Как работает каталитический дожигатель?

На дорогах нашей страны миллионы машин, и каждая из них является источником загрязнения атмосферы. В крупных городах больше автомобилей, поэтому их выхлопы могут больше навредить атмосфере.

Для решения этой проблемы были приняты законы о контроле над загрязнением воздуха, ограничивающие выброс вредных веществ, производимый автомобилями. За многие годы производители автомобили внесли много изменений в конструкцию двигателей и топливных систем для соответствия требованиям этих законов. Одно из таких изменений относится к 1975 г., когда было представлено интересное устройство под названием каталитический дожигатель выхлопных газов. Каталитический дожигатель предназначен для преобразования вредных веществ в менее вредные до их выхода из выхлопной системы автомобиля.

Каталитический дожигатель имеет очень простую конструкцию и огромное значение. В этой статье мы расскажем о том, какие вредные вещества производятся двигателем, и как каталитический дожигатель справляется с ними, снижая выбросы в атмосферу.

Вредные вещества, производимые двигателем

Для того, чтобы уменьшить выброс вредных веществ, двигатели современных автомобилей тщательно контролируют количество сжигаемого топлива. Они стараются поддерживать состав горючей смеси очень близким к стехиометрической точке, т.е. идеальному соотношению воздуха и топлива. В теории, при таком соотношении все топливо сгорает, благодаря кислороду, содержащемуся в воздухе. Для бензина стехиометрическое соотношение составляет приблизительно 14,7:1, т.е. на 1 кг бензина должен приходиться 14,7 кг воздуха. В действительности, во время езды состав топливной смеси немного отличается от идеального соотношения. Иногда смесь может быть бедной (отношение воздуха к топливу выше 14,7) или богатой (отношение воздуха к топливу ниже 14,7).

Выбросы двигателя включают следующие вещества:

• Газообразный азот (N2) - воздух на 78% состоит из азота, и большая его часть проходит через двигатель.
• Углекислый газ (СО2) - один из продуктов сгорания. Углерод, содержащийся в топливе, связывается с кислородом из воздуха.
• Пары воды (Н2О) - еще один продукт сгорания. Водород, содержащийся в топливе, связывается с кислородом из воздуха.

По большей части, эти выбросы не являются вредными, хотя считается, что углекислый газ способствует глобальному потеплению. В связи с тем, что процесс сгорания протекает в неидеальных условиях, двигатель также производит небольшое количество вредных выбросов. Каталитический дожигатель предназначен для их нейтрализации:

• Угарный газ (СО) - ядовитый газ без цвета и запаха.
• Углеводороды или летучие органические соединения (ЛОС) образуются из испарений несгоревшего топлива и приводят к возникновению смога.
• Оксиды азота (NO и NO2 или их общее обозначение NOx) приводят к образованию смога и кислотных дождей, которые могут оказывать неблагоприятное воздействие на слизистые оболочки.

Далее мы расскажем о том, что происходит внутри каталитического дожигателя.

Как каталитический дожигатель борется с загрязнением?

В химии катализатором называется вещество, которое вызывает или ускоряет химическую реакцию без его изменения. Катализатор принимает участие в реакции, но не являются ни реагентами, ни продуктами реакции. В теле человека энзимы являются естественными катализаторами, отвечающими за протекание большинства важных биохимических реакций [источник: Chemicool].

В каталитическом дожигателе задействовано два типа катализаторов: восстановительный катализатор и окислительный катализатор. Оба типа состоят из керамической структуры, покрытой металлическим катализатором, обычно платиной, родием и/или палладием. В связи с тем, что материалы являются чрезвычайно дорогими, требуется создать конструкцию, обеспечивающую максимальную площадь контакта катализатора с потоком выхлопных газов при минимальном количестве катализатора. В некоторых новых дожигателях используется смесь золота с более традиционными катализаторами. Золото дешевле других материалов и может повысить окисление - химическую реакцию, снижающую количество вредных веществ до 40% [источник: Kanellos].

Большинство современных автомобилей оснащены трехступенчатыми каталитическими дожигателями. Такая конструкция используется для контроля трех типов загрязняющих выбросов, с которыми борется дожигатель.

На первой ступени дожигателя используется восстановительный катализатор. В катализаторе используется платина и родий, снижающие выброс NOx. При контакте молекул NO и NO2 с катализатором, происходит восстановления кислорода для образования О2. Атомы азота связываются с другими восстановленными атомами азота для образования N2. Пример:

2NO => N2 + O2 или 2NO2 => N2 + 2O2
2NO => N2 + O2 или 2NO2 => N2 + 2O2

На второй ступени дожигателя используется окислительный катализатор. Он снижает количество несгоревших углеводородов и угарного газа, сжигая (окисляя) их при участии платинового или палладиевого катализатора. Такой катализатор ускоряет реакцию СО и углеводородов с кислородом, содержащимся в выхлопе. Пример:

2CO + O2 => 2CO2

В каталитических дожигателях используется два основных типа конструкций - соты и керамическая подложка. В большинстве современных автомобилей используется сотовая конструкция.

Далее мы расскажем о третьей ступени каталитического дожигателя, а также о том, как повысить его КПД.

Борьба с загрязнением и повышение КПД

Третья ступень дожигателя включает систему контроля, которая отслеживает состав выхлопа для управления системой впрыска топлива. В автомобилях имеется датчик кислорода, расположенный ближе к двигателю, чем каталитический дожигатель. Этот датчик отслеживает содержание кислорода в выхлопе и передает информацию на компьютер двигателя. Компьютер двигателя может повышать или понижать содержание кислорода в выхлопе, регулируя отношение воздуха к топливу. Такая схема контроля позволяет компьютеру двигателя обеспечивать работу двигателя максимально приближенно к стехиометрической точке, а также обеспечивать достаточное содержание кислорода в выхлопе для сжигания несгоревших углеводородов и СО с использованием окислительного катализатора.

Каталитический значительно снижает выброс вредных веществ, но все же его можно существенно улучшить. Недостатком каталитического дожигателя является то, что он работает при достаточно высокой температуре. При холодном запуске двигателя, каталитический дожигатель практически не выполняет свою работу.

Одним из простых решений этой проблемы является установка дожигателя ближе к двигателю. При этом в дожигатель поступают более горячий выхлоп, и дожигатель прогревается быстрее, но эксплуатация при экстремально высоких температурах может сократить срок его службы. Большинство производителей автомобилей устанавливают дожигатель под передним пассажирским сидением, что достаточно далеко от двигателя, чтобы обеспечивать безопасную температуру работы.

Предварительный прогрев каталитического дожигателя также позволит снизить выброс вредных веществ. Для прогрева дожигателя проще всего использовать нагреватель с электросопротивлением. К сожалению, 12-вольтные электрические системы большинства автомобилей не обеспечивают достаточную мощность для быстрого прогрева каталитического дожигателя. Большинство водителей не станут ждать несколько минут перед запуском двигателя для прогрева дожигателя. В гибридных автомобилях используются большие высоковольтные аккумуляторы, которые могут обеспечить мощность, достаточную для быстрого прогрева каталитического дожигателя.

Каталитические дожигатели дизельных двигателей практически не справляются с устранением NOx. Это происходит из-за более низкой рабочей температуры по сравнению с бензиновым двигателем, а дожигатели работают лучше при высокой температуре. Некоторые ведущие автомобильные эксперты в сфере защиты окружающей среды разработали решение для этой проблемы. Они вводят раствор мочевины в выхлопную трубу, который испаряется, смешивается с выхлопом и приводит к химической реакции, снижающей выброс NOx. Мочевина, или карбамид, является органическим соединением, состоящим из углерода, азота, кислорода и водорода. Она получается из мочи млекопитающих и земноводных. Мочевина вступает в реакцию с NOx с выделением водяного пара и азота, нейтрализуя более 90% оксидов азота выхлопе [источник: Innovations Report].