие нормативных требований является сложной задачей для производителей двигателей, поскольку может быть неэкономично спроектировать двигатель, отвечающий двум наборам правил.

Нормы качества топлива различаются в зависимости от юрисдикции. В Северной Америке, Европе, Японии и Гонконге бензин и дизельное топливо строго регулируются, а сжатый природный газ и сжиженный нефтяной газ (автогаз) пересматриваются на предмет регулирования. В большинстве стран Азии и Африки правила часто нестрогие: в некоторых местах содержание серы в топливе может достигать 20 000 частей на миллион (2%). Любая сера в топливе может быть окислена до SO 2 ( диоксид серы ) или даже SO 3 ( триоксид серы ) в камере сгорания . Если сера проходит через катализатор, она может быть дополнительно окислена в катализаторе, т.е. SO 2 может быть дополнительно окислен до SO.3 . Оксиды серы являются предшественниками серной кислоты , основного компонента кислотных дождей . Хотя можно добавлять такие вещества, как ванадий, к покрытию катализатора для борьбы с образованием оксида серы, такое добавление снизит эффективность катализатора. Наиболее эффективное решение - дальнейшая очистка топлива на НПЗ для производства дизельного топлива со сверхнизким содержанием серы . Нормы Японии, Европы и Северной Америки жестко ограничивают допустимое количество серы в моторном топливе. Однако прямые финансовые затраты на производство такого чистого топлива могут сделать его непрактичным для использования в развивающихся странах. В результате города в этих странах с высокой интенсивностью движения автотранспорта страдают от кислотных дождей, [необходима цитата ],который повреждает камень и деревянные конструкции зданий, отравляет людей и других животных и наносит ущерб местнымэкосистемам, что требует очень больших финансовых затрат.

Отрицательные аспекты [ править ]

Каталитические нейтрализаторы ограничивают свободный поток выхлопных газов, что отрицательно сказывается на характеристиках автомобиля и экономии топлива, особенно в старых автомобилях. [25] Поскольку карбюраторы ранних автомобилей не могли точно контролировать топливно-воздушную смесь, каталитические нейтрализаторы автомобилей могли перегреваться и воспламенять легковоспламеняющиеся материалы под автомобилем. [26] Тест 2006 года на Honda Civic 1999 года показал, что удаление стандартного каталитического нейтрализатора привело к увеличению мощности на 3%; новый преобразователь с металлическим сердечником обошелся автомобилю всего в 1% мощности по сравнению с отсутствием преобразователя. [27] Некоторым энтузиастам производительности это скромное увеличение мощности при очень небольших затратах или бесплатно побуждает демонтировать или «выпотрошить» каталитический нейтрализатор. [25] [28]В таких случаях преобразователь может быть заменен на приварную секцию обычной трубы или фланцевую «тестовую трубу», якобы предназначенную для проверки, не забит ли преобразователь, путем сравнения того, как двигатель работает с преобразователем и без него. Это облегчает временную переустановку преобразователя для прохождения испытания на выбросы. [27] Со временем каталитические нейтрализаторы также могут «забиваться» сажей в процессе сгорания, что снижает их способность эффективно очищать токсичные газы. Этот налет можно удалить с помощью многочисленных очистителей топливной системы, таких как Redex и Cataclean. [29]Во многих странах запрещено снимать или отключать каталитический нейтрализатор по любой причине, кроме его прямой и немедленной замены. В Соединенных Штатах, например, это нарушение раздела 203 (a) (3) (A) Закона о чистом воздухе с поправками 1990 г., когда мастерская по ремонту транспортных средств снимает преобразователь с транспортного средства или приводит к отключению преобразователя. сняты с транспортного средства, кроме как для замены его другим преобразователем, [30] и Раздел 203 (a) (3) (B) запрещает любому лицу продавать или устанавливать любую часть, которая могла бы обойти, нарушить или вывести из строя любую систему контроля выбросов, устройство или элемент конструкции. Транспортные средства без работающих каталитических нейтрализаторов обычно не проходят проверку на выбросы загрязняющих веществ. Авторемонтапоставляет преобразователи с высоким расходом для автомобилей с модернизированными двигателями или владельцев которых предпочитают выхлопную систему с мощностью, превышающей штатную. [31]

Период разминки [ править ]

Автомобили, оснащенные каталитическими нейтрализаторами, выделяют большую часть своего общего загрязнения в течение первых пяти минут работы двигателя; например, до того, как каталитический нейтрализатор прогреется достаточно, чтобы быть полностью эффективным. [32]

В 1995 году компания Alpina представила катализатор с электрическим подогревом. Названный «E-KAT», он использовался в автомобиле Alpina B12 5,7 E-KAT на базе BMW 750i . [33] Нагревательные змеевики внутри каталитического нейтрализатора в сборе подвергаются электричеству сразу после запуска двигателя, в результате чего катализатор очень быстро нагревается до рабочей температуры, чтобы дать автомобилю право на обозначение транспортного средства с низким уровнем выбросов (LEV). [34] BMW позже представила тот же подогреваемый катализатор, разработанный совместно Emitec, Alpina и BMW, [33] в своем 750i в 1999 году. [34]

Некоторые автомобили содержат предварительный каталитический нейтрализатор, небольшой каталитический нейтрализатор перед главным каталитическим нейтрализатором, который нагревается быстрее при запуске автомобиля, снижая выбросы, связанные с холодным запуском. Предварительная кошка чаще всего используется производителями автомобилей при попытке достичь рейтинга автомобиля со сверхнизким уровнем выбросов (ULEV), например, на Toyota MR2 Roadster. [35]

Воздействие на окружающую среду [ править ]

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

  • Двигатель, оснащенный трехкомпонентным катализатором, должен работать в стехиометрической точке , что означает, что потребляется больше топлива, чем в двигателе с обедненной смесью . Это означает примерно на 10% больше выбросов CO 2 от автомобиля.
  • Для производства каталитического конвертера требуется палладий или платина ; часть мировых поставок этих драгоценных металлов производится недалеко от Норильска , Россия , где промышленность (среди прочего) привела к тому, что Норильск был добавлен в список самых загрязненных мест по версии журнала Time . [36]
  • Части каталитических нейтрализаторов и высокая температура самих преобразователей [37] могут вызвать лесные пожары , особенно в засушливых районах. [38] [39] [40]

Кража [ править ]

Из-за внешнего расположения и использования ценных драгоценных металлов, включая платину , палладий и родий , каталитические преобразователи являются мишенью для воров. Эта проблема особенно распространена среди грузовиков и внедорожников последних моделей из-за их большого дорожного просвета и легко снимаемых каталитических нейтрализаторов с болтовым креплением. Приварные преобразователи также подвержены риску кражи, так как их легко отрезать. [41] [42] [43] Копировальные ножи часто используются для незаметного снятия преобразователя [44] [45], но другие инструменты, такие как переносная сабельная пиламожет часто повредить другие компоненты автомобиля, такие как генератор переменного тока, проводку или топливопровод, таким образом, есть опасные последствия. Рост цен на металлы в США во время товарного бума 2000-х годов привел к значительному увеличению хищений конвертеров, а замена каталитического нейтрализатора может стоить более 1000 долларов. Эта сумма увеличивается (иногда значительно), если в процессе снятия преобразователя автомобилю был нанесен дополнительный ущерб. [46] [47] [48]

Диагностика [ править ]

В различных юрисдикциях теперь требуется бортовая диагностика для контроля функции и состояния системы контроля выбросов, включая каталитический нейтрализатор. Бортовые диагностические системы имеют несколько форм.

Датчики температуры используются для двух целей. Первый - это система предупреждения, обычно на двухходовых каталитических нейтрализаторах, которые до сих пор иногда используются на вилочных погрузчиках, работающих на сжиженном нефтяном газе. Датчик предназначен для предупреждения о том, что температура каталитического нейтрализатора превышает безопасный предел 750 ° C (1380 ° F). Более современные конструкции каталитических нейтрализаторов менее подвержены температурным повреждениям и могут выдерживать длительные температуры до 900 ° C (1650 ° F). [ необходимая цитата ] Температурные датчики также используются для контроля работы катализатора: обычно устанавливаются два датчика, один перед катализатором, а другой - после него, чтобы контролировать повышение температуры над сердечником каталитического нейтрализатора.

Датчик кислорода является основой замкнутого контура системы управления на искровым зажиганием богатых ожоговой двигателя; однако он также используется для диагностики. В автомобилях с OBD II после каталитического нейтрализатора устанавливается второй кислородный датчик для контроля уровня O 2 . Уровни O 2 контролируются, чтобы увидеть эффективность процесса сжигания. Бортовой компьютер сравнивает показания двух датчиков. Показания снимаются путем измерения напряжения. Если оба датчика показывают одинаковый выходной сигнал или заднее значение O 2"переключается", компьютер распознает, что каталитический нейтрализатор либо не работает, либо был снят, и загорится контрольная лампа неисправности, что повлияет на работу двигателя. Чтобы обойти эту проблему, были разработаны простые «имитаторы кислородного датчика» путем моделирования изменений в каталитическом нейтрализаторе с помощью планов и предварительно собранных устройств, доступных в Интернете. Хотя они не разрешены для использования на дорогах, они были использованы с неоднозначными результатами. [49] Подобные устройства применяют смещение к сигналам датчиков, позволяя двигателю работать на более экономичной обедненной смеси, что, однако, может повредить двигатель или каталитический нейтрализатор. [50]

НЕТ
Икс датчики чрезвычайно дороги и обычно используются только тогда, когда двигатель с воспламенением от сжатия оснащен нейтрализатором избирательного каталитического восстановления (SCR) или нейтрализатором NO.
Икс поглотитель в системе обратной связи. При установке в систему SCR может быть один или два датчика. Когда установлен один датчик, он будет предварительным катализатором; когда установлены два, второй будет посткатализатором. Они используются по тем же причинам и таким же образом, что и кислородный датчик; единственная разница - это контролируемое вещество. [ необходима цитата ]

См. Также [ править ]

  • Каталитический нагреватель
  • Оксид церия (III)
  • НЕТ Икс адсорбер
  • Моделирование рассеивания воздуха на проезжей части

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e Палука, Тим (зима 2004 г.). «Делать невозможное» . Изобретения и технологии . 19 (3). Архивировано из оригинала 3 декабря 2008 года . Проверено 14 декабря 2011 года .
  2. ^ a b c Издательство Петерсена (1975). «Каталитический нейтрализатор». В Эрвин М. Розен (ред.). Руководство по поиску и устранению неисправностей в автомобильной промышленности Petersen . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Гроссет и Данлэп. п. 493. ISBN. 978-0-448-11946-5. В течение многих лет выхлопная система ... оставалась практически неизменной до 1975 года, когда был добавлен странный новый компонент. Это называется каталитический нейтрализатор ...
  3. ^ a b c «General Motors считает, что у нее есть ответ на проблему загрязнения воздуха в автомобилях» . Клинок: Толедо, Огайо . 12 сентября 1974 . Проверено 14 декабря 2011 года .
  4. ^ a b c "Усилия по экономии топлива на головках каталитического нейтрализатора" . Страж Милуоки . 11 ноября 1974 . Проверено 14 декабря 2011 года .
  5. ^ "Выбор правильной дровяной печи" . Burn Wise . Агентство по охране окружающей среды США . Проверено 2 января 2012 года .
  6. ^ Castaignède, Лоран (2018). Airvore или лицо неясного транспорта; хроника загрязнения окружающей среды annoncée . Монреаль (Квебек): écosociété. стр. 109–110 и иллюстрация с. 7. ISBN 9782897193591. OCLC  1030881466 .
  7. ^ Csere, Чаба (январь 1988). «10 лучших инженерных достижений». Автомобиль и водитель . 33 (7): 63.
  8. ^ " Выхлопные газы стали безопасными " Popular Mechanics , сентябрь 1951 г., стр. 134, внизу страницы
  9. ^ « Его кошки, поедающие дым, теперь атакуют смог ». Popular Science , июнь 1955 г., стр. 83-85 / 244.
  10. ^ ( требуется регистрация ) «Карл Д. Кейт, отец каталитического нейтрализатора, умер в возрасте 88 лет» . Нью-Йорк Таймс . 15 ноября 2008 г.
  11. ^ Робертс, Сэм. «Джон Дж. Муни, изобретатель каталитического нейтрализатора, умер в возрасте 90 лет» . Нью-Йорк Таймс . AG Sulzberger.
  12. ^ [ ненадежный источник? ] штатный писатель (без даты). " Корпорация Энгельхард ". referenceforbusiness.com. Проверено 7 января 2011 года.
  13. ^ "Юджин Гудри" . Институт истории науки . Июнь 2016 . Проверено 27 октября 2016 года .
  14. ^ Роберт Н. Картер, Лэнс Л. Смит, Хасан Карим, Марко Кастальди, Шах Этемад, Джордж Мюнч, Р. Самуэль Бурс, Пол Менахерри и Уильям К. Пфефферле (1998). « Разработка технологии каталитического сжигания для газотурбинных двигателей ». MRS Proceedings , 549, 93 DOI: 10.1557 / PROC-549-93
  15. ^ Достойно, Шэрон. « Химик из Коннектикута получает награду за технологию очистки воздуха ». Биомедицина . 23 июня 2003 г. Дата обращения 11 декабря 2012 г.
  16. ^ a b Pischinger, Univ.-Prof. Д-р инж. Стефан (2011). Verbrennungsmotoren Band 2 (24-е изд.). Ахен, Германия: Lehrstuhl Für Verbrennungskraftmachinen. п. 335.
  17. ^ Мартин Воцмайер, Томас Кройцер, Юрген Гишофф, Герхард Лепперхофф. Контроль выхлопных газов автомобилей , в Энциклопедии промышленной химии Ульмана , Wiley-VCH 2002. DOI: 10.1002 / 14356007.a03_189.pub2
  18. ^ Kašpar, J .; Fornasiero, P .; Грациани, М. (1999). «Использование оксидов на основе CeO2 в трехкомпонентном катализе». Катализ сегодня . 50 (2): 285–298. DOI : 10.1016 / S0920-5861 (98) 00510-0 . ISSN 0920-5861 . 
  19. ^ a b Каспар, Ян; Форнасьеро, Паоло; Хики, Нил (2003). «Автомобильные каталитические преобразователи: современное состояние и некоторые перспективы». Катализ сегодня . 77 (4): 419–449. DOI : 10.1016 / S0920-5861 (02) 00384-X .CS1 maint: uses authors parameter (link)
  20. ^ Брандт, Эрих; Ван, Яньин; Гризл, Джесси (2000). «Динамическое моделирование трехкомпонентного катализатора для контроля выбросов выхлопных газов двигателя SI» (PDF) . IEEE Transactions по технологии систем управления . 8 (5): 767–776. DOI : 10.1109 / 87.865850 .
  21. ^ «Стандарты двигателей и транспортных средств для тяжелых условий эксплуатации и требования к контролю содержания серы в дизельном топливе для автомагистралей» (PDF) . 19 августа 2015.  (123 КБ)
  22. ^ https://business.inquirer.net/114239/10-ethanol-in-your-gas-tank-starts-easter-monday
  23. ^ https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.energyfuels.7b01682
  24. ^ https://www.equipmentworld.com/equipment/article/14952223/e-10-alive-the-corrosive-damage-ethanol-gasoline-does-to-your-fuel-pump
  25. ^ a b Crutsinger, Мартин (29 сентября 1982 г.). "Наборы для фольги для автоматического контроля загрязнения хорошо продаются". Солнце Гейнсвилля .
  26. ↑ Ульман, Оуэн (14 июня 1976 г.). «Каталитический нейтрализатор по-прежнему вызывает споры после двух лет использования». Бюллетень [ необходимы пояснения ] .
  27. ^ а б «Бить закон» . Импортировать тюнер . 1 октября 2006 года Архивировано из оригинала 28 февраля 2014 года . Проверено 9 января 2011 года .
  28. ^ «Некоторые из нас могут позволить себе только драндулет». Пост Палм-Бич . 23 февраля 1996 г.
  29. ^ "Обзор катаклинов. Действительно ли это работает?" . carwitter.com . Проверено 15 августа 2020 .
  30. ^ Продажа и использование послепродажных каталитических преобразователей , Агентство по охране окружающей среды США, Федеральный регистр США, том 51
  31. ^ Таннер, Кит. Mazda MX-5 Miata . Мотоциклы . п. 120.
  32. ^ Каталитические нейтрализаторы , nsls.bnl.gov
  33. ^ a b «Вехи» . alpina-automobiles.com . Архивировано из оригинала на 30 июня 2015 года . Дата обращения 5 июня 2015 .
  34. ^ a b Эдгар, Джулиан (5 октября 1999 г.). «Прощай, 12 вольт ... привет 42 вольт!» . Автоскорость. Архивировано из оригинального 28 мая 2012 года . Проверено 2 января 2012 года . Текущая модель BMW 750iL имеет максимальную электрическую нагрузку 428 ампер (5,9 кВт)! В этом автомобиле более половины максимальной нагрузки приходится на кратковременный электрический нагрев каталитических нейтрализаторов.
  35. ^ "Предварительные кошки - Что вы должны знать" . Клуб владельцев Toyota - Форум Toyota . Проверено 15 апреля 2018 года .
  36. ↑ Уолш, Брайан (12 сентября 2007 г.). «Норильск, Россия» . Самые загрязненные места в мире . Время . Проверено 7 января 2011 года .
  37. ^ «Вот как избежать случайного начала следующей огненной бури» . pe.com . 6 сентября 2016 г.
  38. ^ «Возгорание от каталитического нейтрализатора является обычным явлением» . ocregister.com . 18 ноября 2008 . Проверено 15 апреля 2018 года .
  39. ^ "Каталитический нейтрализатор обвиняется в том, что он вызвал возгорание щетки SR-52" . fox5sandiego.com . 29 июня 2017 . Проверено 15 апреля 2018 года .
  40. ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала 14 июля 2017 года . Проверено 14 июля 2017 года .CS1 maint: archived copy as title (link)
  41. ^ Фрага, Брайан (30 ноября 2011 г.). «Полиция Карвера расследует кражу каталитического нейтрализатора» . Южное побережье сегодня . Проверено 21 декабря 2011 года .
  42. ↑ Медичи, Джо (31 июля 2007 г.). «Коварные воры» . Chroniclet.com . Архивировано из оригинального 28 сентября 2007 года.
  43. ↑ Мурр, Эндрю (9 января 2008 г.). «Изнурительное новое преступление - что воры крадут из современных автомобилей» . Newsweek . Проверено 7 января 2011 года .
  44. ^ «Каталитические нейтрализаторы воруют на ценные металлы» . 11 декабря 2019 г. - через www.rte.ie. Cite journal requires |journal= (help)
  45. ^ "Полиция Котати арестовала подозреваемых в краже каталитического нейтрализатора" . 29 ноября 2019.
  46. ^ "Воры по всей стране скользят под машинами, проникая в каталитические нейтрализаторы" . Нью-Йорк Таймс . 9 февраля 2021 г.
  47. ↑ Джонсон, Алекс (12 февраля 2008 г.). «Украдено за 60 секунд: сокровище в твоей машине - по мере роста цен на драгоценные металлы каталитические преобразователи становятся мишенью для воров» . NBC News . Проверено 7 января 2011 года .
  48. ^ "Преобразователи, захваченные ворами автомобильной партии". PoconoNews . 2 июля 2009 г.
  49. ^ «Урегулирование включает в себя незаконный контроль выбросов 'Defeat Devices', проданные для автомобилей» . 1 июня 2007 г.
  50. ^ "Проверьте огни двигателя, по какой-то причине". Concord Monitor . 12 января 2003 г.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Keith, CD, et al. Патент США 3441381 : «Устройство для очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания». 29 апреля 1969 г.
  • Lachman, IM et al. Патент США 3,885,977 : «Анизотропный кордиеритовый монолит» (керамическая подложка). 5 ноября 1973 г.
  • Чарльз Х. Бейли. Патент США 4 094 645 : «Комбинированный глушитель и каталитический нейтрализатор с низким противодавлением». 13 июня 1978 г.
  • Чарльз Х. Бейли. Патент США 4250146 : «Безкорпусный монолитный каталитический нейтрализатор». 10 февраля 1981 г.
  • Шринивасан Гопалакришнан. GB 2397782  : «Процесс и синтезатор для молекулярной инженерии материалов». 13 марта 2002 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Каталитический нейтрализатор в HowStuffWorks
  • Применение высокотемпературной изоляционной ваты в автомобилестроении
  • Фотографии каталитического нейтрализатора
  • Информация о переработке каталитического нейтрализатора